盾构法区间沉降的系统性分析

1、第78周工作报告曾凡宇1、 工作概述（一）工程现阶段进展8号线拆撑施工，赵家条站至罗家庄站盾构推进，附属结构钻孔桩施工。（二）主要工作内容整理采集数据；由于右线暂推至70余环，则录入右线前70环数据，并与左线前70环进行对比，对比分析沉降原因；将监测数据与盾构掘进过程匹配，得出开挖全程的沉降变化曲线。2、 沉降问题对比分析第1环的成型里程为DK21+885.800,第70环的成型里程为DK21+989.300DCJ1- 位置为DK21+885.000，DCJ10- 位置为DK22+006.000。注：右线第10监测点沉降暂未稳定。根据检测报告，从第4点开始右线累计沉降比左线累计沉降有明显减少，

2、平均减少量为10余mm。但第1-3点左线累计沉降比右线少，第3点沉降差距尤其大，再考虑到始发区有9m长的土体加固区，所以分为两类考虑。（一）第4-9监测点段首先，地质情况是类似的，且经查证浆液的质量配比（水泥：粉煤灰：水：膨润土：砂=100：400：230：30：240）是恒定的，浆液稠度也相对稳定。每环出土量左右两线均为四车。则初步认为左线大幅沉降是盾构机操作的原因。控制沉降主要是由掘进与同步注浆这两个主要工序决定。1.土仓压力盾构机土压力的测量分为上下左右四个点位，由于土压力数据十分敏感波动很大，对数据采集造成了一些困难。在此，土压力记录采取了人工随机抓取10次数据，去掉各个最高值与最低值

3、再求平均值的方法得出。每天一次，共在右线记录了10次。得出掘进时平均土压并取整：上90KPa，右120KPa，下100KPa，左180KPa，暂停掘进时平均土压上40KPa，右90KPa，下60KPa，左130KPa。因为盾构推进的某一瞬时，土仓内充满碴土，盾构机向前产生了一定的位移，盾构土仓隔板对土仓内土体产生推挤，土仓内的土体对土仓隔板产生的土压力为被动土压力。盾构停机时，土仓内充满碴土，盾构土仓隔板对土仓内土体不产生位移，土仓内的土体对土仓隔板产生的土压力为静止土压力。而由于土仓压力的设定还需由开挖面前方土压力的大小的理论计算作为指导，遵从以土仓压力与开挖面前方土压力基本相等的原则，土压

4、力测表只能作为参考数据。土仓压力设定作为上限值，以尽量控制地表面的沉降为目的而使用静止土压力；作为下限值，可以允许产生少量的地表沉降，但可确保开挖面的稳定为目的而使用主动土压力。则根据朗肯被动、静止土压力，对覆土深度为11m和13m的情况进行试算得出：土仓压力范围在0.116-0.202bar，0.126-0.213bar。所以实际测值与土力学理论相符。而实际掘进时的土仓压力设定值左线为0.16bar，右线为0.11bar。 其中值得注意的是土仓内土体是经过刀盘切削后的重塑土，而土仓内的土体取样十分困难。物理力学指标又与碴土密实度、土体细颗粒含量大小等相关，受盾构施工状态影响较大。所以理论计算

5、仍需与实际经验相结合。而本隧道地层稳定性较差且左线地面沉降已不满足要求，则右线不应降低土仓压力而应在施工过程中考虑不利因素的影响，刀盘仓压力宜略提高0.10.3bar，大约0.2bar时，就应可解决不利因素造成的影响，减小刀盘仓影响范围内地表沉降值，又不会因压力过高造成地面隆起。甚至对于各种含水或富含水砂层并且地面有建筑物状况，土压应考虑高于隧道埋深静水压力并能够产生地面约23mm隆起以应对后期沉降。但由于地面沉降等往往有几天的滞后期，盾构开挖过程中在开挖面前方产生的地层沉降会在盾构通过之后随时间的推移逐步发展到地面，这就使通过监测来控制土仓压力值产生了难度。2.掘进速度（蓝分割线右侧为第4-

