地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题探析

地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题探析

高健

北京市政建设集团有限责任公司第二工程处北京市100176

摘要：随着我国经济的高速发展，我国地铁高速发展，盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响小、适应复杂地质条件、施工速度快等众多优点而在地铁工程建设中广泛应用。但盾构法隧道工程是在岩土体内部进行的,无论其埋深大小,开挖施工都不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降(或隆起),危机邻近建筑物或地下管道等设施的安全。因此,施工能产生多大的沉降或隆起,会不会影响相邻建筑物的安全,是地铁隧道盾构施工中最关键的问题。要在地铁工程施工前对工程可能引起的地面沉降问题有所估计,就首先需要了解盾构法施工引起的地面沉降的一般规律和机理,进而提出相应的安全判别标准和控制原则,达到事先防控的目的。

关键词：地铁隧道；盾构法；地面沉降

引言

随着城市交通事业的高速发展，在地铁施工中盾构施工最为普遍，地铁施工引发的地面沉降问题逐渐受到了人们的重视，怎样对盾构施工中的地面沉降问题进行合理的预测和防范，成为了地铁盾构施工亟需解决的重要问题。本文主要阐述了有关地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题研究。

1地铁隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析

1.1覆土厚度H和盾构外径D的影响

在地铁施工过程中隧道盾构技术非常重要，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。

1.2盾构到达时的地层沉降,开挖面前的沉降或隆起

在地铁隧道施工过程中，沉降是非常重要的，自开挖面距观测点约3m-10m时起,直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡,多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。

1.3盾构穿越土层性质

隧道开挖在软土层中，主要的土层性质有砂质粉土、淤泥质粘性土、砂土层以在不同的土层穿越中对地面沉降也有不同的影响。在保持其他工艺条件都不变的情况下，穿越砂土层相对于黏土层来说，其沉降槽宽度的系数也更小，因此沉降量也是最大的。设地层损失率为2%，盾构埋深为10m，盾构半径为3.2m，计算分析穿越不同土层的宽度系数与沉降量的关系。通过计算分析后可知，在穿越不同土质时地面沉降效应也不同，穿越黏土时的沉降槽宽系数最大，对地面沉降影响的范围也最大，穿越砂质粉土层，宽度系数比黏土层小，沉降量显著，在穿越砂土地面时沉降量最大。

1.4盾尾间隙沉降

隧道施工过程中，地表沉降是由于地铁盾尾通过测点后产生的,一般的范围约在后尾通过测点后0-20m范围。由于盾构外径大于管片外径,管片外壁与周围土体间存在空隙,往往因注浆不及时和注浆量不足,管片周围土体向空隙涌入,造成土层应力释放而引起地表变形,这一期间的地表沉降约占总沉降的40%-45%。

2盾构隧道的地面沉降机理

在盾构隧道施工开挖的过程中，地面沉降是由于面的附加应力、应力释放等引起地层产生的弹塑性变形。隧道施工所引起的地面沉降,主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降,支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降,管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降,可称为开挖地面沉降。盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成,而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结,是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因。

3举例分析——某地铁二号线地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题

近年来，我国发生了翻天覆地的变化，城市建设，经济发展，文化建设都取得了不小的成就，尤为可叹的是在“十一五”末期，某地铁实现顺利通车，这标志着大东北的中心城市—某，正在向国家化大都市迈进。作为现代化城市的硬件之一——快速轨道交通设施，将成为未来几年中某城市交通建设的重点。中铁三局四公司承建某地铁2号线北延线医师区间地铁隧道盾构法施工中的地面沉降规律:

在地铁盾进行掘进的时候,地层就是沿掘进轴线方向,同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用,包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。根据地面沉降发生的时序,一般将盾构施工沿隧道纵向的地面沉降划分为五个阶段。

3.1盾构到达前的地层沉降,即先行沉降

在地铁施工的过程中，盾构到达前,地表发生变形，影响范围约在10m-15m以内。主要是由盾构推进土压力的波动所引起,还有地下水位下移使土层有效应力增加而引起的固结沉降。

3.2地表沉降

地铁隧道施工过程中，盾构到达时的地层沉降,开挖面前的隆起及沉降，自开挖面距观测点约3m-10m时起,直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡,多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。

3.3盾构机通过时的沉降

地道地铁发生的地表沉降的原因是盾构切断到达测点起到结束离开测点期间。这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中,盾构机外壳与周围土层之间形成剪切滑动面,土体被扰动所致,盾构通过时的地表沉降约占总沉降的35%-40%。

3.4盾尾间隙沉降

地表沉降是因为盾尾通过测点后产生的,影响范围约在后尾通过测点后0-20m范围。由于盾构外径大于管片外径,管片外壁与周围土体间存在空隙,往往因注浆不及时和注浆量不足,管片周围土体向空隙涌入,造成土层应力释放而引起地表变形,这一期间的地表沉降约占总沉降的40%-45%。

3.5后续沉降

地铁施工过程中，后期沉降的原因是由盾尾脱出一周后的地表沉降,是由于前面地层扰动引起的蠕变残余沉降及固结沉降,反映了地层沉降的时间效应。这一期间的地表沉降一般不超过总沉降的10%。总体而言,盾构法施工过程中,1.2和1.4阶段的地面沉降量和沉降速率较大,控制沉降也最为关键。1.2阶段的变形控制要素是土仓内压力,而1.4阶段的控制要素是盾尾间隙的注浆及时性和充盈率。

结束语

综上所述，随着我国地铁隧道的施工中，在隧道的开挖中盾构施工法已经得到普遍的应用，提升了地铁隧道开挖的质量及效率。但是在盾构施工的过程中，不可避免的会出现地面沉降现象，不仅影响地面的美观，更可能会造成严重的安全事故。因此我们需要加强对盾构施工中引起的地面沉降的机理以及原因的研究，同时保证地面沉降的观测，进而及时、有效的预防地面沉降现象的出现，降低地面沉降带来的危害。

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