盾构施工对周围环境的影响及控制措施

1、盾构施工对周围环境的扰动与影响特性及控制措施摘 要：盾构机在城市地铁建设中得到了广泛的应用，但在盾构掘进过程中会引起地层损失，过大的地层损失，可导致较大的地面沉降，对地面建筑物、地下管线等设施产生不利影响甚至会导致破坏，引起较大的经济损失。本文主要讲述了盾构施工对周围环境的一些影响及一些控制措施。关键词：盾构施工；周围环境；影响；控制措施1 前言自1823年布鲁诺采用盾构法在泰晤士河建造隧道以来, 已经近180年的历史, 盾构法隧道因其具有对周围环境的影响较小等独特优点而在隧道施工领域独树一帜, 尤其是二战后, 随着世界各国, 主要是欧洲、日本、美国、加拿大等城市隧道, 包括地铁隧道、给排水隧

2、道、电缆隧道以及城市共同沟的大量兴建, 盾构施工方法也从最初的手工式盾构、半机械式盾构发展成机械式盾构甚至盾构机器人, 其应用水平越来越高, 应用范围也越来越广泛。但现在对环境控制的要求越来越高, 尤其是对盾构穿过城市中心重要建筑时的影响要求极为严格。从而, 盾构施工对周围环境的影响就是一个急待研究的课题。本文主要讲述了盾构施工对周围环境的一些影响及其可能产生的因素，以及适当地阐述了一些控制措施。（其中的图表来自南京地铁一号线穿越金川河和玄武湖区间隧道的监测数据。）2 盾构施工对周围环境的影响2.1 盾构推进中的地层损失盾构推进引起的土体位移一般由三部分组成：先于盾构前方的地表位移；盾构通过时

3、的位移；盾构离开后的土体固结。对于土压平衡式盾构，由于盾构机刀盘前方土压力接近静止土压力，因此先于盾构前方的地表位移可能较小。盾构机通过后，盾尾空隙闭合，通常是引起地表较大位移的原因。而固结沉降大小依赖于土的类型、盾尾空隙注浆的方案以及盾构机推进对土体的扰动情况。固结沉降与时间有关，通常经过几个月后才能稳定。2.2 对建筑物沉降影响实测表明，在盾构正常掘进地段，建筑物的沉降形式与地表沉降一致，部分房屋沉降曲线见图1所示，最大沉降发生在盾尾脱出管片阶段，在主要沉降影响区的房屋(在盾构隧道轴线两侧3 m范围)沉降大，主沉降区的房屋沉降一般在-15mm到-25 mm；在主沉降区外的房屋沉降小，沉降值

4、小于-10mm，距隧道轴线较远(10m以上)地段，盾构掘进基本对房屋没有影响，其沉降变化量在-4mm以下。另外，基础刚度较大的房屋沉降相对较小，且比相应位置的地沉降略小。在特殊地段，如许一南区间盾构铰接油缸出现漏油地段，房屋沉降达-83.7mm；玄一新区间软流塑淤泥质粉质粘土层，房屋沉降也较大，沉降值达到-481 mm，软流塑淤泥质地层为高压缩高灵敏度地层，对扰动敏感，在房屋荷载和盾构掘进扰动的作用下，地层产生压缩再固结沉降，地层后期变位大。而且在这种地层，盾构姿态和掘进控制难度增大，同步注浆对控制变位的影响减弱，主要是地层呈流塑状时，盾尾空隙不能完全由浆液充填，部分被淤泥充填，因而地层损失较

5、大。2.3 对地下管线的沉降影响隧道周围地下管线主要有煤气管、给水管、排污管。与隧道正交的横断面沉降基本呈正态曲线分布，与盾构掘进引起的地表横向沉降槽相适应(图2)。在地下管线埋深较浅时，也可以地表沉降来代替地下管线的沉降。且此时地下管线的沉降长度较小。管线在盾构掘进主要影响区内的管线沉降大，主影响区外沉降小。2.4 对地下水位的影响采用土压平衡模式开挖，对地下水位影响较小，水位变化与盾构掘进历程有关，盾构掘进过程中水位变化曲线见图3、4。在距盾构较近的测孔(图3)，盾构切口距测点30m左右水位就有上升影响，在盾构切口到达前地下水位上升幅度最大，最大上升约43 cm，主要是由于盾构土仓压力设置

