城市地鐵下穿鐵路施工安全及沉降控制方法分析

李紅福

摘 要：隨著如今城市建設的日益加速和交通需求的不斷擴容，地鐵下穿鐵路工程已經成為了城市緩解交通擁擠環境的新途徑。但是地鐵的施工同時也會帶來地表沉降的問題，嚴重時可能造成地上地下交通安全的雙重風險。所以文章希望采用盾構法來為北京市某地下鐵路隧道外的地表沉降進行技術監測分析，并尋求優化施工，控制沉降的方法。

關鍵詞：地鐵下穿鐵路；盾構法；沉降控制；地表變形監測；北京市

城市地鐵下穿鐵路施工的方法有很多，比如礦山法、明挖法、新奧法以及盾構法，其中盾構法是比較迎合于近年來高精密導向技術與地下掘進技術的新施工方法，它既不受到地鐵地表周邊建筑物的影響，也不受限于氣候變化，而且由于采用了絕大部分自動化操作，成洞效率高，沉降控制效果好，所以越來越被城市地下隧道施工項目所廣泛應用。

1 基于北京市地鐵下穿鐵路施工項目的盾構法及地表沉降監測分析

1.1 概念

盾構法是基于一根圓柱體組件對地下隧洞沿軸線所進行的土壤深度挖掘。專業領域中將這一圓柱體組件的外保護殼體叫做護盾，它可以臨時支撐那些正在被挖掘卻還未能襯砌的隧洞段，幫助隧洞承受來自周圍土層的壓力，同時也承受來自于地下水的壓力，因此地下隧道的排土、挖掘和襯砌等作業都是在盾構法的護盾掩護下所完成的。利用盾構法施工的主要特點就是能夠快速穩定開挖面，這對后期控制地表沉降是有很大幫助的。

1.2 北京市地鐵下穿鐵路施工項目基本概況

北京市地鐵此次工程最大揭露地層深度為50m，并根據地層沉積程度、年代及成因類型進行了勘探范圍的分析，分析結果其地下底板應該位于粉土層中。另外，此次項目所采用的混凝土結構都是無腐蝕性的，尤其是針對鋼筋混凝土和所有地下鐵下穿鐵路的剛性結構都是弱腐蝕性，而且此次工程不會涉及到地下水層。

1.3 基于盾構法的地表沉降監測方案設計

上文提到，地鐵下穿隧道的修建會引起地層移動，進而導致地表不同程度的沉降，它包括了隧道開挖、注漿、盾構姿態定位、隧道自重、上覆荷載為地下隧道所帶來的壓力。所以在采用盾構法進行施工時要注意對地層的實時變化觀測，設計相應的監測方案，避免地表沉降超出控制范圍，確保地下隧道結構的基本穩定，所以文章基于此理論對北京市某地鐵下穿隧道進行全面分析。

1.3.1 選擇監測斷面

根據北京市該段地鐵的實際情況，再基于盾構法的鐵路隧道地表監測斷面選擇要基于工程的實際需要、地質條件與施工條件等等。而且，地表監測斷面的選擇還需要考慮到時空關系，即所監測重點的監測面、監測網與監測點要形成一個整體的系統，通過以點帶面的方式來控制地鐵工程中的每一個關鍵部位。

在使用盾構技術進行北京市地鐵隧道開挖與加固土體時一定會對地層有所擾動，當進行盾構推進時，某些地表地段也會發生土體坍塌，嚴重時甚至會造成大面積地表沉降，危及地面建筑以及地下管線的安全。所以考慮到盾構推進所造成的較大土層變形，就要為地表土層建立較為穩定的土壓平衡結構，在盾構法實施起點到終點這一段要進行重點監測，并且確保對監測點間距與測試頻率進行加密。文章主要針對地鐵下穿隧道施工的橫向地表沉降進行分析。

1.3.2 橫向地表的沉降分析

一般來說，地表沉降的橫向分布是較為顯著的，所以在對利用了盾構推進的地鐵隧道施工路段進行分析，就可以對它所產生的沉降進行實測，并尋求合理預測橫向沉降的正確計算方法。文章所參考的是背景某中央大街路段的地鐵隧道施工，該路段屬于交通繁忙區域，地下管線也相對復雜密集，兩側建筑物眾多，在實際中截取一段利用盾構推進的路段區間進行橫向地表的沉降分析。

