地下鐵道工程引起的地表沉降及變形預測技術研究

王達麟

【摘要】構法隧道施工技術經過一百多年的發展，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及變形。首先分析了盾構掘進引起地表沉降及變形產生的原因，重點探討了地鐵隧道施工引起的地表沉降及變形測量方法。

【關鍵詞】地鐵隧道施工；沉降及變形；測量

盾構法隧道施工技術經過一百多年的發展，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及變形。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及變形

1 盾構掘進引起地表沉降及變形產生的原因

雖然不同學者基于各自的出發點提出了不同的盾構施工引起地表沉降及變形的機理，但是不可否認的一點就是土體位移源于開挖引起的擾動及由此產生的地層損失和擾動土的重新固結。1）地層損失。所謂地層損失是盾構施工中實際開挖土體體積和理論計算的排土體積之差。地層損失率以地層損失體積占盾構理論排土體積的百分比來表示。地層損失一般包括盾構開挖面的地層損失、盾構糾偏產生的地層損失、盾構沿曲線推進時產生的地層損失以及盾殼外徑和管片直徑之間空隙引起的地層損失。引起地層損失的施工及其他主要因素有：盾構掘進時，開挖面土體受到的水平支護應力小于原始側向應力，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及變形；當盾構推進時如作用在正面土體的推應力大于原始側向應力，則正面土體向上向前移動，引起地層損失（欠挖）而導致盾構前上方土體隆起。2）在盾構暫停推進時，由于盾構推進千斤頂漏油回縮，可能引起盾構后退，使開挖面土體塌落或松動，造成地層損失。3）由于向盾尾后面、隧道外圍建筑空隙中壓漿不及時、壓漿量不足或壓力不適當，使盾尾后坑道周邊土體失去原始三向平衡狀態，而向盾尾空隙中移動，引起地層損失。在含水不穩定地層中，這往往是引起地層損失的主要因素。4）盾構在曲線中推進、糾偏、抬頭或叩頭推進以及實際開挖斷面不是圓形而是橢圓形而易引起地層損失。盾構軸線與隧道軸線的偏角越大，則對土體擾動超挖程度及引起的地層損失也越大，當盾構機曲線推進時，由于對土體擾動加劇，地面最大沉降及變形量要大于正常推進時地面最大沉降及變形量，靠近盾構機位置的橫斷面上地表面處的變形出現不對稱；當盾構機抬頭推進時，地面最大沉降及變形量要大于正常推進時地面最大沉降及變形量。與正常推進時的變形比較可以發現，除了隧道下沉量增加外，在工作面處地表面的變形由正常推進的沉陷變為此時的隆起，隧道工作面前方有較大的隆起。5）隨盾構推進而移動的盾構正面障礙物，使地層在盾構通過后產生空隙而又無法及時壓漿填充。6）盾殼移動對地層的摩擦和剪切。7）在土壓力作用下，隧道襯砌產生的變形也會引起少量的地層損失。隧道襯砌沉降及變形較大時，會引起不可忽略的地層損失。

2 控制盾構隧道施工地面沉降及變形測量方法

沉降觀測按部位可分為表層沉降觀測、深層（分層）沉降觀測和斷面沉降觀測。經過多年的發展，沉降觀測方法不斷完善，觀測儀器類型也越來越多，但不同的觀測方法和觀測儀器適用于不同的工程地質條件。目前，沉降監測常用的方法有：監測樁、沉降杯、沉降板、磁環沉降儀、水壓式剖面沉降儀和水平測斜儀等。接下來，將對以上這些方法做一個簡單的介紹。

2.1 監測樁。用木樁和鋼釬釘入土中，用水準儀持平，即可測量土體表面的沉降量。一個監測樁只能觀察路面上一點的沉降，若要進行整個斷面的沉降測量，必須埋設多個監測樁。在不同位置埋設的監測樁的尺寸有著不同的要求。此方法最簡便，但只能測定建筑物表面的沉降值，無法測試土體內部某一位置的沉降，對填土施工有干擾。

