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6 城市地铁区间隧道 盾构施工监测技术

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6.1盾构法施工地层变形理论6.1.1盾构法施工简介盾构法施工概貌如图6.1所示，其主要步骤为： 1)在盾构法隧道起始端和终端各建一个工作井； 2)盾构在起始端工作井内安装就位； 3)依靠盾构千斤顶推力(作用在已拼装好的衬砌环和 工作井后壁上)将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出； 4)盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不 断出土和安装衬砌管片； 5)及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定 衬砌环位置； 6)盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可 穿越工作井再向前推进。

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图6.1盾构法施工概貌图

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盾构机刀盘

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盾构机始发

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盾构管片

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6.1.2盾构施工地层变形的原因造成地表沉降的主要原因包括两个方面：其一是盾构 施工过程中产生的地层损失；其二是盾构隧道周围受扰动 或受剪切破坏的重塑土的再固结。 6.1.2.1地层损失 地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道 体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引 起地面沉降。引起地层损失的施工及其他因素是： (1)开挖面土体的三维移动。 (2)盾构对土体的挤压和剪切摩擦。 (3)盾构刀盘的超挖。 (4)改变推进方向引起的超挖。 (5)土体挤入盾尾空隙。 (6)盾尾同步注浆与及时注浆。

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6.1.2.2受扰动土的固结 盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道 的周围形成超孔隙水压力区(正值或负值)。当盾构离开该 处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压 力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引 起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作 用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值 的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的 一段时间内消散，在此过程中地层发生排水固结变形，引 起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时 间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉 降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固 结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达 35%以上。

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从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾 构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力 等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。

盾构推进引起的地层移动因素有盾构直径、埋深、土 质、盾构施工情况等； 客观因素：隧道线形、盾构外径、埋深等设计条件和 土的强度、变性特性、地下水位分布等地质条件； 主观因素：盾构的形式、辅助施工方法、衬砌壁后注 浆、施工管理等情况

。

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6.1.3地层位移的特征 按地层沉降变化曲线的情况，盾构隧道施工引起的地 层位移可分为5个阶段： 1盾构到达前的初始沉降。 2盾构到达时的沉降或隆起。 3盾构通过时的推进沉降。 4盾构通过后的盾尾空隙沉降。 5地层后期固结变形。 一般来说，随着地质条件和施工措施的不同，上述各 种沉降并不同时发生，并且沉降的大小和类型也不相同。 随着盾构施工技术水平的改进，盾构机对正面土压力的控 制技术和同步注浆技术可以极大的减小地面沉降。

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6.1.4地面沉降及影响范围的预测 派克横向地面沉降分布公式为

S ( x) S max

x2 exp( 2 ) 2i

S (x) —距隧道中线处的地面沉降量(m); S max —隧道中线处(即)的地面沉降量(m); x —距隧道中线的距离(m); i —沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点的横坐标(m), 派克并假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。

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S 当横向沉陷曲线为正态分布曲线时， 和沉降槽体积 V(s(一般 ) 认为横向沉降槽体积等于地层损失)有下列关系：max

S max

V( s ) 2 i

V( s ) 2.5i

横向沉降槽宽度系数取决于接近地表的地层的强度、隧道 埋深和隧道半径。根据在均匀介质中的试验，可以从几何关系 中近似地得出：

Z n i K( ) 2R

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派克纵向沉降分布(根据上海软土隧道情况修正)公式

y yl VL 2 y y 'i VL1 y yi y y 'l S ( y) ) ( ) ) ( ) ( ( i i i i 2 i 2 i

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图6.2地面沉降量及范围预测图

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沉降影响范围估算公式：

R —隧道外半径(m); K n —系数，见表6.1;

Z —地面至开挖面中心距离(m);

Z n W 1.5RK ( ) 2R

表6.1 系数土质 盾构类型 气压式盾构 土压平衡式盾构 砂砾土

K ,n 表砂性土 粘性土

K0.90 0.95

n0.55 0.60

K0.60 0.65

n1.15 1.20

K1.25 1.30

n0.65 0.70

泥水加压式盾构

1.00

0.65

0.70

1.25

1.35

0.75

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6.2盾构隧道监测的意义和目的由于盾构所穿越的地层地质条件千变万化，而施工前 的工程地质勘察的局限性，依据工程地质勘察不可能完全 揭示地质条件和岩土介质的物理力学性质，因此盾构法的 设计和施工方案总是存在一些不足。通过对盾构推进全过 程的监测，掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律， 将监测结果及时反馈，合理调整施工参数和采取技术措施， 可以极大的减小地层位移，确保邻近建筑物的安全。施工 监测是对周围环境进行积极保护的一个关键措施，是安全 经济的完成整个隧道工程的一个重要保证条件。