盾构施工地表塌陷原因分析及处理措施

摘要：随着我国经济的迅速发展，我国的建筑业也得到了相应的发展空间。盾构施工是我国建筑业中比较重要的施工手段。但是，在现在的建筑业中盾构施工的工程还存在出现地表变形以及地表塌陷等施工问题。这就严重影响了工程的质量，给工程造成了一定的影响。为了避免这些问题的出现，本文主要以某个城市的地铁盾构隧道的地表塌陷的情况作为例子，主要分析和研究了盾构施工地表塌陷的原因以及其相应的处理措施。

关键词：盾构；地表塌陷；原因；措施

中图分类号：U455文献标识码： A

前言

现如今，我国的城市交通发达，城市轨道交通已经成为我国主要的交通方式。它不仅速度快，运量大，而且其可以相对的节约资源。但是，在现在的城市地铁轨道的修建中，还会出现地表塌陷的现象，这就对城市化的发展起到了一定的阻碍作用。因此，对其问题的研究是我国目前城市交通中最主要的问题。

一．工程地质及水文地质

某城市地铁区间隧道总长约3 km，线间距最小为12.0 m，最大为13.7 m，位于主干道下方，交通繁忙。坍塌区地层自上而 下依次为填 块石、< 2-4 > 含有机质砂、粗砂、砾砂、淤泥质粘土、含有机质砂、砾砂及全风化片麻状混合花岗岩，见(图1)。地下水主要为第四系孔隙水、基岩裂隙水，水位埋深约3.5 m，主要受海水和河水的侧向补给。隧道上方覆土厚度达14.0～15.0 m，穿越地层为全断面砾砂，其结构松散，富水性大，透水性强，属不稳定土体，对开挖面稳定性不利，施工中易发生坍塌、涌水、涌砂及管涌等现象，施工风险大。

二．地表塌陷情况

2013年10月16日下午，左线掘进409、410环时，出现推力大、扭矩大、速度慢等参数异常现象，出土较稀且伴有间歇性喷涌，至夜间10点，地面沉降达24 mm。17日早晨7点，左线盾构正在掘进415环时，施工人员巡视发现413环地面有冒水现象，路面局部下沉，施工单位紧急组织人员用临时围挡对现场进行封闭，疏散交通。至8点时，地面冒水有变大趋势，且颜色变浑浊，打开附件雨水井时发现有大股水流入，经排查，判断为413、414环位置上方水管破裂，切断水管供水后，地面冒水现象迅速消失，伴随着地面发生明显下凹现象，至9点时，漏水处出现一个直径约2.5 m，深度约2 m的塌陷坑洞，

三、地铁隧道盾构施工地塌陷的规律

地铁隧道盾构施工引起地表塌陷的原因有很多，如地层初始应力状态的改变、土体的固结沉降等，这些都是在盾构施工中最为常见的地表塌陷类型，而地表变形与盾构施工中很多因素有关，这些因素会导致地表出现塌陷，其地表塌陷规律如下。盾构施工中引起地表变形量的大小主要与地铁隧道断面的大小有着直接的关联，同时还与盾构施工后开挖洞室的收验情况以及隧道埋深等因素有着重要的关联。下面将根据相关理论分析这种变化规律。一般地表变形有任意弧形隧道开挖地表变形以及单线圆形隧道开挖地表移动变形理论。在地铁隧道施工中对于圆形弧形盾构施工来说的地表塌陷规律：

首先，相同两隧道轴线距离、相同的地层主要影响角、相同断面收验值时，其最大变形部位由隧道埋深的增加而减小，地表变形由“双峰”向“单峰”曲线转变， 由隧道轴线正上方向两隧道轴线距离中心出转移，但是地表塌陷影响范围随着隧道埋深的增加而逐渐增大。其次，在相同地层主要影响角、相同隧道埋深以及相同收验值的情况下，地表塌陷会随着两隧道轴线之间距离的增加而增大，此时由“单峰”曲线向“双峰”曲线变化，地表最大塌陷处由两隧道轴线距离的增加而地表变形也增大。并且地表最大塌陷处由两隧道轴线距离中心处向隧道轴线正上方转移，地表最大塌陷量也逐渐减小，地表塌陷影响范围随着两隧道轴线距离的增加而变大。再者，在轴线距离相同、隧道埋深相同以及收验值相同的情况下，随着地层主要影响角正值的增大，变化曲线由“单峰”向“双峰”转变，地表塌陷最大处由隧道中心处向隧道轴线方向转移，并且随着角度的增加，地表塌陷就会越大，地表影响的范围就会越来越小。

四 地表塌陷原因分析

（一） 地层条件分析

由图1 可 以 看 出，该 地 段 工 程 地 质与 水 文 地 质 情 况 相 当 复 杂 ，隧 道 全 断面 过< 5 -11> 砾 砂层，隧 道 上 方 有少 量< 5-3>淤泥质粘土，其余为填 块

