地铁盾构隧道沉降原因分析

孟　刚

(中国水利水电第八工程局有限公司， 湖南长沙 410000)



地铁盾构隧道沉降原因分析

孟刚

(中国水利水电第八工程局有限公司， 湖南长沙 410000)

【摘要】当地铁隧道所处地层都是高含水量、高空隙比、高灵敏度和低强度的软弱黏性土层及含承压水的粉砂层。由于盾构施工对地层的扰动、隧道临近建筑活动的影响、长期列车振动的作用以及持续不断的大地沉降，隧道很容易发生渗漏和不均匀沉降。 由于受到多种不利因素的叠加影响，地铁盾构隧道渗漏引起的沉降问题随运营时间的增长而日益突出，看似隧道的通病，却是关系到隧道安危，威胁到隧道命脉的隐患。

【关键词】地铁;盾构施工;隧道;沉降;原因

地铁盾构隧道渗漏水使隧道周边土体空隙水压力降低，有效应力增加，进而使土体压密产生沉降，而局部的渗漏会导致结构的不均匀沉降，使隧道产生弯曲，导致隧道接缝张开，从而进一步加剧隧道的渗漏和沉降。若隧道的渗漏水问题得不到有效控制，不仅会影响结构的耐久性和设备的正常使用，还会危及行车安全。上海城市轨道交通绝大部分隧道都是采用盾构法施工，隧道所处地层都是高含水量、高孔隙比、高灵敏度和低强度的软弱黏性土层及含承压水的粉砂层。由于盾构施工对地层的扰动、隧道临近建筑活动的影响、长期列车振动的作用以及持续不断的大地沉降，隧道很容易发生沉降。上海轨道交通4号线董家渡段隧道因变形涌水致坍塌而重建。所以要根据沉降的发生规律，采取一系列措施，对修建的地铁隧道施工质量提出更高标准、更严要求，使盾构施工地层损失率控制在5/1000以下，以减少对地层的扰动；隧道衬砌拼装做到滴水不漏；盾尾同步注浆采用高密度、抗剪型浆液和4点同步注浆工艺，以提高隧道防水效果等。本文从地铁盾构隧道沉降原因着手，探讨解决办法，为地铁隧道的沉降控制提供依据。

1地铁盾构隧道沉降的原因分析

在地铁盾构隧道长期运营期间，隧道主体结构常有纵向变形发生。从理论上分析，地铁隧道衬砌环脱离盾尾后的沉降发展过程可大致有三个阶段：(1)初始沉降；(2)下卧层超孔隙水压力消散引起的主固结沉降；(3)下卧层土体的蠕变引起的次固结沉降。但由于导致软土地区隧道长期变形的因素众多， 既有隧道施工期的， 又有地铁运营期的， 既有隧道结构本身的，也有周边环境变化引起的，这就使隧道长期沉降特征比理论分析结论复杂得多。

要对运营地铁盾构隧道长期沉降进行研究， 首先应对诱发其变形的影响因素进行了解。笔者通过对大量文献的分类整理，得到影响软土地区运营盾构隧道沉降变形的主要因素有以下几个方面。

1.1隧道施工期间扰动引起土体的固结及次固结沉降

盾构法软土隧道的掘进施工不可避免地会扰动原有地层。盾构施工扰动主要包括：(1)开挖面下土体的扰动；(2)盾尾后压浆不及时不充分；(3)盾构在曲线推进或纠偏推进过程中造成超挖；(4)盾壳对周围土体的摩擦和剪切造成周围土体的扰动；(5)盾构挤压推进对土体的扰动。盾构周围土体受到施工扰动后，便在盾构隧道周围形成了超孔隙水压力区域。当盾构离开该处地层后，隧道周围土体会产生应力释放，引起地层位移场 和应力场的重分布，使隧道产生一定的初始沉降；同时超孔隙水压力不断消散，地层发生排水固结变形，进而造成隧道的主固结沉降；由于饱和软黏土的流变特性，土体受到扰动后，其颗粒骨架结构会逐渐调整，使颗粒间空隙减少，产生一定的蠕变变形，也会导致隧道产生次固结沉降。笔者通过隧道长期监护工作发现，在隧道建设施工中对土层扰动较大的区段，在投入运营后隧道的不均匀沉降和长期沉降量均较大。

1.2隧道周围地质环境变化

运营地铁隧道呈线型穿越于地表下10余米的土层，必然会受到周围地质环境变化的影响。在隧道下卧层土长期固结和次固结沉降过程中，不同性质土层的沉降量差异很大，达到沉降稳定所需的时间也不相同，从而导致隧道纵向差异变形的产生。压缩模量较低、灵敏度较高的饱和黏土下卧层，经过盾构施工扰动后的沉降量较大，而且沉降延续时间较长；压缩模量较高、灵敏度较低的密实砂性土下卧土层，经过盾构施工扰动后的沉降量较小，且沉降稳定快。当隧道处于相对不透水层时，水位下降或上升如同对隧道进行加载、卸载；当隧道处于含水土层时，水位上升使土体膨胀，会造成隧道上浮，水位下降增加了土体的有效应力，使隧道下沉。地面区域性沉降过程中，会带动埋置其中的隧道一同沉降，使隧道沉降的纵向特征及沉降总量与地面沉降趋向一致。

