芻議地鐵盾構施工誘發地表沉降關鍵影響因素

潘國靈

【摘?要】地鐵在城市交通問題解決實踐中發揮著重要的作用，所以現階段的各大城市為了完善公共交通系統，提升城市的整體通達性，并解決地面交通系統問題，均在積極的進行地鐵的規劃和建設。對當前的地鐵建設做具體的分析發現盾構是其施工的主要方式，該種施工方式在具體利用的過程中可能會誘發地表沉降，進而影響到施工安全和地面安全，所以在施工的過程中需要對盾構施工進行有效控制。文章就地鐵盾構施工誘發地表沉降關鍵影響進行分析，旨在為現階段的地鐵施工實踐提供指導和幫助。

【關鍵詞】地鐵;盾構施工;地表沉降;因素

盾構是地鐵施工的主要方式之一，對盾構的具體施工做分析與討論對于施工安全保障和效率保障有突出的影響，所以強調盾構施工控制現實意義巨大。從目前的實踐分析來看，盾構施工可能會誘發地表沉降，此種情況不僅影響施工安全，也會影響地表安全，所以要分析此種情況并有效避免。從目前的研究來看，盾構施工誘發地表沉降有關鍵影響因素存在，所以在實踐中，找出關鍵影響因素并對其做相應的控制措施，相應的施工安全問題會得到有效的解決。基于此，做好相關分析與討論便有了突出的現實價值。

一、工程案例及特點分析

古平崗站——福建路站區間自古平崗站起，線路出始發端盾構井后下穿回龍橋至鎮江路，在鎮江路上以半徑R=300的曲線轉向察哈爾路最后到達位于察哈爾路上的福建路站。盾構起止里程YDK17+474.187～YDK18+341.060，含短鏈2.439m，總長864.434m;ZDK17+467.714～ZDK18+341.060，含長鏈9.690m，總長883.036m。區間設一座聯絡通道兼泵房（YDK17+924.250）。線路共采用3段平面曲線，半徑分別為R=350、R=300/310和R=400，上、下行線間距約為12.3～16.4m。

區間采用“V”字坡，區間最大縱坡為28.135‰。線路豎曲線與車站相連端采用3000m半徑，線路埋深約15.52m～25.07m。

本工程轉彎半徑小，曲線段較長，且下穿上軟下硬等不良地層。區間上方建筑物較多，且多為上世紀七八十年代住宅樓建筑，建筑基礎多為條形基礎、筏板基礎。因此推進過程中控制好地面的沉降對本工程意義重大。

本工程區間平面圖及地質縱斷面圖如下：

二、沉降因素分析

對該區間盾構施工引發的沉降分析，按施工階段劃分，主要有以下幾個階段。1）先期沉降。此現象的具體發生和地下水位偏低、孔隙水壓力降低等有顯著的關系。對于砂質土，該階段是由地下水位下降引起的;對于軟弱黏性土，則是由開挖面過量取土引起的。2）開始掘進前地層的沉降和隆起。此階段的地表變形產生主要與施工操作的土艙壓力（泥水壓）有關。當土壓力（泥水壓）過大時，地表隆起的現象會發生，反之則容易引起地面沉降。3）在盾構通過的過程中，地表會出現下沉。該階段引起地面沉降的原因主要是盾殼與周圍土體作用力等原因而引起，盾構和巖體之間的剪切錯動有顯著的關系。4）盾構通過該斷面后，盾尾與土壤分離，盾體與周圍土壤出現空隙，此時的注漿如不能及時跟進，或者注漿壓力過大，會導致土壤失去支撐會發生沉降或者土體隆起。5）后期的沉降，該階段沉降主要是盾構掘進造成的地層擾動、松弛引起，導致土體承載力較原狀土小，引起后續的沉降;或是襯砌結構的變形變位，引起的地表沉降。