6、大时，对正面土体有压密疏干效应，从而使地下水位上升；盾构通过和盾尾脱出阶段，水位下降15cm到20cm，下降幅度不大，这跟同步注浆参数(压力、注浆量等)设置时能及时充填盾尾间隙有关；在盾尾过后，由于浆液收缩和地层固结沉降等因素水位总体下降16 cm 60 cm，之后水位会慢慢恢复至比原有水位略低；距盾构较远的测孔(图4)，水位基本呈下降趋势，但数值不大，累计最大下降3 cm。2.5 其他的影响盾构施工时还会对埋于地下的基桩、地下连续墙以及已建成的地下隧道、建筑物的影响，但是由于地下的监测与研究较地面上而言较难，所以部分研究还在进行，没有得到具体影响的因素。根据对成都地铁盾构施工对周围环境的影响

7、研究表明认为，桩体的前后挠曲主要受正向推进力影响，而与土体损失无关，桩体的左右挠曲同时受正向推进力和土体损失的作用，从整个盾构推进过程看，桩体的左右挠曲有一个弹性恢复过程。桩的弯矩、轴力、变形随着地层损失的增加而增加；沿桩长，桩的沉降相对均匀；单桩上产生的压应力和拉应力是由于土的竖向沉降引起，如果地层损失达到5，此时有最大桩侧摩阻力；桩的侧向变形与土的侧向变形相似；桩的最大弯矩发生在隧道轴线以上的位置；地层损失达到5时产生的弯矩将超过桩的允许弯矩。3 控制措施目前,根据国内外的施工理论和实践,可以认为盾构施工均能达到对环境影响接近零的水平。但是，由于盾构施工引发的事故还是有过发生的，所以必要的

8、控制措施也应该在施工过程前、中及完成之后进行。经过工程实践，提出如下措施，是减少盾构掘进对周围环境影响的重要手段，并且实践证明也是有效的。(1)调整、修正、合理匹配盾构掘进参数，建立有效土压平衡，确保同步注浆效果，是控制地层损失，减小地层变位的有效手段，主要的施工参数为土仓压力、推进速度、螺旋出土器转速、推力、盾构姿态和同步注浆参数等。各项掘进参数的设定应根据不同地层、埋深及现场监测数据分析反馈的基础上确定，在粉细砂层中除土仓压力宜相对较高，以利于防止地层液化，同时应确保同步注浆的浆注入率和注浆的及时性。(2)选择良好的地层进行施工。地层条件是判断盾构掘进对地层影响程度的关键，在自稳性好的地层

9、中，盾构掘进对地表影响小，反之则相反。监测结果分析，沉降槽相对深度和曲线曲率从大到小依次为淤泥质粉质粘土层、可塑性粉质粘土层、粉细砂层、硬塑性粉质粘土层。(3)在盾构隧道上部有构筑物的情况下，构筑物的倾斜、沉降与所处地层和处在沉降槽内的位置有关。构筑物因地基的沉降而产生沉降和倾斜，对于基础好、结构整体刚度大的构筑物，其不均匀沉降较小而危害小；对基础较差、整体刚度小的构筑物，易产生裂缝和结构性破坏。(4)在盾构施工中采用了地理信息系统来控制施工过程。该系统包括地质详勘、预测沉降值、有限元分析、监测点,设置预警值和允许值以及转移风险措施等。关于监测点,国内一般在被穿越的隧道内设置电子水准仪。在地面

10、,采用精密水准仪等手段实施人工监控,所采集的数据仅供施工技术人员掌握,并以此指导盾构施工;国外则采用自动搜集信息的监测站。它是由全站仪、测点、接收仪组成,由全站仪发出的光束通过测点上的反光镜折射到接收仪(照相机)。此信息由专用软件解读后,即时报告有关人员,同时连线盾构操作程序对盾构推进诸参数和注浆诸参数加以调整, 必要时采取其他措施, 如在需要时设置补偿注浆来保证对环境的影响处于可控范围,使盾构施工对环境的影响降低到最低程度。4 结语土木工程随着人类历史的发展而不断地向前发展, 从最初修建赖以生存的房屋到满足交通需要而修建道路与桥梁, 到对空间需求所进行的摩天大楼的建设与地下空间的开发应用, 土木工程取得了巨大的成就, 也从很大程度上改变了人类的生活。国内目前正兴起一股城市地铁建设的热潮，如何在地层中快速、安全地进行地铁施工且保护周围环境不受较大影响的问题值得我们不断研究和探索，希望以后有人对此进行更深入的研究，从而得到更加正确和丰富的成果。参 考 文 献1 唐益群，叶为民,张庆贺上海地铁盾构施工引起地面沉降的分析研究J地下空间，1995，15(4)：2502602 王振兴.盾