盾構法施工隧道下穿市政道路路面沉降研究

曹文劍

（重慶市市政設計研究院， 重慶 400000）

0 引言

在城市地鐵和或者交通隧道中，為了避免爆破開挖振動對市政建筑和道路密集區域造成較大影響，盾構法成為城市隧道建設的主要方法。對于地下巖體而言，開挖之前處于“三相”穩定的狀態，當盾構開挖之后難免會造成地面產生一定的沉降[1]。關于盾構法造成的地面沉降和變形是否會造成市政建筑的結構受損，是目前市政隧道盾構法急需解決的問題。

1 盾構隧道地面沉降規律

通過對市政隧道盾構法開挖的全過程展開研究和分析。通過研究發現盾構法造成地面沉降主要分為五個過程，即盾構到達前沉降、盾構到達時沉降、盾構通過時沉降、盾尾間隙沉降以及后續沉降[2]。總體而言，盾構機到達之前和盾尾間隙過程的沉降速率最大，各階段的沉降主要規律如下。

1.1 盾構到達前的地層沉降

首先在盾構機到達之前，雖然沉降點下部的巖體并沒有被開挖，但是地下巖體的開挖會破壞地下巖體的整體穩定性。開挖卸荷勢必會對附近一定區域內的巖體造成開挖卸荷擾動。研究表明，盾構開挖，能夠對開挖掌子面后方約10m～15m以內的巖體產生變形。與此同時在地下水的共同作用下，就會造成地表有效應力減少進而發生固結沉降。

1.2 盾構到達時的地層沉降

當掌子面持續開挖推進至沉降點時，同樣也會造成地面的沉降或者隆起。在盾構開挖過程中，雖然盾構壓力倉會通過給開挖圍巖施加相應的壓力來維持土體的平衡，但是很難做到完全和開挖之前相同的壓力狀態，因此就會造成地面的沉降或隆起。

1.3 盾構機通過時的沉降

盾構機在通過時會造成由于開挖卸荷產生的開挖巖體的整體剪切滑動。這主要是由于開挖盾構機的切口和測量點之間存在著空隙，在地表建筑的重力和巖體構造力作用下會產生相對位移，發生剪切滑動。通過研究表明，盾構機通過時產生的位移占總位移的絕大多數，約為總數的35%～40%。

1.4 盾尾間隙沉降

當盾構開挖完成之后，測量點仍然會產生一定的位移和沉降。通過研究表明，盾構機的影響范圍為盾尾后方約20m 范圍內。造成盾尾間隙沉降只要是由于盾尾的管徑一般會小于盾構機開挖的洞徑，這樣就會在土體和管壁之間存在間隙，如果注漿不及時和不足時便會造成測量點的沉降。

1.5 后續沉降

在盾構完成之后，地面依然會產生一定的沉降和變形。統計表明這一過程的沉降約占總變形量的10%左右。通過室內試驗和現場觀察分析結果顯示，造成這一變形主要是由于盾構機盾尾脫出隧道的一周的時間之內，隧道圍巖會產生地應力重分布，這一個過程相對而言比較緩慢。圍巖在地面的建筑物結構作用和汽車荷載的沖擊作用下，發生進一步的固結沉降以及蠕變沉降。

2 地面沉降的影響范圍

對于盾構開挖法而言，地下圍巖的開挖量較大，會產生較大的圍巖開挖卸荷效應。在盾構機的持續推進過程中，地下圍巖的卸荷應力場是以掌子面為中心展開的。這也就造成了地面沉降是以盾構機為中心呈三維擴散分布的。這樣一個卸荷應力場是隨著盾構機掌子面推進而改變的。關于盾構機開挖地面沉降的影響范圍的研究，目前主要是采用現場觀測和經驗公式法來總結分析出來的。目前最為常見的經驗公式為Peck 經典公式。這一公式的理論是基于傳統的巖土力理論而得出，即盾構機每開挖一個進尺的巖體都會產生一定的地層損失，地下巖體中失去一塊土體，這樣就會造成上部的巖體在不考慮土體排水固結和蠕變的作用下，受到自身重力作用發生向下位移從而產生沉降。通過大量的研究分析，指出這一沉降在隧道開挖軸線方向上呈現出了近似正態分布曲線的分布規律[3]。另外通過經驗公式的計算表明，盾構隧道施工引起地面沉降沿縱向影響范圍，在盾構前方約 D + Htg45o范圍內( D 為盾構直徑，H 為地表至盾構底的深度)。同時在隧道開挖的縱向方面，影響范圍為D/ 4 + Hctg45o范圍內。

