地铁盾构施工时的地层沉降控制研究

唐超 罗荣

（中交一公局厦门工程有限公司,福建 厦门 361000）

引言

城市轨道交通线路不可避免地在空间上与其他既有结构发生交叉，其中，盾构隧道下穿既有铁路路基为典型工况，相关工程实例越来越多。盾构隧道在施工过程中将引起地层扰动，造成地表沉降，进而使既有铁路结构发生沉降变形。铁路结构微小的沉降变形可能对列车运营安全造成非常大的影响，故列车运行对铁路结构沉降变形的要求非常严格。我们了解到，地质沉降从本质上来看不可避免，但是在一定范围内可保持地下以及地面空间的安全，为确保安全要研究盾构施工的特点，并且找到地层沉降的原因，之后才可以制定相应的沉降参数控制体系，从而让该系统的运行质量获得保障。基于此，本文首先分析了地铁盾构施工时的地层沉降成因，接下来对地铁盾构施工时的地层沉降控制方法做具体论述。详情如下：

一、盾构机选型

盾构机的选型主要是考虑地层渗透系数。根据施工经验，当地层的透水系数小于10-7cm/s时，可以选用土压平衡盾构；当地层的渗水系数在10-7cm/s和10-4cm/s之间时，既可以选用土压平衡盾构也可以选用泥水式盾构；当地层的透水系数大于10-4cm/s时，宜选用泥水盾构。泥水平衡盾构在主要为高水压饱和粉细砂地层中对控制开挖工作面稳定性、地表沉降方面及保证施工进度方面明显优于土压平衡盾构，更能保证施工安全。从施工场地方面来讲，土压平衡盾构不需泥浆处理场，施工占地少，对环境的影响相对较小，每米综合价格相对较低。而泥水平衡盾构需泥浆处理场，需要较大施工场地，对周边环境影响较大，且泥浆处理费用昂贵，故每米综合价格相对较高。

二、地铁盾构施工时的地层沉降成因

地铁盾构施工时的地层沉降成因主要涉及以下两个方面：首先是土层扰动沉降。土层扰动沉降是整个施工中最核心的沉降原因之一，盾构机通过之前、通过过程和通过之后，土层参数会产生一定程度上的变化，这一扰动即所谓的土层扰动沉降过程。其次是管片圆环变形问题沉降。在盾构机的推进之中，衬砌结构会在脱出盾尾后，出现受力情况的短时间大幅度变化情况，在土层压力的作用下，盾构的管片圆环从标准圆变成椭圆，这就会导致土层出现一定的沉降，这一情况下，土层的沉降参数维持在1到4mm之间。然后是管片脱出盾尾后与地层存在间隙，引起地表发生沉降。

三、地铁盾构施工时的地层沉降控制方法

（一）出渣工作的控制

地铁盾构施工时的地层沉降控制方法之一是出渣工作的控制。出渣速度必须与盾构机的掘进速度和掘进进程进行匹配，才能够防止出渣的速度高于整个系统的运行标准。通常情况下，螺旋输送机的掘进速度决定了整个工作系统中的出渣速度，而盾构机的掘进速度决定因素是千斤顶油缸的顶进速度。在出渣速度限定中，通常采用质量测量和体积测量两种方法完成任务，其中质量测量是同时称取出渣车和渣土的总体质量，分析一段时间内的实际出渣量，在此基础上核算速度。体积测量方法则需要测量该过程中渣土的总体体积，以分析出渣的速度，之后通过与实际的设计参数进行对比，研究当前出渣速度和掘进速度之间是否匹配。需要注意的是，该过程也要按照实际的土层参数向其中加入相关的渣土改良剂，尤其是对于沙石土层来说，需要通过发泡剂、膨胀剂的使用提高土层的实际承力水平，这类材料也要配置在相应的出渣控制工作体系内。

（二）地表沉降变形控制

地铁盾构施工时的地层沉降控制方法之二是地表沉降变形控制。盾构隧道通常使用单层钢筋混凝土管片作为衬砌结构。由于环境问题和人口密度的增加，为了保护盾构隧道施工的安全，可以在混凝土管片衬砌内再作一层整体式现浇钢筋混凝土内衬，形成双层衬砌结构，以共同承受外力减小结构应力和变形。根据有限元模拟得出的结果，采用双层衬砌，结构的安全性会大大提高，但考虑到理论与实际之间存在差异，仍然需要采取一定的地表沉降控制措施。可根据实际施工条件及施工环境，采取严格控制土仓压力、保持开挖面内外土压力平衡、调整刀盘扭矩及掘进速度、渣土改良以及二次注浆等措施控制地表变形。

