地鐵盾構(gòu)施工地表沉降及其控制措施

張中陽

摘 要：隨著城市建設(shè)規(guī)模的增加，地鐵施工也越來越多。因為地下施工導(dǎo)致的地面沉降等問題隨之增多，給城市環(huán)境、交通和人民生活帶來負(fù)面影響。文章圍繞地鐵盾構(gòu)施工中地表沉降問題進行討論，闡述了發(fā)生沉降的主要運營和不同階段地表沉降的特點，其次對地表沉降影響因素進行了分析，最后對如何實施有效防范措施，加強地鐵盾構(gòu)施工地表沉降控制提出自己的看法和建議。

關(guān)鍵詞：地鐵；盾構(gòu)施工；地表沉降；注漿；土壓力

引言

地下鐵路是現(xiàn)代城市交通體系重要的組成部分，在城市建設(shè)、經(jīng)濟發(fā)展和提高人民生活水平方面發(fā)揮了重要作用。由于地鐵主要設(shè)施位于地面以下，使得地下施工成為地鐵建設(shè)工程的主體。在地鐵地下施工過程中，地面沉降、塌陷和開裂等問題時有發(fā)生，不僅造成城市環(huán)境破壞，也給地鐵工程自身帶來巨大安全隱患。在地鐵工程中，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工往往會引發(fā)地表沉降現(xiàn)象，針對地鐵盾構(gòu)施工地表沉降問題進行深入研究，制定安全防范措施，對應(yīng)數(shù)量和規(guī)模不斷呈現(xiàn)上升趨勢的地鐵工程來說無疑是十分重要的。

1 地鐵盾構(gòu)施工過程中地表沉降原因分析

大量實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，地鐵盾構(gòu)工程中引發(fā)地面沉降的原因包括施工造成的地層損失、地鐵盾構(gòu)隧道附近地層因為遭受擾動和剪切破壞而導(dǎo)致的重塑土再固結(jié)等。在眾多地面沉降現(xiàn)象中，施工地域地層受盾構(gòu)推進造成的擠壓、超挖以及盾構(gòu)尾部壓漿的影響而發(fā)生擾動，從而導(dǎo)致地鐵隧道附近的地層形成正、負(fù)超孔隙水壓力，最終導(dǎo)致的地層沉降稱之為固結(jié)沉降。根據(jù)形成機理不同，固結(jié)沉降包括主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降兩種沉降方式。受超空隙水壓力消失影響導(dǎo)致的土層壓緊密實形成的沉降是主固結(jié)沉降。因土層骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生蠕動使土層在剪切力作用下發(fā)生變形導(dǎo)致的沉降是次固結(jié)沉降。

2 不同施工階段地表沉降特點概述

隨著地鐵盾構(gòu)施工的不斷推進，因其引發(fā)的地表和土體沉降也在不斷發(fā)生著變化，根據(jù)施工進展，與其對應(yīng)的地表沉降也隨之分為五個發(fā)展階段，即初始沉降、開挖面前方變形、盾構(gòu)通過時、盾尾空隙沉降、后續(xù)沉降。

2.1 初始沉降階段

當(dāng)盾構(gòu)機運轉(zhuǎn)挖掘前進時，地下水流原有結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，地下水位發(fā)生下降，從而導(dǎo)致附近一定范圍內(nèi)地面發(fā)生沉降，從開挖路線前方某處發(fā)生沉降，直至挖掘面到達該處，這一過程的沉降稱之為初始沉降階段。

2.2 開挖面前方變形階段

當(dāng)挖掘面逐漸接近前進路線上某處時，在距離該點幾米時，會導(dǎo)致該處附近地面發(fā)生沉降和隆起，這一現(xiàn)象從出現(xiàn)直至挖掘面到達該處這一過程稱之為開挖面前方變形階段。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是盾構(gòu)機推力不穩(wěn)定，開挖面土層壓力忽高忽低，不斷發(fā)生變化造成的。

2.3 盾構(gòu)通過時沉降階段

從開挖面到達前進路線某處，直至盾尾到達該處，這一過程中發(fā)生的沉降稱之為盾構(gòu)通過時沉降。導(dǎo)致其發(fā)生的原因是盾構(gòu)機經(jīng)過時對土體造成的劇烈擾動。

2.4 盾尾空隙沉降階段

當(dāng)盾構(gòu)機盾尾經(jīng)過前進路線上某處時，由于盾尾間隙內(nèi)的土體突然失去來自盾構(gòu)的支撐作用，或者由于管片壁后沒能按時施工要求進行注漿導(dǎo)致附近土壤應(yīng)力釋放都會造成沉降發(fā)生。這一階段的沉降稱之為盾尾空隙沉降。

2.5 后續(xù)固結(jié)沉降階段

盾構(gòu)機經(jīng)過以后，經(jīng)受擾動的土地發(fā)生固結(jié)和蠕變后續(xù)實效變形造成的沉降稱之為后續(xù)固結(jié)沉降。

