[分享]地铁下穿河流富水层沉降分析与应对技术
1工程概况
1.1 工程简介
某城市轨道交通盾构区间下穿河道，区间左线长度1214.457单线延米，隧道底埋深约为15.7～28.5m。本次沉降发生部位位于该区间左线130环左右，沉降最大达240mm，位于盾构机盾尾后方5米处。
1.2 工程地质、水文条件
本工程盾构区间隧道主要穿越地质情况依次为：2-22粉质黏土、2-34黏质粉土、2-51细砂、2-52细砂、2-33粉质黏土，其中大部分位于2-51细砂、2-52细砂层中；本次沉降区域正处于盾构机完全进入细砂层之后。
该处地下水类型主要为第四系松散层孔隙潜水和微承压水。孔隙潜水稳定水位埋深为5.10～10.30m，变幅1.0～2.0m。微承压水静止水位埋深8.00～14.00m，承压水头3.0～5.0m。
2沉降监测情况及数据分析
2.1 地面沉降点的布设
地表沉降是盾构法施工监测的一项重要监测项目，为及时、准确掌握盾构施工对地表沉降的影响，本区间在盾构施工影响范围内沿隧道轴线上方地表间隔15环布设，横断面间隔3~5米布设沉降观测点；沉降部位地表沉降监测点埋设示意图如图1所示。
2.2地表沉降时程曲线形式
2017年1月15日本工程盾构因环境管控影响，左线盾构掘进至第118环停工。2月10日上午10点恢复推进。11日监测开始预警，但地面无明显裂缝；12日上午，施工监测方在对该盾构区间进行巡视时，发现区间140环（刀盘）右前上方地表出现较明显裂缝，范围约10m²，随后盾构及时采取停机保压措施暂停掘进，施工监测立即会同第三方监测对裂缝区域及相邻地表沉降及管线沉降测点进行复测并加密监测，监测点变化速率达176.4mm，地面沉降达240mm。之后未发现沉陷范围继续扩大及沉陷深度发展。盾尾位于133环，遂顶埋深15m，穿越地层为全断面细砂。沉降区域附近各地表沉降观测点沉降时程曲线图如图2所示。
2.3地面沉降分析
经对监测数据进行分析，得到沿盾构纵、横向地表沉降规律如下：盾构机刀盘到位前，土体发生变形地表已经发生沉降，盾构刀盘掌子面的地表变形值逐渐增大，盾构通过后盾尾沉降变形最大，盾尾后5环，即为固结沉降。沉降区域呈漏斗状，现场巡视发现裂缝多发生在距中线12m处。沉降规律如图3、图4所示。
本次沉降发生后，本项目应急领导小组立即启动应急预案，对造成本次地表沉降的主客观原因进行了深入细致的调查以及分析论证；最终将本次地表沉降原因归纳为以下几方面：
（1）通过对盾构掘进原始数据的分析研究发现盾构机操作手主动铰接操作经验不足，且始发以来未能连续掘进，尚未总结出更为合理的掘进参数：扭矩、推力偏大（对土层扰动大），土压力偏小（影响前方土体稳定），造成地表沉降；
（2）通过对近期沉降监测数据进行对比分析：在沉降前一日盾构掘进至124环时，监测数据已超出规范，但地表无明显裂缝，且地处绿化带内，附近无重要管线及建构筑物，距进入河底尚有30米距离，未引起施工管理人员的高度重视，导致沉降事故发生。
（3）通过对盾构掘进原始记录的时间、施工参数、留存渣样以及异常记录等的调查研究发现本次盾构恢复掘进时意外停机时间较长，共计25天；原因是受当地大气污染防治预警影响，严重制约渣土外运，盾构机进洞以后，时常意外停机，由于本次停机时间较长，是导致本次地表发生大范围、较大沉降量的主要原因。另渣土改良效果不理想、停机保压准备工作不足，且盾构所在地层为富水细砂层，地下水较为丰富，土体液化饱和，扰动后极不稳定，盾构机停机时，刀盘前方地层存在透水、坍塌现象，造成再次掘进时出现螺旋机喷涌现象，加之盾构机启动时对地层扰动大，已坍塌部位沉降逐步反射到地表，造成较大沉降。其次，盾构机开挖直径6460mm，盾尾外径6420mm，土体与盾尾之间形成20mm空隙无法及时填充浆液导致地表沉降。
（4）施工技术方面，通过对同步注浆浆液现场取样试验得出现用浆液配比不合理：初凝时间为8.5小时，20个小时终凝。与第三方检测单位提供的6个小时初凝，10个小时终凝降相差较大。且由于盾构所处地层为富水砂水层，受地下水影响，浆液可能存在流失或者被稀释，或浆液全部集中到拱腰以下，上部没有浆液等现象，而且即使有浆液，由于凝固时间过长导致砂浆还未凝固上部砂层就已经坍塌，引起地表沉降。
3地面沉降应对措施
