潘国灵

【摘?要】地铁在城市交通问题解决实践中发挥着重要的作用，所以现阶段的各大城市为了完善公共交通系统，提升城市的整体通达性，并解决地面交通系统问题，均在积极的进行地铁的规划和建设。对当前的地铁建设做具体的分析发现盾构是其施工的主要方式，该种施工方式在具体利用的过程中可能会诱发地表沉降，进而影响到施工安全和地面安全，所以在施工的过程中需要对盾构施工进行有效控制。文章就地铁盾构施工诱发地表沉降关键影响进行分析，旨在为现阶段的地铁施工实践提供指导和帮助。

【关键词】地铁;盾构施工;地表沉降;因素

盾构是地铁施工的主要方式之一，对盾构的具体施工做分析与讨论对于施工安全保障和效率保障有突出的影响，所以强调盾构施工控制现实意义巨大。从目前的实践分析来看，盾构施工可能会诱发地表沉降，此种情况不仅影响施工安全，也会影响地表安全，所以要分析此种情况并有效避免。从目前的研究来看，盾构施工诱发地表沉降有关键影响因素存在，所以在实践中，找出关键影响因素并对其做相应的控制措施，相应的施工安全问题会得到有效的解决。基于此，做好相关分析与讨论便有了突出的现实价值。

一、工程案例及特点分析

古平岗站——福建路站区间自古平岗站起，线路出始发端盾构井后下穿回龙桥至镇江路，在镇江路上以半径r=300的曲线转向察哈尔路最后到达位于察哈尔路上的福建路站。盾构起止里程ydk17+474.187～ydk18+341.060，含短链2.439m，总长864.434m;zdk17+467.714～zdk18+341.060，含长链9.690m，总长883.036m。区间设一座联络通道兼泵房（ydk17+924.250）。线路共采用3段平面曲线，半径分别为r=350、r=300/310和r=400，上、下行线间距约为12.3～16.4m。

区间采用“v”字坡，区间最大纵坡为28.135‰。线路竖曲线与车站相连端采用3000m半径，线路埋深约15.52m～25.07m。

本工程转弯半径小，曲线段较长，且下穿上软下硬等不良地层。区间上方建筑物较多，且多为上世纪七八十年代住宅楼建筑，建筑基础多为条形基础、筏板基础。因此推进过程中控制好地面的沉降对本工程意义重大。

本工程区间平面图及地质纵断面图如下：

二、沉降因素分析

对该区间盾构施工引发的沉降分析，按施工阶段划分，主要有以下几个阶段。1）先期沉降。此现象的具体发生和地下水位偏低、孔隙水压力降低等有显著的关系。对于砂质土，该阶段是由地下水位下降引起的;对于软弱黏性土，则是由开挖面过量取土引起的。2）开始掘进前地层的沉降和隆起。此阶段的地表变形产生主要与施工操作的土舱压力（泥水压）有关。当土压力（泥水压）过大时，地表隆起的现象会发生，反之则容易引起地面沉降。3）在盾构通过的过程中，地表会出现下沉。该阶段引起地面沉降的原因主要是盾壳与周围土体作用力等原因而引起，盾构和岩体之间的剪切错动有显著的关系。4）盾构通过该断面后，盾尾与土壤分离，盾体与周围土壤出现空隙，此时的注浆如不能及时跟进，或者注浆压力过大，会导致土壤失去支撑会发生沉降或者土体隆起。5）后期的沉降，该阶段沉降主要是盾构掘进造成的地层扰动、松弛引起，导致土体承载力较原状土小，引起后续的沉降;或是衬砌结构的变形变位，引起的地表沉降。

