芻議地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降關(guān)鍵影響因素

潘國靈

【摘?要】地鐵在城市交通問題解決實踐中發(fā)揮著重要的作用，所以現(xiàn)階段的各大城市為了完善公共交通系統(tǒng)，提升城市的整體通達(dá)性，并解決地面交通系統(tǒng)問題，均在積極的進行地鐵的規(guī)劃和建設(shè)。對當(dāng)前的地鐵建設(shè)做具體的分析發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)是其施工的主要方式，該種施工方式在具體利用的過程中可能會誘發(fā)地表沉降，進而影響到施工安全和地面安全，所以在施工的過程中需要對盾構(gòu)施工進行有效控制。文章就地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降關(guān)鍵影響進行分析，旨在為現(xiàn)階段的地鐵施工實踐提供指導(dǎo)和幫助。

【關(guān)鍵詞】地鐵;盾構(gòu)施工;地表沉降;因素

盾構(gòu)是地鐵施工的主要方式之一，對盾構(gòu)的具體施工做分析與討論對于施工安全保障和效率保障有突出的影響，所以強調(diào)盾構(gòu)施工控制現(xiàn)實意義巨大。從目前的實踐分析來看，盾構(gòu)施工可能會誘發(fā)地表沉降，此種情況不僅影響施工安全，也會影響地表安全，所以要分析此種情況并有效避免。從目前的研究來看，盾構(gòu)施工誘發(fā)地表沉降有關(guān)鍵影響因素存在，所以在實踐中，找出關(guān)鍵影響因素并對其做相應(yīng)的控制措施，相應(yīng)的施工安全問題會得到有效的解決。基于此，做好相關(guān)分析與討論便有了突出的現(xiàn)實價值。

一、工程案例及特點分析

古平崗站——福建路站區(qū)間自古平崗站起，線路出始發(fā)端盾構(gòu)井后下穿回龍橋至鎮(zhèn)江路，在鎮(zhèn)江路上以半徑R=300的曲線轉(zhuǎn)向察哈爾路最后到達(dá)位于察哈爾路上的福建路站。盾構(gòu)起止里程YDK17+474.187～YDK18+341.060，含短鏈2.439m，總長864.434m;ZDK17+467.714～ZDK18+341.060，含長鏈9.690m，總長883.036m。區(qū)間設(shè)一座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房（YDK17+924.250）。線路共采用3段平面曲線，半徑分別為R=350、R=300/310和R=400，上、下行線間距約為12.3～16.4m。

區(qū)間采用“V”字坡，區(qū)間最大縱坡為28.135‰。線路豎曲線與車站相連端采用3000m半徑，線路埋深約15.52m～25.07m。

本工程轉(zhuǎn)彎半徑小，曲線段較長，且下穿上軟下硬等不良地層。區(qū)間上方建筑物較多，且多為上世紀(jì)七八十年代住宅樓建筑，建筑基礎(chǔ)多為條形基礎(chǔ)、筏板基礎(chǔ)。因此推進過程中控制好地面的沉降對本工程意義重大。

本工程區(qū)間平面圖及地質(zhì)縱斷面圖如下：

二、沉降因素分析

對該區(qū)間盾構(gòu)施工引發(fā)的沉降分析，按施工階段劃分，主要有以下幾個階段。1）先期沉降。此現(xiàn)象的具體發(fā)生和地下水位偏低、孔隙水壓力降低等有顯著的關(guān)系。對于砂質(zhì)土，該階段是由地下水位下降引起的;對于軟弱黏性土，則是由開挖面過量取土引起的。2）開始掘進前地層的沉降和隆起。此階段的地表變形產(chǎn)生主要與施工操作的土艙壓力（泥水壓）有關(guān)。當(dāng)土壓力（泥水壓）過大時，地表隆起的現(xiàn)象會發(fā)生，反之則容易引起地面沉降。3）在盾構(gòu)通過的過程中，地表會出現(xiàn)下沉。該階段引起地面沉降的原因主要是盾殼與周圍土體作用力等原因而引起，盾構(gòu)和巖體之間的剪切錯動有顯著的關(guān)系。4）盾構(gòu)通過該斷面后，盾尾與土壤分離，盾體與周圍土壤出現(xiàn)空隙，此時的注漿如不能及時跟進，或者注漿壓力過大，會導(dǎo)致土壤失去支撐會發(fā)生沉降或者土體隆起。5）后期的沉降，該階段沉降主要是盾構(gòu)掘進造成的地層擾動、松弛引起，導(dǎo)致土體承載力較原狀土小，引起后續(xù)的沉降;或是襯砌結(jié)構(gòu)的變形變位，引起的地表沉降。

