地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析

杜兴权

【摘要】随着施工技术的提高，出现了地铁隧道盾构法的施工方式。本文从地铁隧道盾构法施工原理、隧道盾构法施工技术的特点及发展前景、地铁隧道施工的沉降现象、引起地铁隧道施工中地面沉降的原因分析以及地铁盾构法隧道施工的安全注意事项四个方面详细阐述了地铁隧道盾构法施工过程中引起的地表沉降的原因分析。

【关键词】地铁隧道，盾构法，施工，地表沉降

中图分类号：U231文献标识码： A

一、前言

近年来我国经济水平不断提高，科技随之不断发展，施工技术越来越先进，地铁隧道盾构法的出现提高了施工效果，同时也出现了地表沉降等问题，本文将对地表沉降问题进行分析。

二、地铁隧道盾构法施工原理

盾构法自法国工程师布鲁诺尔(Brunel)1818年发明以来，至今已有一百多年的历史，其发展迅速，已广泛应用于德国、美国、日本、法国和中国等。

地铁隧道盾构法施工就是在盾构的掩护下连续安全地进行地层开挖与管片衬砌支护工作，其基本构造包括盾构壳体、刀盘、人闸系统、螺旋输送机与保压泵喳装置、铰接装置、盾尾密封装置、管片拼装机和管片整圆器、刀盘驱动系统、盾构推进系统、同步注浆系统、泡沫发生系统、膨润土设备、数据采集系统、SLS-T隧道导向系统、后配套设备等部分，其主要施工工序包括盾构的安设与拆卸、土体开挖与推进、衬砌拼装与防水等部分。

盾构法施工时，首先根据地铁规划设计，在隧道某段的一端用明挖法建造基坑，然后再其内安装盾构机，当盾构就位后，先向开挖面掘进相当于装配式衬砌宽度的土体(一般为1.5m)，安装盾构反力架等设备，形成外部支撑，然后在盾壳的掩护下利用千斤顶将切口环向前项入土层进行地层开挖、装配衬砌，随后盾构靠顶在已拼装好的衬砌环上的千斤顶向前的推力来克服盾构掘进中所遇到的地层阻力，保持盾构能均匀连续前进。

三、隧道盾构法施工技术的特点及发展前景

盾构法施工原理是:尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。该施工技术有以下特点:①可在盾构设备掩护下安全地进行地下开挖与衬砌作业;②施工时可不影响地面交通及河道航运;③施工时的噪音和震动引起的公害小;④其机械化与自动化的程度高,劳动强度低;⑤多车道的隧道分期施工、分期运营,可减少一次性投资;⑥施工精度要求高;⑦盾构机设备施工过程中不可后退。

在国外,盾构隧道施工技术已发展细化为大量、复杂的施工技术,但我国必须根据国情引进、吸收国外这些新型技术。就目前我国盾构技术现状而言,一些问题的解决、新技术的开发将成为当务之急,主要有以下几点:①盾构机的国产化问题;②长距离盾构掘进施工技术;③大直径或异型盾构施工技术;④复杂地层盾构机适应性;⑤管片技术。盾构技术的发展日新月异,新技术层出不穷,而新技术能否得到应用的决定性因素就是造价问题,即经济性问题

四、地铁隧道施工的沉降现象

盾构施工过程中，地表沉降具有横向和纵向两种表现形式。纵向的地表沉降

又可分为先行沉降、开挖前沉降、盾尾沉降、盾尾空隙沉降以及后续沉降等。引起地面沉降的原因是多样化的，包括盾构施工掘进造成地面损失引发的沉降；盾构施工引起地下水流失造成的地下水位降低，引发了地层的固结沉降。盾构施工中存在的地质资料与建筑物基础资料与实际状况不符，造成施工措施不当引发建筑物开裂。盾构衬砌结构的变形以及地层原始应力的改变等。

