破碎带掘进地面沉降和隆起分析

铁强

摘要：根据盾构掘进造成路面沉降和隆起的现象，结合破碎带及覆盖地层特性进行分析，探讨地面沉降和隆起原因，针对该类地层掘进提出一些施工方面的建议措施。

关键词：破碎带掘进;地面隆起;地面冒泡;土压盾构

引言：

土压平衡式盾构是通过控制出土量或出土速率及盾构推力以达到维持开挖面稳定和向前推进的目的，目前已被广泛应用于我国和世界各国城市地铁的施工建设中。对于土压平衡盾构，理论分析、现场实测及有限元模拟研究表明，过大的开挖面支护压力、盾构机偏斜、盾构机与土体之间的摩阻力以及过大的注浆压力都会对土体产生挤压作用，导致地面隆起和深层土体向远离隧道方向移动。在实际施工中，地面通常会先隆起、后沉降的发展规律。本文通过工程实例，探讨土仓气压、同步注浆及推力对地面隆起产生的影响。

1、工程概况

1.1概述

区间左线ZDK12+641.100～ZDK14+141.077，全长1420.310m，其中ZDK13+020.333=ZDK13+100.000，短链79.667m;右线YDK12+641.100～YDK14+141.077，全长1440.524m，其中YDK13+040.547=YDK13+100.000，短链59.453m。区间线路平曲线最小半径为450m，左右线线间距约15.2～17.2m。线路最小坡度为12.72‰，最大坡度为28‰。区间隧道埋深4.7m～21.8m。区间隧道主要穿行于强风化板岩、中风化板岩、强风化构造角砾岩和中风化构造角砾岩中。

1.2构造破碎带地层特征及水文地质情况

断裂带影响区间近始发段，以构造角砾岩为主，夹碎裂状板岩，构造角砾岩发育有强风化及中风化。强风化构造角砾岩以泥质胶结为主，岩质极软，岩体极破碎，夹糜棱岩及断层泥;中风化构造角砾岩以硅质胶结为主，胶结程度较好，已胶结成岩，岩质较硬，岩体较破碎，夹破裂状板岩。受断裂影响，断裂带附近范围板岩岩体裂隙发育，呈散体状及破裂状结构，裂隙面为紊乱的线状石英脉充填。

根据勘查统计结果分析，该断裂带岩体不均匀，强风化构造角砾岩强度较差，岩体极破碎;中风化构造角砾岩强度较好，岩体破碎。

根据勘察揭露各岩土层特征，本区段主要含水层的岩土条件，按照地下水的赋存介质可分为第四系松散层孔隙水和基岩及构造角砾岩裂隙水两种类型。勘察期间，场地大部分钻孔均遇见地下水，地下水主要为赋存于第四系土层中的孔隙潜水和基岩裂隙中的基岩裂隙水。勘察时测得钻孔中稳定水位埋深为5.1～9.4m，水位标高为28.93～60.93m。

1.3区间穿越破碎带周边情况

区间盾构穿越构造破碎带段主要位于偏僻的市政道路下方，周边无建（构）筑物，管线距离较远。

2、现场施工过程

2.1现场掘进参数及异常情况

区间右线于2020年4月14日正式始发，左线于2020年5月17日正式始发。左线采用中铁山河盾构机，右线采用铁建重工盾构机。

6月5日掘进拼装第29环时，此时掘进参数主要为：推力11000KN，掘进速度20mm/min，扭矩2300 KN·m，出土量59m3，土仓压力1.3bar，同步注浆量为6 m3。6月6日至7日，因现场渣土池满，不能出渣，现场停止施工，此时左线拼装完成29环，刀盘位于33环，8日上午10时恢复掘进。停机期间盾构土仓上部压力约1.0-1.2bar。6月8日上午掘进拼装第30环时，此时掘进参数主要为：推力11000KN、掘进速度15mm/min，扭矩2400 KN·m，出土量68m3，土仓压力1.2-1.3bar，同步注浆量为7 m3。6月8日下午掘进拼装第31环时，此时掘进参数主要为：推力17500KN、掘进速度10mm/min，扭矩3000 KN·m，出土量60m3，土仓压力1.3bar，同步注浆量为7 m3。

掘进部分参数详见下表：

6月8日恢复掘进后掘进参数异常情况： 1）推进时速度波动较大，波动范围约为0-30mm。2）推进时刀盘扭矩波动较大，波动范围约为1500-4200KN·m。3）下午掘进第31环时盾构推力明显变大;4）螺机存在喷涌现象;5）同步注浆量不低于6方/环，每环二次补浆量偏高，每环二次补浆量约为3-4 m3。

2.2地面监测情况

6月7日下午17时左线监测数据显示第24、34环地表监测点单次沉降变化值均超过10mm，34环地面位置单次沉降最大为-15.25mm，累计沉降达-19.43mm;24环地面位置单次沉降最大达-31.54mm，累计沉降达-33.95mm。地面沉降已达红色预警。

6月8日下午左线监测数据显示，27环-37环地表均存在隆起现象，最大隆起位置为34环，单次隆起值达39.94mm，并且由于路面铺装层与水稳层之间的间隙被混入大量浆液、泡沫，路面铺装层隆起高度达到了30cm左右。

