地鐵盾構施工時的地層沉降控制研究

唐超 羅榮

（中交一公局廈門工程有限公司,福建 廈門 361000）

引言

城市軌道交通線路不可避免地在空間上與其他既有結構發生交叉，其中，盾構隧道下穿既有鐵路路基為典型工況，相關工程實例越來越多。盾構隧道在施工過程中將引起地層擾動，造成地表沉降，進而使既有鐵路結構發生沉降變形。鐵路結構微小的沉降變形可能對列車運營安全造成非常大的影響，故列車運行對鐵路結構沉降變形的要求非常嚴格。我們了解到，地質沉降從本質上來看不可避免，但是在一定范圍內可保持地下以及地面空間的安全，為確保安全要研究盾構施工的特點，并且找到地層沉降的原因，之后才可以制定相應的沉降參數控制體系，從而讓該系統的運行質量獲得保障。基于此，本文首先分析了地鐵盾構施工時的地層沉降成因，接下來對地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法做具體論述。詳情如下：

一、盾構機選型

盾構機的選型主要是考慮地層滲透系數。根據施工經驗，當地層的透水系數小于10-7cm/s時，可以選用土壓平衡盾構；當地層的滲水系數在10-7cm/s和10-4cm/s之間時，既可以選用土壓平衡盾構也可以選用泥水式盾構；當地層的透水系數大于10-4cm/s時，宜選用泥水盾構。泥水平衡盾構在主要為高水壓飽和粉細砂地層中對控制開挖工作面穩定性、地表沉降方面及保證施工進度方面明顯優于土壓平衡盾構，更能保證施工安全。從施工場地方面來講，土壓平衡盾構不需泥漿處理場，施工占地少，對環境的影響相對較小，每米綜合價格相對較低。而泥水平衡盾構需泥漿處理場，需要較大施工場地，對周邊環境影響較大，且泥漿處理費用昂貴，故每米綜合價格相對較高。

二、地鐵盾構施工時的地層沉降成因

地鐵盾構施工時的地層沉降成因主要涉及以下兩個方面：首先是土層擾動沉降。土層擾動沉降是整個施工中最核心的沉降原因之一，盾構機通過之前、通過過程和通過之后，土層參數會產生一定程度上的變化，這一擾動即所謂的土層擾動沉降過程。其次是管片圓環變形問題沉降。在盾構機的推進之中，襯砌結構會在脫出盾尾后，出現受力情況的短時間大幅度變化情況，在土層壓力的作用下，盾構的管片圓環從標準圓變成橢圓，這就會導致土層出現一定的沉降，這一情況下，土層的沉降參數維持在1到4mm之間。然后是管片脫出盾尾后與地層存在間隙，引起地表發生沉降。

三、地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法

（一）出渣工作的控制

地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法之一是出渣工作的控制。出渣速度必須與盾構機的掘進速度和掘進進程進行匹配，才能夠防止出渣的速度高于整個系統的運行標準。通常情況下，螺旋輸送機的掘進速度決定了整個工作系統中的出渣速度，而盾構機的掘進速度決定因素是千斤頂油缸的頂進速度。在出渣速度限定中，通常采用質量測量和體積測量兩種方法完成任務，其中質量測量是同時稱取出渣車和渣土的總體質量，分析一段時間內的實際出渣量，在此基礎上核算速度。體積測量方法則需要測量該過程中渣土的總體體積，以分析出渣的速度，之后通過與實際的設計參數進行對比，研究當前出渣速度和掘進速度之間是否匹配。需要注意的是，該過程也要按照實際的土層參數向其中加入相關的渣土改良劑，尤其是對于沙石土層來說，需要通過發泡劑、膨脹劑的使用提高土層的實際承力水平，這類材料也要配置在相應的出渣控制工作體系內。

（二）地表沉降變形控制

地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法之二是地表沉降變形控制。盾構隧道通常使用單層鋼筋混凝土管片作為襯砌結構。由于環境問題和人口密度的增加，為了保護盾構隧道施工的安全，可以在混凝土管片襯砌內再作一層整體式現澆鋼筋混凝土內襯，形成雙層襯砌結構，以共同承受外力減小結構應力和變形。根據有限元模擬得出的結果，采用雙層襯砌，結構的安全性會大大提高，但考慮到理論與實際之間存在差異，仍然需要采取一定的地表沉降控制措施。可根據實際施工條件及施工環境，采取嚴格控制土倉壓力、保持開挖面內外土壓力平衡、調整刀盤扭矩及掘進速度、渣土改良以及二次注漿等措施控制地表變形。

