高寒地区盾构施工地表沉降控制及富水砂层接收技术研究

高寒地区盾构施工地表沉降控制及富水砂层接收技术研究

张德钊

中国水利水电第一工程局有限公司 130033 吉林省长春市

［摘要］为解决高寒地区城市轨道交通盾构施工中地表沉降控制的问题，本文对盾构施工中的沉降控制技术进行研究，提出了通过优化施工参数、合理选择盾构类型以及增强土体支护的多重措施，减少土体扰动和地表沉降的风险。本文以哈尔滨地铁某盾构区间在经过 高寒地区“隧道覆砂区、桩基础群区和地面建筑物区地段时所采取的技术措施，以期对类似地层有借鉴和指导作用。在盾构接收中采用钢套筒接收，通过对盾构端头加固及周边环境、地质条件复杂情况下的加固方法及盾构技术进行优化，采用钢套筒及素混凝土连续墙组合加固措施有效控制了工程风险，取得了较好的盾构机接收效果。为相关人员和工程提供理论支持和技术参考。

［关键词］高寒地区；地表沉降控制技术；富水砂层；钢套筒；盾构接收

1 前言

随着城市轨道交通建设的快速发展，盾构法作为主流的隧道施工方法，广泛应用于复杂地质条件下。然而，高寒地区独特的气候和地质条件，如冻土层和丰富的地下水，对盾构施工提出了更高要求。施工过程中，由于土体的扰动、地下水位变化及土压失衡，地表沉降问题尤为突出。有效控制地表沉降，不仅关系到施工安全，也影响到周围建筑物和基础设施的稳定性。在地铁隧道端头地质条件及周边环境复杂情况下，选择何种方法对盾构能否顺利接收显得尤为重要。

哈尔滨地铁某盾构区间为双线圆型隧道，内径5.4m,外径6m,采用刀盘直径6.28m的土压平衡盾构机施工。在临近吊出井时要经过一“三区”特殊地段，即：隧顶覆砂区、桩基础群区和地面密集建筑物区。

2盾构施工中的地表沉降机理分析

2.1 盾构隧道施工过程中的土体扰动

盾构隧道施工过程中，土体扰动是导致地表沉降的关键因素之一。施工过程中，盾构机通过推进与土体相互作用，施加的施工压力会引起土层的局部压缩和松动，进而影响周围土体的稳定性。土体扰动主要体现在盾构机的刀盘切割、土压控制以及盾构机推进的振动效应。具体而言，盾构刀盘切割过程中的切削力与土壤摩擦力之间的相互作用，导致土体颗粒的重新分布，形成微小裂缝或局部空洞，进而加剧土体的变形。

2.2 盾构隧道经过“三区”时的准备工作

在到达特殊段前选择一开挖面自稳性较好的地段对盾构机进行全面检修，减少在特殊地  段停机检修的风险：①对破损较大的盾尾刷进行更换；②全面检测刀具，对磨损超标的刀具进行更换；③对堵塞的注浆管进行疏通处理；④对分别通往开挖面、土仓、螺旋输送器的主从泡沫管进行疏通，并在刀盘面中心附近增设1根泡沫管。

2.3 盾构法掘进引起的地表沉降机制

盾构机在推进过程中，通过土体压实或空隙形成的方式改变了周围土层的物理结构，产生应力集中区域，尤其是在柔性或非均质土体中更为明显。地表沉降的程度与土体的弹性模量、土层厚度、以及地下水位变化密切相关，因此在高水位地区或存在软弱土层的地质条件下，沉降效应更加突出[1]。盾构施工参数与土体沉降影响因素的关系如表1所示。

表1 盾构施工参数与土体沉降影响因素的关系

2.4 盾构适应性分析刀具配置

哈尔滨地质为松花江漫滩，多为中砂、细砂、粉砂地层，易结泥饼，根据以往类似地层施工经验，采用全软土刀具将会出现盾构机推力增大、扭矩 增大、掘进困难的现象，严重时由于盾构机长时间在一小范围扰动，隧道顶部的砂土层会塌落，进而导致地面塌陷的事故；若采用全硬岩刀具，则刀盘面开口率减少，结泥饼的机会就会增加。故施工时采用了混合式刀具配置：64把刮刀，16把铲刀，5把边缘双刃滚刀，8把正面双刃滚刀，6把中心双头齿刀。正面滚刀都高出刀盘盘面175mm, 为开挖面破除下来的砟土留出了足够的出渣空间，刮刀超出刀盘盘面140mm, 受到滚刀的保护，刀盘开口率约为32%。

