地層特性對盾構(gòu)法隧道施工地表沉降的影響研究

張立民

北京城鄉(xiāng)建設(shè)集團有限責任公司

1 引言

隨著我國隧道工程數(shù)量的不斷增加，特別是地鐵道路建設(shè)的不斷發(fā)展，極大地推動了我國隧道建設(shè)施工技術(shù)的提升，使得各種隧道施工建設(shè)技術(shù)迅速地得到了實踐應用并完善。盾構(gòu)法作為一種比較成熟的隧道施工建設(shè)技術(shù)，具有安全快捷、環(huán)保成熟的優(yōu)勢特點，是一種廣泛使用的隧道施工技術(shù)。當然，由于各種施工環(huán)境以及地層特性的影響，盾構(gòu)法施工建設(shè)技術(shù)在其具體的應用時需要進行相應的參數(shù)調(diào)整，選擇適合的盾構(gòu)機，根據(jù)實際情況確定施工的具體流程和方式。下面通過對盾構(gòu)法的簡單陳述，探討地層特性對該技術(shù)在隧道施工建設(shè)過程中的地層沉降影響問題。

2 盾構(gòu)法

隧道工程的建設(shè)難度往往比普通道路工程建設(shè)難度要大很多，因此就針對隧道工程建設(shè)施工出現(xiàn)了相應的施工建設(shè)技術(shù)，其中比較實用有效，并且效果良好、安全穩(wěn)定的盾構(gòu)法是傳承比較久遠的一種隧道工程施工建設(shè)技術(shù)。早在200年之前，盾構(gòu)法就已經(jīng)應用在了鐵路隧道的施工建設(shè)過程中，為當時的隧道工程建設(shè)提供了很大的助力。盾構(gòu)法的實質(zhì)是一種暗挖施工方法，這種施工技術(shù)的核心是盾構(gòu)機械，也就是說盾構(gòu)法的工作核心是盾構(gòu)機，盾構(gòu)機的主要部件是盾構(gòu)外殼以及盾構(gòu)管片，用來支撐隧道挖掘施工時四周地質(zhì)結(jié)構(gòu)，防止出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，是一種一邊進行隧道工程施工建設(shè)，一邊挖掘前進的機械化施工手段。它的基本原理很容易理解，就是采用一個專門的機械進行挖掘并支撐隧道，然后通過施工隊伍的鞏固建設(shè)使得挖掘過后的部分固定，從而使得隧道建設(shè)能夠順利開展和進行。

盾構(gòu)機是盾構(gòu)法的核心機械設(shè)備，其本身具有非常有力地支撐結(jié)構(gòu)和部件，根據(jù)不同的施工建設(shè)要求，有著不同的型號和類別，能夠完全抵擋住來自隧道內(nèi)部的外向水壓力和地層壓力，給隧道工程的施工建設(shè)提供一個堅實可靠的施工環(huán)境，另外輔助挖掘設(shè)備，一邊進行挖掘作業(yè)，向前推進，一邊進行隧道建設(shè)施工作業(yè)，鞏固挖掘過后的部分。大多數(shù)的盾構(gòu)機成圓形和橢圓形，這是為了更好地提供支撐力，當然根據(jù)不同的施工環(huán)境，也會設(shè)計出其他類型的盾構(gòu)機。

盾構(gòu)法之所以能夠得到廣泛的應用，是由于其具有獨特和巨大的優(yōu)勢，其中最突出的就是，盾構(gòu)法能夠為隧道的施工建設(shè)以及后期的裝修運轉(zhuǎn)提供足夠安全的施工環(huán)境，這是隧道施工建設(shè)最為注重的一點。另外就是盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)在進行施工建設(shè)過程中，不會影響到地面的正常作業(yè)，比如目前進行地鐵工程建設(shè)時，許多隧道都處于道路下方，這樣利用盾構(gòu)法進行隧道建設(shè)，就不會對地面上的道路正常運轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，這也是盾構(gòu)法非常受歡迎的一點。另外盾構(gòu)法隧道施工建設(shè)不會給周圍環(huán)境以及地下管線、地面建筑產(chǎn)生較大的影響，產(chǎn)生的噪聲以及各種環(huán)境危害比較小，并且盾構(gòu)法施工建設(shè)不受氣候的影響。因此盾構(gòu)法到目前為止，仍然是隧道施工建設(shè)廣泛應用的一種技術(shù)手段。

3 不同地層特性環(huán)境下盾構(gòu)法施工的地表沉降

利用盾構(gòu)法進行隧道的施工建設(shè)，盾構(gòu)機挖掘前進時，往往會導致一定的地層形變，如果沒有很好地應對這種地層形變現(xiàn)象，不采取合理有效地手段應對處理地層形變問題，很可能會導致地表沉降，甚至導致盾構(gòu)機無法繼承巨大的地層沉降壓力，而使得隧道坍塌。因此在進行隧道建設(shè)過程中，應用盾構(gòu)法施工建設(shè)技術(shù)就要著重考慮和應對地層形變問題。其中最重要的一點就是在利用盾構(gòu)法施工建設(shè)之前，對地層特性進行分析，通過詳細全面地地層特性分析，結(jié)合大量的實踐經(jīng)驗，選擇最合理地盾構(gòu)機以及最實用的施工方法和流程。