石、< 2-4 > 含有机质砂、< 4-10 > 粗砂、砾砂及含有机质砂。受海水和河水的侧向补给，该区域砂层富水性好，透水性强，结构松散，盾构开挖面自稳性差，掘进时一旦出现土压波动较大，就容易造成过量的砂涌入盾构密封舱。由于盾构掘进全断面均为砾砂层，在密封舱和螺旋输送机中的渣土和易性较差，而地下水与地表水联系密切，补给快，流速大，在地下水作用下，螺旋输送机若发生喷涌，易引起密封舱内的压力小于地层侧向压力，进而导致开挖面失稳，造成地面塌陷。

（二）施工情况分析

该地表坍塌除与地层条件复杂有关外，还与现场施工情况存在着直接的联系。

1.渣良效果差。富水砂层的不稳定性及土仓内砂质渣土的离析沉淀性，使得盾构前方地层易塌方。富水砂层盾构掘进时渣良需要解决的问题有：提高土仓内渣土的抗渗透能力，避免开挖面涌水涌砂；降低土仓内渣土的内摩擦角，减少渣土对刀盘刀具的磨损；提高土仓内渣土的和易性，使螺旋机出渣顺畅。

2.开挖面失稳

该 地 表塌陷区非粘性土所占比例达到85%，水位的埋深大约3.5 m，在隧道上的覆土的厚度大约14.6 m，各地层的参数见(表1)。

据太沙基松动土压力理论计算所得刀盘上部土仓压力合理范围为1.23～1.41 bar，推力为12056.24 KN，而在掘进409～413环时，盾构机刀盘上部土仓压力均在1.05 bar左右，推力在11500 KN，上部土仓压力掘进值较理论计算值小许多，掘进时，开挖面极有可能已失稳。

3. 出土量大，出现超挖在 掘 进 4 0 9、410 环 时，两 环的出土量分别为67、68 m3，而正常出土量则在57～62 m3，两环超挖量约14 m3。

4. 注浆量偏小

410环的注浆量为4.62 m3，411～413环的同步注浆量在5.22～5.65 m3范围内，而合理的同步注浆范围为6～7 m3，壁厚注浆明显不足。

（三） 周边环境分析

在413、414环对应地面沉降超限位置，有一条直径为600 mm的给水管在隧道上方横穿，埋深1.7 m，给水管施工时，位于隧道正上方刚好有一处焊接接头，盾构开挖引起的地层变形过大，导致水管接头拉裂漏水，大量的流水将砂土带走，导致路基下方脱空，在车辆动荷载作用下，路面沉降不断加剧，最终引起了地面坍塌。

五． 地表塌陷处理措施

针对盾构工程中存在的一些主要问题，在工程进行中的不同阶段，可采取以下预防措施：

（一）精心勘察、精心设计是保证盾构工程安全的基础勘察设计质量是基坑设计及施工的首要环节．勘察设计对不能准确的预见的话，对盾构工程将带来极大的安全隐患，勘察过程中章握如下情况：

1.周边环境条件一定要调查清楚，尤其是周边建筑物结构、基础类型和埋深，地下管线的分布、埋深，道路及地下障碍的形状等。

2.应对附近地区已有的勘察资料进行收集，以便对所承担的工程勘察作出正确的评价和建议。

3.土工试验应按照国家和一些地方标准执行，对提供的试验参数应指出采取的试验方法，如快剪试验和三轴不排水剪试验。

4.对基岩段的勘察取样应细致，确保各层岩层的划分精确，确保以后盾构施工的参数选取正确。对岩面起伏较大段或地质情况复杂段，应对施工阶段的勘察提出合理建议，保证盾构施工的顺利进行。

（二）严椿按设计罔合理组织施工是盾构安全的保证

勤检查、勤换刀应作为盾构旋工管理的常理。本次地面坍塌，其中一个原因没有对刀具进行检查，错过了换刀机会，以致遇到上软下硬地层时就无法掘进了。

盾构施工要持别注意分析整个项目的地质情况，对不良地层要充分分析其对施工可能产生的影响，并采取有针对性的处理措施，而不能有侥幸的心理，要采用动态设计和信息化施工，可根据现场情况和变形数据厦时调整方案。

（三）对与盾构施工整个过程监测控制进行相应的加强

监测是不仅一种能够直观反映出盾构施工过程塌陷情况的手段，而且还是信息化施工中经常使用的一种方法。施工监测在确保盾构掘进安全上起着十分重要的作用。监测的主要内容有拱项沉降、收敛、地表沉降、管线的位移沉降、周边构建物的位移沉降、周边土体变形、地下水位变化等。在盾构掘进施工中，及时准确地监测这些内容，发现一些监控数据接近或超过警戒值时，能及时准确地发现施工过程中存在的问题，我们就能及时准确地调整施工步骤，并采取相应的正确对策，以达到有效控制基坑变形，确保基坑安全的目的。

（四）人员培训

注重专业人士培训，对专业人士的技能坚持高标准、严要求，不断更新和提高从业人员的知识结构、技术水平、工作能力和整体素质，以人员的素质保证勘察、设计及监测质量。

结语

综上所述， 在盾构施工过程中还存在着某些问题，为了避免这些问题的出现，相关部门不仅应该在技术上有所提高，还应该对其相关的工作人员以及相关的施工过程进行培训和监测。确保我国隧道的安全施工，为我国的建筑事业提供相关的技术保障，促使我国的建筑事业的发展。

参考文献

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