盾構施工引起的地表沉降問題

張博 任博 姚毅

摘要：隨著科技與經濟的發展，隧道施工的機械化程度越來越高，隧道盾構機已經廣泛應用于隧道施工。雖然盾構施工對環境影響??；施工不受地形地貌、地表環境條件的限制；地表占地面積??；施工受天氣狀況和氣候條件影響??；使用范圍廣，可用于多類地層等優點。但施工中隧道上方一定范圍內的地表沉陷難以完全消除，由于某些原因導致地表沉降過大，造成周圍建筑物大量損壞，給人民財產帶來重大損失，同時也嚴重影響了周邊壞境。因此，研究盾構施工引起的地表沉降問題有著非常重要的意義。

關鍵詞：盾構施工 地表沉降 沉降原因 沉降控制

隨著我國經濟的發展，城市現代化建設將迅猛發展，地上空間緊張，人口膨脹、交通阻塞等城市問題日益嚴重，這就嚴重阻礙了城市的發展。地鐵快速客運系統能夠極大的緩解了市區地面交通阻塞狀況，對改善城市交通發揮著重大作用。隨著上海多條越黃浦江隧道、越珠江獅子洋高速鐵路隧道，南水北調工程等一大批世界級盾構隧道的開工建設，我國已成為世界上盾構隧道工程總量最多、規模最大、發展最快的國家。今后，盾構隧道還有相當大的發展空間。

一、地表沉降的危害

雖然盾構施工對環境影響??；施工不受地表環境條件的限制；地表占地面積小，征地費用少；施工受天氣狀況和氣候條件影響?。皇褂梅秶鷱V優點。但盾構法隧道的施工引起地層的擾動，引起周圍土體應力和應變狀態的改變，從而引起地層變形和地面沉降。當地層變形超過一定范圍時，就會嚴重危及臨近建筑物、道路和地下管網的安全。所以在設計施工階段，有必要預測隧道施工引起的地層變形，保護現有周圍建筑物，這需要深入研究盾構法隧道施工對土體的擾動機理以及產生的地層變形，從而采取相應的措施減小變形，降低對周圍環境的影響。

二、地表沉降的原因

盾構推進引起的地層損失和盾構隧道受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是地面沉降的基本原因。主要表現在以下幾方面：

1.隧道的開挖破壞了地層原來的平衡狀態并使周圍土體受到擾動以及地下水位的變化導致地層原始應力狀態的改變，這些都會造成土體變形和地表下沉。

2.盾構施工中輔以降水法時，在井點管四周形成漏斗狀曲面，漏斗外圍地下水流動補給而產生動水壓頭，出現土中有效應力增加，產生固結沉降。

3.當向盾尾和襯砌之間的建筑空隙中注漿不及時或者注漿不足時，均會造成盾尾隧道周邊土體向盾尾環形空隙移動而引起地表沉降。

4.盾構掘進時，開挖面土體受到的水平支護應小于原始側向應力，則開挖面土體向盾構內移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降。

5.改變推進方向。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭或叩頭推進過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。

6.隧道襯砌結構及接縫防水處理不當或者施工質量差而出現隧道滲漏點，導致水土流失，而出現嚴重不均勻沉降。

三、影響沉降的因素

1.隧道覆土厚度

實測和實驗研究表明：隧道埋深對地層沉降的影響因地層情況各異，Attewell研究給出如下關系：

式中：R——隧道半徑；

h——隧道覆土厚度；

i——隧道軸線到地面沉陷槽曲線反彎點的距離；

k，n——與地層特性及施工因素有關的常數。

2.盾構直徑

在隧道埋深一定時，地表沉降隨著盾構直徑的增大而增大。

3.隧道介質種類和環境的影響

盾構法施工地面沉降槽寬度主要取決于最接近隧道拱頂的那一層土的狀況。這意味如果隧道完全位于地下水位以下，則緊挨隧道上方的承壓水土層對沉降槽有重大影響。

4.盾尾注漿填充率

地面最大沉降隨注漿填充率的增加而減小甚至可能出現隆起。因此，施工時要試驗得到最佳注漿填充率，減小地面沉降。

5.地層物理力學性質

地層土體的壓縮性、強度性質等對地面沉降有重要影響。

6.施工條件

盾構推進過程中，土倉壓力、推進速度、盾尾注漿開始時刻、注漿量和注漿壓力、二次補注漿壓力、數量與次數、出土量等等都會影響地表沉降，甚至同施工人員的工作態度、技術水平等主觀因素有著聯系。

四、地表沉降的控制

根據國內外資料和施工實踐，對地表的沉降只要采取相應的技術措施，還是能控制在很小范圍內的。其一般措施如下：

隧道法施工前，首先進行地質勘探，然后根據不同的地質條件選定所需的盾構類型及輔助施工方法，減少對土體的擾動及防止開挖面的坍塌。

施工階段采取的措施：

（1）盾構前方的隆陷控制。地表隆起的主要原因是盾構正面對土體的推進力大于原始側向力，因此在實時監測的情況下， 可以根據地表隆起狀況調整推力、出碴速度， 達到降低地表隆起的目的。地表沉降是由于開挖面推力小于原始側向應力而引起，通過減少出碴量，提高正面壓力，達到控制沉降的目標，并保持開挖面的穩定。

（2）盾構通過時的沉降。這一沉降是無法避免的，但是如果超限， 可以通過采取調整掘進速度，及時注漿等， 使盾尾后隧道周邊的土體及時處于三向應力狀態， 從而達到有效控制地層的彈塑性變形。

（3）固結沉降的控制。盾構通過后， 由于應力松弛的影響， 地層還會發生固結沉降， 根據地面實時監測結果進行實時控制， 在管片襯砌背后實施回填與固結注漿， 尤其是對拱部120°范圍進行地層加固注漿。

（4）其它施工措施。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭或叩頭推進過程中， 實際開挖斷面是圓形而變為橢圓， 從而會引起附加變形， 此時應調整掘進速度等， 達到減少對地層的擾動度和減少超挖的效果， 從而減少變形。

五、結語

雖然即使采用當前先進的盾構技術，也難完全防止地表沉降。但是可以采取一些有效的措施，把地表沉降控制在最小范圍內，不使周圍建筑物受到破壞。在以后的盾構隧道施工中，為了減小地表沉降，我認為應該采取以下兩方措施：

在技術方面：應該發展更加先進的盾構機，壓力控制系統更加靈敏、有效，盾尾注漿更加密實，掘進過程更加穩定等方面技術在施工方面：應該培養一支專業化、高素質的施工隊伍，杜絕一些由于操作不當，而引起的地表沉降事故。

參考文獻：

[1]陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M].人民交通出版社.

[2]連長江.城市地鐵隧道盾構施工產生的地層沉降分析[J].廣東建材.

[3]吳張中，李麗平.地鐵隧道盾構施工地表沉降的預測分析[J].路基工程，2007（4）.

[4]李海東，劉軍.盾構隧道施工引起的地表沉降因素分析[J].市政技術26（2）.