盾构施工引起的地表沉降问题

张博 任博 姚毅

摘要：随着科技与经济的发展，隧道施工的机械化程度越来越高，隧道盾构机已经广泛应用于隧道施工。虽然盾构施工对环境影响小；施工不受地形地貌、地表环境条件的限制；地表占地面积小；施工受天气状况和气候条件影响小；使用范围广，可用于多类地层等优点。但施工中隧道上方一定范围内的地表沉陷难以完全消除，由于某些原因导致地表沉降过大，造成周围建筑物大量损坏，给人民财产带来重大损失，同时也严重影响了周边坏境。因此，研究盾构施工引起的地表沉降问题有着非常重要的意义。

关键词：盾构施工 地表沉降 沉降原因 沉降控制

随着我国经济的发展，城市现代化建设将迅猛发展，地上空间紧张，人口膨胀、交通阻塞等城市问题日益严重，这就严重阻碍了城市的发展。地铁快速客运系统能够极大的缓解了市区地面交通阻塞状况，对改善城市交通发挥着重大作用。随着上海多条越黄浦江隧道、越珠江狮子洋高速铁路隧道，南水北调工程等一大批世界级盾构隧道的开工建设，我国已成为世界上盾构隧道工程总量最多、规模最大、发展最快的国家。今后，盾构隧道还有相当大的发展空间。

一、地表沉降的危害

虽然盾构施工对环境影响小；施工不受地表环境条件的限制；地表占地面积小，征地费用少；施工受天气状况和气候条件影响小；使用范围广优点。但盾构法隧道的施工引起地层的扰动，引起周围土体应力和应变状态的改变，从而引起地层变形和地面沉降。当地层变形超过一定范围时，就会严重危及临近建筑物、道路和地下管网的安全。所以在设计施工阶段，有必要预测隧道施工引起的地层变形，保护现有周围建筑物，这需要深入研究盾构法隧道施工对土体的扰动机理以及产生的地层变形，从而采取相应的措施减小变形，降低对周围环境的影响。

二、地表沉降的原因

盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。主要表现在以下几方面：

1.隧道的开挖破坏了地层原来的平衡状态并使周围土体受到扰动以及地下水位的变化导致地层原始应力状态的改变，这些都会造成土体变形和地表下沉。

2.盾构施工中辅以降水法时，在井点管四周形成漏斗状曲面，漏斗外围地下水流动补给而产生动水压头，出现土中有效应力增加，产生固结沉降。

3.当向盾尾和衬砌之间的建筑空隙中注浆不及时或者注浆不足时，均会造成盾尾隧道周边土体向盾尾环形空隙移动而引起地表沉降。

4.盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应小于原始侧向应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降。

5.改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。

6.隧道衬砌结构及接缝防水处理不当或者施工质量差而出现隧道渗漏点，导致水土流失，而出现严重不均匀沉降。

三、影响沉降的因素

1.隧道覆土厚度

实测和实验研究表明：隧道埋深对地层沉降的影响因地层情况各异，Attewell研究给出如下关系：

式中：R——隧道半径；

h——隧道覆土厚度；

i——隧道轴线到地面沉陷槽曲线反弯点的距离；

k，n——与地层特性及施工因素有关的常数。

2.盾构直径

在隧道埋深一定时，地表沉降随着盾构直径的增大而增大。

3.隧道介质种类和环境的影响

盾构法施工地面沉降槽宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的状况。这意味如果隧道完全位于地下水位以下，则紧挨隧道上方的承压水土层对沉降槽有重大影响。

4.盾尾注浆填充率

地面最大沉降随注浆填充率的增加而减小甚至可能出现隆起。因此，施工时要试验得到最佳注浆填充率，减小地面沉降。

5.地层物理力学性质

地层土体的压缩性、强度性质等对地面沉降有重要影响。

6.施工条件

盾构推进过程中，土仓压力、推进速度、盾尾注浆开始时刻、注浆量和注浆压力、二次补注浆压力、数量与次数、出土量等等都会影响地表沉降，甚至同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有着联系。

四、地表沉降的控制

根据国内外资料和施工实践，对地表的沉降只要采取相应的技术措施，还是能控制在很小范围内的。其一般措施如下：

隧道法施工前，首先进行地质勘探，然后根据不同的地质条件选定所需的盾构类型及辅助施工方法，减少对土体的扰动及防止开挖面的坍塌。

施工阶段采取的措施：

（1）盾构前方的隆陷控制。地表隆起的主要原因是盾构正面对土体的推进力大于原始侧向力，因此在实时监测的情况下， 可以根据地表隆起状况调整推力、出碴速度， 达到降低地表隆起的目的。地表沉降是由于开挖面推力小于原始侧向应力而引起，通过减少出碴量，提高正面压力，达到控制沉降的目标，并保持开挖面的稳定。

（2）盾构通过时的沉降。这一沉降是无法避免的，但是如果超限， 可以通过采取调整掘进速度，及时注浆等， 使盾尾后隧道周边的土体及时处于三向应力状态， 从而达到有效控制地层的弹塑性变形。

（3）固结沉降的控制。盾构通过后， 由于应力松弛的影响， 地层还会发生固结沉降， 根据地面实时监测结果进行实时控制， 在管片衬砌背后实施回填与固结注浆， 尤其是对拱部120°范围进行地层加固注浆。

（4）其它施工措施。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程中， 实际开挖断面是圆形而变为椭圆， 从而会引起附加变形， 此时应调整掘进速度等， 达到减少对地层的扰动度和减少超挖的效果， 从而减少变形。

五、结语

虽然即使采用当前先进的盾构技术，也难完全防止地表沉降。但是可以采取一些有效的措施，把地表沉降控制在最小范围内，不使周围建筑物受到破坏。在以后的盾构隧道施工中，为了减小地表沉降，我认为应该采取以下两方措施：

在技术方面：应该发展更加先进的盾构机，压力控制系统更加灵敏、有效，盾尾注浆更加密实，掘进过程更加稳定等方面技术在施工方面：应该培养一支专业化、高素质的施工队伍，杜绝一些由于操作不当，而引起的地表沉降事故。

参考文献：

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