按照施工因素划分，主要有以下因素：1）盾构通过的区域有地表潜水的水流通路，盾构掘进时水土通过掌子面大量流失，引起前方土体的沉降，主要在第一阶段发生。2）土舱压力（泥水舱泥水压）过大或者不足，导致开挖面水土压力与盾构压力仓不均衡，引起前方的地表沉降或者隆起，主要发生在第二阶段。3）盾构推进盾体与四周土体的作用力，导致周围土体产生扰动，引起地层的沉降，主要发生在第三阶段。对于小转弯半径、频繁纠偏的区间影响较为明显。4）壁厚注浆不及时或不充分，导致管片脱出盾尾后土体与衬砌结构周围的空隙不能及时填补，引起的地表沉降，主要发生在第四阶段。5）由于管片螺栓紧固不足等原因引起的衬砌结构的变形变位，从而增大地层的下沉，主要在第五阶段发生。6）衬砌结构渗漏，二次注浆不充分导致的地下水位下降，引起地层的固结沉降，主要发生在第五阶段。

三、盾构施工过程中地表沉降的主要控制措施

对地铁盾构施工做具体分析发现施工过程中的具体操作会影响地表沉降，为了更好的实施操作控制，对施工中操作所产生的地表沉降情况做具体的分析有显著的现实意义。盾构施工过程中对沉降影响的控制措施主要有：

（一）土压控制

盾构机掘进时土压的控制对维持掌子面前方土体稳定有着重要的作用，可以有效减少第二阶段地表的隆沉。土压平衡盾构科通过调整推进速度与螺旋机出土器的转速，以达到土压舱与开挖面水土压力平衡的效果。盾构机土压力控制值理论上限应当为开挖面土体静止土压力，下限应为开挖面土体主动土压力。另外，选择适当的土体改良添加剂以增加开挖土体的塑流性，以避免推进过程中推力控制不当而引起的地表隆沉。

（二）盾构机姿态

推進过程中盾构机姿态的控制对于盾构通过该断面时造成的地表隆沉有较大影响，严格控制盾构机姿态对第三阶段的地表隆沉有较大影响。推进过程中应控制好盾构机姿态，避免不必要的纠偏措施。纠偏要勤纠、少纠、适度。纠偏时要合理确定超挖半径与超挖范围。小转弯半径曲线推进时，盾构机对周围土体的扰动频繁，尤其要注意盾构机的姿态控制。

（三）管片拼装

管片是地铁隧道的主要结构，为防止管片变形，需确保管片组装精度，充分紧固接头螺栓。在管片脱出盾尾后，由于盾构机推进作用力，且脱出盾尾的管片失去盾构机的约束，会导致已紧固的螺栓松动，所以在管片脱出盾尾后要及时进行复紧。

地铁隧道中，管片连同壁后注浆起到衬砌结构的主要防水作用。如结构渗漏导致地下水的流失，可引起地表的沉降。为防止水从管片接头、壁后注浆孔等部位漏水，必须精细的进行管片组装及防水作业。

（四）注浆方式

对地铁盾构施工做具体的分析会发现其中一项重要的内容是注浆作业。在注浆作业的时候，其施工的好坏对地表的沉降有着显著的影响[2]。同步注浆可及时填充衬砌环与周围土体之间的空隙，根据地质条件、工程条件等因素，合理选择单液浆或者双液浆，选择合理的浆液配合比，以便及时稳定拼装完成的衬砌环。注浆过程中要控制好注浆量与注浆压力。由于周围土体或岩体存在裂隙，同步注浆不能完成对空隙的填补，在衬砌环脱出盾尾后要及时进行二次注浆来填补空隙，同时二次注浆还起到堵水作用，可有效控制因地下水流失导致的地层固结沉降。

（五）地表的监测

就地表沉降的具体防范来看，第一项重要的措施是进行地表的监测。地表监测可以及时的掌握地表信息，从而对地表以及地下的沉降进行分析，这样，沉降控制的及时性会更加的突出。监测的数据可以反馈给我们以下信息。1）隧道及周围土体在施工过程中的动态变化，施工对原始地层的影响程度及可能产生的薄弱环节;2）围岩及支护结构的变化状况，以及其安全稳定性;3）对周边建筑物及地下管线影响的程度及安全性;4）盾构推进参数设置是否合理;5）监测数据和资料可以丰富施工人员和专家对类似工程的经验。

