隧道施工引起地面沉降的原因及控制研究

潘宇平

摘要：在隧道施工容易引起地面沉降等問題，這就需要加強(qiáng)對地面沉降原因和控制方法的研究工作。本文首先探究隧道地面沉降機(jī)理，分析沉降的主要原因，進(jìn)而提相應(yīng)的控制措施，旨在保障隧道施工安全性。

Abstract： It is easy to cause ground settlement in tunnel construction， so it is necessary to strengthen the research on the reasons and control methods of ground subsidence. This paper first explores the ground settlement mechanism of the tunnel， analyzes the main causes of the settlement， and then puts forward the corresponding control measures， aiming at ensuring the safety of the tunnel construction.

關(guān)鍵詞：隧道施工；地面沉降；原因；控制措施

Key words： tunnel construction；land subsidence；cause；control measures

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0155-02

0 引言

隧道工程作為完善交通網(wǎng)絡(luò)的重要一環(huán)，讓人們的出行、商品運(yùn)輸更加方便、快捷。在實(shí)際施工過程中，往往會(huì)產(chǎn)生隧道地面沉降問題，會(huì)對周圍結(jié)構(gòu)和地下設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞。雖然很多儀器都能夠測試隧道的沉降量，也有很多文獻(xiàn)闡述了隧道沉降機(jī)理，但是卻沒有考慮到隧道沉降會(huì)隨著時(shí)間變化而變化。這就需要工作人員對隧道地面進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和觀察，分析隧道地面沉降的是否均勻、動(dòng)態(tài)，這樣才能夠針對性找出控制方法，保證隧道工程保質(zhì)保量的按期完工。

1 地鐵隧道施工引起的地面沉降機(jī)理

當(dāng)今隧道施工都是采用盾構(gòu)施工法，在實(shí)際施工過程中的開挖面會(huì)釋放應(yīng)力、附加應(yīng)力，從而導(dǎo)致地面出現(xiàn)彈塑變形等問題，也就是引發(fā)地面沉降問題。沉降通常是在開挖卸載時(shí)開挖周圍土體向隧道內(nèi)涌入從而造成地面下沉；支護(hù)結(jié)構(gòu)空隙閉合導(dǎo)致地面下沉；管片襯砌結(jié)構(gòu)自身變形造成地面下沉；隧道結(jié)構(gòu)整體地面下沉。這些下沉問題可以統(tǒng)稱為開挖地面下沉問題。盾構(gòu)法在實(shí)際應(yīng)用中主要包括開挖沉降、固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降，其中次固結(jié)沉降是一個(gè)長期控制的過程，特別是在隧道運(yùn)營期間，需要考慮沉降的動(dòng)態(tài)變化。盾構(gòu)施工會(huì)造成地層損失和隧道周圍受到擾動(dòng)或剪切力破壞出現(xiàn)土體再次固結(jié)，這也是導(dǎo)致隧道沉降的根本原因。

2 導(dǎo)致隧道施工引發(fā)沉降的因素

第一，在隧道施工過程中可能遇到軟弱圍巖、富水砂層等問題，如果對此類問題沒有進(jìn)行及時(shí)處理，拱頂塌方等問題就會(huì)導(dǎo)致地面沉降。通常情況下，隧道軟弱圍巖都是Ⅴ級、Ⅵ級，如果所應(yīng)用的施工方法不夠合理、支護(hù)不夠及時(shí)、前期支護(hù)無法快速閉環(huán)，就會(huì)產(chǎn)生掉塊、塌方、冒頂?shù)葐栴}。同時(shí)，在隧道開挖過程中遭遇了富水砂層沒有提前進(jìn)行加固處理，同樣會(huì)造成沉降，沉降程度與含水量有直接關(guān)系。