3 地鐵盾構(gòu)施工過程中地表沉降影響因素分析

3.1 注漿作業(yè)對地表沉降的影響

注漿作業(yè)是地鐵盾構(gòu)施工的重要組成部分。而注漿作業(yè)的好壞對于因盾構(gòu)施工造成的地表沉降有著至關(guān)重要的影響，因而在地鐵盾構(gòu)施工中，注漿作業(yè)往往作為控制地表沉降程度主要措施。注漿作業(yè)中，對地表沉降影響突出的因素主要包括注漿壓力的大小、注漿量的多少、有效注漿范圍、加固體強度提高加值以及后挖隧道的擾動等。

3.2 盾尾空隙對地表沉降的影響

盾構(gòu)機在土層中推進施工時，隨著盾構(gòu)機的挖掘運動，盾尾鋼殼與地表土壤會呈現(xiàn)出周期性的緊密貼實和分離。當(dāng)盾尾與土壤發(fā)生分離時，在注漿作業(yè)沒用及時跟進發(fā)生效用的情況下，與盾尾發(fā)生分離的土壤會因為失去支撐壓力而發(fā)生位移、崩塌等現(xiàn)象，隨著土壤的運動與位移，盾尾與土體間的空隙再度被填滿，土壤受力再次達到平衡。這一過程也是影響地表沉降的重要因素。

3.3 地表硬殼對地表沉降的影響

在城市環(huán)境進行地下施工，地面表層和地下深層土體往往呈現(xiàn)出不同的特性。理論計算結(jié)果和大量實際測量數(shù)據(jù)都表明在正常的盾構(gòu)推進施工中，地面表層和地下深層土體所發(fā)生的沉降呈現(xiàn)一致性，但相對于地面表層，地下深層土體的沉降程度更加距離，受施工影響更加突出。這是因為城市環(huán)境下，地面表層往往由混凝土地面、柏油路路面等較為堅硬的材質(zhì)構(gòu)成，變形模量、抗彎剛度及抗變形能力等遠(yuǎn)大于地下深層土體。在受到相同作用時發(fā)生沉降的程度更低。由于這個原因，許多沉降外表看來并不明顯，但實際上地面表層已經(jīng)與其下方的地下深層土體發(fā)生分離，形成巨大空隙，從而給施工安全帶來更大的安全隱患。

3.4 其他方面對地面沉降的影響

除了上述因素外，盾構(gòu)糾偏、盾構(gòu)發(fā)生臨時停頓或后退、推進速度以及出土量發(fā)生改變等技術(shù)問題，都會對地表沉降產(chǎn)生影響。由于這些因素過多，且其影響不具有普遍性，所以文章就不再贅述。

4 做好地鐵盾構(gòu)施工地表沉降的防范措施

4.1 切實做好注漿作業(yè)

4.1.1 嚴(yán)格控制注漿速度

為保障注漿效果，漿液填充速度要盡可能與盾構(gòu)機挖掘速度保持一致，最大限度降低盾尾空隙的產(chǎn)生，從而避免由于盾尾空隙造成的沉降。需要注意的是，如果注漿速度過快，會導(dǎo)致盾尾漏漿現(xiàn)象發(fā)生，也會對施工造成不利影響。具體注漿速度要根據(jù)施工實際情況確定。

4.1.2 準(zhǔn)確把握注漿時間

從上面沉降原因分析可以看出，注漿的不及時是導(dǎo)致沉降發(fā)生的重要原因。在盾構(gòu)施工時，必須把握好注漿的時機，一般情況而言，最理想的注漿時機應(yīng)該是管片脫開盾尾的時間。

4.2 科學(xué)設(shè)置掘進土壓力參數(shù)

盾構(gòu)施工中需要重點控制的土壓力參數(shù)包括地層土壓力、地下水壓力和預(yù)備壓力三個參數(shù)。根據(jù)施工要求不同，壓力參數(shù)的確定方法也不一樣。對于深埋隧道施工，由于不確定因素較多，難以精確計算，可在遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合試掘進期間取得的數(shù)據(jù)進行確定。淺埋隧道施工需要計算的土壓力較多，需要按照各自相應(yīng)的公式計算，然后結(jié)合以往經(jīng)驗進行選擇。

5 結(jié)束語

綜上所述，地鐵盾構(gòu)施工造成的地表沉降問題無法完全避免，但在對沉降機理和影響因素的深入分析的基礎(chǔ)上，可以通過科學(xué)有效的措施予以控制和減輕。隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)步伐的逐步加快，地鐵工程建設(shè)事業(yè)必將迎來更大的發(fā)展空間。技術(shù)人員要認(rèn)真分析地下施工對周邊城市環(huán)境的影響，不斷開發(fā)出效果更好、成本更低、更加簡便易行的控制措施，確保地鐵施工的順利進行和城市生活的和諧安寧。

參考文獻

[1]鄧溫妮，黃茂松.盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降的分析方法[J].湖南大學(xué)學(xué)報，2008，11.

[2]韓學(xué)詮.盾構(gòu)施工地面沉降控制[J].鐵道建筑技術(shù)，2009，6.