采用Peck公式對該路段進行盾構隧道的地面最大沉降量計算，首先要考慮到地層損失的取值，如表1。

根據上述數據，選取了該施工所處的V1路段，其中V1取值1.0%，而R取值為3m，據測量該路段的隧道埋深為8～14m，所以就可以推算Vs：

Vs=V1πR2=0.28m3/m

再根據地質條件與埋深，假設φ為20°，所以就有：

i==kz=0.64Z=4.77mm～8.23m

所以可推算；

Smax==15.25mm～27.5mm

上述即為北京市該地表路段地層損失的取值，基于盾構之前地表沉降量的估算取值。而當盾構推進到中央大街建筑較為密集的路段之后，就要通過實際地層損失監測來控制地面沉降值。據考察，該路段隧道由于盾構推進所引起的地表橫向沉降槽寬度大約為20～40m，而且沉降值兩側距離軸線3m處具有低于標準地面高度50%左右的沉降量，這一沉降量在距離地表盾構推進軸線6m處則有30%。同時，在盾尾處出現了漏漿現象，需要在施工中采用一些沉降控制手段來對該路段地表沉降進行控制。

2 北京市地鐵盾構掘進路段地表沉降的控制方法研究

2.1 盾構掘進土壓力的選擇分析

在該工程的盾構掘進過程中，開挖面的水平支護應力可能小于地層的原始側向應力，尤其是文章中的監測路段由于受到開挖面土體的擾動而出現了負地層損失，導致該路段的盾構上方土體隆起。這是由于盾構掘進所形成的土壓力大于被動土壓力，因此要對土壓力進行管控。本工程基于盾構施工原理和朗金理論，對盾構掘進時所產生的土壓力進行了計算，這里給出一個經驗值計算公式：

σ=k×vh

由于此工程所在路段屬于砂土地質，所以k值一般取值在0.8～1.2范圍內。然后按照朗金理論對開挖面的土壓力進行計算，確定其基于開挖面所產生的地層移動及變形。

另外，如果在該地鐵工程中施工中出現了被動土壓力小于土壓力的狀況，很可能由于隧道埋深不大而造成土體向下滑移，出現地表沉陷狀況。這時應該考慮加大施工時的盾構推進力，保證它大于靜土壓力，讓其產生向前方向的滑移和變形，這樣做也能一定程度的降低地表沉降。但是盾構推進力的加大必然會增加掘進扭矩，提高盾構機的功率增加，造成工程成本的提升，所以應該為盾構掘進尋找一個穩定適中的平衡控制點，加強對路段地表沉降的力度并加大信息反饋力度，更重要的是加快出渣速度而適當降低盾構推進力，從而降低地表隆起，減小出渣量，提升正面掘進壓力。如此一來開挖面也會相對穩定下來，從而使地表沉降被控制住。

2.2 壁后注漿分析

壁后注漿可以防止因為盾尾所導致的地下隧道周圍圍巖及地表土層的移動變位，從而控制地表沉降。此次工程選擇了這種方法來對提升隧道的止水性，確保注漿后能達到地層的快速穩定。

考慮到盾構掘進的幅度，此次工程防沉降主要采用二次注漿。二次注漿可以提升壁厚注漿層的防水性與密實均勻性。注漿的另一個目的也是希望隧道管片能夠與周圍土體形成較為完整的穩定結構，所以在盾構掘進移動過程中不斷對隧道管片進行注漿。當一次注漿完畢后，待到漿液凝固并形成較高強度時開始二次注漿。二次注漿主要是為了彌補一次注漿可能出現的同步缺陷，起到填充和補充的作用。隨后要進行同步注漿，其壓力設定在1.2～1.4倍靜止土壓力，保證注漿壓力在0.2～0.5MPa，而注漿量在設置在理論注漿量的2倍左右，同時邊注漿邊觀測地表沉降變化，隨時做出調節。

3 結語

總體來說，地鐵下穿隧道施工對地層所造成的損失和擾動是很大的，所以盾構法也應該是現階段軟弱地層中修建地鐵隧道最好的防沉降方法之一。隨著城市交通建設的快速發展，盾構法也有機會被應用于更多的施工環境之下，而盾構法施工條件的多變性、它為地下隧道修建所帶來的安全穩定性問題，也會一直成為業界議論研究的焦點。

參考文獻

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