盾构隧道施工沉降影响分析

李建伟

摘要：文章根据深圳地铁盾构施工的几个实例，对盾构施工引起地表沉降进行了理论分析，以探索盾构过建筑物前预测基础的受力情况，并采用相应的预加固措施。

关键词：深圳地铁；盾构施工；地表沉降；地层损失；土体变形状态

中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1009-2374(2009)13-0166-02

随着城市轨道交通的快速发展和盾构工法在地铁行业的广泛应用，地铁施工引起的地表沉降问题日益引起人们的关注，如何对盾构施工所引起的沉降进行预测和相应的技术措施成为了盾构行业重要的课题。通过深圳地铁盾构施工的工程实例，将盾构施工所引起的地面沉降进行归类和分析。

在盾构隧道施工中，地表沉降的表现形式有横向地表沉降和纵向地表沉降，其中纵向地表沉降又可分为先行沉降、开挖前的沉降和隆起、盾尾沉降、盾尾空隙沉降和后续沉降。引起地表沉降的原因是多方面的，主要有以下几个方面：

1盾构掘进引起的地层损失造成的沉降；

2盾构施工中引起地下水大量流失，从而导致地下水位降低，地层随之固结沉降；

3盾构施工过程中会存在地质资料、建筑物基础收集资料与事实不符而造成施工措施选择不当引起建筑物开裂；

4盾构衬砌结构的变形；

5地层原始应力状态的改变、受扰动土体的固结及土体的蠕变效应。

以下对盾构施工引起的沉降问题进行简要的论述。

一、地层损失造成地表沉降分析

(一)引起地层损失的因素

在深埋隧道中，盾构施工会对土体产生一定的扰动，造成一定范围的土体成为松土而产生地层损失。根据理论分析和工程实例总结，引起地层损失主要因素如下：

1开挖面土体移动；

2盾构后退；

3土体挤入盾尾空隙；

4改变推进方向；

5随盾构推进而移动的盾构正面障碍物，使地层在盾构通过后产生的空隙无法及时压浆填充，引起地层损失；

6盾壳移动对地层的摩擦和剪切；

7在土压作用下，隧道衬砌产生的变形，将引起少量的地层损失；

8隧道衬砌沉降较大时，将引起地层损失。

(二)加固方法

松动范围按太沙基公式计算，当松动范围有建筑物基础时，落人该范围内的桩身部分可假定将失去土体摩阻力，若桩底落入该范围或在竖直方向接近于该范围理论上会完全或部分失去桩端承载力。而对其受到影响的建筑物加固方法为：

1桩基末侵入隧道，但剩余桩基承载力不满足原设计要求，可通过预注浆以提高桩基承载力，同时，在盾构通过时在地面采用跟踪注浆，可确保既有建筑物的安全。

2桩基已侵入隧道，需对桩基进行梁式托换或板基基础转换，必要时切断原桩。

二、地下水流失造成建筑物沉降分析

在深埋隧道中，地层损失造成的建筑物的沉降主要影响的是端承桩，而地下水大量流失造成地下水位下降则主要影响的是浅基础和长度较短的摩擦桩，特别是基础以下存在间隙率较大的地层，如中、粗砂层所造成的沉降较大。

由于土压平衡式盾构机在掘进过程中，拱顶同步注浆普遍存在不密实情况，导致拱顶处沿隧道方向存在水力连通，当盾构长时间停止掘进时，地下水容易从盾构机后方流至开挖面，引起地下水大量流失，当地层起伏较大的地层或存在地质钻孔封孑L质量不好时，容易与上部地层形成水力通道，直接贯通隔水层引起地下水位下降；另外在含水量较大的地层中停机也会造成开挖面较大的水量流失。如在深圳地铁一个工程实例，由于隧道上层覆土较浅，且土质松散，并有部分未封堵的地质钻孔，由于形成上下贯通的水力通道，当盾构推过时，地下水下降达2米多，引起地表沉降达120毫米，当调整盾构掘进参数、加大注浆量时，地表存在冒浆现象。

三、穿越建(构)筑物掘进参数的控制与施工监测

前面所论述盾构引起建筑物沉降是建立于盾构采用正确的掘进参数情况下的一种预测，对一些预测沉降量较大的建筑物采用提前加固的措施。在实际施工中，如何控制好掘进参数，是对建筑物保护的一项最基本、最重要的措施。盾构穿越房屋时，掘进参数的选择如下：

1准确计算各种地层的理论土方出土量，施工中必须严格按计算结果控制好实际出土量；

2采用土压平衡式掘进，合理地设定土压力值；

3当穿越沉降敏感地层或大量地下水区域时，必须采用全土压掘进；

4通过建(构)筑物时应保持连续掘进；

5控制好盾构姿态，避免因纠偏而造成超挖；

6同步注浆和二次注浆必须到位，确保管片与地层间隙密实；

7采用耐磨性较高的刀具，减少换刀次数，制定合理的换刀计划，提前在建(构)筑物前做好换刀工作，避免盾构在建(构)筑物下停留；

8控制衬砌拼装偏差，提高隧道质量，减少后期沉降。

另外，在掘进过程中，必须做好施工监测，及时地反馈给现场指挥，及时掌握地面沉降情况。

四、盾构施工对土体变形状态的影响

土体受施工扰动是产生土体附加位移的主要原因，施工扰动引起土体应力变化并导致土体位移，而土体位移主要是由其主固结压缩，弹塑性剪切和粘性时效蠕变三者的组合。研究表明，土体受扰动范围越大，地表中心沉降也越大，盾构通过时的沉降与土体扰动范围大致呈线性关系。土体受扰动范围与推进时的顶力、回填注浆时间以及覆盖层厚度H与隧道外径D之比H／D有关。盾构掘进时的顶力越大，盾构工作面前方土体的挤压程度越高，土体受扰动程度也越大，表现为地表中心沉降量也越大；盾构通过后与实施回填注浆的时间间隔时间越长，土体应力释放程度越高，即土体应力扰动程度越大，地表总沉降也越大；覆盖层厚度与隧道外径之比H／D越大，地表受到的扰动越小，地表中心沉降位移也越小。

由于盾构在推进中的挤压作用和盾尾的压浆作用等施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压力区。其超孔隙水压力在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此进程中地层发生排水固结变形，地层因孔隙水压力变化产生的地面沉降，称之为主固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形，在此土体蠕变过程中产生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑粘土中，次固结沉降往往要持续几年甚至更长时间，它所占总沉降量比例可高达35％以上。

五、结语

1本文所推导的方法可以用来确定盾构推过时对地表和地面建筑物的影响程度，并采用相应的加固措施。

2本文通过理论知识和工程类比法，在控制地表变形和穿越建筑物过程中，如何选择好掘进参数和施工监测方法。

3本文方法简单、直观，较易掌握，通过多个盾构工程的实践检验，具有较强的适用性。