地铁盾构施工引起的地表沉降研究

地铁盾构施工引起的地表沉降研究

杜昶

天津市地下铁道集团有限公司

摘要：随着我国社会经济的逐渐发展，城乡一体化进程的逐步加快导致各大城市人口激增，城市交通面临严峻挑战。为解决城市的交通压力，地铁建设势在必行。盾构法以其施工安全、操作便捷等优势，得到全面的推广与应用。但此法施工会引发地层损失，严重时，则会造成地表塌陷、管线破裂、墙体裂缝等不良现象，影响周围环境。

关键词：地铁盾构；地表沉降；研究

引言

近年来，越来越多的城市进行地铁建设以解决交通拥堵问题。在城市地铁修建过程中，盾构法施工由于快速、优质、安全、高效、环保、自动化及信息化程度高等优势而得到越来越广泛的应用。但由于工程地质条件的复杂多样以及施工中的各种不确定因素，盾构开挖引起的地层损失不可避免，从而造成地表沉降。然而地铁多分布在建筑密集区，盾构开挖过程中必须有效控制地表沉降以保证地表建筑物的正常使用，这也是盾构正常施工的前提。故研究以有效控制地表沉降为目标的盾构参数选择对于盾构施工和地表建筑物保护均具有重要意义。

1盾构法引起地层沉降的特征分析

1.1地层沉降的时间效应

使用盾构法造成的地层沉降的时间反应主要有以下几点：第一，隧道盾构法引起的地表沉降主要可以划分为五个阶段：先行沉降。指自盾构掘进至观测点的过程中，隧道开挖导致地基土有效厚度增大，地下水位降低。此种沉降形成时，土体发生压缩固结。第二，掌子面前的隆陷。指自盾构掘进至距观测点0-3m左右的过程中所产生的沉降。多由于盾构掘进压力过大、土体塌陷等导致的土层失稳，土体的应力释放作用，土体对盾构机的反方向作用力等使地基产生的塑性变形。第三，盾尾沉降。指盾构掘进至观测点正下方到盾尾通过观测点这一过程中，土体扰动所产生的沉降。第三，盾尾空隙沉降。指盾尾通过观测点正下方之后，盾尾空隙中土体应力释放所引起的沉降。第四，后续沉降。指盾构远离观测点后，土体重新固结所产生的沉降。

1.2地层沉降的空间效应

隧道盾构施工对地层呈现三维形态影响，地层纵向位移随着隧道开挖长度不断向内延伸，地层横向位移的变化范围也随之不断增大，沉降槽变化显著。第一，受扰动土体随着盾构不断掘进，由开挖面向隧道四周不断移动，影响范围由上而下逐渐增大。第二，隧道轴线处的地层位移量最大，距离隧道越远处的地层位移量越小，在空间上呈现衰减性。第三，沉降槽形态近似为正态分布拟合曲线。第四，地表沉降槽的大小与土层地质、水文条件、隧道埋深等因素关系密切。

2盾构法引起地层移动的影响因素

盾构法对土体产生扰动，造成地层位移，形成地层损失。第一，开挖面土体移动。开挖面土体在盾构掘进过程中，所受的水平支护应力不断减小，至无法承受土体自重，导致土体不断向盾构方向移动，形成地表沉降；盾构掘进压力不断变化，导致盾构无法平衡掌子面前方土体的原始侧向力，导致盾构前上方地表隆起。第二，盾构后退。盾构暂停推进时，因千斤顶自锁性能差、管片拼装时千斤顶缩回个数过多等都会导致盾构后退，造成土压平衡失效，形成地层损失。第三，改变推进方向。盾构机沿曲线推进。超挖或欠挖时，所形成非圆形开挖面，导致地层移动。盾构纵向中心线与隧道纵向中心线的夹角增大时，土体的扰动程度也随之增大，地层移动将更加明显。第四，土体进入盾尾空隙。注浆及二次补浆不及时、注浆参数不适当等导致盾构尾部土体失稳而向空隙中移动，引起地层损失，在含水不稳定地层中尤为突出。第五，土体的固结沉降。盾构掘进与地层之间产生的静孔隙水压力区遭到破坏时，静孔隙水压力变为零，区域消失，地层压缩产生主固结沉降。主、次固结沉降是地表沉降的重要原因。第六，水土压力作用。水压力对衬砌混凝土管片不断作用，导致轻微变形，地层产生微量移动。第七，地质条件突变等。技术人员操作失误或地质条件因环境发生突变时，导致开挖面周围土体的异常变形，形成不正常地层损失，产生部分沉降。

