地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析

曹媛媛

摘 要：隨著我國社會的不斷發(fā)展，市場經(jīng)濟(jì)也取得了長足的進(jìn)步，城市中的地鐵數(shù)量逐年增加。盾構(gòu)法施工對于地鐵隧道的施工有著至關(guān)重要的作用，與其他施工法相比，盾構(gòu)施工法同樣會對周邊的施工環(huán)境造成很大的影響，甚至?xí)沟乇硐鲁?。本文結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)資料的研究，主要圍繞"盾構(gòu)法施工地鐵區(qū)間隧道的地表下沉"這一課題展開討論，希望能為廣大的地鐵施工人員帶來一定的參考價(jià)值與幫助作用。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道；盾構(gòu)法；地表沉降

引言

由于盾構(gòu)法自身所具備的優(yōu)勢，所以其在地鐵施工的過程中得到了廣泛的普及。但是即使采取這種施工方法，也難以避免產(chǎn)生地表沉降的問題?，F(xiàn)如今，我國對這一課題進(jìn)行了深入的探討，但是由于施工條件的多變性，而且地質(zhì)結(jié)構(gòu)頗為復(fù)雜，所以這些狀況對研究造成了一定的阻礙。本文以地鐵隧道工程為例，對導(dǎo)致地表沉降的主要因素進(jìn)行了深入的探究，并對施工線程的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，找出運(yùn)用該施工法導(dǎo)致地表沉降的規(guī)律，從而使后續(xù)的工程能夠有序的進(jìn)行。

一、地表沉降的原因

盾構(gòu)施工引起地面沉降的主要原因是施工引起的地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)作用等。

1.1地層損失

地層損失是盾構(gòu)施工中實(shí)際開挖土體體積和竣工隧道體積之差?？⒐に淼荔w積包括隧道外圍包裹的壓入漿體體積周圍土體在彌補(bǔ)地層損失中，發(fā)生地層移動(dòng)，引起地面沉降。引起地層損失的施工及其他因素是：

1）開挖面土體移動(dòng)。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，開挖面土體受到的水平支護(hù)應(yīng)力小于原始側(cè)向應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降；當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，如作用在正面土體的推應(yīng)力大于原始側(cè)向應(yīng)力，則正面土體向上向前移動(dòng)，引起負(fù)地層損失（欠挖）而導(dǎo)致盾構(gòu)前上方土體隆起。

2）盾構(gòu)后退。在盾構(gòu)暫停推進(jìn)中，由于盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂漏油回縮而可能引起盾構(gòu)后退，使開挖面土體坍落或松動(dòng)，造成地層損失。

3）改變推進(jìn)方向。盾構(gòu)在曲線推進(jìn)、糾偏、抬頭推進(jìn)或叩頭推進(jìn)過程中，實(shí)際開挖斷面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。盾構(gòu)軸線與隧道軸線的偏角越大，則對土體擾動(dòng)和超挖程度及其引起的地層損失也越大。

4）土體擠入盾尾空隙。由于向盾尾后面隧道外周建筑空隙中壓漿不及時(shí)，壓漿量不足，壓漿壓力不適當(dāng)，使盾尾后坑道周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài)，而向盾尾空隙中移動(dòng)，引起地層損失。在含水不穩(wěn)定地層中，這往往是引起地層損失的主要因素。特別是盾構(gòu)在粘性土中推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)外周粘附一層粘土，盾尾后隧道外圍圓形空隙會有較大量的增加，如不有效增加壓漿量、地層損失必大量增加。這在設(shè)計(jì)施工中應(yīng)予考慮。

5）隨盾構(gòu)推進(jìn)而移動(dòng)的盾構(gòu)正面障礙物，使地層在盾構(gòu)通過后產(chǎn)生空隙而又無法及時(shí)壓漿填充，引起地層損失。

1.2受擾動(dòng)土體的重新固結(jié)

推進(jìn)中孔隙水壓變化、土體擾動(dòng)后重新固結(jié)、管片滲漏水、壓漿材料凝固收縮等引起土體固結(jié)沉降。

由于盾構(gòu)推進(jìn)中的擠壓作用和盾尾壓漿作用等因素，使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區(qū)，其超空隙水壓在盾構(gòu)隧道施工后的一段時(shí)間內(nèi)消散復(fù)原，在此過程中地層發(fā)生排水固結(jié)變形，引起地面沉降。地層因孔隙水壓力變化而產(chǎn)生的地面沉降，稱之為主固結(jié)沉降。土體受到擾動(dòng)后，土體骨架還會發(fā)生持續(xù)很長時(shí)間的壓縮變形。在此土體蠕變過程中產(chǎn)生的地面沉降為次固結(jié)沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾年以上，所占總沉降量的比例有的高達(dá)35%。

可見，地表變形的大小取決于地層和地下水條件、隧道直徑、埋深和施工條件等。

二、地表沉降與地層關(guān)系的分析

2.1粘性土層的地表沉降分析

1）隧道直徑范圍內(nèi)土體主要為粘性土層，此類地層的自穩(wěn)性較好，因此在掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)刀盤開挖面處土體不易發(fā)生坍塌；另外，粘性土體較密實(shí)，施工對地層的擾動(dòng)范圍相對較小，這也是地表沉降不明顯的重要原因；2）粘性土層滲透性差，從而使得地表沉降受地下水位變化的影響較?。?）在粘性土層中的注漿效果較好也是地表沉降較小的主要原因之一。

