對地鐵盾構施工引起的地表沉降研究分析

陳 華

（中國水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810000）

0 前言

作為城市主要交通工具之一，近幾年我國地鐵建設在各地區普遍推廣，地鐵盾構機作為隧道掘進專用的工程機械也得到了廣泛地應用，由于施工過程中各種因素的影響，其可能會導致隧道周圍土層的松動和倒塌，從而導致地表沉降，為了減少地表沉降，筆者將對地鐵盾構施工中形成沉降的因素進行分析，以此提出控制地表沉降的方法。

1 地鐵盾構施工形成沉降的原因

1.1 形成土體擾動

地鐵盾構機在前進到有地下水的區域時，地下水流原有結構會遭到破壞，地下水的水位因此下降，達不到原來的水平，而原來由其支撐的土體將會發生擾動，進而發生沉降，其不僅阻礙盾構機的前進，而且還可能導致安全事故。此外，盾構機在行駛時會不斷接觸土體，對土體造成較大壓力，使土層松動，在盾構機通過后，土體將會發生沉降。盾構機的推力也是造成土體擾動的重要原因之一，如果盾構機的質量不好或駕駛員的技術不足，在行駛中盾構機的推力就會不斷發生變化，導致其對土體的壓力不均，土層會發生沉降或隆起，導致土體受到嚴重的破壞。此外，盾構機的盾尾間隙無法像其他結構一樣支撐土層，在盾構機通過時，土層突然失去支持力，開始松動下陷，有的泥土卡在盾構機盾尾間隙，可能會影響盾構機的正常工作，進而影響地鐵建設的進度。

1.2 造成地層的移動

盾構機的設定土壓值對于出土量有很大的影響，設定的內壓值越小，地層受到的推力也越小，出土量很大，地層結構受到破壞，會造成地層的移動，致使地表發生沉降。而且由于地面表層存在混凝土路面、柏油路面等，與土體相比較為堅硬，不易變形，當土體受到擾動，發生松動或沉降時，土體和地面表層會出現一個很大的空隙，地層的結構因此改變，開始移動，導致靠近路面的地層結構缺少支撐力，容易發生沉降，不利于保障居民的出行安全。在地鐵盾構機工作過程中，例如擠壓、超挖、盾尾壓漿等因素，都會對隧道附近的地層結構造成影響，導致地層移動，使土層變形，進而導致地層組織疏松，地層所受支撐力不足就會發生地表沉降。此外，由于盾構機自身結構的影響，會導致地層各結構受力不均勻，致使地層結構發生移動，在這樣的情況下，地層各結構分布就會更加不均勻，導致地層進一步的損壞。

2 盾構法施工原理

2.1 專業盾構機的各部分功能簡介

專業的盾構機由主機和配套工具組成，不同的工具的功能不同。其主要功能包括掘進、拼裝和注漿，掘進包括推進裝置、刀片、出渣，它可以推進油缸，使盾構機正常行駛，而拼裝功能是保障盾構機質量的重要因素，它可以對盾構機進行安裝，改造其結構使盾構機更適合地鐵施工，注漿則是為了避免盾尾間隙導致的土層沉陷，按照施工要求進行注漿，就可以減少盾尾間隙的影響。除了這些功能以外，現代的地鐵盾構機結合了多種技術，有了更多的功能，如測量導向糾偏，它提高測量的準確性，縮短工程周期，減少人力物力的浪費，還可以切挖開削山體，減少施工過程中遇到的阻礙，使施工順利進行，運送土碴也是它的一個重要功能，可以利用盾構機開辟出建設地鐵工程所需的空間。