3工程中的地表沉降控制措施

3.1盾构掘进模式的选择

不同地质条件下选择的掘进模式不同，掘进模式主要根据上面的三个模式的适用工况来选择，大部分地层需要选择土压平衡模式来掘进，在自稳性好的地层中可以选择半敞开模式掘进，只有在全断面中、微风化岩石中才可以选择敞开模式掘进。

3.2盾构刀盘的处理

本区间土压平衡盾构机的刀盘针对本标段的地质条件进行了特殊设计，具有以下特征：可在气压下土仓内安全工作，便于土压平衡。刀盘开口率（32-34%，可使土体顺利地从切削面流向土仓，对于西安地铁隧道路线的地质情况的复杂性、多变性和粘性这一点尤为重要.，可直接将土压传到土压传感器，易于进入切削面除去障碍物，易于钻探进行土壤处理。刀盘可双向旋转用于防止机器的自身转动。盾构刀盘切削开挖面的土体，然后在土仓内搅拌，保持一定的土压力，密封土仓壁中设置土压力传感器。根据土压力的大小来控制螺旋运输机的转速（即改变排土量），维持土仓内的恒定的土压力值，来平衡开挖面的土体侧压力，以达到控制地面沉降的目的。

3.3合理设置土压力值，保证开挖面稳定

土压平衡作为一种动态平衡，受千斤顶推力、掘进速度、出土量等影响，土仓压力出现变化。为保证开挖面的稳定，可以通过控制仓内外土体的压力差值和出土量来实现。开挖面前方土体在开挖面保持稳定状态时所受到的扰动范围小。为了减少盾构掘进对开挖面周围土体的扰动，应在开挖和衬砌过程中，保持密封土仓内的压力不小于土体压力。在实际施工过程中，对开挖面土压的控制，应实时监测特定地层的目标土压，保证土压值在适当的范围内变化，再依据开挖面周围土压和出土量及时修正目标值。根据本区间隧道的埋深，土仓压力取4.5bar左右，在盾构进、出洞阶段土仓压力会减少。

3.4同步注浆

第一，同步注浆与盾构掘进同时进行。盾尾空隙形成时，瞬间进行同步的地层加固，利用盾构内置的注浆管进行同步注浆，通过及时的支撑作用减少对隧道周围土体的扰动，防止产生严重的地层损失，造成隧道塌陷，从而控制地表沉降。第二，注浆压力的确定及控制注浆压力浆液特性，土仓压力，设备性能，管片强度有关，但是由地层阻力决定。注浆压力通常在0.1-0.3Mpa内变化，具体数值必须结合现场实际情况确定。本工程注浆压力在全风化地层中，一般在1.5-3.0bar；中风化以上的岩层中，注浆压力取决于围岩条件和裂隙水压力，一般在1.0-1.5bar。考虑到管片的抗剪切能力，注浆压力一般不大于1Mpao第三，注浆浆液试掘进阶段的管片注浆是保证管片拼装质量的关键所在，其目的在于控制隧道变形，防止管片上浮，提高结构的抗渗能力。良好的浆液性能体现在以下几个方面：浆液充填性好；浆液和易性好；浆液初凝时间适当，早期强度高，浆液硬化后体积收缩率小；浆液稠度合适，以不被地下水过度稀释为宜。

结语

我国的地铁盾构施工引起的地表沉降主要包含：隧道上方覆土厚度对地表沉降有明显的影响，沉降量随着覆土厚度的增大而减小。在相同的覆土厚度下，埋深越大，地层的横向最大沉降量越大。纵向地表沉降受掘进压力的影响较大，沉降量随着掘进压力的增大而减小。采用等代层来模拟盾尾注浆时，等代层的弹性模量取值对地表沉降影响较小，而等代层的厚度对地表沉降有显著影响。双线隧道施工时，不同的开挖方式所引起的地表沉降量相差甚微。先左线、后右线的开挖方式由于沉降叠加效果，使得两隧道中心沉降量不等。

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