2.2砂性土層的地表沉降分析

1）在盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出時(shí)，外部的土體因砂土的自穩(wěn)性能差會導(dǎo)致局部的塌落，如果注漿不能及時(shí)充填，就會造成地層損失，增大地表沉降量；2）砂層的滲透性強(qiáng)，隧道埋深位于地下水位以下，因而在同等條件下，地下水流失量大，從而加大地表沉降量；3）在盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)，地表沉降會因?yàn)樯皩用荛]性差，造成開挖面失穩(wěn)，增大地表沉降；4）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中對土體的擾動(dòng)范圍更大，在擾動(dòng)范圍內(nèi)的土體固結(jié)時(shí)間長，沉降量也相應(yīng)增大；5）盾構(gòu)機(jī)抬頭推進(jìn)，超挖量較大，并且在此段工程中砂層自穩(wěn)性差，超挖量會更多，從而增大地層損失。

三、盾構(gòu)施工地表沉降的控制措施

3.1掘進(jìn)模式的選擇

地層條件不一樣，選擇的掘進(jìn)模式也就不一樣。為了使盾構(gòu)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛，一臺盾構(gòu)機(jī)可以通過自身的轉(zhuǎn)換能實(shí)現(xiàn)土壓平衡、半敞開式、敞開式三種模式。不同模式對應(yīng)的施工參數(shù)也不一樣，而地質(zhì)條件千變?nèi)f化，如果模式選擇不恰當(dāng)，勢必會產(chǎn)生很大的地表沉降。本區(qū)間根據(jù)地質(zhì)條件選用土壓平衡模式掘進(jìn)。

3.2優(yōu)化施工參數(shù)

盾構(gòu)推進(jìn)中對周圍地層及地面的影響最小就是盾構(gòu)的最佳推進(jìn)，也就是我們所追求的最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)，這時(shí)地層的強(qiáng)度下降小、受到擾動(dòng)也小、超孔隙水壓小、地面隆沉小以及盾尾脫開后的沉降小，這些理想指標(biāo)也是盾構(gòu)施工中控制地面沉降、保護(hù)環(huán)境的首要條件。盾構(gòu)的掘進(jìn)參數(shù)包括：土艙壓力、排土量和掘進(jìn)速度、千斤頂頂力及分布、盾構(gòu)坡度、糾偏方向與糾偏量和注漿壓力、時(shí)間、注漿量以及漿液配比的確定等。盾構(gòu)的幾個(gè)掘進(jìn)參數(shù)，既是相互獨(dú)立，又是互相匹配、優(yōu)化，其根本目的，是控制盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差不超出允許范圍及盡量減少對地層的變形影響。推進(jìn)中參數(shù)優(yōu)化組合的宏觀表現(xiàn)就是地表變形的控制，同時(shí)必須配以相應(yīng)的監(jiān)測手段，將實(shí)測的各類數(shù)據(jù)與監(jiān)測的地表沉降值整理分析、優(yōu)化組合，并指導(dǎo)下一步的掘進(jìn)，實(shí)行信息化施工。

3.3襯砌接縫防水

接縫漏水使隧道周圍地層孔隙水流失，土體有效應(yīng)力增加，引起地層再壓縮固結(jié)，從而引起地表沉降。襯砌接縫防水包括管片間的彈性密封墊防水、隧道內(nèi)內(nèi)側(cè)相鄰管片間的嵌縫防水以及必要時(shí)向接縫內(nèi)注漿等。其中彈性密封墊防水最重要也最可靠，是接縫防水的重點(diǎn)。采用多孔型三元乙丙彈性橡膠止水條，在千斤頂推力和螺栓擰緊力的作用下，使得管片間的三元乙丙彈性橡膠止水條的縫隙被壓縮來起防水的作用。

四、結(jié)束語

總而言之，在地鐵隧道的實(shí)際施工過程中，盾構(gòu)法這種施工方式由于具備大量的優(yōu)勢，所以在隧道施工中被廣泛普及。但是我們必須認(rèn)識到盾構(gòu)施工法對周邊環(huán)境的影響，甚至?xí)沟乇戆l(fā)生沉降，所以我們在實(shí)際施工的過程中，一定要做好監(jiān)測的工作，及時(shí)的進(jìn)行信息的反饋，并且有效的調(diào)整施工方案，從而使地表沉降的問題得到有效的解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]ANATO NEURLY JOSITA. 南京緯三路盾構(gòu)法隧道施工引起地表沉降研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[2]王磊. 地鐵盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]代朋飛. 合肥地鐵盾構(gòu)法施工引起地表沉降的分析與數(shù)值模擬[D].安徽建筑大學(xué)，2016.

[4]許炯.地鐵區(qū)間隧道淺埋暗挖法施工引起地表沉降規(guī)律探討[J].住宅與房地產(chǎn)，2016（12）：154.

[5]李旺旺. 地鐵隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析和規(guī)律研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2015.