本文選自國(guó)家級(jí)期刊《建筑知識(shí)》，《建筑知識(shí)》是由建筑師、工程師的學(xué)術(shù)團(tuán)體中國(guó)建筑學(xué)會(huì)主辦的、建設(shè)部主管的一本科普期刊，創(chuàng)刊于1981年，現(xiàn)擁有讀者近4萬(wàn)。他們遍及全國(guó)的各個(gè)設(shè)計(jì)院、建筑師、工程師、材料商、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)公司、裝飾公司、大專院校的學(xué)生和各大企業(yè)的基建部門。創(chuàng)刊二十多年來(lái)，以其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，博得了廣大讀者的欣賞與信賴。國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN11-1243/TU，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：ISSN1002-8544）。中國(guó)知網(wǎng)全文收錄。
　　摘要：當(dāng)前，盾構(gòu)已廣泛應(yīng)用于城市地下隧道開(kāi)挖工程中，盾構(gòu)機(jī)技術(shù)已具先進(jìn)水平。采用盾構(gòu)法穿越復(fù)合層層時(shí)，會(huì)造成地面建筑物的沉降，難以保證地面重要建筑物和設(shè)施的安全，同時(shí)也造成施工成本增加。本文就土壓盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合層中的施工提出降低對(duì)地表建筑物影響的措施。

　　關(guān)鍵字：復(fù)合地層,土壓盾構(gòu)機(jī),沉降

　　一、盾構(gòu)施工引起的沉降理論

　　盾構(gòu)施工必然擾動(dòng)地層土體,引發(fā)地層損失、隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞,這是構(gòu)成地面沉降的根本原因。在軟土地層中用盾構(gòu)法施工隧道,因地層損失和土體擾動(dòng),必然引起地表變形。表現(xiàn)在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的前方和頂部會(huì)產(chǎn)生微量的隆起,盾構(gòu)機(jī)部分通過(guò)地表開(kāi)始下沉,盾尾脫離后地表下沉加快,并形成一定寬度的沉降槽地帶,下沉的速率隨時(shí)間而逐漸衰減,且與盾構(gòu)經(jīng)過(guò)的地質(zhì),施工工況和地表荷載等有密切的關(guān)系,并表現(xiàn)出相當(dāng)大的差異性。土體的擾動(dòng)或擾動(dòng)土多是針對(duì)原狀土而言，大體是指由于外界機(jī)械作用造成的土的應(yīng)力釋放，體積、含水量或孔隙水壓力的變化，特別是土體結(jié)構(gòu)或組構(gòu)的破壞和變化等。

　　二、土壓平衡式盾構(gòu)

　　土壓平衡式盾構(gòu)又稱削土密封式或泥土加壓式盾構(gòu)。適用于含水的軟土、軟巖、硬巖及混合地層的隧道掘進(jìn)。掘進(jìn)施工可采用土壓平衡、氣壓平衡和敞開(kāi)三種模式。掘進(jìn)操作可自動(dòng)控制、也可半自動(dòng)控制或手動(dòng)控制。盾構(gòu)機(jī)配備了自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，可控制和穩(wěn)定掘進(jìn)方向，具有靈活轉(zhuǎn)向糾偏能力。盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)能滿足不同地層的掘進(jìn)速度要求。盾構(gòu)配備了同步注漿系統(tǒng)，對(duì)控制隧道周圍土體沉陷及建筑物保護(hù)非常有利。盾構(gòu)配備了泡沫及膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)，有利于碴土改良。配備了壓縮空氣系統(tǒng)，有利于防止工作面的滲水及控制地表沉降。

　　三、復(fù)合地層的概念

　　在盾構(gòu)施工的過(guò)程中，圍巖巖土力學(xué)、基礎(chǔ)地質(zhì)和工程地質(zhì)等特征的各向均勻性直接影響盾構(gòu)機(jī)的選型、盾構(gòu)施工工藝的選擇等關(guān)鍵性問(wèn)題。從這個(gè)意義上講，可以宏觀地將圍巖地層區(qū)分為兩類，一是均一地層，一是復(fù)合地層。

　　將開(kāi)挖斷面范圍內(nèi)和開(kāi)挖延伸方向上，由兩種或兩種以上不同地層組成，且這些地層的巖土力學(xué)、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等特征相差懸殊的組合地層，定義為復(fù)合地層。

　　復(fù)合地層的組合方式是非常復(fù)雜多樣的，但總的來(lái)說(shuō)可分為三大類，一類是在斷面垂直方向上不同地層的組合，一類是在水平方向上地層的不同組合，另一類是上述兩者兼而有之。

　　1、復(fù)合地層在垂直方向上的變化。

　　最典型的垂直方向上的復(fù)合地層就是所謂“上軟下硬”地層。即隧道斷面上部是第四系的松軟土層，而下部是堅(jiān)硬的巖石地層；或者上部是軟弱的巖層而下部是硬巖層；或者是在硬巖層中夾軟巖層，或軟巖層夾硬巖層，等等。