第二，擾動(dòng)土固結(jié)問題。如果開挖面涌水或襯砌出現(xiàn)漏水問題時(shí)，會(huì)導(dǎo)致地下水位下降，因此導(dǎo)致土體下降（地基下降），造成這一問題主要是因?yàn)榈鼗行?yīng)力增加，從而導(dǎo)致固結(jié)沉降問題。

第三，地面損失。在盾構(gòu)施工中會(huì)出現(xiàn)地層損失，并且收到了剪切力影響出現(xiàn)固結(jié)沉降問題。地層損失會(huì)導(dǎo)致土體開挖到竣工階段產(chǎn)生的體積差，因此周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中產(chǎn)生了地層位移問題。導(dǎo)致地層損失的主要因素為：

①開挖土體移動(dòng)。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于土體水受到水平支護(hù)應(yīng)力較小的情況（小于原始測量力），土體就會(huì)朝向盾構(gòu)內(nèi)側(cè)移動(dòng)，從而導(dǎo)致地層損失問題，導(dǎo)致地面下降；在盾構(gòu)突進(jìn)時(shí)，如果正面土體側(cè)壓力在原始側(cè)向力之上，會(huì)讓土體產(chǎn)生上、前移動(dòng)，同樣會(huì)造成土層損失，導(dǎo)致都夠前上方的土體隆起。

②盾構(gòu)后退。盾構(gòu)施工過程中往往會(huì)出現(xiàn)暫停推進(jìn)的情況，如果此時(shí)盾構(gòu)千斤頂出現(xiàn)漏油回縮就會(huì)導(dǎo)致后退問題，導(dǎo)致土層面坍落、松動(dòng)問題，出現(xiàn)地面損失問題。

③土體進(jìn)入到盾尾空隙。在施工中如果盾尾后隧道外部空隙中壓漿不夠及時(shí)，會(huì)導(dǎo)致壓漿壓力或壓漿量不足等問題，這時(shí)的盾尾周邊土體會(huì)打破原始三維平衡狀態(tài)，土體朝向盾尾空隙當(dāng)中移動(dòng)，造成地層損失問題。

④推進(jìn)方向改變。盾構(gòu)施工當(dāng)中會(huì)產(chǎn)生曲線推進(jìn)、抬頭等情況，理論上開挖面是圓形，但實(shí)際上缺失橢圓，從而引發(fā)地層損失。

3 隧道施工引起的地面沉降控制方法

3.1 加強(qiáng)開挖面控制工作

在隧道開挖過程中如果遇到軟弱圍巖情況，需要保證施工的穩(wěn)定性，進(jìn)尺要短、控制爆破力度、快速封閉、定時(shí)測量，特別是針對Ⅴ級、Ⅵ級圍巖，需要采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CD施工法、CRD施工法進(jìn)行，加強(qiáng)循環(huán)進(jìn)尺的控制工作，嚴(yán)格控制每一個(gè)開挖循環(huán)、支護(hù)循環(huán)，避免因提高施工效率而貿(mào)然挖進(jìn)。

在應(yīng)用土壓平衡掘進(jìn)過程中，需要保證開挖面呈現(xiàn)出流塑狀態(tài)，加強(qiáng)開挖面的控制工作，采用輸送機(jī)并調(diào)整復(fù)數(shù)裝置平整，保持碴倉土一定的壓力，這樣即可抵抗開挖面的土壓和水壓。如果出現(xiàn)水體，可以應(yīng)用螺旋輸送機(jī)和碴倉土進(jìn)行止水，配合同步注漿系統(tǒng)和二次注漿操作進(jìn)行控制。這樣即可保障盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性，避免地下水流出問題，從而實(shí)現(xiàn)地面沉降控制的目的。

