隧道盾構施工中地表沉降變形及控制措施探討

陳 鶴

（中鐵十九局集團 第二工程有限公司，遼寧 遼陽 111000）

1 隧道盾構施工中地表沉降變形分析

1.1 地表沉降變形的原因

淺埋隧道、松軟地質條件下，盾構施工對土體的擾動將到達地表，即施工地表沉降變形。盾構施工引起的地表沉降變形因素眾多，如門挖面坍塌、過大的推力、地下水位降低、施工偏離中線、超挖、周圍土體的擾動、與周圍土體的摩擦、盾尾空隙的產生、背后注漿壓力及注漿效果、管片的變形、管片漏水等。

地表沉降變形的原因中，以開挖面的土體移動和土體擠入盾尾間隙為主要原因。而在一定條件下，開挖面土體移動量與盾構土倉的壓力相關，土體擠入盾尾間隙量與盾尾同步及補充二次注漿效果相關。在影響地表沉降變形的各因素中，土體及襯砌材料的力學性質可以通過試驗測定，土倉壓力在施工時可以人為控制，最難確定而又對地表位移有著重要影響的是盾尾空隙、土體向盾尾空隙的自然充填及注漿后漿體的分布情況和隧道壁面受擾動的程度和范圍。

1.2 地表沉降變形的分類

（1）先行沉降，盾構到達之前早就產生的沉降；

（2）開挖面前變形，盾構開挖面前不遠地表產生的隆起、沉降變形；

（3）開挖面處變形，盾構施工通過處產生的變形；

（4）開挖面后變形，盾構通過后地表產生的變形；

（5）后期沉降變形，盾構通過后較長時間內產生的地表沉降變形。

1.3 地表沉降變形的產生機理

（1）先行沉降：盾構到達之前早就產生的沉降，一般來說，主要是地鐵施工造成的地下水位下降，導致前方失水或部分失水沉降；

（2）開挖面前變形：盾構開挖面前不遠地表產生的隆起、沉降變形，主要是盾構掘進施工產生的，土倉內土壓過高或推力過大造成前方隆起，反之，出土過快，土倉內失水、失壓引起前方沉降；

（3）開挖面處變形：盾構施工通過處產生的地表沉降變形，也是由于盾構機掘進施工產生的，掌子面失穩、超挖、偏離中線等均可造成地表沉降變形；

（4）開挖面后變形：盾構通過后地表產生的變形，主要是跟盾尾空隙充填及時性和充填效果有關，大部分表現為地表下沉，個別注漿壓力過大、注漿量過大也會引起地表隆起；

（5）后期沉降變形：盾構通過后較長時間內產生的地表沉降變形，主要是由盾構施工引起土體的松動、擾動隨時間再次固結造成的地表沉降變形。

2 隧道盾構施工中地表沉降變形的控制措施

主動控制和被動控制是兩種常規的變形控制方法。主動控制是指在盾構掘進時，先對鄰近建(構)筑物采取實時保護措施，例如，在盾構機不斷推進時，通過監測地表沉降數據，實時調整施工參數。被動控制通常是指在地層出現了大的沉降，或者是地面建(構)筑物發生較大的不均勻沉降時，對建(構)筑物進行加固或糾偏等措施，使其恢復到正常的變形范圍內。這種處理措施是沉降治理的方式之一，應盡量避免在工程中使用。

2.1 設計選線的控制方面

當用盾構法對隧道區間進行施工時，要充分考慮到含水軟弱地層和地面建筑的影響，盡可能的避開建筑群，并且使隧道線路處于地表均勻沉降區內。對于不同時施工的雙線隧道，在進行施工設計時，需要考慮二次沉降的影響，并且正確估計地表沉降及其危害。在條件允許的情況下，盡量通過監測和測量取得盾構施工后的地表沉降及隆起值。