2.2 地鐵盾構施工數值模擬及結果分析

地鐵盾構機工作時會造成地層的移動，從而導致地層結構的損失。為了明確地層損失對地表沉降的影響，筆者將選取選取地層損失量V分別為 0.5 %、1.0 %、3.0 %、5.0 %的四種施工狀況進行數值模擬分析，如表1，以此來研究盾構機對地表沉降的影響。由表1可知，最大地表沉降值與地層損失量基本呈線性關系, 大致成正比，即盾構機對地層造成的損失量越大，地表的最大沉降值就越大。是以，采取措施減輕地鐵盾構機對地層的損害十分必要。

表1 不同地層損失量下的最大地表沉降值

3 控制地表沉降的措施

3.1 合理選擇盾構掘進模式

選擇合理的盾構機掘進方式對減輕地層結構的移動和損失有重要作用，在施工前期，施工單位要結合施工現場的地形，并探測地層結構，根據地層的結構組成選擇合適的盾構掘進方式，控制盾構機的掘進速度，減輕盾構機對土體和周圍地層的擾動，避免地層損失，從而減少地表沉降，保護地面建筑物和居民的出行安全。盾構機常用的掘進模式有三種，開敞式、半開敞式（氣壓平衡式）和土壓平衡式，不同掘進模式的特點不同，其適用的土質狀況也有所區別，開敞式掘進模式適用于子面能夠長期處于穩定狀態的地層結構，因為子面比較穩定，所以其行駛的速度較快，半開敞式適用于子面的圍巖比較穩定但是有地下水的區域，而土壓平衡式常應用于上述兩種模式不能應用的情況，如子面不穩定、土壓大等，對于上述三種模式一定要明確其適用范圍，結合施工實際，選擇合適的掘進模式。

3.2 控制盾構刀盤的切換

盾構機的刀盤是決定其掘進功能的關鍵，在使用刀盤時，如果不注意其對山體開削和土體的影響，其就會對地層造成較大的損失，使地表更容易發生沉降。是以，駕駛員在切換盾構刀盤的轉動方向時一定要密切關注周圍的土體情況，一但出現意外情況，立刻采取措施解決，另外，在切換刀盤轉動方向時，要合理控制刀盤的轉速，減少刀盤轉動對周圍土體的擾動，而且在切換方向的過程中要等前一個方向的轉速或電機電流變零后，再進行這個方向轉速的加載，盡量放慢加載過程，如果加載過程出現突然終止或不動的情況要立刻停止方向的切換，并采取解決方案。由于這個過程中技術難度較高，轉速不好控制，施工單位要選擇經驗豐富的工人來操作，減少盾構機對地表沉降的影響，盡量消除人為因素造成的損失，保障工人的生命安全，加快地鐵工程的建設速度。

3.3 優化盾構的施工參數

盾構機的施工參數也是決定其在施工過程對地層損傷程度的重要因素，是以，要合理設置盾構的施工參數，尤其是掘進時的土壓力參數，如果土壓力設置合理，那么出土量不會過高，地表與土體之間的間隙可以有效地縮小，支撐力比較高，不易沉降。在施工前，要使用盾構機進行試掘進，根據公式和施工實際計算合理的參數，從而優化盾構的施工參數。如果參數準確合理，則其掘進過程中的土壓力比較科學，不易引發安全事故，可以減少地表沉降，從而減少盾構施工過程中的人力物力損失。

4 結語

地鐵作為一種價格便宜、綠色環保的出行方式，對其的建設勢在必行，但其盾構機施工導致的地表沉降問題一直是影響地鐵施工進度的重要因素，以此，施工單位要認真分析研究地鐵盾構機施工引起地表沉降的原因，并采取措施減少地表沉降現象的出現，加快我國地鐵的建設速度，便民出行。此外，施工單位還要對盾構機的運行模式進行分析，并結合施工現場的情況選擇合理的盾構掘進方式、優化其運行參數，保障盾構機施工的高質化、高效化。

[1]張中陽.地鐵盾構施工地表沉降及其控制措施[J].科技創新與應用，2015（15）:224

[2]鄭暉.淺談地表盾構施工地表沉降及其控制[J].黑龍江科技信息，2008（5）120-224