地铁隧道盾构法施工中地层沉降问题分析及控制措施研究

王赢

摘  要：盾构法施工由于其自动化程度高，人工作业成本较低，掘进速度也较其他几种方法快，不受季节和天气的影响，施工过程噪音低，对地面建筑物影响程度小等优点，从而成为地铁隧道建设中使用频率最高的一种施工方法。地铁隧道施工过程中，地表沉降直接影响地铁隧道和周围建筑物的安全，因而对地铁隧道沉降监测值进行分析是至关重要的。本文主要就地铁隧道盾构法施工中地层沉降问题分析及控制措施进行了分析。

关键词：地铁;隧道;盾构法施工;地层沉降

引言

對于城市地下工程的修建而言，通常有盾构法、矿山法、新奥法和明挖法，不同施工方法的适用条件和优劣势也会有所不同。盾构法隧道施工技术更为完备、成熟，正朝着工程的大型断面、特殊断面、超大深度、超长距离方向快速发展，也向着操作智能化、自动化，掘进过程高效化的方向发展。因城市地铁主要是为了方便人们出行，因此地铁建设多数位于交通要道和人员密集区域，周围环境复杂，容易影响到地下管线和地表建筑物。隧道施工时， 除了要保证施工人员人身安全，还要尽可能地保证地下管线及地上建筑物不受影响，减少对人们日常生活的干扰。盾构施工工艺复杂，控制因素多，常出现土体扰动，形成地表的塌陷或隆起、地层的不规则移动等现象。一旦盾构施工中产生的地层沉降超出一定阈值，将会导致地面上的房子等建筑倾斜，桥面、路面等断裂，危及周边群众的生命安全。

1地铁盾构施工引起地表沉降原因及影响因素分析

1.1地层沉降原因

1.1.1地层损失

地层损失可分为三类：其一是正常损失，正常损失无法避免，前提是技术或施工人员的操作流程符合操作规范，排除人为影响，而受地层环境复杂和施工方式的单一化的影响产生的地层损失，该损失具有随机性因素，因此造成的沉降较为均匀;其二是不正常损失，因施工环境的复杂多变，技术或施工人员出现操作上或技术上的错误造成的地层损失;其三是破坏性损失，由于不良土质导致盾构开挖面不稳定而发生土体大量流动或大面积的崩坍，所引起破坏性的地表沉降。

1.1.2受扰动土体的重新固结

受扰动土体固结沉降的主要受孔隙水压、土体搅动、管片渗漏水等影响产生的，产生两种沉降形式，一种为主固结沉降，另一种为次固结沉降，主要因为两者沉降原因不同，前者主要由孔的间隙水压力不同而产生的;后者主要由土体蠕变过程中因压缩变形而产生的。

1.2地表沉降的影响因素分析

1.2.1开挖面土体移动

在开挖面土体盾构掘进过程中造成的地表沉降，主要由土体水平支护应力小于重力或是盾构无法承受掌子面前方土体的侧向力而导致盾构前上方隆起而产生沉降。

1.2.2 盾构超挖

在施工期间，盾构超挖使得盾构壳周围产生空隙，而千斤顶自锁性能差导致盾构后退，空隙处土体移动而产生土压平衡失效，造成地层沉降。

1.2.3土体挤入盾尾空隙

在含水量变动的地层中，土体挤入盾尾空隙的现象时常发生。由于千斤顶在推动盾构向前的同时会在盾尾处产生的缝隙，而该缝隙一旦注浆不及时或参数不当，就会出现土体平稳性失常，从而引发地层损失。

1.2.4盾构壳与周围土体之间的摩擦

由于部分地质具有粘结性，被千斤顶推动着的盾构壳在向前掘进时会产生两种方式的摩擦力。第一种产生于盾构机与周围土体之间产生的前向摩擦力，会致使周围土体发生水平位移。第二种产生于盾构机与前方的土体的压力，使前面土体运动方向向前或周围移动。两种方式的综合影响，最直观的现象就是地表土体隆起。与此同时，部分土体具有收缩性质，也会导致地面沉降。

1.2.5水土压力或地质条件突变

水压力导致混凝土管片变形而产生的底层移动或是地质条件突变时，导致开挖面的形变产生地层损失而产生沉降。

2地铁盾构施工中地层沉降控制措施

2.1选择适宜的掘进模式

施工条件的差异化导致掘进模式选择的多样化，不恰当的掘进模式易造成不同程度的沉降。盾构机可以在土压平衡、半敞开和敞开式三种模式进行转换，模式的选择主要根据不同的地质条件所对应的施工参数。

2.2控制掘进速度

掘进速度需要考虑到地质条件且尽量使土体切削，一般推进速度处于20～30mm/min 之间。

2.3优化施工参数

2.3.1 合理设置土压力值

隧道覆土厚度不同产生的土舱压力也会有差异，在盾构刀盘面施加的土压力势均力敌的条件下，土体不会受太大搅动，地层位移和沉降问题也基本不会出现。当原静止土压力无法承受盾构刀盘面施加的压力，则土体易在压力差下会产生形变和位移，从而导致地面的隆起。开挖面的稳定和仓内外土体的压力差值、出土量有着相互关联。通常控制两者来稳定开挖面。开挖面前方土体受干扰的范围与开挖面的稳定性有关，因此，控制土舱内压力，保持比土体压力要高，以减少开挖面对土体的搅动。施工中，需要对特定地层的目标土压实施动态监控与测量，控制开挖面的土压在合理的范围内变化。一旦目标压力值波动出现偏差，通过开挖面周围土压和出土量及时修正。