利用盾構(gòu)法進行隧道施工時，盾構(gòu)機前進挖掘而導致的地層情變主要劃分為三個階段：第一個階段是盾構(gòu)機前方隆起或沉降；第二個階段是施工沉降；第三個階段是固結(jié)沉降。在對不同地層特性環(huán)境下，盾構(gòu)法隧道施工的地表沉降問題分析時，主要對這三個過程產(chǎn)生的沉降問題進行分析研究。

由于隧道施工建設(shè)所處的環(huán)境各有差別，千變?nèi)f化，每個地區(qū)都有其獨特的地層特性，因此在施工前必須對當?shù)氐牡貙犹匦赃M行嚴格緊密的勘察和分析。通常在盾構(gòu)法的地層特性分析過程中，將不同地層環(huán)境劃分為復雜地層環(huán)境，軟土層地層環(huán)境，軟硬不均地層環(huán)境等。面對各種地層特性不同的施工環(huán)境，盾構(gòu)機的挖掘前進工作往往會產(chǎn)生非常大的差異，施工過程的具體流程和內(nèi)容也會有較大的區(qū)別，正購機的選擇以及型號類型也會有較大的差異，在施工過程中產(chǎn)生的地表沉降問題更是有著非常明顯的區(qū)別。

比如在比較復雜的地層特性環(huán)境中，由于地層的強度分布比較復雜，盾構(gòu)機的挖掘前進需要考慮的參數(shù)和因素有很多，需要考慮的壓力因素也有很多，這樣地層沉降問題，就需要非常煩瑣的計算和分析才能比較準確地確定其一定的沉降數(shù)據(jù)，這樣的情況是非常不準確，也不穩(wěn)定的，因此就需要選用合適的盾構(gòu)機并非這種復雜的地層特性和施工環(huán)境。特別是在復雜地層特性環(huán)境下，地表沉降的問題更是非常的復雜，需要采用合理地應對方式，逐漸完善盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)針對這一情況的應對措施。

在軟土層的施工環(huán)境中，無論哪一種隧道施工建設(shè)技術(shù)，都會導致地層運動，從而引起一定的地層坍塌、地表沉降問題，這是由于軟土層的本身承受力比較分散，其土質(zhì)顆粒在進行施工過程中，往往會經(jīng)歷分散再鞏結(jié)的過程，這就導致了施工地層首先會出現(xiàn)一定的坍塌，然后經(jīng)過和鞏固措施，使得軟土層受到支撐和鞏固作用，最終呈現(xiàn)出一定的地表沉降。而應對，這種地表沉降就需要對軟土層進行詳細的分析研究，對其具體的受力情況進行嚴謹?shù)姆治觯x用合理地盾構(gòu)機和施工方法，然后通過合理地手段對地表沉陷進行彌補和鞏固，并進行一定的恢復，當然也可以通過有效地措施和方法，盡量減少地表沉降的程度，降低后期鞏固彌補作業(yè)的難度，最大可能地對地表沉降進行控制。

總之在不同地層特性環(huán)境下，進行隧道施工建設(shè)時出現(xiàn)的地表沉降問題，是無法避免的一種必然性狀況，這需要我們通過嚴格的地層特性勘察分析，選擇合理科學的施工方法技術(shù)，規(guī)劃有效地施工流程，全方面應對地表沉降問題，使得隧道工程施工建設(shè)的地表沉降問題，得到最大限度地應對和解決。在軟土層的隧道工程施工建設(shè)過程中，需要注重盾構(gòu)機的出裝速度，盾構(gòu)機的掘進速度，各個工序之間的匹配銜接情況，注漿流程和方式以及壓力參數(shù)的考量和設(shè)定，事故應急預案的設(shè)定，盾構(gòu)機設(shè)備的維護，這些都是需要考慮和完善的內(nèi)容，是降低軟儲層地層特性環(huán)境下隧道發(fā)生地表沉降問題的重要影響因素。應對不同的地層特性，有著不同的關(guān)注點，其核心都是為了更好地推動隧道工程的順利施工，保證地表沉降問題能夠得到更好地解決，使得地表沉降帶來的影響最小化，從而全面推動隧道工程的施工建設(shè)。