（三）土压的合理设置

地铁盾构施工时的地层沉降控制方法之三是土压的合理设置。压力核算过程需要考虑底层的土压、地下区域的水压以及预压力三个部分，对于地层的土压力，需要通过对于土层的各类参数以及不同土层的运行情况完成相应的核算工作。对于地下水压，使用观测井法可进行测定。对于预压力的计算过程，要考虑实际的工作误差和各类设定参数的实际作用水平。通常情况下，这一参数维持在20到30kPa之间，地层压力的计算过程需要考虑地层的成拱能力，在地层具有成拱能力时，按照Terzsghi压力公式进行计算，而不具备这一能力，则按照垂直土柱载荷公式进行计算。此外也要分析该区的土层是否为粘性土，是这一类型的土壤时，按竖直方向的扩展运动进行相应的核算工作。而对于沙石土，由于沉降的增量以及垂直的扩展速度在整个盾构机上方处于最大状态，所以要按照实际的测量经验完成研究工作。通常情况下，砂石土中隧道的深度处于1到1.5D状态时，可确定该区域存在成拱能力；粘性土的深埋深度处于1.5到2D状态时，可认为该区域的覆盖土层具有成拱能力。通过对这类参数的核算，防止在后续的具体参数设定过程中出现地表土层大范围隆起和沉降现象。

（四）沉降观测

地铁盾构施工时的地层沉降控制方法之四是沉降观测。盾构隧道施工过程中必定会对附近地表和周围环境产生一定的影响，因此，为确保施工安全和周围环境的稳定，施工中建立全面、严密的监测体系是非常必要的，通过全面、及时的监测信息反馈指导施工，不仅可保证主体结构自身的安全稳定，还可对周边环境影响进行有效控制，减少施工对周边建(构)筑物、路面及管线等周围环境的影响，从而有效地将施工控制在安全范围之内。

盾构法施工或多或少都会扰动地层而引起地表沉降，即使采用目前先进的盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量达到某种程度就会危及周围的地下管线和建筑物。因此要了解：

1.盾构施工过程中地表隆陷情况及其规律性；

2.盾构掘进过程因地表隆陷而引起的建筑物、地下管线下沉及倾斜情况，确保建筑物、地下管线的安全；

3.施工过程中地层不同深度的垂直变形与水平变形情况；

4.围岩与结构物的相互作用力以及管片衬砌的变形情况，实现信息化施工。

盾构施工监测贯穿工程施工全过程，各监测项目在施工开始前取得初始值，施工开始后按要求的频率进行监测。影响范围内建（构）筑物沉降、倾斜监测项目监测范围取区间盾构隧道结构边缘两侧各1.0～2.0H（H为隧道埋深）范围内；

影响范围内的地下管线对给水、污水、雨水等管线按实际监测；监测范围取区间盾构隧道结构边缘两侧各2.0H（H=Hi+D，Hi为区间盾构隧道埋深，D为洞径）范围；影响范围内地表沉降测点布置范围为区间盾构轴线外侧3m、6m、6m布置，其中最后一个测点位置根据隧道埋深调整。当工程施工结束后2个月，施工影响安全的因素消除，本工程隧道本体工程完工且周边环境沉降（变形）稳定后（即地表沉降速率1mm/30d，建筑物速率为4mm/100d），并满足设计图纸、相关规范要求，由施工监测单位提交监测工作停测申请单，附监测项目成果报表至第三方监测单位复核，附第三方监测项目成果复核报表，审核完成后报监理单位审核对两方数据进行比对分析，比对无误后，由监理单位召集相关参建单位商定，形成停止监测会议纪要。相应的监测工作即结束。

（五）在地铁盾构施工中应用远程监控技术

地铁盾构施工时的地层沉降控制方法之五是在地铁盾构施工中应用远程监控技术。在实际盾构施工过程中，由于地下与地面信息不畅，若只通过电话通讯无法将地下施工情况实时的反馈给地面管理人员及其他相关单位，远程监控技术应被用来有效反馈地下施工状况及掘进参数。如果发现异常，比如施工过程中出现掘进参数失衡、涌水涌沙等情况，地面管理人员及相关单位可以通过远程监控技术及时了解情况采取措施纠正。同时，施工监测及第三方监测实施将监测数据上传监控平台，可以让参建各方及时了解地面沉降情况，并根据地表沉降情况设置合理的掘进参数，以便有效地控制地表沉降，提高地铁隧道施工的安全。

结语：

综上，随着城市的发展，地铁在城市公共交通系统中的地位愈发重要。随着地铁里程的不断增大，地铁覆盖范围越来越广，地铁已不单单是城市中心区域独有的交通方式。在向城市周边及郊区扩展的过程中，地铁线路下穿铁路路基的情况时有发生盾构法是修建地铁的常用方法，其优点是施工速度快，自动化程度高，对地面交通不造成影响等.研究发现，在下穿铁路路基施工过程中，各盾构掘进参数对路基沉降变形的影响程度由大至小依次为注浆层厚度、注浆压力、盾构推力、注浆层弹性模量。在盾构推进过程中，应及时填充盾尾间隙，并保证相对充足的注浆量。同时，通过沉降观测数据构建数学模型来确定合理的掘进参数，控制合理的出土量，对渣土进行改良来降低地层损失率，以保障施工过程中地表沉降在可控范围之内，提高地铁盾构施工的安全技术水平。希望本文研究所得的对之后的项目设计以及开展提供有意义的价值。