6、9监测点数据）由于盾构机出现至今仍不明情况的问题，导致推进速度较慢，故右线速度大大低于左线，求的右线每环平均掘进速度为10.17mm/min，左线每环平均掘进速度为22.76mm/min。左线平均3.2环/天，右线平均2.2环/天。左线区间内最快速度为11-12环/天，本文将最快速度下掘进与沉降的关系另作分析。而掘进速度过快主要是影响了同步注浆的质量，推进速度为20mm/min以上时一环掘进的时间大约为一小时，而拼装时间也为一小时，而浆体的初凝时间为4-6小时。则如此会导致注浆无法跟上，浆体无法初凝。由于地层为砂性土，对扰动敏感、反应迅速，在短期内形成足够的强度之前的时间越长就会导致更大的沉降

7、。3. 盾尾漏浆根据司机叙述，左线施工时盾尾刷脱落，导致漏浆问题时大时小，且为了赶工期导致维修不及时。加剧了由于同步注浆产生的沉降，而右线已经修复了此问题。此点为施工管理问题，不做过多分析，仅作为可能造成不利影响的因素而列出。（二）第1-3监测点段1.超挖由掘进速度图可知，右线掘进速度不足10mm/min，虽然同步注浆的质量能得以保证。但其对应的刀盘转速和螺旋输送机转速仍处于较高水平，导致掌子面受力不稳定，排土增加，从而产生另一个问题：超挖。盾构掘进时不可避免的会产生震动，对隧道顶上及周边的土体就会存在扰动。而速度过慢时，仍然对土体扰动的致使刀盘不可避免的大量开挖出超出设计断面的土体，出土量的

8、增加直接会引起沉降的加剧。成为影响沉降的主要原因。第三监测点出现的近6cm的最值沉降，而通过该段时掘进速度仅为8mm/min，且暂停施工一天余，正是盾构掘进进展最慢的区段。2.加固区的不同之处而由左线隧道小沉降可知，通过地层加固等手段进行改善开挖面前土体的性质，可以大大减下砂性土层地下水含量丰富、地层反应速度较快、且地层自稳能力较差的特性所带来的不利影响。但受加固条件和成本控制等的影响，一般情况下不可取，仅在始发端头等处采取地层加固措施。开挖面前方土体性质大多下不可人为改变，就需要通过改善土仓内土体性质，并采用辅助技术措施改变土仓内土压力的大小，使土仓压力的大小与开挖面前方土压力大致相等，实现

9、土压平衡模式掘进。（3） 两段皆可能存在的导致沉降偏大的因素渣土改良控制：根据司机叙述，盾构掘进中螺旋输送机口出现过喷水状况，查阅论文知其在工程界称为喷涌。其成因有地层条件、水压、掘进参数等。在砂土层中地下水的通路没有阻断，泡沫剂或膨润土不合适，土体改良效果欠佳，在水流量大或水力梯度大的情况下，就极易发生。此时需要对碴土改良材料和配比进行从新选择和设计。采用膨润土和泡沫剂进行碴土改良，可提高碴土流塑，出碴均匀，地层损失率减小，地表沉降得到了控制。向刀盘仓土体注入膨润土和泡沫剂后，膨润土浆液围绕在颗粒周围，形成一层泥膜，建立起泥土压力，在开挖面形成有效的支撑结构，一定程度上保持了水土平衡，使盾构

10、到达前部位沉降值得到有效控制。注意观察出渣渣土的状况。从渣土的粘性，块状物大小可以看出刀盘渣土改良状况。从渣土中的泡沫状况可以看出泡沫改良的效果，同时判断泡沫是否合适。（四）两段扭矩与推力的对比可知右线除前小段由于出现问题掘进速度过慢使得扭矩比左线小，剩余段均大于左线。可知右线推力均大于左线。扭矩、推力在砂层中主要影响原因有：土仓压力、盾构推进的姿态。仓内压力过大，会使得管片给盾构机很大的一个反作用力，会使盾构机的推力变大；且为了保证仓内压力，会在土仓内存有积土。如果仓内存土较多，就会增大刀盘扭矩。但由于右线土仓压力反而比左线小，则右线扭矩推力均偏大的问题的原因应该是盾构推进的姿态不对。盾构应