2.4注浆施工技术

注浆施工技术就是在盾构法施工工程中，使用注浆泵将浆液注入衬砌片之间的空隙之中以此用浆液达到填充的作用，帮助固定衬砌管片，维持地表的位置，防止地表的上下位移。由于浆液在干了以后能够起到粘贴的作用，因此在工程后也能保证管片衬砌的稳定性。可以说注浆施工技术是一种辅助性手段，在传统的隧道施工过程中，弥补盾构法的不足，达到维持地表以及附近的建筑及环境的稳定与安全。从这个意义上来说，注浆施工技术是盾构法在隧道施工中必不可少的一项技术，是防止地表沉降的有利方式。

2.4.1一次注浆技术

一次注浆技术指的是将浆液填充进土体与管片之间的缝隙中，保证整个结构都有较高的稳定性。注浆方式有两种：一是使用注浆管将浆液注入目的区域，二是用浆液填充管片的空隙。有的施工路线所处的地质结构比较复杂，地质中包含的土质种类比较多，包括淤泥质土、淤泥质粉细砂、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、风化花岗岩等。对于这种土质结构建议使用第一种方法。施工过程中要按照规定要求安置注浆管道，保证管道表面洁净。注浆管的位置一般处于盾构外围。工作人员需要实时观察管内情况，了解其干燥洁净度。防止浆液堵塞管道，确保同步注浆技术的稳定性。应用第二种方法时要保证管片完全脱出。先考虑多环掘进，确保施工的连续性。必要时及时补充浆液，让浆液不间断地填充空隙。第二种方法适用于比较稳定的软岩地质，其效率和安全性更高。采用一次注浆技术时，要充分考量实际地质条件，设置合适的机械设备参数。分析数据计算盾构直径，保证注入方式发挥最大效用。

2.4.2二次注浆

需要二次注浆的有以下几种情况：①第一次填充未充分;②第一次注浆量出现缩减情况;③提高结构抗渗透能力。（1）浆液通常选用水泥浆和水玻璃双液浆，水泥浆水灰比取l∶l，水玻璃加量60%～100%。需要通過实验确定水玻璃的用量，大多以浆液初凝时间为准，为预防出现不良情况，需要现场试验。规定1h 后的单轴抗压强度为0.1MPa 左右。（2）注浆压力只有在注入压力的推动下，浆液才能顺利注入，但要控制注浆压力不超过0.4MPa。

2.4.3同步注浆管理

为在地铁隧道施工过程中科学规范地使用注浆技术，工作人员需要对浆体的质量严格把控。盾构过程中，空隙最易产生的地方是管片和土体之间，缝隙进一步导致地表沉降。同步注浆技术可缓解地表沉降带来的影响。同步注浆管理是盾构施工过程的重要一环。首先，工作人员应确保浆液有优质的防水性与和易性，还要确保浆液达到规定的强度标准。最后采用科学合理的方法注入和压入浆液，确保将浆液填充缝隙时，压力符合和地面变形阈值。工作人员根据参数调节压力，实现同步作业。选择同步注浆材料时，要确保材料的质量和性能都符合规定标准，保证施工的顺利进行。材料需要具有流动性好、凝固时间灵活、稳定性高的特点。还要保证材料不会产生毒害气体，不会破坏周围环境。一段时间后观察材料的体积收缩情况，若无收缩，表明该材料的强度符合要求。同步注浆是指在盾构机内置的注浆管内提前放置好浆液，以便在盾构掘进中产生盾构空隙时，通过盾构机内置的浆液直接从盾构机尾部向壁后注浆，目的是加固地层形成支撑力，减少盾构机运行过程中隧道周围土地扰动，降低地层损失，避免隧道塌陷。注浆压力与浆液物化性质、土仓内压、管片物理性质和设备性能有关，最关键是受地层阻力影响。

注浆压力通常设置在0.1～0.3MPa 之间，具体数值要根据现场情况具体设置。不同的地层情况，注浆压力也会有所不同。一般全风化地层注浆压力设置在1.5～3.0bar 之间;中风化地层设置在1.0～1.5bar 之间。受管片的抗剪切特性影响，一般注浆压力设置需不大于1MPa。管片注浆一方面可以控制隧道变形，另一方面可以提升防渗能力。注浆浆液应具备以下几点性能：①浆液填充性强;②浆液和易性强;③浆液初凝时间短且初凝早期强度较高;④浆液粘稠度适中。

结束语

本文通过分析地层沉降的原因及影响因素，提出相应的控制措施，能有效控制地表沉降对周围建筑物的影响，为同类型项目提供参考和借鉴。

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