3盾构隧道施工中的沉降控制方法比较

3.1 土仓压力平衡沉降控制措施

土压平衡盾构通过调节刀盘后的土压与隧道前方土体压力平衡，来有效控制沉降。在盾构推进过程中，土压平衡盾构维持刀盘后部与前方土体之间的压力差，通过调节盾构内的压力控制系统，确保土体在切削过程中保持相对稳定。这一方法能够减少土体扰动，降低地表沉降的风险。在实际应用中，土压平衡盾构的土压控制通常设定在2.5～3.5MPa之间，以确保足够的土体支撑力，防止隧道施工过程中的塌陷或不均匀沉降。

3.2 注浆加固沉降控制措施

通过注浆加固技术，可以在盾构机推进的过程中，向土层注入水泥浆或化学浆液，形成加固层，有效增强土体的抗沉降能力。以中国黑龙江省哈尔滨市某地铁项目（全长15km）为例，采用注浆加固技术对冻土层进行改良，注浆压力控制在2.0MPa左右，成功将地表沉降控制在最大3mm以内，减少了冻土引起的沉降波动。此外，采用高压旋喷桩和支撑架等手段进一步提高土体支撑力，结合土层密实度增强技术，最大程度减少了由于土体不均匀性或冻胀引起的施工风险。

4基于盾构类型及施工参数优化的沉降控制技术

4.1 盾构施工参数的优化与沉降控制

盾构施工参数的优化对地表沉降控制至关重要，优化的关键在于调整推进速度、刀盘转速、土压控制和泥水循环等参数，以实现土体的最小扰动和沉降的有效控制[2]。提高推进速度或刀盘转速通常会增加土体扰动，因此需要与土层的稳定性相匹配。在软土或含水层较高的地层中，适当降低推进速度可减少土体的过度变形，降低地表沉降的风险。以某市地铁项目为例，通过对施工参数的优化，推进速度从原定的10m/h调整为6m/h，刀盘转速从12rpm优化为10rpm，结合土压控制在2.0～2.5MPa范围内，成功将地表沉降控制在最大2mm以内。

4.2 泥水盾构与土压盾构在高寒地区的参数对比分析

泥水盾构与土压盾构在高寒地区的应用具有明显的技术差异，主要体现在施工参数的调控和土体稳定性的保障上。泥水盾构通过泥浆在盾构机刀盘后形成液态土压，维持土体稳定，适用于水文条件复杂、土体含水量较高的地区。其泥浆循环系统的压力范围通常设定在1.5～2.5MPa之间，能有效防止地层塌陷和水土流失。在高寒地区，低温环境使得水泥浆液的粘度增大，因此需要控制泥浆的流速与浓度，以确保稳定的液压支撑。

土压盾构则通过调节刀盘后的土压直接与地层压力相平衡，通常控制土压在2.5～3.5MPa的范围内，适用于较为坚硬或干燥的土层。由于土压盾构对土层的依赖性较大，施工过程中土压控制需精细调节，以避免因土体变形过度而引发沉降。在高寒地区的冻土层施工时，土压盾构更易出现冻结土体对刀盘的影响，需特别注意参数的实时调整[3]。泥水盾构与土压盾构在高寒地区的施工参数对比见表2。

表2 泥水盾构与土压盾构在高寒地区的施工参数对比

5富水砂层盾构接收方案对比

5.1 原端头加固设计方案

对盾构接收端头贴近主体围护结构地连墙5m范围内采用φ800@450双重管高压旋喷桩固处理，5m以外的采用φ800@550双重管高压旋喷桩固处理，接收端旋喷桩加固范围沿隧道纵向长12m，竖直方向加固范围靠车站围护结构端为开挖隧道上下各3m范围内；横向加固范围靠车站围护结构端为开挖隧道左右各3m范围内。

图1 端头加固范围

5.2 盾构钢套筒接收方案

针对哈尔滨地区地质情况特点，从经济指标、工期及质量等方面进行综合比选分析后，在原端头加固设计基础上进行方案优化，将临近主体围护结构地连墙的第一排φ800旋喷桩改为800mm宽，标号为C15素混凝土墙，加固高度直至地面，并采用钢套筒进行盾构到达接收，形成高压旋喷桩+素混凝土地下连续墙止水帷幕+钢套筒的加固方案。

6盾构钢套筒施工准备

钢套筒接收就是钢套筒与洞门钢环焊接形成一个密封的整体，使钢套筒与洞门内的土体形成连接整合，减小盾构机接收时出现险情的概率。在筒中填充泥浆，模拟盾构在原始地层中掘进，保证盾构在平衡状态下到达和通过洞门。在盾构盾体完全进入套筒后，通过在洞门管片处注入双液浆和聚氨酯等材料封堵洞门，从而有效防止涌水、涌砂等现象的发生，消除盾构出洞的施工安全隐患，最终保证盾构顺利进洞。