五、引起地铁隧道施工中地面沉降的原因分析

1.地层损失引发地面沉降

地铁隧道的施工中，盾构施工将对相应的土体产生扰动，从而引发一定范围

内土体成为松土而造成地层的损失，根据相应的理论分析和实际工程项目实例的总结，引起地层损失的因素包括开挖面的土体移动；盾构的后退；土体挤入了盾尾空隙；推移方向的改变；盾构正面障碍物，从而使地层在盾构通过后产生的空隙难以压浆填充引发地层损失；盾壳在移动后对地层产生了摩擦和剪切；在土体压力的作用下，地铁隧道的衬砌产生了形变引发的地层损失；当隧道衬砌具有较大的沉降时也将引发地层损失。

2.覆土厚度H和盾构外径D的影响

盾构外径越大,由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大,在相同地面沉降槽宽度下,最大地面沉降也随着增大;而隧道覆土厚度越大,则最大地面沉降值就会越小,但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度H与盾构外径D的比值即H/D的增大而减小。

3.地下水流失造成地面沉降

深埋隧道的施工中，地层损失所造成的地面沉降主要对建筑物的端承桩造成影响。而地下水流失所造成的地下水位下降则主要对建筑物的浅基础以及长度较短的摩擦桩造成影响。尤其是桩基基础以下间隙率较大的地层，例如中粗砂层，其所造成的沉降较大。在土压平衡式盾构机器掘进过程中，普遍存在拱顶同步注浆不密实的状况，从而导致了拱顶处沿着地铁隧道方向水力连通。而当盾构机器长时间停止掘进作业时，地下水容易从盾构机的后方流向开挖面，从而引发了地下水流失。而当地层起伏较大，或是地层存在地质钻孔、封孔的质量不良时容易与上部地层造成水力通道，贯通隔水层引发地下水水位下降，此外含水量较大的地层中，盾构机的停止掘进也将导致开挖面较大的水量流失。当地铁隧道上层的土层覆盖较浅且土质较为松散，并且存在未封堵的地质钻孔时，由于形成了上下连通的水力通道，当盾构机推进后地下水下降迅速，从而引发地表沉降。

4.地面沉降的安全性判断与控制

因不同城市地铁隧道工程的地质条件、地面环境、隧道埋深、上部结构对地基变形的适应能力和使用要求具有很大差异,地铁隧道地面沉降的安全判断,通常需要考虑地面建(构)筑物和地下管线的安全及地层稳定等因素后综合确定。目前国内与地铁隧道地面沉降有关的规范均未给出地铁隧道地面变形的具体指标或允许值。从当前国内的地铁施工实际来看,地表变形多根据经验控制在+10mm～-30mm以内。但工程实践表明,制定统一的标准并不妥当,实际工程中要按照不同地区、不同地质和周边环境区别对待,以确定科学、合理且经济的沉降安全性控制标准。

地面沉降控制的总原则是,采取各种措施保持隧道周围岩土体稳定,防止水土流失,进而控制地面沉降。针对不同工程的具体情况,结合地面沉降的不同阶段,盾构法隧道施工应采用施工前预防地面沉降的处理措施和施工过程中的补救加固措施,包括注浆、锚杆、钢板桩、旋喷桩、搅拌桩加固,采用冻结法施工或素混凝土墙等,对盾构隧道上覆和两侧地层进行加固,有效预防和控制盾构法施工引起的地面变形与发展。盾构法隧道的地面沉降控制,要综合考虑地表建(构)筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素,分别确定其允许的地表沉降值,并取最小值作为控制基准值。具体施工过程中,可设置预警值、报警值和极限值来进行分级控制

六、结束语

以上是对地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降问题的分析与探讨，在进行地铁隧道盾构法施工的时候，要严格按照安全注意事项施工，只有这样才能保证施工的安全。

参考文献：

[1]相福磊 地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题研究 中国新科技新产品-2013年35期

[2]姚天全 地铁隧道土建工程盾构法施工成本控制分析 城市建设理论研究-2013年6期

[3]刘伟莉 浅谈地铁隧道盾构法的施工中国高新技术企业・综合版-2012年27期

[4]徐喜荣 地铁盾构法隧道施工技术探讨 城市建设理论研究-2014年11期