2.2 沉降水杯測量。監測路基內部變形最有效、最經濟的手段之一是沉降水杯測量。沉降水杯利用連通器原理，把路基內部某一點的高程映射到路基外部，故測量路基外部該映射點的高程即可知道路基內部觀測點的高程。通過一定時間段監測該映射點高程的變化，即可清晰點繪出路基內部觀測點的形變歷程。而這些形變歷程是研究路基變形機理及規律的基礎數據。其優點在于觀測方法原理簡單、淺顯易懂、造價低廉。缺點是根管的埋設要求比較高，如果埋設不平順，容易形成氣泡阻塞水管，使測試無法進行；在比較寒冷的地區也不適應；直接目測觀測水杯讀取液面刻度值，精度較低（士1mm）。該方法用于室內試驗觀測比較容易，用于實際工程觀測時，由于現場條件復雜、天氣變化異常、實際操作比較困難，一般較少使用。

2.3 沉降板。沉降板一般用于觀測軟土地基總沉降，測試地基面在不同處理措施、不同荷載條件下地基面的沉降分布。沉降板作為沉降動態觀測的方法之一，以其代價低、設置方法簡單、易觀測被廣泛采用，取代了一些地區使用儀器觀測，但數據的準確性和精確性容易受影口向。沉降板底座隨著路基沉降，通過與底座相連的測桿，可以測得底座埋設處的路基沉降值。

2.4 磁環沉降儀。磁環沉降儀[5]是分層沉降儀中運用最為廣泛的一種。磁環沉降儀的工作原理磁環沉降儀所用傳感器是根據電磁感應原理設計，將磁感應沉降環（沉降標）預先通過鉆孔方式埋入地下待測的各點位置，當傳感器通過磁感應環時，產生電磁感應信號送至地面儀表顯示，同時發出聲光報警（一般是蜂鳴器發出信號）。讀取孔口標記點上對應鋼尺的刻度數值，即為沉降環的深度。一般每次測量值與前次測值相減即為該測點的沉降量。但是實際測量中可以根據條件，選擇孔口標高或最底層沉降標位置作為監測基準點，通過對不同時期測量結果的對比分析，可以確定各土層的沉降（或隆起）結果。

2.5 PVC管測斜儀。PVC管測斜儀（也稱測斜儀）是一種測定鉆孔傾角和方位角的原位監測儀器。PVC管沉降儀按使用方式不同，可分為滑動式測斜儀和固定式測斜儀。固定式是將測斜儀測頭固定在土體內某點位移的位置，用傳輸信號電纜引出地面進行觀測。采用固定式測斜儀觀測的測點，一般用于活動式測斜儀難以做到觀測的測點，其費用高，測頭損壞難以維修，目前采用甚少。活動式測斜儀探頭便于維修，并可進行多點連續觀測，應用十分廣泛。若按敏感元件不同則可分為伺服加速度計式、電阻應變片式、鋼弦式、差動電阻式等。由于伺服加速度計式測斜儀精度高、長期穩定性好，現已被廣泛采用。若按儀器測量方向不同則可分為垂向測斜儀（測量水平位移）、水平測斜儀（測量垂向位移）和斜向測斜儀（測量斜面的法向位移）。

3 結語

總之，城市隧道地質條件一般很復雜，一般都處于松散、軟弱土層中，因此對地鐵隧道施工引起的地表沉降及變形的觀測尤為重要，目前沉降及變形的測量的方法諸多，對于實際工程中某種方法的采用應該結合實際情況來選定地表沉降及變形的測量方法。

參考文獻：

[1]楊海朋.施工過程中淺埋隧道自身性狀及上部建筑物沉降變形的數值分析[D].湖南大學碩士論文，2007.

[2]王新定，孫寶俊，畬才高.地鐵建設對城市環境的影響及其對策[J].城市軌道交通研究，2014，（3）：88-89.

[3]王占生，王夢恕.盾構施工對周圍建筑物的安全影響及處理措施[J].中國安全科學學報，2012，12（2）：45-49.