地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析

曹媛媛

摘 要：隨著我國社會的不斷發展，市場經濟也取得了長足的進步，城市中的地鐵數量逐年增加。盾構法施工對于地鐵隧道的施工有著至關重要的作用，與其他施工法相比，盾構施工法同樣會對周邊的施工環境造成很大的影響，甚至會使地表下沉。本文結合筆者的實踐經驗以及相關資料的研究，主要圍繞"盾構法施工地鐵區間隧道的地表下沉"這一課題展開討論，希望能為廣大的地鐵施工人員帶來一定的參考價值與幫助作用。

關鍵詞：地鐵隧道；盾構法；地表沉降

引言

由于盾構法自身所具備的優勢，所以其在地鐵施工的過程中得到了廣泛的普及。但是即使采取這種施工方法，也難以避免產生地表沉降的問題。現如今，我國對這一課題進行了深入的探討，但是由于施工條件的多變性，而且地質結構頗為復雜，所以這些狀況對研究造成了一定的阻礙。本文以地鐵隧道工程為例，對導致地表沉降的主要因素進行了深入的探究，并對施工線程的檢測結果進行分析，找出運用該施工法導致地表沉降的規律，從而使后續的工程能夠有序的進行。

一、地表沉降的原因

盾構施工引起地面沉降的主要原因是施工引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結作用等。

1.1地層損失

地層損失是盾構施工中實際開挖土體體積和竣工隧道體積之差。竣工隧道體積包括隧道外圍包裹的壓入漿體體積周圍土體在彌補地層損失中，發生地層移動，引起地面沉降。引起地層損失的施工及其他因素是：

1）開挖面土體移動。當盾構掘進時，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；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，引起負地層損失（欠挖）而導致盾構前上方土體隆起。

2）盾構后退。在盾構暫停推進中，由于盾構推進千斤頂漏油回縮而可能引起盾構后退，使開挖面土體坍落或松動，造成地層損失。

3）改變推進方向。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭推進或叩頭推進過程中，實際開挖斷面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。盾構軸線與隧道軸線的偏角越大，則對土體擾動和超挖程度及其引起的地層損失也越大。

4）土體擠入盾尾空隙。由于向盾尾后面隧道外周建筑空隙中壓漿不及時，壓漿量不足，壓漿壓力不適當，使盾尾后坑道周邊土體失去原始三維平衡狀態，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。特別是盾構在粘性土中推進時，盾構外周粘附一層粘土，盾尾后隧道外圍圓形空隙會有較大量的增加，如不有效增加壓漿量、地層損失必大量增加。這在設計施工中應予考慮。

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，引起地層損失。

1.2受擾動土體的重新固結

推進中孔隙水壓變化、土體擾動后重新固結、管片滲漏水、壓漿材料凝固收縮等引起土體固結沉降。

由于盾構推進中的擠壓作用和盾尾壓漿作用等因素，使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區，其超空隙水壓在盾構隧道施工后的一段時間內消散復原，在此過程中地層發生排水固結變形，引起地面沉降。地層因孔隙水壓力變化而產生的地面沉降，稱之為主固結沉降。土體受到擾動后，土體骨架還會發生持續很長時間的壓縮變形。在此土體蠕變過程中產生的地面沉降為次固結沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中，次固結沉降往往要持續幾年以上，所占總沉降量的比例有的高達35%。

可見，地表變形的大小取決于地層和地下水條件、隧道直徑、埋深和施工條件等。

二、地表沉降與地層關系的分析

2.1粘性土層的地表沉降分析

1）隧道直徑范圍內土體主要為粘性土層，此類地層的自穩性較好，因此在掘進過程中，盾構刀盤開挖面處土體不易發生坍塌；另外，粘性土體較密實，施工對地層的擾動范圍相對較小，這也是地表沉降不明顯的重要原因；2）粘性土層滲透性差，從而使得地表沉降受地下水位變化的影響較小；3）在粘性土層中的注漿效果較好也是地表沉降較小的主要原因之一。

2.2砂性土層的地表沉降分析

1）在盾構機盾尾脫出時，外部的土體因砂土的自穩性能差會導致局部的塌落，如果注漿不能及時充填，就會造成地層損失，增大地表沉降量；2）砂層的滲透性強，隧道埋深位于地下水位以下，因而在同等條件下，地下水流失量大，從而加大地表沉降量；3）在盾構機停機時，地表沉降會因為砂層密閉性差，造成開挖面失穩，增大地表沉降；4）盾構機推進過程中對土體的擾動范圍更大，在擾動范圍內的土體固結時間長，沉降量也相應增大；5）盾構機抬頭推進，超挖量較大，并且在此段工程中砂層自穩性差，超挖量會更多，從而增大地層損失。

三、盾構施工地表沉降的控制措施

3.1掘進模式的選擇

地層條件不一樣，選擇的掘進模式也就不一樣。為了使盾構機的應用更加廣泛，一臺盾構機可以通過自身的轉換能實現土壓平衡、半敞開式、敞開式三種模式。不同模式對應的施工參數也不一樣，而地質條件千變萬化，如果模式選擇不恰當，勢必會產生很大的地表沉降。本區間根據地質條件選用土壓平衡模式掘進。

3.2優化施工參數

盾構推進中對周圍地層及地面的影響最小就是盾構的最佳推進，也就是我們所追求的最優掘進參數，這時地層的強度下降小、受到擾動也小、超孔隙水壓小、地面隆沉小以及盾尾脫開后的沉降小，這些理想指標也是盾構施工中控制地面沉降、保護環境的首要條件。盾構的掘進參數包括：土艙壓力、排土量和掘進速度、千斤頂頂力及分布、盾構坡度、糾偏方向與糾偏量和注漿壓力、時間、注漿量以及漿液配比的確定等。盾構的幾個掘進參數，既是相互獨立，又是互相匹配、優化，其根本目的，是控制盾構掘進軸線偏差不超出允許范圍及盡量減少對地層的變形影響。推進中參數優化組合的宏觀表現就是地表變形的控制，同時必須配以相應的監測手段，將實測的各類數據與監測的地表沉降值整理分析、優化組合，并指導下一步的掘進，實行信息化施工。

3.3襯砌接縫防水

接縫漏水使隧道周圍地層孔隙水流失，土體有效應力增加，引起地層再壓縮固結，從而引起地表沉降。襯砌接縫防水包括管片間的彈性密封墊防水、隧道內內側相鄰管片間的嵌縫防水以及必要時向接縫內注漿等。其中彈性密封墊防水最重要也最可靠，是接縫防水的重點。采用多孔型三元乙丙彈性橡膠止水條，在千斤頂推力和螺栓擰緊力的作用下，使得管片間的三元乙丙彈性橡膠止水條的縫隙被壓縮來起防水的作用。

四、結束語

總而言之，在地鐵隧道的實際施工過程中，盾構法這種施工方式由于具備大量的優勢，所以在隧道施工中被廣泛普及。但是我們必須認識到盾構施工法對周邊環境的影響，甚至會使地表發生沉降，所以我們在實際施工的過程中，一定要做好監測的工作，及時的進行信息的反饋，并且有效的調整施工方案，從而使地表沉降的問題得到有效的解決。

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