地鐵盾構隧道沉降原因分析

孟　剛

(中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南長沙 410000)

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地鐵盾構隧道沉降原因分析

孟剛

(中國水利水電第八工程局有限公司， 湖南長沙 410000)

【摘要】當地鐵隧道所處地層都是高含水量、高空隙比、高靈敏度和低強度的軟弱黏性土層及含承壓水的粉砂層。由于盾構施工對地層的擾動、隧道臨近建筑活動的影響、長期列車振動的作用以及持續不斷的大地沉降，隧道很容易發生滲漏和不均勻沉降。 由于受到多種不利因素的疊加影響，地鐵盾構隧道滲漏引起的沉降問題隨運營時間的增長而日益突出，看似隧道的通病，卻是關系到隧道安危，威脅到隧道命脈的隱患。

【關鍵詞】地鐵;盾構施工;隧道;沉降;原因

地鐵盾構隧道滲漏水使隧道周邊土體空隙水壓力降低，有效應力增加，進而使土體壓密產生沉降，而局部的滲漏會導致結構的不均勻沉降，使隧道產生彎曲，導致隧道接縫張開，從而進一步加劇隧道的滲漏和沉降。若隧道的滲漏水問題得不到有效控制，不僅會影響結構的耐久性和設備的正常使用，還會危及行車安全。上海城市軌道交通絕大部分隧道都是采用盾構法施工，隧道所處地層都是高含水量、高孔隙比、高靈敏度和低強度的軟弱黏性土層及含承壓水的粉砂層。由于盾構施工對地層的擾動、隧道臨近建筑活動的影響、長期列車振動的作用以及持續不斷的大地沉降，隧道很容易發生沉降。上海軌道交通4號線董家渡段隧道因變形涌水致坍塌而重建。所以要根據沉降的發生規律，采取一系列措施，對修建的地鐵隧道施工質量提出更高標準、更嚴要求，使盾構施工地層損失率控制在5/1000以下，以減少對地層的擾動；隧道襯砌拼裝做到滴水不漏；盾尾同步注漿采用高密度、抗剪型漿液和4點同步注漿工藝，以提高隧道防水效果等。本文從地鐵盾構隧道沉降原因著手，探討解決辦法，為地鐵隧道的沉降控制提供依據。

1地鐵盾構隧道沉降的原因分析

在地鐵盾構隧道長期運營期間，隧道主體結構常有縱向變形發生。從理論上分析，地鐵隧道襯砌環脫離盾尾后的沉降發展過程可大致有三個階段：(1)初始沉降；(2)下臥層超孔隙水壓力消散引起的主固結沉降；(3)下臥層土體的蠕變引起的次固結沉降。但由于導致軟土地區隧道長期變形的因素眾多， 既有隧道施工期的， 又有地鐵運營期的， 既有隧道結構本身的，也有周邊環境變化引起的，這就使隧道長期沉降特征比理論分析結論復雜得多。

要對運營地鐵盾構隧道長期沉降進行研究， 首先應對誘發其變形的影響因素進行了解。筆者通過對大量文獻的分類整理，得到影響軟土地區運營盾構隧道沉降變形的主要因素有以下幾個方面。

1.1隧道施工期間擾動引起土體的固結及次固結沉降

盾構法軟土隧道的掘進施工不可避免地會擾動原有地層。盾構施工擾動主要包括：(1)開挖面下土體的擾動；(2)盾尾后壓漿不及時不充分；(3)盾構在曲線推進或糾偏推進過程中造成超挖；(4)盾殼對周圍土體的摩擦和剪切造成周圍土體的擾動；(5)盾構擠壓推進對土體的擾動。盾構周圍土體受到施工擾動后，便在盾構隧道周圍形成了超孔隙水壓力區域。當盾構離開該處地層后，隧道周圍土體會產生應力釋放，引起地層位移場 和應力場的重分布，使隧道產生一定的初始沉降；同時超孔隙水壓力不斷消散，地層發生排水固結變形，進而造成隧道的主固結沉降；由于飽和軟黏土的流變特性，土體受到擾動后，其顆粒骨架結構會逐漸調整，使顆粒間空隙減少，產生一定的蠕變變形，也會導致隧道產生次固結沉降。筆者通過隧道長期監護工作發現，在隧道建設施工中對土層擾動較大的區段，在投入運營后隧道的不均勻沉降和長期沉降量均較大。

1.2隧道周圍地質環境變化

運營地鐵隧道呈線型穿越于地表下10余米的土層，必然會受到周圍地質環境變化的影響。在隧道下臥層土長期固結和次固結沉降過程中，不同性質土層的沉降量差異很大，達到沉降穩定所需的時間也不相同，從而導致隧道縱向差異變形的產生。壓縮模量較低、靈敏度較高的飽和黏土下臥層，經過盾構施工擾動后的沉降量較大，而且沉降延續時間較長；壓縮模量較高、靈敏度較低的密實砂性土下臥土層，經過盾構施工擾動后的沉降量較小，且沉降穩定快。當隧道處于相對不透水層時，水位下降或上升如同對隧道進行加載、卸載；當隧道處于含水土層時，水位上升使土體膨脹，會造成隧道上浮，水位下降增加了土體的有效應力，使隧道下沉。地面區域性沉降過程中，會帶動埋置其中的隧道一同沉降，使隧道沉降的縱向特征及沉降總量與地面沉降趨向一致。