按照施工因素劃分，主要有以下因素：1）盾構(gòu)通過的區(qū)域有地表潛水的水流通路，盾構(gòu)掘進時水土通過掌子面大量流失，引起前方土體的沉降，主要在第一階段發(fā)生。2）土艙壓力（泥水艙泥水壓）過大或者不足，導(dǎo)致開挖面水土壓力與盾構(gòu)壓力倉不均衡，引起前方的地表沉降或者隆起，主要發(fā)生在第二階段。3）盾構(gòu)推進盾體與四周土體的作用力，導(dǎo)致周圍土體產(chǎn)生擾動，引起地層的沉降，主要發(fā)生在第三階段。對于小轉(zhuǎn)彎半徑、頻繁糾偏的區(qū)間影響較為明顯。4）壁厚注漿不及時或不充分，導(dǎo)致管片脫出盾尾后土體與襯砌結(jié)構(gòu)周圍的空隙不能及時填補，引起的地表沉降，主要發(fā)生在第四階段。5）由于管片螺栓緊固不足等原因引起的襯砌結(jié)構(gòu)的變形變位，從而增大地層的下沉，主要在第五階段發(fā)生。6）襯砌結(jié)構(gòu)滲漏，二次注漿不充分導(dǎo)致的地下水位下降，引起地層的固結(jié)沉降，主要發(fā)生在第五階段。

三、盾構(gòu)施工過程中地表沉降的主要控制措施

對地鐵盾構(gòu)施工做具體分析發(fā)現(xiàn)施工過程中的具體操作會影響地表沉降，為了更好的實施操作控制，對施工中操作所產(chǎn)生的地表沉降情況做具體的分析有顯著的現(xiàn)實意義。盾構(gòu)施工過程中對沉降影響的控制措施主要有：

（一）土壓控制

盾構(gòu)機掘進時土壓的控制對維持掌子面前方土體穩(wěn)定有著重要的作用，可以有效減少第二階段地表的隆沉。土壓平衡盾構(gòu)科通過調(diào)整推進速度與螺旋機出土器的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到土壓艙與開挖面水土壓力平衡的效果。盾構(gòu)機土壓力控制值理論上限應(yīng)當(dāng)為開挖面土體靜止土壓力，下限應(yīng)為開挖面土體主動土壓力。另外，選擇適當(dāng)?shù)耐馏w改良添加劑以增加開挖土體的塑流性，以避免推進過程中推力控制不當(dāng)而引起的地表隆沉。

（二）盾構(gòu)機姿態(tài)

推進過程中盾構(gòu)機姿態(tài)的控制對于盾構(gòu)通過該斷面時造成的地表隆沉有較大影響，嚴(yán)格控制盾構(gòu)機姿態(tài)對第三階段的地表隆沉有較大影響。推進過程中應(yīng)控制好盾構(gòu)機姿態(tài)，避免不必要的糾偏措施。糾偏要勤糾、少糾、適度。糾偏時要合理確定超挖半徑與超挖范圍。小轉(zhuǎn)彎半徑曲線推進時，盾構(gòu)機對周圍土體的擾動頻繁，尤其要注意盾構(gòu)機的姿態(tài)控制。

（三）管片拼裝

管片是地鐵隧道的主要結(jié)構(gòu)，為防止管片變形，需確保管片組裝精度，充分緊固接頭螺栓。在管片脫出盾尾后，由于盾構(gòu)機推進作用力，且脫出盾尾的管片失去盾構(gòu)機的約束，會導(dǎo)致已緊固的螺栓松動，所以在管片脫出盾尾后要及時進行復(fù)緊。

地鐵隧道中，管片連同壁后注漿起到襯砌結(jié)構(gòu)的主要防水作用。如結(jié)構(gòu)滲漏導(dǎo)致地下水的流失，可引起地表的沉降。為防止水從管片接頭、壁后注漿孔等部位漏水，必須精細(xì)的進行管片組裝及防水作業(yè)。

（四）注漿方式

對地鐵盾構(gòu)施工做具體的分析會發(fā)現(xiàn)其中一項重要的內(nèi)容是注漿作業(yè)。在注漿作業(yè)的時候，其施工的好壞對地表的沉降有著顯著的影響[2]。同步注漿可及時填充襯砌環(huán)與周圍土體之間的空隙，根據(jù)地質(zhì)條件、工程條件等因素，合理選擇單液漿或者雙液漿，選擇合理的漿液配合比，以便及時穩(wěn)定拼裝完成的襯砌環(huán)。注漿過程中要控制好注漿量與注漿壓力。由于周圍土體或巖體存在裂隙，同步注漿不能完成對空隙的填補，在襯砌環(huán)脫出盾尾后要及時進行二次注漿來填補空隙，同時二次注漿還起到堵水作用，可有效控制因地下水流失導(dǎo)致的地層固結(jié)沉降。

（五）地表的監(jiān)測

就地表沉降的具體防范來看，第一項重要的措施是進行地表的監(jiān)測。地表監(jiān)測可以及時的掌握地表信息，從而對地表以及地下的沉降進行分析，這樣，沉降控制的及時性會更加的突出。監(jiān)測的數(shù)據(jù)可以反饋給我們以下信息。1）隧道及周圍土體在施工過程中的動態(tài)變化，施工對原始地層的影響程度及可能產(chǎn)生的薄弱環(huán)節(jié);2）圍巖及支護結(jié)構(gòu)的變化狀況，以及其安全穩(wěn)定性;3）對周邊建筑物及地下管線影響的程度及安全性;4）盾構(gòu)推進參數(shù)設(shè)置是否合理;5）監(jiān)測數(shù)據(jù)和資料可以豐富施工人員和專家對類似工程的經(jīng)驗。