（1）指示盾构操作人员做好停机保压工作后立即停止掘进，查明原因并针对沉降原因制定详细、切实可行的安全技术施工交底及应对措施后方能恢复施工。增加经验丰富的盾构管理和操作人员。聘请盾构专家进行跟踪指导，增加经验丰富的专业管理人员负责盾构下穿既有河道的施工管理，加强施工现场管控；增加2名有丰富经验的拼装手，保证管片拼装质量。设定专人对每班施工进行全程跟机，交接班时做好工作交接，及时测量盾尾间隙，盾构司机应该根据盾尾间隙合理调整盾构姿态。同时加强对隧道内部及周边环境的巡视与监控，发现问题及时上报，并及时予以解决。技术人员每天收集盾构施工参数，结合监测数据及时进行施工参数的分析、总结和调整。
（2）在盾构下穿既有河道施工前对盾构机及配套设备进行一次全面检查，在盾构机作业中定时对机械进行维修保养，保证盾构机及配套设备处于正常工作状态。尤其是盾尾密封装置和螺旋输送机闸门等，要确保能够随时有效发挥作用。安排盾构厂家人员全程进行指导，确保盾构机处于最佳状态。再次，施工区配备1500m²的临时存土场地（穿河区域共计157环，每环掘进理论出土量按55m2计算，共计需出土8635m2），同时加强渣土外运管理，保证渣土及时外运，确保下穿既有河道期间连续推进。
针对盾构机刀盘前方土体沉降应采取如下措施：一要选用优质膨润土（钠基膨润土）及泡沫（康达特）进行渣土改良，改善土体的和易性。同时改变膨润土注入管路，由从刀盘及土仓边缘注入变为从刀盘、土仓中间注入，每环注入量1~2m3，保证渣土改良的效果和适用性。二要增加土仓压力，确保前方土体稳定。一般情况下，在土体稳定性好的地层中盾构掘进时，土仓压力等于或略微高于前方水土压力即可，但在富水砂层中施工时，由于砂层扰动后稳定性差，粘合力小，流动性好，对压力变化和外界扰动敏感，容易造成地层沉降，因此土仓压力需设定为比计算的前方水土压力大0.1~0.3MPA。同时，在盾构掘进时尽量保持土压平稳，避免由于舱内压力波动增加前方土体扰动；严格控制出土量与盾构掘进速度相匹配。
盾构机上方土体沉降控制措施：在中盾注入膨润土，注入量约为0.5m3/环，填充盾体与开挖土体间的孔隙，确保上部土体稳定，同时还能有效减少土体与盾体之间的摩擦，降低推力和扭矩，减少对土体的扰动，避免塌陷。
（3）进行同步注浆浆液材料及配比调整，确保浆液质量满足富水砂层地质特点需要。经过本项目实际实践，浆液材料为水泥+粉煤灰+膨润土+中粗砂+水，水泥砂浆配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶细砂∶水=100∶430∶180∶600∶450（kg），该配比性能参数为：稠度11.2cm、 初凝时间4小时30分、初凝时间8小时、7天抗压强度3.3MPa。主要原材料：42.5普通硅酸盐水泥、粉煤灰(Ⅱ级)、膨润土、砂（细度模量1.6～2.2的细砂，粒径为0～4mm）、水。同时，盾构施工过程中应经常抽查同步注浆浆液质量，确保填充效果。及时进行二次补压浆：盾构穿越既有河道后，可能会有不同程度的后期沉降，因此必须准备足量的二次补压浆材料以及设备，根据后期沉降监测结果，及时进行二次补压浆，以便能有效控制后期沉降，确保安全。
（4）增加施工监测。对监测点进行加密布设并严格控制盾构机的掘进参数，如盾构机的设定平衡力、注浆量、注浆压力、出土量、推进速度等。在下穿既有河道施工时提高监测频率，将监测频率由“正常频率2次/天”调整为“不少于频率4次/天”，并及时上报监测数据，做好信息化施工管理。
4控制措施调整的具体优化
2017年2月27号复工后，碴土改良每环用泡沫50~60L，膨润土5m3。刚开始推进过程中还是有些喷涌，当天的最大沉降22mm，推进速度是20mm/min左右，扭矩在3000~5000之间，最大推力在17000KN，每环同步注浆用量都在6方以上，上部土压有0.9~1.1bar，碴土改良用的是康达克的泡沫剂和钠基有膨润土，二次注浆后续紧跟，前盾径向注浆孔内注入0.5方的膨润土。
碴土改良优化调整：在钠基膨润土溶液里加钙基膨润土，一立方钠基膨润土溶液加50~80kg钙基膨润土，从后续测量数据来看，效果不错，沉降明显减小。采取措施前后地表沉降曲线如图7所示。
5结语
在实际盾构施工中，根据上述各阶段的地表沉降分析监测数据，分析了地面沉降的基本规律及产生原因，有针对性的采取了沉降控制措施。通过掘进过程中不断优化盾构施工参数，使施工沉降得到有效控制和预防，在后续该区间右线盾构通过该区域时，地表沉降得到较好控制：沉降值小于2cm；给予了很好的参考。为其它轨道交通盾构下穿建、构筑物的沉降控制提供参考依据。
来源：中天重工