1.3隧道滲漏影響

在隧道管片或接頭部位，泥水通過縫隙滲漏進入隧道內部，從而導致隧道段沉降。而隧道差異沉降的發展會導致隧道環縱縫張開度的增大以及結構性裂縫的產生，引起隧道滲漏加劇，使隧道周圍的水土不斷流失，從而又加劇了隧道的縱向不均勻變形形成惡性循環，嚴重的會導致隧道產生破壞性變形。如俄羅斯圣彼得堡一段穿越高承壓水砂層古河道的地鐵開始運營就漏水不斷，搶險中不得已采取了從內部大量排水的措施，從而導致持續發生水土流失使隧道產生過大沉降，運營20年后最終報廢。

1.4車輛的振動荷載

隧道投入運營后，將承受車輛周期性振動荷載的作用，除隧道結構固有振動頻率應遠離荷載振動頻率以免引起隧道共振之外，尚需考慮車輛振動引起的隧道不均勻沉降。對上海軌道交通L1的長期觀測表明，列車振動引起的隧道沉降是不容忽視的，量值上可以達到相當大的程度。L1隧道在全程范圍內有多處出現滲漏水情況，其中有相當一部分是地鐵列車振動引起隧道不均勻沉降的緣故。

1.5鄰近區域工程建設的影響

地鐵的建設會帶動沿線地區開發的熱潮，致使隧道鄰近區域的工程建設數量增多。這些工程活動會使隧道產生新的附加變形，因此鄰近區域的工程建設已成為導致隧道沉降及不均勻變形加劇的重要因素之一。運營隧道周邊相關建設工程的種類較多，主要包括：

(1)隧道上方堆載或建(構)筑物的建設。此類工程施工時引起荷載的變化，致使隧道下臥土體的抗力減小，壓縮模量降低，同時長期次固結沉降仍在發展，因此土層壓縮范圍較大，造成隧道產生附加的橫縱向變形。

(2)隧道周邊基坑開挖。運營隧道附近基坑工程的施工過程中，基坑圍護的側向位移和坑內隆起會使得基坑外的地層發生沉降，同時地層應力場也發生變化，從而導致隧道產生不均勻沉降。

(3)相鄰隧道施工。在運營隧道鄰接區域進行新建隧道施工，會對既有隧道周圍土體產生較大的擾動，地層隨之沉降加劇，導致既有隧道結構變形增大。現場工程監測表明，在已建地鐵安全保護區內進行的建筑活動，都不同程度引起隧道變形。

1.6地震作用

盾構法隧道是通過縱向和橫向螺栓將襯砌環和管片連接裝配而成的，這樣的柔性連接構造有減少地震反應內力的有利一面，但也存在縫隙多、接頭處易損、整體性差及地震反應復雜等抗震上的弱點。除了地震波作用造成隧道破壞外，由于土層震陷、砂土液化等引起地層的不均勻沉降也會導致隧道開裂漏水，如1985年的南黃海地震使上海打浦路越江隧道與豎井交界處出現5處裂縫，泥水從其中流入。

綜上所述，地鐵盾構隧道沉降是由上述影響因素以及其他因素共同作用的結果，在地鐵隧道建設和運營期間的不同階段，各影響因素對隧道結構變形的作用效果或影響權重也不相同。

3結束語

根據多年來的地鐵盾構隧道施工的經驗和教訓，對于盾構隧道的施工，筆者建議：

(1)隧道荷載計算時要充分考慮圍巖狀況以及施工對其擾動影響。對于軟黏土、遇水易軟化或崩解地層建議按全土柱荷載計算；如在其它較好的地層條件下可按隧道規范公式或泰沙基理論進行計算。

(2)除正常的設計工況外，在待開發區宜適當考慮周邊工程影響下的特殊施工工況。如考慮偏載、卸載工況、失水工況以及地基承載力降低等工況，并據此核算隧道結構以及地基承載力，適當加強結構配筋和采取地基處理措施，以便消除可能的安全隱患。基坑距隧道的距離應結合基坑工程特點以及實施方法等，結合工程地質條件進行綜合分析后確定。

(3)設計規范中對開發區管片內徑、管片厚度、螺栓數量及型式等應考慮長期運營條件下的要求。

參考文獻

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【文獻標志碼】B

【中圖分類號】U455.43

[作者簡介]孟剛(1982～)，男，本科，工程師，從事項目管理工作。

[定稿日期]2015-09-24