地鐵盾構施工地表沉降及其控制措施

張中陽

摘 要：隨著城市建設規模的增加，地鐵施工也越來越多。因為地下施工導致的地面沉降等問題隨之增多，給城市環境、交通和人民生活帶來負面影響。文章圍繞地鐵盾構施工中地表沉降問題進行討論，闡述了發生沉降的主要運營和不同階段地表沉降的特點，其次對地表沉降影響因素進行了分析，最后對如何實施有效防范措施，加強地鐵盾構施工地表沉降控制提出自己的看法和建議。

關鍵詞：地鐵；盾構施工；地表沉降；注漿；土壓力

引言

地下鐵路是現代城市交通體系重要的組成部分，在城市建設、經濟發展和提高人民生活水平方面發揮了重要作用。由于地鐵主要設施位于地面以下，使得地下施工成為地鐵建設工程的主體。在地鐵地下施工過程中，地面沉降、塌陷和開裂等問題時有發生，不僅造成城市環境破壞，也給地鐵工程自身帶來巨大安全隱患。在地鐵工程中，盾構結構施工往往會引發地表沉降現象，針對地鐵盾構施工地表沉降問題進行深入研究，制定安全防范措施，對應數量和規模不斷呈現上升趨勢的地鐵工程來說無疑是十分重要的。

1 地鐵盾構施工過程中地表沉降原因分析

大量實際統計數據表明，地鐵盾構工程中引發地面沉降的原因包括施工造成的地層損失、地鐵盾構隧道附近地層因為遭受擾動和剪切破壞而導致的重塑土再固結等。在眾多地面沉降現象中，施工地域地層受盾構推進造成的擠壓、超挖以及盾構尾部壓漿的影響而發生擾動，從而導致地鐵隧道附近的地層形成正、負超孔隙水壓力，最終導致的地層沉降稱之為固結沉降。根據形成機理不同，固結沉降包括主固結沉降和次固結沉降兩種沉降方式。受超空隙水壓力消失影響導致的土層壓緊密實形成的沉降是主固結沉降。因土層骨架結構發生蠕動使土層在剪切力作用下發生變形導致的沉降是次固結沉降。

2 不同施工階段地表沉降特點概述

隨著地鐵盾構施工的不斷推進，因其引發的地表和土體沉降也在不斷發生著變化，根據施工進展，與其對應的地表沉降也隨之分為五個發展階段，即初始沉降、開挖面前方變形、盾構通過時、盾尾空隙沉降、后續沉降。

2.1 初始沉降階段

當盾構機運轉挖掘前進時，地下水流原有結構發生破壞，地下水位發生下降，從而導致附近一定范圍內地面發生沉降，從開挖路線前方某處發生沉降，直至挖掘面到達該處，這一過程的沉降稱之為初始沉降階段。

2.2 開挖面前方變形階段

當挖掘面逐漸接近前進路線上某處時，在距離該點幾米時，會導致該處附近地面發生沉降和隆起，這一現象從出現直至挖掘面到達該處這一過程稱之為開挖面前方變形階段。導致這一現象的原因是盾構機推力不穩定，開挖面土層壓力忽高忽低，不斷發生變化造成的。

2.3 盾構通過時沉降階段

從開挖面到達前進路線某處，直至盾尾到達該處，這一過程中發生的沉降稱之為盾構通過時沉降。導致其發生的原因是盾構機經過時對土體造成的劇烈擾動。

2.4 盾尾空隙沉降階段

當盾構機盾尾經過前進路線上某處時，由于盾尾間隙內的土體突然失去來自盾構的支撐作用，或者由于管片壁后沒能按時施工要求進行注漿導致附近土壤應力釋放都會造成沉降發生。這一階段的沉降稱之為盾尾空隙沉降。