4 不同地層特性環(huán)境下盾構(gòu)法應對地表沉降問題分析

盾構(gòu)法隧道施工建設(shè)技術(shù)，經(jīng)過長期的實踐總結(jié)，已經(jīng)逐步發(fā)展完善成為一項比較全面系統(tǒng)的隧道施工建設(shè)技術(shù)，針對地表沉降問題，有著各種各樣的應對措施，比如專門的施工流程，不同類型的盾構(gòu)機的選擇，專業(yè)的施工技術(shù)設(shè)備等。通常情況下，這些不同設(shè)備方法流程的選擇，需要結(jié)合對施工區(qū)域地層特性等信息的考察，需要結(jié)合隧道工程施工建設(shè)要求和規(guī)范等內(nèi)容。下面簡單分析根據(jù)不同地層特性因素，不同盾構(gòu)機類型和施工流程、方法技術(shù)選擇。

4.1 盾構(gòu)機的選擇

通常情況下盾構(gòu)機的類型主要分為兩種，一種是復合式土壓平衡盾構(gòu)機，另一種是泥水加壓式平衡盾構(gòu)機。通常情況下，復合式土壓平衡盾構(gòu)機進入在復雜的土層特性環(huán)境下，這種類型的盾構(gòu)機能夠更好地針對復雜土層特性環(huán)境下的地表沉降問題，通過向土體中注入一些泡沫劑等塑性材料，使得盾構(gòu)機切削下來的土體充分攪拌，并形成一定的塑性體，然后在挖掘過程中控制真鉤機的前進挖掘速度以及排除速度，并進行不斷地調(diào)整工作，使得前進速度和排毒速度保持協(xié)調(diào)一致，然后利用塑性體使得盾構(gòu)機能夠獲取一定的平衡壓力，使得盾構(gòu)機在前進挖掘的工作過程中，更好地保持平衡狀態(tài)。這種復合式土壓平衡盾構(gòu)機通常應用在比較復雜的土質(zhì)環(huán)境工程中，其配備的塑性材料需要根據(jù)其地質(zhì)特性和土層條件來配置，需要全面地了解具體的地層特性信息，進行詳細的地質(zhì)勘查，從而更好地為降低地表沉降問題作出幫助。

復合式土壓平衡盾構(gòu)機也經(jīng)常運用在上軟下硬類型的地層結(jié)構(gòu)環(huán)境中，而針對一些軟土層的隧道施工建設(shè)環(huán)境，則需要一些特定的盾構(gòu)機刀盤進行作業(yè)，這樣能夠使得挖掘速度和初讀速度能夠更好地匹配銜接，這樣能夠更好地保持盾構(gòu)機的穩(wěn)固前進，使得地表沉降問題能夠得到一定的控制。另外泥水加壓式平衡，盾構(gòu)機也有自身的特點和優(yōu)勢，相對于土壓平衡盾構(gòu)機來說，更常應用在軟土層的施工建設(shè)過程中。

當然，針對具體的盾構(gòu)機類型以及盾構(gòu)機具的選擇，應該切實的結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、地層特性、施工要求以及地表沉降問題等因素，選擇出最合理地盾構(gòu)機類型和機具類型。

4.2 施工技術(shù)方法的選擇

不同的盾構(gòu)機類型和施工環(huán)境有著不同的施工流程和方法，其中比較關(guān)鍵的有以下幾個內(nèi)容。首先是盾構(gòu)機的模式選擇，比如土壓式平衡盾構(gòu)機就有三種常用的應用模式，敞開式平衡模式、半敞開平衡模式以及土壓平衡模式。比如針對全斷面巖層地層特性環(huán)境的情況進行施工時，就可以選擇敞開式的挖掘前進模式，針對一些比較柔軟的軟土層地質(zhì)特性，結(jié)構(gòu)環(huán)境時，就選擇土壓平衡模式。不同的模式有不同的優(yōu)點和特性，需要結(jié)合實際情況來選擇和確定。

另外就是盾構(gòu)機挖掘前進參數(shù)確定問題，這需要在施工建設(shè)之前進行地質(zhì)特點的分析和施工要求的判斷，確定初步的參數(shù)設(shè)置情況，比如盾構(gòu)機的前進、推力、姿態(tài)、速度參數(shù)的選擇和確定，然后在電動機的實際工作過程中進行不斷地調(diào)整。

當然還有許多其他的技術(shù)要點和施工方法手段，這些不同的技術(shù)要點和施工方法手段都需要結(jié)合施工區(qū)域的地層特性以及施工要求，認真嚴謹?shù)倪M行分析判斷，選擇最合理科學的方法和設(shè)備，更好地推動隧道工程的順利進行，降低地表沉降以及地表沉降帶來的影響。

5 結(jié)論

不同的地層特性對于隧道工程的施工建設(shè)來說有著很大的區(qū)別，應用盾構(gòu)法進行隧道工程施工建設(shè)，就更需要考慮不同地層特性對工程建設(shè)帶來的影響，其中地表沉降問題更需要值得我們?nèi)ブ匾?，認真對待，不斷地通過分析總結(jié)、實踐探索，找到更加完善的盾構(gòu)法隧道施工建設(shè)方式，推動我國的隧道工程施工建設(shè)進一步的發(fā)展完善。