6.1筒体安装

筒体部分长11300mm，直径（外径）6840mm，传力架在长度方向分成4件（每件长2500mm），分段又分为上下两块。钢套筒定位时，要求钢套筒架中心线、线路中心线两条控制线重合。在地面组装好钢套筒的各传力架，确保个安装部分与路中心线重合，钢套筒安装完成后，对筒体位置进行复测，检查与盾构机到达的中心线是否重合。两段传力架放好橡胶密封垫后，拧紧连接螺栓，连接部位密封采用10mm橡胶垫密封。

图2 钢套筒安装示意图

6.2后端盖连接

后盖板与筒体之间加8mm厚的橡胶板，后盖边缘法兰与钢套筒端头法兰采用M30×150（8.8级）螺栓连接。

6.3反力架安装

反力架的安装采用类似盾构始发反力架安装方式，盾构接收反力架紧靠在端头井负一层环框梁和底横梁上。反力架用I20的工字钢做斜撑，与车站底板顶紧。反力架定好位置后，先用400t千斤顶顶平面盖和反力架，消除洞门到后盖板的安装间隙后，反力架上下均布9道300×300mm支撑柱与后端盖平面板顶紧，支撑柱与反力架之间用支撑楔块垫实并焊接，支撑斜撑与底板预埋件焊接要牢固，焊缝位置要检查，确保无夹渣、虚焊等隐患。

6.4钢套筒的过渡连接板与洞门环板的连接

反力架安装成后，需对中心线复测，确认无误后，将洞门环板与过渡连接板进行焊接。由于洞门环板在预埋的过程中可能出现过渡连接板无法与洞门环板密贴的情况，应需在空隙处填充钢板并与过渡板焊接牢固，将空隙尽可能地消除。

6.5支撑安装

钢套筒过渡连接板与洞门环板焊接完成后，即进行安装筒体上部支撑。钢套筒每边共设置4道横向支撑，顶在中板梁上。支撑安装完成后，对托架左右、反力架的支撑进行牢固性的检查。

6.6气密性检验

钢套筒组装完成后，在筒体内压水检查其密封性，气压为0.2Mpa，若在12小时内，压力保持在0.18Mpa上，则可满足钢套筒接收要求，如果小于0.18Mpa，找出漏气部分，检查并修复其密封质量，然后再次进行试压，直至满足试压要求。

6.7砂浆基座

在钢套筒底部60°范围内浇筑15cm后的C20砂浆基座，其余部分填充M10砂浆，厚度比接收轴线低20mm。浇筑前在该范围焊接相当数量直径为8～10mm的钢筋，以避免盾构推进时混凝土移动。保证砂浆基座伸入洞门内与加固土体相接，防止刀盘出加固体时扎头。

6.8洞门凿除

洞门凿除前应对加固体质量进行检验，加固体质量必须达到设计要求，并通过洞门水平探孔进行检查，加固体连续完整并且无水砂流出，方可进行洞门凿除。为了避免洞门凿除后暴露时间太长，洞门凿除安排在钢套筒已全部安装完成后进行。

6.9填料

钢套筒检验完毕后，向钢套筒内填料。填料采用泥浆，主要采用盾构机掘进出来的渣土和膨润土加水配制而成。为了将填料输送至钢套筒内，需要从地面引一条输送管道至钢套筒上，采用一条609mm的管路连接，地面设置一个漏斗，将填料直接从漏斗输送至钢套筒内。

7结语

总而言之，高寒地区城市轨道交通盾构施工中的地表沉降控制技术在复杂的冻土层与水文条件下具有重要意义。通过优化施工参数、选用适当的盾构类型及增强土体支护措施，能够有效减少土体扰动，控制沉降幅度。采用钢套筒接收技术实现了成功接收，避免了车站在富水砂层的接收风险，克服了盾构进洞施工风险管理的复杂性与高难度。在地质条件或周边环境复杂的条件下，采用钢套筒接收，在工期、安全、质量等方面得到了有效保障，能为类似高寒地区及富水砂层盾构接收提供参考。未来，随着技术的进步和经验的积累，沉降控制与接收技术将在高寒地区的隧道施工中发挥更大的作用。

［参考文献］

[1]蔡浩明.富水地层盾构施工引起的沉降实测分析[J].低温

建筑技术,2022,44(01):149-153+157.

[2]卢嘉伟.上软下硬复合地层盾构施工地表沉降控制研究[J].中国设备工程,2021,(10):13-14.

[3]邹成.富水软岩暗挖区间盾构施工中的地表沉降分析与控制[J].兰州石化职业技术学院学报,2018,18(01):34-37.