11、该正常推进情况下是保持一个正确的姿态，是顺势走，而不是拧着劲走。结合盾构机在右线出现问题后的治标的解决办法为了保持较高的掘进速度间隔一段时间需调整盾构机姿态，符合最初的假设。三、沉降最大处的工况分析CJD34-3点处沉降达到近25cm，CJD33-、CJD33-处最大沉降亦达到20cm，为区间之最。下文将从地质情况、掘进参数等方面分析沉降过大原因。监测点对应里程为DK22+533DK22+553。而其对应的环号是434-447环。注：1#、9#监测点因故损坏，可将沉降槽与正太分布曲线相拟合，能得出相对准确的断面沉降图并弥补测点的缺失。土压力2.1掘进速度55转速1.3扭矩1550总推力1200

12、由于该研究段环数少，波动不大直接取算数平均值，相对应掘进数据如右表： 该段区间上方有砖混排水箱涵，净距约近7米，土体性质与其他区间、车站相比相差不大。很明显，从扭矩、推力和土压力来看，盾构机的推进状况是非常良好的。但正是因为推进状况良好，使得掘进速度过快，达到了50-60mm/min，导致注浆效果非常不好，而根据沉降发展图得出，注浆效果不良使得开挖时和开挖后的沉降都大幅增加，最终导致沉降大大超出限定值。快速通过断面后, 由于盾尾间隙产生没有足够浆体的填补会导致盾构通过时地表沉降产生较大的短期瞬时沉降。而盾构经过以后，因为填充不密实、不及时、填充材料强度不够高，均可导致盾构掘进过后的固结沉降过大

13、，导致沉降量持续增加。最终导致大量沉降。4、 各推进过程的沉降分析产生沉降的原因主要分为三大部分：盾构到达前的沉降、盾构通过时地表沉降和盾构经过以后产生的固结沉降。于是左线随机选取DCJ22-监测断面作研究对象，右线由于工程进度限制选取DCJ6-监测断面。由于掘进的环号与开挖面的实际位置相隔4环，即可按此法将监测时刻与掘进时刻相对应。注：始发端监测20余次后转点测量，前点不再观测，盾构经过以后的沉降变化暂无法监测根据盾构区间地表沉降监测数据显示，施工过程中地表沉降在盾构通过范围内变化较大，其次是盾构经过以后产生的固结沉降，再次是盾构到达前沉降，如图所示。1. 盾构通过时地表沉降原因分析1（1）

14、 盾构掘进时，对隧道顶上及周边的土体存在扰动，土体松动圈会沿着地层逐渐向土体上方传递，土体压力松弛，造成地表沉降的；（2） 盾构掘进过程时对孔隙水压力平衡的破坏，引起周围孔隙水压力的下降，由于在富水砂层中，压力下降及松动的传递效应明显，从而显示地表沉降速度快的特点；（3） 盾构掘进时刀盘仓压力与土体压力存在压力差，造成土体平衡被打破，刀盘通过后地层会发生较大变化；（4） 掘进时刀盘的出土量未控制到位，造成出土量偏大或偏小均会对地层的沉降或隆起产生很大的影响。由于盾构通过时地表沉降增长过大，可判定是出土量控制仍未到位。理论出土43方，实际出土量采取经验估算，为4车多每车12方则共接近50方。考虑

15、到渣土有一定的松散系数，折减之后仍有缩小的空间。2. 固结沉降原因分析盾构经过以后，立即对管片与地层之间的间隙进行填充，填充中因为填充不密实、不及时或填充物材料和配比不合适掘进的地层，均可导致盾构掘进过后的固结沉降过大，导致沉降量持续增加。3. 盾构到达前沉降原因分析盾构掘进中，地下水因盾构掘进产生泄压作用，部分地下水流入刀盘仓，导致盾构达到前范围内的地下水压力减小，砂层迅速反应，导致盾构达到前范围内地层发生变化，地层较之前更为密实，反应至地面产生地表沉降。5、 工作总结较为详尽全面的处理沉降问题，并试着给出了相应的解释分析。归根结底，沉降问题主要是由土仓压力和同步注浆影响。而两者的关系、工程效率和质量的关系都是相互制约着的，需要经验和