按照施工因素劃分，主要有以下因素：1）盾構通過的區域有地表潛水的水流通路，盾構掘進時水土通過掌子面大量流失，引起前方土體的沉降，主要在第一階段發生。2）土艙壓力（泥水艙泥水壓）過大或者不足，導致開挖面水土壓力與盾構壓力倉不均衡，引起前方的地表沉降或者隆起，主要發生在第二階段。3）盾構推進盾體與四周土體的作用力，導致周圍土體產生擾動，引起地層的沉降，主要發生在第三階段。對于小轉彎半徑、頻繁糾偏的區間影響較為明顯。4）壁厚注漿不及時或不充分，導致管片脫出盾尾后土體與襯砌結構周圍的空隙不能及時填補，引起的地表沉降，主要發生在第四階段。5）由于管片螺栓緊固不足等原因引起的襯砌結構的變形變位，從而增大地層的下沉，主要在第五階段發生。6）襯砌結構滲漏，二次注漿不充分導致的地下水位下降，引起地層的固結沉降，主要發生在第五階段。

三、盾構施工過程中地表沉降的主要控制措施

對地鐵盾構施工做具體分析發現施工過程中的具體操作會影響地表沉降，為了更好的實施操作控制，對施工中操作所產生的地表沉降情況做具體的分析有顯著的現實意義。盾構施工過程中對沉降影響的控制措施主要有：

（一）土壓控制

盾構機掘進時土壓的控制對維持掌子面前方土體穩定有著重要的作用，可以有效減少第二階段地表的隆沉。土壓平衡盾構科通過調整推進速度與螺旋機出土器的轉速，以達到土壓艙與開挖面水土壓力平衡的效果。盾構機土壓力控制值理論上限應當為開挖面土體靜止土壓力，下限應為開挖面土體主動土壓力。另外，選擇適當的土體改良添加劑以增加開挖土體的塑流性，以避免推進過程中推力控制不當而引起的地表隆沉。

（二）盾構機姿態

推進過程中盾構機姿態的控制對于盾構通過該斷面時造成的地表隆沉有較大影響，嚴格控制盾構機姿態對第三階段的地表隆沉有較大影響。推進過程中應控制好盾構機姿態，避免不必要的糾偏措施。糾偏要勤糾、少糾、適度。糾偏時要合理確定超挖半徑與超挖范圍。小轉彎半徑曲線推進時，盾構機對周圍土體的擾動頻繁，尤其要注意盾構機的姿態控制。

（三）管片拼裝

管片是地鐵隧道的主要結構，為防止管片變形，需確保管片組裝精度，充分緊固接頭螺栓。在管片脫出盾尾后，由于盾構機推進作用力，且脫出盾尾的管片失去盾構機的約束，會導致已緊固的螺栓松動，所以在管片脫出盾尾后要及時進行復緊。

地鐵隧道中，管片連同壁后注漿起到襯砌結構的主要防水作用。如結構滲漏導致地下水的流失，可引起地表的沉降。為防止水從管片接頭、壁后注漿孔等部位漏水，必須精細的進行管片組裝及防水作業。

（四）注漿方式

對地鐵盾構施工做具體的分析會發現其中一項重要的內容是注漿作業。在注漿作業的時候，其施工的好壞對地表的沉降有著顯著的影響[2]。同步注漿可及時填充襯砌環與周圍土體之間的空隙，根據地質條件、工程條件等因素，合理選擇單液漿或者雙液漿，選擇合理的漿液配合比，以便及時穩定拼裝完成的襯砌環。注漿過程中要控制好注漿量與注漿壓力。由于周圍土體或巖體存在裂隙，同步注漿不能完成對空隙的填補，在襯砌環脫出盾尾后要及時進行二次注漿來填補空隙，同時二次注漿還起到堵水作用，可有效控制因地下水流失導致的地層固結沉降。

（五）地表的監測

就地表沉降的具體防范來看，第一項重要的措施是進行地表的監測。地表監測可以及時的掌握地表信息，從而對地表以及地下的沉降進行分析，這樣，沉降控制的及時性會更加的突出。監測的數據可以反饋給我們以下信息。1）隧道及周圍土體在施工過程中的動態變化，施工對原始地層的影響程度及可能產生的薄弱環節;2）圍巖及支護結構的變化狀況，以及其安全穩定性;3）對周邊建筑物及地下管線影響的程度及安全性;4）盾構推進參數設置是否合理;5）監測數據和資料可以豐富施工人員和專家對類似工程的經驗。

