沉降控制——原理与案例

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1、沉降控制沉降控制原理与案例原理与案例沉降控制沉降控制原理与案例原理与案例1、前言 2、地基沉降（或隆起）的原因与发生机理 3、地基变形的规律 4、防止地基变形的措施和施工实例 5、几点体会沉降控制原理与案例、前言近几年来，我国城市轨道交通（地铁）建设的发展十分迅猛。地铁隧道的施工工法有明挖法、矿山法和盾构法等工法。盾构法具有施工速度快、地基沉降变形小等特点。随着盾构法隧道施工技术的发展和人们对盾构隧道施工工法的认识的加深，盾构隧道施工法正日益得到广泛的使用,仅广州地铁三号线就投入了21台次盾构施工，四号线投入了12台次盾构机施工，地铁五号线投入了18台盾构机施工，六号线将投入16台次施工。在城

2、市里进行地铁隧道施工，必然会遇到临近施工，引起地基位移、变形，产生地表以及地面和地下建（构）筑物沉降（或隆起），带来了建（构）筑物保护问题。当发生地基下沉（或隆起）时，会损坏或损伤煤气管道、自来水管、电力电缆、通信电缆等邻近埋设物以及房屋、桥梁、道路等建（构）筑物，对周边发生不良影响。严重的会造成地面塌方、管线断裂、房子倒塌，带来难以估量的损失。盾构隧道施工法与其他施工法相比，地基的位移少，可以极力减少对原有建（构）筑物的影响，因而得到广泛的推广应用。与其他工法一样，盾构法施工产生变形（沉降或隆起）是不可避免的，因而其沉降控制的重要性就不言而喻了。由盾构施工所导致的地基变形的大小，因线路、覆土

3、厚度、盾尾空隙量等设计条件、地基条件而异。但是，通过选择适当的施工方法和加强施工管理，一般可以把地基变形控制在最小限度以内。为此，应选择适合地基并具有开挖面稳定装置的盾构型式，进行认真的推进管理，同时妥当地进行一次衬砌、壁后注浆，做好施工地基变形控制。2、地基沉降（或隆起）的原因与发生机理21 开挖时的水、土压力不均衡土压平衡式盾构或泥水加压式盾构，由于推进量与排土量不等的原因，开挖面水压力、土压力与压力舱压力产生不均衡，致 使开挖面失去平衡状态，从而发生地基变形。开挖面的土压力、 水压力小于压力舱压力时产生地基下沉，大于压力舱压力时产生 隆起。这是由开挖时开挖面的应力释放，附加应力等引起的弹

4、塑 性变形。22 推进时围岩的扰动盾构推进时，由于盾构的壳板与围岩摩擦和围岩的扰动从而引起地基下沉或隆起。特别是蛇行修正和曲线推进时引起的超挖 ，是产生围岩松动的原因。23 盾尾空隙的发生和壁后注浆不充分由于盾尾空隙的发生使盾壳支承的围岩朝着盾尾空隙变 形而产生地基下沉。这是由应力释放引起的弹塑性变形。地基 下沉的大小受壁后注浆材料材质及注入时间、位置、压力、数 量等影响。另外，粘性土地基中的壁后注浆压力过大是引起临 时性地基隆起的原因。24 一次衬砌的变形及变位接头螺栓紧固不足时，管片环容易变形，盾尾空隙的实际 量增大，管片从盾尾脱出后外压不均等使衬砌变形或变位，从 而增大地基下沉。25 地

5、下水位下降来自开挖面的涌水或一次衬砌产生漏水时，地下水位下降 而造成地基下沉。这一现象是由于地基的有效应力增加而引起 固结沉降。3、地基变形的规律31 隧道纵向的地基变形随着盾构推进所发生的地基变形，上述各种原因引起的地基下沉或隆起现象重叠发生，其时序过程如图3.1（盾构推进时地基变形的分类）所示，最后达到最终值。其中，、是盾构通过前，是通过中，、是通过后发生的下沉（隆起）现象。的现象并非不可避免，如果选择了合适地基的盾构型式，是可以控制在最小限度以内的。图3.1 盾构推进时地基变形的分类施工过程中可通过监测结果来确认这些现象的有无及其程度，修正后续区段的施工方法。先期沉降：是在盾构机到达前发

