地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析

于天放

（中國水電建設集團鐵路建設有限公司，北京 100048）

隨著社會的發(fā)展，盾構法施工在城市地鐵建設中發(fā)揮著重要作用，此法既起穩(wěn)定作用又可進行不間斷掘進作業(yè)。它適用于各類軟土地層和軟巖地層的隧道施工，尤其適用于城市地下鐵道施工。采用盾構法進行地下隧道施工時，由于盾構法為地下作業(yè)且盾構機體積較大，極易造成隧道地表出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，尤其松軟的含水層或其他不穩(wěn)定地層的沉降更明顯，因此，施工中要加強沉降的觀測保證工程的質量。隨著工業(yè)化、城市化逐步加快，地鐵成為發(fā)達城市的重要交通要道，從一定程度上緩解了交通壓力，盾構法在城市隧道建設中最大程度避免了因受施工環(huán)境給工程進度帶來的影響。進行盾構施工時，確保地表的沉降控制在允許的范圍內(nèi)，加強對施工過程中可能發(fā)生的地表變形的預測是十分必要的。

1 地表沉降的原因分析

在城市地鐵隧道盾構法施工時，地表沉降是施工中較為常見的一種現(xiàn)象，根據(jù)對許多工程的研究分析引起沉降的原因是多方面的，現(xiàn)將沉降的原因進行分析。

1.1 降水引起的沉降

降水是施工中創(chuàng)造干燥作業(yè)面的重要措施，運用盾構法掘進施工中難免出現(xiàn)堵水、排水的現(xiàn)象，降水后由于吸排水速度不同會形成曲面水位，進而使降水處含水層中土的有效應力增加，使其發(fā)生固結沉降。

1.2 地層應力引起的沉降

運用盾構法進行掘進時，需穿過穩(wěn)定狀態(tài)的地層，同時將會造成土體松動、擠壓坍塌，使周圍土體發(fā)生擾動，導致地層原始應力狀態(tài)的改變，還有就是對于盾構施工時的彎道及對水平或垂直糾偏時，易造成掘進時周圍土體因受擠壓而受到破壞，造成土體的極限平衡狀態(tài)發(fā)生破壞，引起地表下沉。

1.3 管片環(huán)變形引起沉降

當隧道襯砌脫出盾尾以后，就會受到土壓力的影響，使盾構機的管片之間的防水層和縫隙因壓力而被擠壓成緊密的狀態(tài)，最終致使管片環(huán)發(fā)生一定的變形，使地表發(fā)生沉降。

1.4 盾尾孔隙充填不足引起的沉降

在不穩(wěn)定的地層中施工時，盾尾建筑空隙必須根據(jù)施工需要及時進行充填，并保證壓漿材料的性能及充填量滿足設計要求，否則將造成地表發(fā)生沉降。施工中受種種因素的影響，難免在彎道處發(fā)生超挖現(xiàn)象，進而導致盾尾的后部建筑空隙不規(guī)則擴大，不能準確掌握空隙所占的體積，如不采取措施及時對空隙進行處理，很容易造成地表沉降。

2 掘進控制技術

掘進是盾構法施工過程中重要的一環(huán)，掘進時對機械控制不當，使開挖面的水平支護力小于地層中的原始側應力時，會出現(xiàn)土體向盾構內(nèi)進行偏移，造成地層損失導致盾構上方的地表沉降。相反，當原始側應力小于正面的推應力時，開挖面將會朝著前進的方向移動，使負地層損失而導致盾構前上方的土體凸起。

2.1 壓力與沉降

盾構機作業(yè)時刀盤的推力產(chǎn)生的極限會隨著刀盤作業(yè)產(chǎn)生推力的改變而變化，主動的土壓力是側向上壓力的極限的最小值，被動土壓力是側向上壓力極限的最大值，靜土壓力則位于極限最大和最小值之間。對于刀盤前方的土壓力比主動土壓力小時，可能出現(xiàn)土體沿著滑動面滑動而致使地層和地表發(fā)生沉降的現(xiàn)象。為更好的控制土壓力和便于控制，可先設定一個標準，然后采取PDCA循環(huán)進行管理，產(chǎn)生的上限值即是被動土壓力、水壓力和預備壓力的和，下限則是主動土壓力和水壓力之和。

2.2 淺埋隧道掘進技術

淺埋隧道掘進施工時，確保掘進工作面土體的穩(wěn)定性是控制掘進質量的重要保證。當隧道埋深較淺或圍巖基礎不穩(wěn)定時，施工人員須先掌握地質情況，根據(jù)具體參數(shù)制定施工技術方法，采用朗金理論計算主、被動土壓力。朗金理論計算是在開挖面較為穩(wěn)定的條件下進行主動土壓力計算的，在施工時變形是難免的，因此，對于穩(wěn)定性較差的地層、松軟或變形較大、失水嚴重的地層，運用朗金理論計算出來主動壓力是偏小的。在盾構施工時，當主動土壓力比推進土壓力大時，會出現(xiàn)土體下滑現(xiàn)象，導致地表發(fā)生沉陷現(xiàn)象。

掘進施工通過地下水較為豐富的地層時，為避免發(fā)生沉降可采取盾構機快速通過的同將渣土倉中進行泥漿灌注，使泥水室的壓力提高，目前，在盾構中以水泥—水玻璃雙液漿最常用，其能迅速進行地下水封堵作業(yè)。對精度要求較高的隧道施工一定要采取措施確保靜土壓力小于盾構的推進力，以致使土體向開挖方向變形而形成滑移，減少地表沉陷的目的。