2.5 后續固結沉降階段

盾構機經過以后，經受擾動的土地發生固結和蠕變后續實效變形造成的沉降稱之為后續固結沉降。

3 地鐵盾構施工過程中地表沉降影響因素分析

3.1 注漿作業對地表沉降的影響

注漿作業是地鐵盾構施工的重要組成部分。而注漿作業的好壞對于因盾構施工造成的地表沉降有著至關重要的影響，因而在地鐵盾構施工中，注漿作業往往作為控制地表沉降程度主要措施。注漿作業中，對地表沉降影響突出的因素主要包括注漿壓力的大小、注漿量的多少、有效注漿范圍、加固體強度提高加值以及后挖隧道的擾動等。

3.2 盾尾空隙對地表沉降的影響

盾構機在土層中推進施工時，隨著盾構機的挖掘運動，盾尾鋼殼與地表土壤會呈現出周期性的緊密貼實和分離。當盾尾與土壤發生分離時，在注漿作業沒用及時跟進發生效用的情況下，與盾尾發生分離的土壤會因為失去支撐壓力而發生位移、崩塌等現象，隨著土壤的運動與位移，盾尾與土體間的空隙再度被填滿，土壤受力再次達到平衡。這一過程也是影響地表沉降的重要因素。

3.3 地表硬殼對地表沉降的影響

在城市環境進行地下施工，地面表層和地下深層土體往往呈現出不同的特性。理論計算結果和大量實際測量數據都表明在正常的盾構推進施工中，地面表層和地下深層土體所發生的沉降呈現一致性，但相對于地面表層，地下深層土體的沉降程度更加距離，受施工影響更加突出。這是因為城市環境下，地面表層往往由混凝土地面、柏油路路面等較為堅硬的材質構成，變形模量、抗彎剛度及抗變形能力等遠大于地下深層土體。在受到相同作用時發生沉降的程度更低。由于這個原因，許多沉降外表看來并不明顯，但實際上地面表層已經與其下方的地下深層土體發生分離，形成巨大空隙，從而給施工安全帶來更大的安全隱患。

3.4 其他方面對地面沉降的影響

除了上述因素外，盾構糾偏、盾構發生臨時停頓或后退、推進速度以及出土量發生改變等技術問題，都會對地表沉降產生影響。由于這些因素過多，且其影響不具有普遍性，所以文章就不再贅述。

4 做好地鐵盾構施工地表沉降的防范措施

4.1 切實做好注漿作業

4.1.1 嚴格控制注漿速度

為保障注漿效果，漿液填充速度要盡可能與盾構機挖掘速度保持一致，最大限度降低盾尾空隙的產生，從而避免由于盾尾空隙造成的沉降。需要注意的是，如果注漿速度過快，會導致盾尾漏漿現象發生，也會對施工造成不利影響。具體注漿速度要根據施工實際情況確定。

4.1.2 準確把握注漿時間

從上面沉降原因分析可以看出，注漿的不及時是導致沉降發生的重要原因。在盾構施工時，必須把握好注漿的時機，一般情況而言，最理想的注漿時機應該是管片脫開盾尾的時間。

4.2 科學設置掘進土壓力參數

盾構施工中需要重點控制的土壓力參數包括地層土壓力、地下水壓力和預備壓力三個參數。根據施工要求不同，壓力參數的確定方法也不一樣。對于深埋隧道施工，由于不確定因素較多，難以精確計算，可在遵循相關設計規范的基礎上，結合試掘進期間取得的數據進行確定。淺埋隧道施工需要計算的土壓力較多，需要按照各自相應的公式計算，然后結合以往經驗進行選擇。

5 結束語

綜上所述，地鐵盾構施工造成的地表沉降問題無法完全避免，但在對沉降機理和影響因素的深入分析的基礎上，可以通過科學有效的措施予以控制和減輕。隨著我國城市現代化建設步伐的逐步加快，地鐵工程建設事業必將迎來更大的發展空間。技術人員要認真分析地下施工對周邊城市環境的影響，不斷開發出效果更好、成本更低、更加簡便易行的控制措施，確保地鐵施工的順利進行和城市生活的和諧安寧。

參考文獻

[1]鄧溫妮，黃茂松.盾構隧道施工引起地面沉降的分析方法[J].湖南大學學報，2008，11.

[2]韓學詮.盾構施工地面沉降控制[J].鐵道建筑技術，2009，6.