　　2、復(fù)合地層在水平方向上的變化。

　　在一施工段當(dāng)中，可能分布著不同時(shí)代、不同巖性或不同風(fēng)化程度，從而表現(xiàn)出不同巖土性質(zhì)的地層。比如廣州地鐵五號(hào)線草~陶區(qū)間的地層。

　　3、在水平方向和垂直方向兩者兼而有之的更為復(fù)雜的變化。

　　四、復(fù)合地層盾構(gòu)施工的主要特點(diǎn)

　　1、經(jīng)常變換盾構(gòu)施工模式

　　在軟土地層或以軟土地層為主的“上軟下硬”地層施工時(shí)，一般要采用“閉胸模式”，而在以巖石地層，特別是自穩(wěn)性較好的（包括風(fēng)化程度不一）巖石地層施工時(shí)則可采用半開(kāi)胸式（欠土壓平衡模式）或開(kāi)胸模式；在以砂層或以砂層為主的“上軟下硬”地層中采用土壓平衡模式施工時(shí)，可能需要通過(guò)加注膨潤(rùn)土等工藝轉(zhuǎn)化為“泥水平衡”模式，如此等等。需經(jīng)常根據(jù)地層的變換來(lái)轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)模式，是在復(fù)合地層中施工的一大特點(diǎn)。

　　2、盾構(gòu)機(jī)的配置需要做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整

　　在硬巖的段施工時(shí)，通常要采用全斷面滾刀破巖模式，采用的刀盤開(kāi)口率也會(huì)較�。划�(dāng)掘進(jìn)在軟巖或軟土地段時(shí)，通常都要將部分或全部滾刀換成適應(yīng)軟巖或軟土的刮刀，此時(shí)的開(kāi)口率也相應(yīng)增大。

　　3、采用的施工工藝和施工參數(shù)也要根據(jù)地層的變化而變化

　　這些變化主要表現(xiàn)在不同地層需要的添加劑的種類和數(shù)量的不同；需要的輔助設(shè)備（比如破巖機(jī)、超前鉆機(jī)）的不同；盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制的不同等等。

　　4、某些特殊的復(fù)合地層，可能需要一些輔助工法

　　采用輔助工法的主要原因是由于盾構(gòu)機(jī)本身的設(shè)計(jì)功能的局限性造成的，而這種局限性在目前的技術(shù)發(fā)展階段還較難以克服。比如，廣州地區(qū)白堊系紅層的粉砂巖、砂巖一般的單軸抗壓強(qiáng)度最大為30~45MPa，但有時(shí)在這些區(qū)間會(huì)碰到幾十米或幾百米長(zhǎng)的堅(jiān)硬的花崗巖，或花崗巖的球狀風(fēng)化體，其強(qiáng)度一般達(dá)到80MPa以上，甚至?xí)�超過(guò)120MPa。在這種條件下，以軟巖為主設(shè)計(jì)的刀盤和刀具，顯然不能適應(yīng)硬巖的要求，在無(wú)法更換新刀盤的情況下，采用其它可行的輔助工法，比如先采用礦山法，開(kāi)挖通過(guò)堅(jiān)硬巖石段，之后，用盾構(gòu)機(jī)拼裝管片完成隧道，事實(shí)證明，這將是一種比較好的輔助選擇。

　　五、復(fù)合地層土壓盾構(gòu)機(jī)施工的地表沉降控制

　�。ㄒ唬�機(jī)器因素

　　1、盾構(gòu)機(jī)的選型要適應(yīng)地層的變化；

　　2、后配套保障能力強(qiáng)大，能與盾構(gòu)機(jī)施工效率相匹配；

　　3、盾構(gòu)機(jī)的規(guī)范操作；

　　4、對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理了解透徹，保養(yǎng)維修及時(shí)到位，故障排除迅速；設(shè)備完好率及使用率高。

　　5、盾構(gòu)機(jī)正常的消耗配件要配足、配全。

　�。ǘ�）地質(zhì)因素

　　1、分析研究工程地質(zhì)的分布及狀態(tài)，各地層參數(shù)要翔實(shí)、可靠；

　　2、技術(shù)方案的制定、掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整均以地層實(shí)況為依據(jù)，抓住地質(zhì)這一主線，萬(wàn)變不離其宗；

　　3、緊跟掘進(jìn)地質(zhì)情況，不斷對(duì)前方地層進(jìn)行比較、預(yù)測(cè)、分析、判斷，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；

　　4、根據(jù)先行洞線的掘進(jìn)地質(zhì)情況的跟蹤，詳細(xì)確定后行洞線的地質(zhì)情況，提前預(yù)測(cè)后序掘進(jìn)可能發(fā)生的情況，并做好充足的應(yīng)急預(yù)案準(zhǔn)備。

　�。ㄈ�）人的因素

　　1、施工人員既要掌握一定的土建施工技術(shù)，又要掌握一定的機(jī)電技術(shù)；

　　2、操作及管理人員的責(zé)任心要強(qiáng)、技術(shù)素養(yǎng)要高，各崗位人員要配足。施工自始自終需要實(shí)干、奉獻(xiàn)、團(tuán)隊(duì)、協(xié)作精神，加強(qiáng)溝通，排除障礙。推進(jìn)過(guò)程中需要各操作層、各部門都動(dòng)起來(lái)，一切以推進(jìn)為核心開(kāi)展工作。