盾構(gòu)施工需要監(jiān)測的項目及點位布設(shè)要求如下：

（六）其他因素影響

出了上述幾個因素，還有諸多因素會導(dǎo)致地面的沉降，這些因素可以統(tǒng)統(tǒng)歸結(jié)到其他因素當(dāng)中。就具體的分析來看，這些因素主要有盾構(gòu)臨時停頓或者是后退，盾構(gòu)推進速度改變等。簡言之，在地鐵盾構(gòu)施工過程中，影響地面沉降的因素是比較多樣的，但是這些因素的發(fā)生大多不具備普遍性，所以將其統(tǒng)一歸結(jié)為其他因素。

四、客觀因素對地表沉降量影響

除開上述施工因素對地面沉降的影響，盾構(gòu)機覆土埋深、盾構(gòu)機所穿越地質(zhì)條件、隧道曲線半徑等客觀條件對地面沉降影響因素同樣不可忽視。下文將結(jié)合本工程某段地質(zhì)情況與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋的沉降量，對客觀條件對地面沉降影響的因素進行分析計算。

（一）基本假設(shè)

1）設(shè)施工區(qū)間內(nèi)土層從上至下均勻分布，雙線隧道的縱向中心線分布在同一水平面上;

2）不考慮隧道襯砌間接縫對沉降的影響，將襯砌視為一個均質(zhì)的圓環(huán)體;

3）計算中盾構(gòu)推進的時間通過計算時步進行控制。

（二）材料計算參數(shù)

根據(jù)研究區(qū)域現(xiàn)場的地質(zhì)勘察資料和物理力學(xué)實驗結(jié)果，確定計算模型的基本參數(shù)。此外，模擬計算還涉及隧道盾構(gòu)施工所采用的一些材料，如預(yù)注漿、襯砌管片等。

（三）計算模擬過程

依據(jù)隧道盾構(gòu)的施工過程及特點計算模擬步驟如下：

1）計算在給定邊界力學(xué)與位移條件下模型的初始狀態(tài);

2）按照實際工程步驟（預(yù)注漿—開挖—鋪設(shè)襯砌—循環(huán)施工）進行施工模擬：左線（外）隧道先行施工，掘進60m后，右線（內(nèi)）隧道再開始施工，然后兩條隧道同時開挖，直至工程完畢;

3）計算完成后，對計算結(jié)果的應(yīng)力場、位移場和破壞場等進行分析，提出合理的解釋說明。

（四）計算沉降分析

在地下土層中進行盾構(gòu)時，由于盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層損失、對隧道周圍土體的擾動、注漿及鋪設(shè)襯砌等因素，會引起地層的移動而導(dǎo)致地面沉降。圖3給出了雙曲線隧道在盾構(gòu)通過后地表橫向的沉降分布。從圖中可以看出最大沉降量約為5mm，兩側(cè)的影響范圍約為60m，在隧道內(nèi)側(cè)的沉降范圍略大于外側(cè)。

下圖是雙曲線隧道豎向中心線及在兩側(cè)距中心線25m處各地層沿水平移動的分布曲線。隧道上方的土體因地層損失產(chǎn)生沉降并引起隧道兩側(cè)的土體向（雙線）隧道中心水平移動。隧道下方的土體也因沉降對兩邊的土體產(chǎn)生壓力造成土體向外的水平移動。如果是雙直線隧道，應(yīng)以隧道斷面豎向中心線為對稱線，在對稱線上的土體不應(yīng)該產(chǎn)生任何方向上水平位移。但由于雙線隧道是曲線的，受線形影響，從圖4中可以看出，雙線隧道豎向中心線地表處產(chǎn)生了向內(nèi)側(cè)的水平移動，下部的土體產(chǎn)生了向外的移動（約為0.2mm），而且在雙線隧道內(nèi)、外側(cè)等距處（距對稱中心線25m）土體的水平移動分布看外側(cè)的水平移動趨勢要大于內(nèi)側(cè)。

結(jié)束語

綜上所述，地鐵盾構(gòu)施工過程中，地表沉降現(xiàn)象不可避免，但是要維持施工的安全，需要對沉降進行相關(guān)的控制，這樣，沉降的影響范圍會明顯縮減，其造成的安全事故也能有效防控。文章對地表沉降的具體影響因素與控制策略做分析，旨在為實踐工作開展提供幫助與指導(dǎo)，從而促進地鐵盾構(gòu)施工的進一步發(fā)展。

參考文獻：

[1]張智.地鐵盾構(gòu)施工地表沉降及其控制對策研究[J].中國科技投資，2018（36）.

[2]管慶波.對地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降研究分析[J].消費導(dǎo)刊，2018，000（045）：89.

[3]彭再高，尹小波.長沙地鐵3號線盾構(gòu)施工法引起的地表沉降及控制因素分析[J].河南科技，2018，No.633（07）：126-128.

（作者單位：中鐵二十四局集團有限公司）