沉降从24环至34環在停机期间较为明显，影响范围约15米，沉降范围靠后，管片脱出盾尾后及后续沉降大。隆起从27环至37环在恢复掘进后较为明显，影响范围约15米，隆起范围靠前，在盾构刀盘位置较大。

2.3监测点位及地面存在冒气、冒泡、开裂、隆起等现象

区间左线目前盾构隧道埋深约12m，盾构掘进至34环时，盾构施工保压气体、同步注浆浆液从监测点、路面缝隙中冒出。

3、关于地面沉降分析

根据6月7日及6月8日左线监测数据显示第24、34环地表监测点单次沉降及累计沉降变化较大，造成红色预警现象，结合施工过程分析，引起该处地面沉降有下几方面的因素：1、盾构进入断裂破碎带掘进，断裂带岩体强度和稳定性差，地层水易流失;2、刀盘对地层的切削，盾壳对周围土体的摩擦和剪切造成隧道周围土层的扰动;3、由于地层裂隙较多，同步注浆和二次注浆浆液存在一定的流失，造成盾尾后压浆不及时和不充分;4、因地面不能出渣，盾构无法连续施工，盾构被迫在该处停机，停机期间未采用膨润土辅助保压，气压在裂隙中流失，土仓压力波动较大。5、4月23日，在右线13、16、19环地表沉降橙色预警，右线25环前后地面存在冒泡现象，对左线地层存在扰动。

4、关于地面隆起开裂分析

由于岩体极破碎，裂隙较多，受到刀盘扰动，岩体裂隙扩大，土仓气体向地层裂隙不断扩散，为保证土仓压力稳定（仓压约在1.2-1.3bar），不断加气加压，气体布满盾构机周边及上部岩体，压力向地表传递，在地层中以盾构机为中心形成气囊。同时，由于破碎带的存在，一方面加大了浆液的扩散半径，释放压力;另一方面顺着破碎带，浆液压力可以向地面传递（同步注浆及二次补浆的压力约1.9bar），造成盾尾处浆液上窜。

在强风化角砾岩中，受到刀盘处气压影响和盾尾处注浆影响，伴随盾构掘进扰动影响，从而在盾構机周围形成较大的压力，且气压和注浆压力随着破碎带裂隙向地面传递。查看详勘报告，在里程ZDK12+693附近，即左线24、34环处隧道埋深约12m，隧道穿越的地层为全断面强风化构造角砾岩，上部地层情况0-0.4m为沥青路面，0.4-5.2m为素填土，5.2m以下为强风化构造角砾岩。

隧道上方的4.8m的素填土及0.4m的沥青硬壳层无法抵抗气压和注浆压力作用，从而造成剪切破坏，发生地面隆起现象。发生地面隆起后，在盾构机上方地面打孔，当打破路面沥青层后，明显有气体冲出，伴随泡沫和水。在其他破碎带掘进时，由于隧道埋深加大，且上方覆土有较厚的强风化板岩、全风化板岩等，因此未发现有明显隆起现象。

另外，在6月8日下午掘进第31环时，盾构推力明显增大，由前几环的11000KN，增加到17500 KN，扭矩由2400 KN·m，增加到3000KN·m，掘进速度也由明显降低。相同地层及埋深下，盾构机工作面的总推力大小直接影响地面沉降，在盾构施工过程中，开挖面的支护力不可能完全等于原岩应力。当盾构开挖面的支护力大于原始土压力时，正面土体受到挤压向前向上移动，从而使地表发生隆起，覆土越浅地层越破碎的隆起越明显，覆土较深的隆起较小。盾构机壳壁与土层之间的摩擦力，在盾构施工推进中，盾壳和土层之间会产生摩擦力，在这种摩擦力的作用下，盾构工作面附近的土体同样会产生向上和向前的移动，扩展到地表，同样引起地表的沉降或隆起。

5、总结及建议

5.1招标图原有破碎带地层加固，但在施工图审查时取消原招标设计2.0mX2.0m袖阀管深孔注浆，加固至隧道上方3m、左右下各1m的保护措施。

但在实际施工过程中证明在极破碎的破碎带中，若上方无较厚的稳定覆土，在盾构施工参数不当的情况下易引起地面的较大的沉降或隆起，对周边管线或建构筑物造成较大影响。因此，在具备地面加固条件下应在隧道施工前进行地面加固处理，填充地层裂隙，增加地层抗剪强度指标。

5.2根据现场实际盾构掘进施工情况，掘进参数异常、地面冒浆冒泡、道路路面沉陷、地层稳定时间较长等现象，并根据专家咨询会意见，建议加强二次注浆及效果检测，对存在较大环境风险地段增加洞内深层注浆措施，防止路面塌陷和沉降。

5.3气体和浆液会沿着地层裂隙或孔隙向地面扩散，压力越大扩散范围越大，并且可能造成围岩错动，甚至地面局部隆起。在破碎带掘进中，需注意监测孔或地面裂缝是否有气体溢出，掘进或停机期间需采取措施防止气体损失太快。

5.4盾构机工作面的总推力和盾构机壳壁与土层之间的摩擦力直接影响地层沉降或隆起。在相同地质条件掘进时，当掘进参数发生异常变化时需提高警惕，即使分析异常数据原因。

参考文献：

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