盾構施工需要監測的項目及點位布設要求如下：

（六）其他因素影響

出了上述幾個因素，還有諸多因素會導致地面的沉降，這些因素可以統統歸結到其他因素當中。就具體的分析來看，這些因素主要有盾構臨時停頓或者是后退，盾構推進速度改變等。簡言之，在地鐵盾構施工過程中，影響地面沉降的因素是比較多樣的，但是這些因素的發生大多不具備普遍性，所以將其統一歸結為其他因素。

四、客觀因素對地表沉降量影響

除開上述施工因素對地面沉降的影響，盾構機覆土埋深、盾構機所穿越地質條件、隧道曲線半徑等客觀條件對地面沉降影響因素同樣不可忽視。下文將結合本工程某段地質情況與實際監測數據反饋的沉降量，對客觀條件對地面沉降影響的因素進行分析計算。

（一）基本假設

1）設施工區間內土層從上至下均勻分布，雙線隧道的縱向中心線分布在同一水平面上;

2）不考慮隧道襯砌間接縫對沉降的影響，將襯砌視為一個均質的圓環體;

3）計算中盾構推進的時間通過計算時步進行控制。

（二）材料計算參數

根據研究區域現場的地質勘察資料和物理力學實驗結果，確定計算模型的基本參數。此外，模擬計算還涉及隧道盾構施工所采用的一些材料，如預注漿、襯砌管片等。

（三）計算模擬過程

依據隧道盾構的施工過程及特點計算模擬步驟如下：

1）計算在給定邊界力學與位移條件下模型的初始狀態;

2）按照實際工程步驟（預注漿—開挖—鋪設襯砌—循環施工）進行施工模擬：左線（外）隧道先行施工，掘進60m后，右線（內）隧道再開始施工，然后兩條隧道同時開挖，直至工程完畢;

3）計算完成后，對計算結果的應力場、位移場和破壞場等進行分析，提出合理的解釋說明。

（四）計算沉降分析

在地下土層中進行盾構時，由于盾構施工產生的地層損失、對隧道周圍土體的擾動、注漿及鋪設襯砌等因素，會引起地層的移動而導致地面沉降。圖3給出了雙曲線隧道在盾構通過后地表橫向的沉降分布。從圖中可以看出最大沉降量約為5mm，兩側的影響范圍約為60m，在隧道內側的沉降范圍略大于外側。

下圖是雙曲線隧道豎向中心線及在兩側距中心線25m處各地層沿水平移動的分布曲線。隧道上方的土體因地層損失產生沉降并引起隧道兩側的土體向（雙線）隧道中心水平移動。隧道下方的土體也因沉降對兩邊的土體產生壓力造成土體向外的水平移動。如果是雙直線隧道，應以隧道斷面豎向中心線為對稱線，在對稱線上的土體不應該產生任何方向上水平位移。但由于雙線隧道是曲線的，受線形影響，從圖4中可以看出，雙線隧道豎向中心線地表處產生了向內側的水平移動，下部的土體產生了向外的移動（約為0.2mm），而且在雙線隧道內、外側等距處（距對稱中心線25m）土體的水平移動分布看外側的水平移動趨勢要大于內側。

結束語

綜上所述，地鐵盾構施工過程中，地表沉降現象不可避免，但是要維持施工的安全，需要對沉降進行相關的控制，這樣，沉降的影響范圍會明顯縮減，其造成的安全事故也能有效防控。文章對地表沉降的具體影響因素與控制策略做分析，旨在為實踐工作開展提供幫助與指導，從而促進地鐵盾構施工的進一步發展。

參考文獻：

[1]張智.地鐵盾構施工地表沉降及其控制對策研究[J].中國科技投資，2018（36）.

[2]管慶波.對地鐵盾構施工引起的地表沉降研究分析[J].消費導刊，2018，000（045）：89.

[3]彭再高，尹小波.長沙地鐵3號線盾構施工法引起的地表沉降及控制因素分析[J].河南科技，2018，No.633（07）：126-128.

（作者單位：中鐵二十四局集團有限公司）