3 管片的拼裝技術

管片是盾構法施工中的重要的組成部分，其拼裝技術對掘進質量產(chǎn)生直接影響。管片主要在盾殼內(nèi)進行拼裝作業(yè)。根據(jù)目前國內(nèi)外盾構機管片的類型主要有球墨鑄鐵管片、鋼管片、復合管片和鋼筋混凝土管片，并且每環(huán)由很多的零碎管片組成。

根據(jù)工程的情況不同可采取不同的拼裝方法，例如采取環(huán)管片縱縫對齊的拼裝，不但很容易進行管片定位，使縱向螺栓容易穿過，而且施工效率較高，但是這種方法對環(huán)面的平整度較差，隨著誤差的積累，將導致環(huán)向螺栓難穿，環(huán)縫壓密量不夠。

4 管片襯砌背后注漿技術

管片襯砌背后注漿技術對盾構法的施工質量產(chǎn)生重要的影響。對于能自穩(wěn)的地層，對注漿的方式要求不十分嚴格，但必須使用同步注漿，并在正常的注漿壓力下進行注漿作業(yè)，以使建筑間隙能很好的得到填充，最大程度上防止了地層的移動，使地層的損失減小，地表沉降變形較小。

4.1 同步注漿

同步注漿是襯砌背后注漿的主要方式，對于能自穩(wěn)的地層，在進行注漿時對填充率的影響是有限的，但對于不能自穩(wěn)的地層采用逐步注漿時，必須在正常的注漿壓力下，才能保證注漿質量，使建筑間隙得到有效填充，阻止地層向隧道方向移動以減小地層損失。同步注漿主要使用同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管，使盾構推進和盾尾空隙同時進行注漿，使注漿效率得到有效利用，保證周圍巖體質量，防止巖體坍塌現(xiàn)象。

4.2 二次注漿

為保證壁后注漿層具有較好的防水性和密實性，在同步注漿技術后可根據(jù)情況采取二次注漿措施。管片背后注漿不能滿足要求時，須根據(jù)情況制定相應的技術措施，確保注漿的質量、安全，防止漏水現(xiàn)象發(fā)生。漏水不但對隧道質量產(chǎn)生嚴重影響，還會因地下水流動使土體內(nèi)有效應力發(fā)生改變，進而出現(xiàn)固結現(xiàn)象，易使地表發(fā)生沉降。通過注漿孔鉆孔鉆入土體達到2m時，就應對土體進行加固處理，采取止水措施，防止地表發(fā)生沉陷。

4.3 漿液性能

注漿漿液的流動性對注漿的質量有密切的關系。流動性好的注漿液，對保證注漿的質量起重要作用。當一環(huán)注漿完成后，施工人員必須在注漿液達到一定的條件后才能進行后續(xù)工序的作業(yè)，否則易造成后期收縮變形，滿足要求后即可進行二次注漿作業(yè)，但必須嚴格漿液的流動性，即有利于彌補同步注漿的缺陷，又能對同步注漿起重要的填充和補充作用。

對地下水較豐富的地段，施工前要做好相應的專項施工技術方案。注漿漿液粘度對注漿的質量也產(chǎn)生重要的影響，為保證注漿后的充填效果，需將漿液的凝膠時間控制在1～4min，并用漿液進行空隙充填，同時將地下水疏干，一次注漿完成后需進行二次注漿時，可使用水泥—水玻璃漿液材料。

4.4 注漿施工質量控制要點

注漿壓力和注漿量是影響注漿作業(yè)的重要因素，在注漿作業(yè)時，對二次注漿要求不高時，注漿量可依據(jù)工程項目的實際地質情況、作業(yè)人員的記錄情況，對注漿效果進行分析研究，發(fā)現(xiàn)問題及時進行糾正，以使注漿效果達到最佳狀態(tài)。

（1）注漿壓力

注漿壓力過大過小都將對注漿效果產(chǎn)生不良的影響，為保證注漿質量，在同步注漿作業(yè)時應采取措施，避免注漿填補后出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。當注漿壓力過大時，易導致管片周圍的土層因受到注漿液的擾動影響后期的地層沉降及隧道發(fā)生沉降，進而出現(xiàn)跑漿現(xiàn)象，尤其剛拼裝完的管片影響更大；當注漿壓力過小時，因注漿液的充填速度慢而不能滿足施工要求，使地表發(fā)生較大的變形。

（2）注漿量

同步注漿主要是對空隙進行充填，但對充填有相當嚴格的要求，不能粗心大意，造成充填不足，造成沉降現(xiàn)象發(fā)生，同時要加強對掘進過程中對開挖工作面的糾偏、漿液滲透影響、注漿材料固結收縮的控制。在實際施工中，根據(jù)實踐經(jīng)驗總結，其注漿量為理論注漿量的1.5～2.5倍，并加強對地表沉降的觀測。

（3）注漿速度及時間

注漿速度及時間也是影響注漿質量的重要因素，為了使盾構機到最佳工作狀態(tài)，在盾構機作業(yè)時，現(xiàn)場人員必須嚴格控制盾構機的推進速度及注漿時的注漿量，使推進速度達到適中及注漿量均勻，當不能再推進時要停止注漿，也就是說，使注漿速度及時間達到最佳的配合狀態(tài)。當注漿速度較快時很容易造成管道堵塞，否則過慢就會導致地表發(fā)生坍塌，發(fā)生偏差。

結語

綜上所述，地鐵隧道盾構法引起地表沉降的因素是多方面的，為了保證掘進施工進度、質量，必須根據(jù)掘進處的地質情況確定合適的掘進模式、掘進土壓力、注漿方式和時機、注漿量和壓力等，在施工時必須加強對造成沉降因素的監(jiān)測，使沉降得到有效的控制，達到小于規(guī)范的允許值。

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