6、生的下沉。对于砂质土，先期沉降是由地下水位下降引起的。对极软弱粘土，先期沉降则由于开挖面的过量取土而引起的。开挖面前部下沉（隆起）：是在盾构开挖面即将到达之前发生的下沉或隆起。开挖面的水土压力不平衡是其发生的原因。通过时下沉（隆起）：盾构通过时发生的下沉或隆起。盾构外周面与围岩发生摩擦，或超挖使围岩扰动是其发生的主要原因。盾尾空隙下沉（隆起）：盾尾刚刚通过发生的下沉或隆起，是由于盾尾空隙的产生引起应力释放或壁后注浆压力过大而产 生的。地基下沉的大部分都是这种盾尾空隙下沉。后续下沉：是软弱粘土中出现的现象，主要是由于盾构推 进引起整个地基松弛或扰动而发生的。可持续到盾构通过后3 4个月。32 隧

7、道横断面方向的沉降由盾构的推进引起的横断方向的最终地基下沉分布，一般以 隧道为中心单向横坡，近似于倒立的标准概率曲线的形状（图3.2 为某区间实测横断面沉降曲线图）。右线隧道（先行隧道） 图3.2 某区间横断面沉降曲线图其影响范围大致保持以盾构下端处起的仰角45/2扩散 区域内（其中为土体的内摩擦角，砂土的内摩擦角变化范 围2840 ，粘性土的内摩擦角变化范围030 ）。 一 般情况下，影响范围考虑仰角45即可。33 地基变形的大小地基下沉量的大小与传递状况、地基条件、施工情况和覆土比 (覆土厚度与盾构直径比)等因素有关。洪积性地基和冲积性砂土时 ，地中下沉在传递到地表的过程中减少。而冲积性粘

8、性土正相反 ，盾构通过后，下沉还长时间继续（达几个月），即使覆土比大 ，最终地表下沉与地中下沉一样。4、防止地基变形的措施和施工实例41地基变形的预测与监测为了减少地基变形，盾构推进前事先根据过去的实绩和有限 单元法等进行预测，以预测结果为依据来设定管理基准值。同时 ，在推进时，要在隧道中心向上及其两侧范围内设定监测点，进 行水准测量，并根据监测结果指导施工，调整施工参数，总结经 验，应用到后续区段的施工管理中。+10mm-30mm。盾构法施工地基变形的产生，归根结底主要是由于施工时地 层的变化即地层的损失（分正、负）而造成，而地基变形的产 生是有个过程的。因此，控制地层的损失，及时补偿地层的

9、损失 ，是控制地基变形的主要措施。42 开挖过程中水土压力不均衡的防止措施土压平衡式盾构可通过调整推进速度和螺旋式排土器的转速 ，使土舱压力与开挖面土水压力相对应。另外可根据需要，注入 适当的添加剂增加开挖土的塑性流动性，使压力舱内不产生空隙 。泥水加压式盾构可根据围岩的透水性来调整泥浆性状，并仔细 进行泥浆管理，使压力舱压力始终对应于开挖面的土水压力。通 过控制土舱压力可达到控制开挖面前部下沉（或隆起）目的，对 总的沉隆控制具有较重要意义，最好是控制开挖面前部不产生下 沉或略有隆起（5mm）。实施这些开挖面稳定管理的同时，还应根据需要研究采用辅 助施工方法以保证围岩的稳定。43 推进中围岩扰

10、动的防止措施为了减少推进中盾构与围岩之间的摩擦，尽量不扰动围岩 ，必须控制好盾构姿态，减少盾构偏转及横向偏移等防止蛇行 发生，减少超挖量。盾构姿态发生偏差时，应缓慢纠偏，不能 操之过急。44盾尾空隙下沉与壁后注浆引起的地基隆起的防止措施盾尾空隙下沉与壁后注浆引起的地基隆起是盾构法施工产 生沉隆的主要原因，必须严格控制好。根据围岩状态来选择渗 透性好、固结强度大的壁后注浆材料，并尽量与盾构推进的同 时进行壁后注浆即采用同步注浆。推进过程中及时进行足量 注浆，保证注浆的数量和质量，就能有效地控制沉降。另外， 还应根据需要进行二次注浆控制下沉，降低由于二次注浆引起 的下沉。但是，特别是冲积粘性土时，

11、必须进行控制由二次注 浆压力引起地基隆起或地基扰动。二次注浆的采用主要是根据 监测结果而定。45 一次衬砌的变形防止措施为了防止管片环变形，必须使用形状保持装置（如保园器 ）等来确保管片组装精度，同时充分紧固接头螺栓，必要时要 作二次紧固。46 地下水位下降的防止措施为了防止从管片接头、壁后注浆孔等漏水，必须仔细进行 管片的组装及防水作业，做好连接螺栓的紧固工作。施工过程 中，盾构机的螺旋输送器、盾尾密封刷等必须保持良好的密封 性能，防止失效漏水。对完成施工的隧道渗漏水，必须及时采 取措施进行堵漏。47 其他盾构法施工的不同阶段会有不同的工况，必须有针对性地 采取措施，把沉降控制在最小限度以内

