对地铁盾构施工引起的地表沉降研究分析

陈 华

（中国水利水电第四工程局有限公司， 青海 西宁 810000）

0 前言

作为城市主要交通工具之一，近几年我国地铁建设在各地区普遍推广，地铁盾构机作为隧道掘进专用的工程机械也得到了广泛地应用，由于施工过程中各种因素的影响，其可能会导致隧道周围土层的松动和倒塌，从而导致地表沉降，为了减少地表沉降，笔者将对地铁盾构施工中形成沉降的因素进行分析，以此提出控制地表沉降的方法。

1 地铁盾构施工形成沉降的原因

1.1 形成土体扰动

地铁盾构机在前进到有地下水的区域时，地下水流原有结构会遭到破坏，地下水的水位因此下降，达不到原来的水平，而原来由其支撑的土体将会发生扰动，进而发生沉降，其不仅阻碍盾构机的前进，而且还可能导致安全事故。此外，盾构机在行驶时会不断接触土体，对土体造成较大压力，使土层松动，在盾构机通过后，土体将会发生沉降。盾构机的推力也是造成土体扰动的重要原因之一，如果盾构机的质量不好或驾驶员的技术不足，在行驶中盾构机的推力就会不断发生变化，导致其对土体的压力不均，土层会发生沉降或隆起，导致土体受到严重的破坏。此外，盾构机的盾尾间隙无法像其他结构一样支撑土层，在盾构机通过时，土层突然失去支持力，开始松动下陷，有的泥土卡在盾构机盾尾间隙，可能会影响盾构机的正常工作，进而影响地铁建设的进度。

1.2 造成地层的移动

盾构机的设定土压值对于出土量有很大的影响，设定的内压值越小，地层受到的推力也越小，出土量很大，地层结构受到破坏，会造成地层的移动，致使地表发生沉降。而且由于地面表层存在混凝土路面、柏油路面等，与土体相比较为坚硬，不易变形，当土体受到扰动，发生松动或沉降时，土体和地面表层会出现一个很大的空隙，地层的结构因此改变，开始移动，导致靠近路面的地层结构缺少支撑力，容易发生沉降，不利于保障居民的出行安全。在地铁盾构机工作过程中，例如挤压、超挖、盾尾压浆等因素，都会对隧道附近的地层结构造成影响，导致地层移动，使土层变形，进而导致地层组织疏松，地层所受支撑力不足就会发生地表沉降。此外，由于盾构机自身结构的影响，会导致地层各结构受力不均匀，致使地层结构发生移动，在这样的情况下，地层各结构分布就会更加不均匀，导致地层进一步的损坏。

2 盾构法施工原理

2.1 专业盾构机的各部分功能简介

专业的盾构机由主机和配套工具组成，不同的工具的功能不同。其主要功能包括掘进、拼装和注浆，掘进包括推进装置、刀片、出渣，它可以推进油缸，使盾构机正常行驶，而拼装功能是保障盾构机质量的重要因素，它可以对盾构机进行安装，改造其结构使盾构机更适合地铁施工，注浆则是为了避免盾尾间隙导致的土层沉陷，按照施工要求进行注浆，就可以减少盾尾间隙的影响。除了这些功能以外，现代的地铁盾构机结合了多种技术，有了更多的功能，如测量导向纠偏，它提高测量的准确性，缩短工程周期，减少人力物力的浪费，还可以切挖开削山体，减少施工过程中遇到的阻碍，使施工顺利进行，运送土碴也是它的一个重要功能，可以利用盾构机开辟出建设地铁工程所需的空间。

2.2 地铁盾构施工数值模拟及结果分析

地铁盾构机工作时会造成地层的移动，从而导致地层结构的损失。为了明确地层损失对地表沉降的影响，笔者将选取选取地层损失量V分别为 0.5 %、1.0 %、3.0 %、5.0 %的四种施工状况进行数值模拟分析，如表1，以此来研究盾构机对地表沉降的影响。由表1可知，最大地表沉降值与地层损失量基本呈线性关系, 大致成正比，即盾构机对地层造成的损失量越大，地表的最大沉降值就越大。是以，采取措施减轻地铁盾构机对地层的损害十分必要。

表1 不同地层损失量下的最大地表沉降值

3 控制地表沉降的措施

3.1 合理选择盾构掘进模式

选择合理的盾构机掘进方式对减轻地层结构的移动和损失有重要作用，在施工前期，施工单位要结合施工现场的地形，并探测地层结构，根据地层的结构组成选择合适的盾构掘进方式，控制盾构机的掘进速度，减轻盾构机对土体和周围地层的扰动，避免地层损失，从而减少地表沉降，保护地面建筑物和居民的出行安全。盾构机常用的掘进模式有三种，开敞式、半开敞式（气压平衡式）和土压平衡式，不同掘进模式的特点不同，其适用的土质状况也有所区别，开敞式掘进模式适用于子面能够长期处于稳定状态的地层结构，因为子面比较稳定，所以其行驶的速度较快，半开敞式适用于子面的围岩比较稳定但是有地下水的区域，而土压平衡式常应用于上述两种模式不能应用的情况，如子面不稳定、土压大等，对于上述三种模式一定要明确其适用范围，结合施工实际，选择合适的掘进模式。

3.2 控制盾构刀盘的切换

盾构机的刀盘是决定其掘进功能的关键，在使用刀盘时，如果不注意其对山体开削和土体的影响，其就会对地层造成较大的损失，使地表更容易发生沉降。是以，驾驶员在切换盾构刀盘的转动方向时一定要密切关注周围的土体情况，一但出现意外情况，立刻采取措施解决，另外，在切换刀盘转动方向时，要合理控制刀盘的转速，减少刀盘转动对周围土体的扰动，而且在切换方向的过程中要等前一个方向的转速或电机电流变零后，再进行这个方向转速的加载，尽量放慢加载过程，如果加载过程出现突然终止或不动的情况要立刻停止方向的切换，并采取解决方案。由于这个过程中技术难度较高，转速不好控制，施工单位要选择经验丰富的工人来操作，减少盾构机对地表沉降的影响，尽量消除人为因素造成的损失，保障工人的生命安全，加快地铁工程的建设速度。

3.3 优化盾构的施工参数

盾构机的施工参数也是决定其在施工过程对地层损伤程度的重要因素，是以，要合理设置盾构的施工参数，尤其是掘进时的土压力参数，如果土压力设置合理，那么出土量不会过高，地表与土体之间的间隙可以有效地缩小，支撑力比较高，不易沉降。在施工前，要使用盾构机进行试掘进，根据公式和施工实际计算合理的参数，从而优化盾构的施工参数。如果参数准确合理，则其掘进过程中的土压力比较科学，不易引发安全事故，可以减少地表沉降，从而减少盾构施工过程中的人力物力损失。

4 结语

地铁作为一种价格便宜、绿色环保的出行方式，对其的建设势在必行，但其盾构机施工导致的地表沉降问题一直是影响地铁施工进度的重要因素，以此，施工单位要认真分析研究地铁盾构机施工引起地表沉降的原因，并采取措施减少地表沉降现象的出现，加快我国地铁的建设速度，便民出行。此外，施工单位还要对盾构机的运行模式进行分析，并结合施工现场的情况选择合理的盾构掘进方式、优化其运行参数，保障盾构机施工的高质化、高效化。

[1]张中阳.地铁盾构施工地表沉降及其控制措施[J].科技创新与应用，2015（15）:224

[2]郑晖.浅谈地表盾构施工地表沉降及其控制[J].黑龙江科技信息，2008（5）120-224