　　3、制定與盾構(gòu)法施工相匹配較完善的項(xiàng)目管理制度，并嚴(yán)格執(zhí)行；

　　4、實(shí)踐中不斷摸索施工經(jīng)驗(yàn)，不斷學(xué)習(xí)總結(jié)提高。

　�。ㄋ模┬畔⒒�施工

　　1、建立監(jiān)測(cè)小組～盾構(gòu)機(jī)操控室～地面監(jiān)控分析室三位一體的信息流通反饋機(jī)構(gòu)；

　　2、監(jiān)測(cè)小組全天候?qū)Φ孛娉两怠⒌孛娼ㄖ�物及洞�?nèi)管片實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并將結(jié)果及時(shí)匯總上報(bào)地面監(jiān)控分析室；

　　3、地面監(jiān)控分析室全天候?qū)ΡO(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析研究，及時(shí)向盾構(gòu)機(jī)操控室輸入各項(xiàng)操作指令；

　　4、盾構(gòu)機(jī)操控室收到地面監(jiān)控室所輸出的地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及操作指令進(jìn)行操作，發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況有差異時(shí)，要及時(shí)把信息反饋給地面監(jiān)控室以便調(diào)整。

　　5、其余施工信息融入以上信息流通中，與盾構(gòu)掘進(jìn)彼此進(jìn)行信息交換。

　�。ㄎ澹┘夹g(shù)因素

　　1、優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)

　　盾構(gòu)推進(jìn)至復(fù)合層之后，盾構(gòu)機(jī)總推力增大，為了減小沉降，原先主要的推進(jìn)參數(shù)如土壓力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速都需要優(yōu)化重新設(shè)定，并根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋調(diào)整，以期獲得滿意的效果。

　　2、合理選擇土壓力

　　土壓平衡盾構(gòu)擠土?xí)�引起地面隆起和深層土體向遠(yuǎn)離隧道的方向移動(dòng)。一方面地面隆起可以部分抵消后期沉降，另一方面，土體受到擠壓后土體會(huì)變密實(shí)，在盾尾通過(guò)的瞬間，會(huì)減少隧道周圍土體向空隙處的塌落，使同步注漿得以順利進(jìn)行，從而減小了土體損失的產(chǎn)生。因此，為了增大開(kāi)挖面支護(hù)壓力，一定要合理選擇土壓力。

　　3、適當(dāng)降低推進(jìn)速度

　　土壓平衡盾構(gòu)推進(jìn)速度應(yīng)與出土量、開(kāi)挖面土壓力值以及同步注漿相協(xié)調(diào)。為盡可能減少對(duì)土體的擾動(dòng)，從而達(dá)到控制沉降的目的，要對(duì)比不同推進(jìn)速度下的沉降值，適當(dāng)降低推進(jìn)速度有利于減小沉降。

　　4、適當(dāng)增加同步注漿量、改善漿液配比和控制注漿壓力等

　　同步注漿對(duì)于控制沉降具有十分重要和顯著的作用。為了實(shí)現(xiàn)同步注漿的目的，注入漿液應(yīng)迅速、充分充填盾尾空隙。為此，必須首先保證漿液滿足下列要求：

　�、佥^好的充填性，能充分充填盾尾空隙，不流竄到空隙以外的區(qū)域和不漏失到掘削面及周圍的土體中去。

　�、趹�(yīng)具有良好的和易性（流動(dòng)性）。

　�、蹪{液的凝結(jié)時(shí)間可以控制，既不會(huì)太快造成注漿管堵塞，也不能太慢，以至無(wú)法約束管片的位移，甚至產(chǎn)生隧道在漿液中漂移的現(xiàn)象。

　�、芫哂幸欢ǖ脑缙趶�(qiáng)度，其數(shù)值與原狀土強(qiáng)度相當(dāng)。

　�、轁{液的凝結(jié)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，硬化后的體積收縮率小，滲透系數(shù)小。

　�、迲�(yīng)有合適的稠度，不被泥水和地下水稀釋。

　　上述要求中主要的是充填性、和易性及不向盾尾空隙之外區(qū)域流失的特性，只有滿足這些特性，才能成功實(shí)現(xiàn)同步注漿的目的。

　　結(jié)論：土壓盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)合層，由于土體易受擾動(dòng)，因此沉降增大且不易控制。為了有效控制地面沉降，應(yīng)從施工機(jī)器、地質(zhì)、人員、技術(shù)等方面加強(qiáng)控制。技術(shù)方面特別注意首先控制好盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，特別是土壓力的設(shè)定。其次是適當(dāng)增加同步注漿量，充填系數(shù)約為3~4.5時(shí)方能控制沉降。同時(shí)調(diào)整漿液配比，提高漿液早期強(qiáng)度和控制好注漿壓力。

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