盾构施工需要监测的项目及点位布设要求如下：

（六）其他因素影响

出了上述几个因素，还有诸多因素会导致地面的沉降，这些因素可以统统归结到其他因素当中。就具体的分析来看，这些因素主要有盾构临时停顿或者是后退，盾构推进速度改变等。简言之，在地铁盾构施工过程中，影响地面沉降的因素是比较多样的，但是这些因素的发生大多不具备普遍性，所以将其统一归结为其他因素。

四、客观因素对地表沉降量影响

除开上述施工因素对地面沉降的影响，盾构机覆土埋深、盾构机所穿越地质条件、隧道曲线半径等客观条件对地面沉降影响因素同样不可忽视。下文将结合本工程某段地质情况与实际监测数据反馈的沉降量，对客观条件对地面沉降影响的因素进行分析计算。

（一）基本假设

1）设施工区间内土层从上至下均匀分布，双线隧道的纵向中心线分布在同一水平面上;

2）不考虑隧道衬砌间接缝对沉降的影响，将衬砌视为一个均质的圆环体;

3）计算中盾构推进的时间通过计算时步进行控制。

（二）材料计算参数

根据研究区域现场的地质勘察资料和物理力学实验结果，确定计算模型的基本参数。此外，模拟计算还涉及隧道盾构施工所采用的一些材料，如预注浆、衬砌管片等。

（三）计算模拟过程

依据隧道盾构的施工过程及特点计算模拟步骤如下：

1）计算在给定边界力学与位移条件下模型的初始状态;

2）按照实际工程步骤（预注浆—开挖—铺设衬砌—循环施工）进行施工模拟：左线（外）隧道先行施工，掘进60m后，右线（内）隧道再开始施工，然后两条隧道同时开挖，直至工程完毕;

3）计算完成后，对计算结果的应力场、位移场和破坏场等进行分析，提出合理的解释说明。

（四）计算沉降分析

在地下土层中进行盾构时，由于盾构施工产生的地层损失、对隧道周围土体的扰动、注浆及铺设衬砌等因素，会引起地层的移动而导致地面沉降。图3给出了双曲线隧道在盾构通过后地表横向的沉降分布。从图中可以看出最大沉降量约为5mm，两侧的影响范围约为60m，在隧道内侧的沉降范围略大于外侧。

下图是双曲线隧道竖向中心线及在两侧距中心线25m处各地层沿水平移动的分布曲线。隧道上方的土体因地层损失产生沉降并引起隧道两侧的土体向（双线）隧道中心水平移动。隧道下方的土体也因沉降对两边的土体产生压力造成土体向外的水平移动。如果是双直线隧道，应以隧道断面竖向中心线为对称线，在对称线上的土体不应该产生任何方向上水平位移。但由于双线隧道是曲线的，受线形影响，从图4中可以看出，双线隧道竖向中心线地表处产生了向内侧的水平移动，下部的土体产生了向外的移动（约为0.2mm），而且在双线隧道内、外侧等距处（距对称中心线25m）土体的水平移动分布看外侧的水平移动趋势要大于内侧。

结束语

综上所述，地铁盾构施工过程中，地表沉降现象不可避免，但是要维持施工的安全，需要对沉降進行相关的控制，这样，沉降的影响范围会明显缩减，其造成的安全事故也能有效防控。文章对地表沉降的具体影响因素与控制策略做分析，旨在为实践工作开展提供帮助与指导，从而促进地铁盾构施工的进一步发展。

参考文献：

[1]张智.地铁盾构施工地表沉降及其控制对策研究[j].中国科技投资，2018（36）.

[2]管庆波.对地铁盾构施工引起的地表沉降研究分析[j].消费导刊，2018，000（045）：89.

[3]彭再高，尹小波.长沙地铁3号线盾构施工法引起的地表沉降及控制因素分析[j].河南科技，2018，no.633（07）：126-128.

（作者单位：中铁二十四局集团有限公司）