12、。471 盾构法施工的始发与到达盾构始发或到达端几米范围内，一般都事先进行了加固或者地层地质条件较好，但加固范围比盾构主机短，盾构机刀盘直径 比盾体大（如客大区间使用的盾构机，为了减少推进过程中盾构 与围岩之间的摩擦，盾构机机型设计为锥形，前大后小。刀盘开 挖直径为：6280 mm，盾构切口环（前体）外径为：6250mm，盾 构支承环（中体）外径为：6240 mm，盾尾外径为：6230mm。），开挖出来的轮廓比盾体外径大，使始发掘进时加固体前开挖掌 子面的地下水通过盾体外周的空隙流向洞门。到达贯通时加固体 后的地下水也会流向洞门，如果有淤泥或含水砂层等软土层，则 很容易产生水土流失，造成地面发

13、生较大沉降，甚至产生塌方。 因此，首先，必须保证始发与到达洞门橡胶帘布的密封效果；其 次，管片脱出盾尾后应及时注浆充填。472 施工过程中的刀具更换施工过程中刀具磨损到一定的程度或者为了适应不同的地层 ，都必须进行换刀。换刀通常在欠压状态下进行，此时容易造成 开挖面失稳，甚至发生塌方，地基变形。因此，必须选择合适的 地质条件和地面环境的地点进行换刀，或者预先对地层进行加固 后换刀，又或者采用压气作业等措施进行换刀。473 过重点保护的建（构）筑物的措施重点保护的建（构）筑物离隧道较近，对地基变形很敏感， 控制不好容易发生较大的沉降或隆起而遭到损坏，因而对沉隆的 控制要求较高。因此，对这类建（构

14、）筑物必须预先调查了解清 楚（包括地面环境、地基与基础、隧道穿越的地层等），制定切 实可靠的方案后方可实施。往往是几种措施都同时用上，并有应 急预案。通常的做法是：采取土压平衡模式掘进；连续、快速、 均衡推进；及时、足量注浆（根据监测结果，必要时作二次注浆 ）。48 案例481 广州地铁二号线越三区间盾构隧道施工沉降控制地铁二号线越三区间盾构穿越密集建筑群地段，隧道上覆 土层厚度为28m9m，穿越的地层大部分是中风化岩8、强 风化岩7和微风化岩9（岩性为砂岩、泥质粉砂岩等）， 其次是全风化岩6和残积土层5-2，地下水主要为第四系 孔隙水与基岩裂隙水，地下水位为地表以下1-2m。管片与地层间 的

15、空隙采用同步注浆（水泥砂浆）回填。经过计算设定施工土压 力为0.079-0.10MPa。监测结果显示，地表最大沉降为-7.6mm,个 别点隆起+1.3mm，很好地达到了预期的目的，顺利穿越了密集 建筑群。地铁二号线越三区间盾构穿越地下人行通道，该人行通道位 置的地层主要为7强风化岩和5-1、5-2残积土层， 隧道埋深8m，人行通道距隧道3.5m。经计算采用了0.101 MPa - 0.111 MPa的施工土压力，并采用同步注浆的方法施工，最终沉 降、隆起值控制在-2mm+0.5mm。盾构穿越广州火车站站场，越三区间右线隧道YCK16+745.5YCK16+910.5长165m区段穿越广州火车站

16、站场的十四股轨道；左线ZCK16+768ZCK16+925.5长157.5m区段穿越广州火车站站场的十四股轨道。隧道在此位置穿越的主要地层为中风化岩层8和强风化岩层7，隧道埋深15m20m。要求“盾构掘进通过火车站时，轨面沉降值不得超过10mm，两股钢轨水平高差不得超过4mm，且在任何情况下，最大隆起量不得超过+10mm。”根据地质状况和隧道周边施工环境，经计算采用0.069MPa0.079Mpa的土舱压力掘进（后施工的左线比右线提高0.01MPa0.02Mpa），快速通过，盾尾同步注浆。施工完毕后最终实测沉降最大值为5.4mm，两条钢轨面高差为1mm，完全满足有关要求，效果很理想。 482 广州地铁二号线赤鹭区间盾构隧道施工沉 降控制赤鹭区间盾构隧道由两条并行单线隧道组成，左右线隧 道总长4342.3m，线间距812m，隧道埋深814m，采用两台 德国海瑞克公司生