3 地面沉降的安全性判斷與控制

對于盾構機施工造成的地面沉降的影響范圍和沉降值的大小，取決于開挖地區的地質和水文情況。對于不同城市隧道開挖地區的工程的地質條件、地面環境、隧道埋深、上部結構對地基變形的適應能力和使用要求的不同，地面沉降也會具有非常大的差異和不同。因此，需要針對盾構開挖的施工造成的地面沉降的安全進行判斷和控制。

盾構開挖地面沉降的安全判斷，首先需要對隧道穿越區間的地面建(構)筑物和地下管線的布設情況進行調查，通過綜合考慮這些因素之后進行判斷。目前關于我國的隧道盾構開挖造成的地面沉降的安全閾值以及安全判斷標準并沒有出具一個明確的具體指標或允許值。

根據對國內外的先進的施工管理經驗進行分析得出相應的經驗值，目前普遍采用的安全沉降值認為盾構開挖造成的地面沉降安全范圍為+10mm ～ -30mm 以內。但是這一工程經驗標準，并不能作為盾構地面沉降的科學判斷標準。如上文所述，不同的地質情況其沉降安全值是不同的。因此需要進行針對性的區別對待，科學、合理且經濟的判斷出盾構開挖沉降的安全性控制標準。

總的來說，地面沉降的安全判斷標準的主要原則是：通過對地表的沉降數據進行分析，對隧道圍巖整體穩定性和結構安全性進行綜合的考慮判斷。通過采取相應的預防和治理措施，來加固周圍巖土體的穩定，阻止地面繼續沉降，防止水土流失以及確保地表建筑結構的安全。

4 地表沉降的處置方法

對于地表沉降的預防和治理而言，同樣需要根據盾構開挖的五個影響過程進行針對性的處理。根據盾構法不同階段造成的地表沉降的規律，采取針對性的處理措施進行地面和圍巖加固的處理。目前，盾構法造成的地面沉降的主要處理措施有注漿、錨桿、鋼板樁、旋噴樁、攪拌樁加固，采用凍結法施工或素混凝土墻等等。通過這些方法的處置，可以有效的緩解地面沉降問題，防止由于地面沉降變形造成隧道結構和附近建筑結構的損傷。在實際的盾構法隧道施工過程中，需要綜合考慮各種因素，綜合設置出地面允許的最小沉降值，并以此為控制標準。一旦地面沉降達到預定安全值的60%時，據需要進一步加強對地面沉降的監控量測工作，密切監控沉降的進一步發展；一旦當沉降超過安全閾值的80%時，就需要及時的對地面和圍巖展開加固措施，通過綜合科學的選用上述的加固方法，來控制地面沉降防止其沉降進一步發生。

5 結束語

盾構法是目前城市隧道開挖的主要方法。由于盾構法開挖的特殊工藝，會難以避免的造成地面沉降或凸起，嚴重時會對地面建筑、地下隧道和管道結構產生巨大的結構損傷和破壞。本文通過對盾構法的施工工藝進行分析，指出盾構法造成地面沉降五個階段的影響因素，指出盾構機到達之前和盾尾間隙過程的沉降速率最大。對于不同地質的市政隧道開挖，其地面沉降的安全閾值是不同的需要綜合的根據巖土的地質條件、地面環境、隧道埋深、上部結構對地基變形的適應能力等等情況進行綜合的考慮，進而對地面沉降的安全性進行判斷，并采取相應的地面沉降的加固措施確保地面沉降趨于穩定。