1.3隧道渗漏影响

在隧道管片或接头部位，泥水通过缝隙渗漏进入隧道内部，从而导致隧道段沉降。而隧道差异沉降的发展会导致隧道环纵缝张开度的增大以及结构性裂缝的产生，引起隧道渗漏加剧，使隧道周围的水土不断流失，从而又加剧了隧道的纵向不均匀变形形成恶性循环，严重的会导致隧道产生破坏性变形。如俄罗斯圣彼得堡一段穿越高承压水砂层古河道的地铁开始运营就漏水不断，抢险中不得已采取了从内部大量排水的措施，从而导致持续发生水土流失使隧道产生过大沉降，运营20年后最终报废。

1.4车辆的振动荷载

隧道投入运营后，将承受车辆周期性振动荷载的作用，除隧道结构固有振动频率应远离荷载振动频率以免引起隧道共振之外，尚需考虑车辆振动引起的隧道不均匀沉降。对上海轨道交通L1的长期观测表明，列车振动引起的隧道沉降是不容忽视的，量值上可以达到相当大的程度。L1隧道在全程范围内有多处出现渗漏水情况，其中有相当一部分是地铁列车振动引起隧道不均匀沉降的缘故。

1.5邻近区域工程建设的影响

地铁的建设会带动沿线地区开发的热潮，致使隧道邻近区域的工程建设数量增多。这些工程活动会使隧道产生新的附加变形，因此邻近区域的工程建设已成为导致隧道沉降及不均匀变形加剧的重要因素之一。运营隧道周边相关建设工程的种类较多，主要包括：

(1)隧道上方堆载或建(构)筑物的建设。此类工程施工时引起荷载的变化，致使隧道下卧土体的抗力减小，压缩模量降低，同时长期次固结沉降仍在发展，因此土层压缩范围较大，造成隧道产生附加的横纵向变形。

(2)隧道周边基坑开挖。运营隧道附近基坑工程的施工过程中，基坑围护的侧向位移和坑内隆起会使得基坑外的地层发生沉降，同时地层应力场也发生变化，从而导致隧道产生不均匀沉降。

(3)相邻隧道施工。在运营隧道邻接区域进行新建隧道施工，会对既有隧道周围土体产生较大的扰动，地层随之沉降加剧，导致既有隧道结构变形增大。现场工程监测表明，在已建地铁安全保护区内进行的建筑活动，都不同程度引起隧道变形。

1.6地震作用

盾构法隧道是通过纵向和横向螺栓将衬砌环和管片连接装配而成的，这样的柔性连接构造有减少地震反应内力的有利一面，但也存在缝隙多、接头处易损、整体性差及地震反应复杂等抗震上的弱点。除了地震波作用造成隧道破坏外，由于土层震陷、砂土液化等引起地层的不均匀沉降也会导致隧道开裂漏水，如1985年的南黄海地震使上海打浦路越江隧道与竖井交界处出现5处裂缝，泥水从其中流入。

综上所述，地铁盾构隧道沉降是由上述影响因素以及其他因素共同作用的结果，在地铁隧道建设和运营期间的不同阶段，各影响因素对隧道结构变形的作用效果或影响权重也不相同。

3结束语

根据多年来的地铁盾构隧道施工的经验和教训，对于盾构隧道的施工，笔者建议：

(1)隧道荷载计算时要充分考虑围岩状况以及施工对其扰动影响。对于软黏土、遇水易软化或崩解地层建议按全土柱荷载计算；如在其它较好的地层条件下可按隧道规范公式或泰沙基理论进行计算。

(2)除正常的设计工况外，在待开发区宜适当考虑周边工程影响下的特殊施工工况。如考虑偏载、卸载工况、失水工况以及地基承载力降低等工况，并据此核算隧道结构以及地基承载力，适当加强结构配筋和采取地基处理措施，以便消除可能的安全隐患。基坑距隧道的距离应结合基坑工程特点以及实施方法等，结合工程地质条件进行综合分析后确定。

(3)设计规范中对开发区管片内径、管片厚度、螺栓数量及型式等应考虑长期运营条件下的要求。

参考文献

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[3]张冬梅，刘印，黄宏伟.软土盾构隧道渗流引起的地层和隧道沉降[J].同济大学学报：自然科学版，2013,41(8)：1185.

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[5]王建.地铁盾构隧道结构设计的工况及设计参数研究[J].城市轨道交通研究，2013(1):70.

【文献标志码】B

【中图分类号】U455.43

[作者简介]孟刚(1982～)，男，本科，工程师，从事项目管理工作。

[定稿日期]2015-09-24