在應(yīng)用土壓平衡掘進(jìn)過程中，碴土需要保持良好的流塑形態(tài)、稠度適中、摩擦角要低、滲透性要低，如果無法滿足這些要求，可以對混合倉、螺旋輸送機(jī)、開挖面中加入外加劑，實(shí)現(xiàn)軟塑化處理，提高挖圖器械性能，保證流動(dòng)性。對于一些黏土地面（滲透小、易流動(dòng)、摩擦力小），可以采用刀盤切下或螺旋輸送機(jī)攪拌后提高流塑性。同時(shí)，針對砂性土止水性差的問題，如果開挖掘進(jìn)水壓較高，會(huì)產(chǎn)生地面涌水問題，這就需要注入一定量的添加劑，提高止水性，保證開挖面水壓和土壓，維持表面的穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，將膨潤土和泡沫注入到輸送機(jī)口中，必要情況可以向盾殼上注入，這樣可以填補(bǔ)盾殼空隙，從而起到控制沉降的目的。

3.2 控制注漿量

注漿加固能夠有效應(yīng)對砂層、富水砂層問題，從而填補(bǔ)土體縫隙，減少沉降量問題。在隧道施工中，注漿防沉控制已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)，如果不填充漿液，會(huì)導(dǎo)致沉降體積等于地面損失。理論上注漿率（填充率）達(dá)到100%即可控制地面沉降，但由于實(shí)際影響因素較多，通常注漿率要高于100%，甚至達(dá)到了200%以上（效果不夠明顯，因此不需要盲目注漿導(dǎo)致材料浪費(fèi)）。在淤泥類黏土注漿中，每立方米采用2.3-2.7L漿液即可，漿液稠度控制在10左右；如果是粉質(zhì)砂土層，每立方米注入0.1L漿液即可；針對不同深埋地區(qū)漿液量需要所有增加。漿液壓入時(shí)間需要和管片脫開同步進(jìn)行，否則只能控制上部沉降，無法控制下部土層沉降問題。在實(shí)際操作過程中，可以根據(jù)每環(huán)注漿量計(jì)算出手按次數(shù)；根據(jù)掘進(jìn)速度計(jì)算出手按間隔時(shí)間，這樣即可保證掘進(jìn)工作和注漿工作同時(shí)結(jié)束。

3.3 地層失水控制

由于地下水流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生砂土位移問題，導(dǎo)致砂土間隙縮小、水位下降，從而提高了土體內(nèi)部應(yīng)力，出現(xiàn)固結(jié)問題，表面沉降。由于砂土滲透性強(qiáng)，僅憑借土倉和絡(luò)酸輸送機(jī)壓縮不能起到良好的效果，這就需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行施工。在掘進(jìn)過程中需要關(guān)注開挖面出水情況，如果碴土稀、水量大問題時(shí)，需要關(guān)閉螺栓輸送機(jī)艙門，加入泡沫或膨潤土外加劑，從而補(bǔ)充空隙，提高土層的止水性。在注漿過程中，需要保證管片壁注入量充足，對周圍土體加固，從而起到止水目的，避免管片背后漏水。在通過富含地下水的地層時(shí)，需要讓盾構(gòu)機(jī)快速通過，并且在刀盤前方注入泥漿，在管片背后注入玻璃雙漿液，這樣可以封堵地下水，避免因?yàn)樗窟^多產(chǎn)生沉降問題。

4 結(jié)束語

綜上所述，在隧道施工中，為了保證隧道施工質(zhì)量、防治地面下沉，本文重點(diǎn)探究了引起地面沉降的原因，并針對性的提出了開挖面控制、地層失水控制、控制注漿量等方法，這樣才能夠從多個(gè)方面控制地面沉降，提高隧道施工整體質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏綱，周洋，魏新江.盾構(gòu)隧道施工引起的工后地面沉降研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32S1：2891-2896.

[2]路雅君，唐振剛.淺析盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降機(jī)理與控制措施[J].黑龍江科技信息，2017（04）：255-256.

[3]吳竟?fàn)I.城市地鐵隧道施工引起地面沉降問題探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（12）：191.

[4]黃輝.探討對于城市地鐵隧道施工引起的地面沉降問題[J].四川水泥，2015（07）：59.