2.2 艙內壓力的控制方面

對于土壓平衡式盾構施工方法，其原理是在盾構推進的過程中，依靠盾構前方土體壓力和艙內土體壓力相平衡來保持開挖面的土體穩定。通過大量工程實踐得知，由于在盾構推進的過程中，土壓受到推進速度、排土量和千斤頂頂力等的影響會發生波動，因此土壓平衡是一種動態的平衡，可以通過控制排土量和艙內外土體壓力差值的大小要實現開挖面的穩定。

開挖面的穩定，可以減小前方土體的松動或擠壓造成的土體擾動。在盾構推進的過程中，應該一直保持正面靜止水、土壓力之和略小于密封艙內的壓力，這樣才能盡可能的減小開挖面土體的擾動。

2.3 盾尾建筑空隙的控制方面

管片施工質量的好壞是盾構施工的關鍵因素之一。管片的強度、尺寸和預留孔道位置等都需要嚴格控制。防水處理也必須做好，這樣才能保證盾構具有良好的抗滲性。

確保注漿數量，控制注漿壓力。由于注漿材料會發生收縮，因此注漿量必須大于理論建筑空隙的體積，一般應該超過理論值的l0%左右；如果在注漿材料中摻加膨脹劑，則實際注漿量可以等于理論注漿量。

改進壓漿材料性能。拌漿站在施工時，要對漿體進行強度、凝結時間和收縮量等進行相關實驗，選擇合適的配合比。注漿材料抗滲性的好壞影響到隧道的防水能否成功，因此需要嚴格把握。

土體受到卸荷而發生擾動的程度與是否存在盾尾間隙有關。通過同步注漿和二次注漿能夠減小土體擾動程度。在盾構向前推進時，需要及時調整注漿參數，從而達到控制沉降的目的。進行同步注漿時，需要嚴格注漿壓力，從而確保注漿是填充土體間隙而不是由于過大的壓力而是土體被劈裂。根據已有的施工經驗，注漿壓力一般取為1.1-1.2倍靜止土壓力比較合適。

2.4 開挖面地層擾動的控制方面

施工之前就要調查施工區域內的地質概況，尤其是要清楚地下水的來源、流量和流向，為施工做好準備，及早制定控制地表沉降變形的預防措施和防水、堵水的具體方案以及坍塌應急處理方案，在突發事件發生時能夠有效應對。

加快施工速度，并保證連續性。盾構機停止向前推進時，正面土壓力導致盾構機發生后退，盡管后退量可以采取支撐或者加固來減少，但還是不可避免的。所以，做好施工組織，避免盾構機停止運作，提高開挖工程的施工速度，對減少地表沉降變形有積極地作用。如果盾構機在施工過程中需要檢修或者其他原因不得不暫停作業時，必須要采取防止后退的措施，正面和盾尾要封閉，盡可能地減少暫停作業期間的地表沉降。

盾構機向前掘進時，要控制好開挖面的出土量，避免超量。嚴格控制了出土量，地表沉降的控制還是可能的。依照在軟粘土中盾構施工中的工程經驗，采用擠壓式盾構，要是地表不發生隆起，出土量要控制在理論土方量的80-90%。

施工過程中用合理的正面支撐控制土體的坍塌，保證開挖面的穩定性。條件允許時，要盡量使用先進的不會改變地下水位的土壓平衡式盾構技術進行開挖，這樣可以減少土體由于地下水位發生變化而引起擾動。

3 結語

隧道盾構施工技術經過發展，已經有了很大的進步，由于盾構施工引起的周圍建筑物的損壞也在減輕，但是盾構施工還是會不可避免地引起地層的擾動，引起地層變形以及地面的沉降。地層擾動導致的土體強度和壓縮模量的降低將會引起長時間內的固結和次固結沉降。當地層變形超過一定范圍時，就會危及到鄰近建筑物和地下管網的安全，進而引起一系列的巖土環境問題。由此可見，研究盾構施工產生地表沉降的機理及控制措施具有重大的意義。

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