（三）土壓的合理設置

地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法之三是土壓的合理設置。壓力核算過程需要考慮底層的土壓、地下區域的水壓以及預壓力三個部分，對于地層的土壓力，需要通過對于土層的各類參數以及不同土層的運行情況完成相應的核算工作。對于地下水壓，使用觀測井法可進行測定。對于預壓力的計算過程，要考慮實際的工作誤差和各類設定參數的實際作用水平。通常情況下，這一參數維持在20到30kPa之間，地層壓力的計算過程需要考慮地層的成拱能力，在地層具有成拱能力時，按照Terzsghi壓力公式進行計算，而不具備這一能力，則按照垂直土柱載荷公式進行計算。此外也要分析該區的土層是否為粘性土，是這一類型的土壤時，按豎直方向的擴展運動進行相應的核算工作。而對于沙石土，由于沉降的增量以及垂直的擴展速度在整個盾構機上方處于最大狀態，所以要按照實際的測量經驗完成研究工作。通常情況下，砂石土中隧道的深度處于1到1.5D狀態時，可確定該區域存在成拱能力；粘性土的深埋深度處于1.5到2D狀態時，可認為該區域的覆蓋土層具有成拱能力。通過對這類參數的核算，防止在后續的具體參數設定過程中出現地表土層大范圍隆起和沉降現象。

（四）沉降觀測

地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法之四是沉降觀測。盾構隧道施工過程中必定會對附近地表和周圍環境產生一定的影響，因此，為確保施工安全和周圍環境的穩定，施工中建立全面、嚴密的監測體系是非常必要的，通過全面、及時的監測信息反饋指導施工，不僅可保證主體結構自身的安全穩定，還可對周邊環境影響進行有效控制，減少施工對周邊建(構)筑物、路面及管線等周圍環境的影響，從而有效地將施工控制在安全范圍之內。

盾構法施工或多或少都會擾動地層而引起地表沉降，即使采用目前先進的盾構技術，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量達到某種程度就會危及周圍的地下管線和建筑物。因此要了解：

1.盾構施工過程中地表隆陷情況及其規律性；

2.盾構掘進過程因地表隆陷而引起的建筑物、地下管線下沉及傾斜情況，確保建筑物、地下管線的安全；

3.施工過程中地層不同深度的垂直變形與水平變形情況；

4.圍巖與結構物的相互作用力以及管片襯砌的變形情況，實現信息化施工。

盾構施工監測貫穿工程施工全過程，各監測項目在施工開始前取得初始值，施工開始后按要求的頻率進行監測。影響范圍內建（構）筑物沉降、傾斜監測項目監測范圍取區間盾構隧道結構邊緣兩側各1.0～2.0H（H為隧道埋深）范圍內；

影響范圍內的地下管線對給水、污水、雨水等管線按實際監測；監測范圍取區間盾構隧道結構邊緣兩側各2.0H（H=Hi+D，Hi為區間盾構隧道埋深，D為洞徑）范圍；影響范圍內地表沉降測點布置范圍為區間盾構軸線外側3m、6m、6m布置，其中最后一個測點位置根據隧道埋深調整。當工程施工結束后2個月，施工影響安全的因素消除，本工程隧道本體工程完工且周邊環境沉降（變形）穩定后（即地表沉降速率1mm/30d，建筑物速率為4mm/100d），并滿足設計圖紙、相關規范要求，由施工監測單位提交監測工作停測申請單，附監測項目成果報表至第三方監測單位復核，附第三方監測項目成果復核報表，審核完成后報監理單位審核對兩方數據進行比對分析，比對無誤后，由監理單位召集相關參建單位商定，形成停止監測會議紀要。相應的監測工作即結束。

（五）在地鐵盾構施工中應用遠程監控技術

地鐵盾構施工時的地層沉降控制方法之五是在地鐵盾構施工中應用遠程監控技術。在實際盾構施工過程中，由于地下與地面信息不暢，若只通過電話通訊無法將地下施工情況實時的反饋給地面管理人員及其他相關單位，遠程監控技術應被用來有效反饋地下施工狀況及掘進參數。如果發現異常，比如施工過程中出現掘進參數失衡、涌水涌沙等情況，地面管理人員及相關單位可以通過遠程監控技術及時了解情況采取措施糾正。同時，施工監測及第三方監測實施將監測數據上傳監控平臺，可以讓參建各方及時了解地面沉降情況，并根據地表沉降情況設置合理的掘進參數，以便有效地控制地表沉降，提高地鐵隧道施工的安全。

結語：

綜上，隨著城市的發展，地鐵在城市公共交通系統中的地位愈發重要。隨著地鐵里程的不斷增大，地鐵覆蓋范圍越來越廣，地鐵已不單單是城市中心區域獨有的交通方式。在向城市周邊及郊區擴展的過程中，地鐵線路下穿鐵路路基的情況時有發生盾構法是修建地鐵的常用方法，其優點是施工速度快，自動化程度高，對地面交通不造成影響等.研究發現，在下穿鐵路路基施工過程中，各盾構掘進參數對路基沉降變形的影響程度由大至小依次為注漿層厚度、注漿壓力、盾構推力、注漿層彈性模量。在盾構推進過程中，應及時填充盾尾間隙，并保證相對充足的注漿量。同時，通過沉降觀測數據構建數學模型來確定合理的掘進參數，控制合理的出土量，對渣土進行改良來降低地層損失率，以保障施工過程中地表沉降在可控范圍之內，提高地鐵盾構施工的安全技術水平。希望本文研究所得的對之后的項目設計以及開展提供有意義的價值。