城市地铁隧道施工引起的地面沉降

张燕伟

【摘要】随着地铁在城市中的广泛应用，地铁成为了人们主要的交通工具之一。在城市地铁隧道的施工中，地面沉降问题是一个比较普遍的问题。文章通过对地面沉降的介绍，阐述了造成地面沉降的主要原因。

【关键词】城市，地铁隧道施工，地面沉降

中图分类号：U231文献标识码： A

一、前言

由于地铁与人们的生活息息相关，保障地铁的安全运行是十分重要的。地面沉降所造成的危害很大，有效的对其实施控制是关系地铁稳定发展的关键所在。

二、地铁特点

地铁一般有如下特点：

1.线路多经过居民区，对噪声和振动的控制较严，除了对车辆结构采取减震措施及修筑声障屏以外，对轨道结构也要求采取相应的措施。

2.行车密度大，运营时间长，留给轨道的作业时间短，因而需采用高质量的轨道部件，一般用混凝土道床等维修量小的轨道结构。

3.一般采用直流电机牵引，以轨道作为供电回路。为了减少泄露电流的电解腐蚀，要求钢轨与基础有较高的绝缘性能。

4.曲线段占的比例大，曲线半径比常规铁路小得多，一般为100m左右，因此要解决好曲线轨道的构造问题。

在各个已经运营地铁的城市里，地铁也得到了广大人民的认可。人们上班下班，学生们上学回家乘坐地铁也都似乎成为了一种习惯，因为乘坐地铁不会发生堵车的情况，可以大大缩短不必要的时间，给人们提供了很大的便利。而且地铁的票价较低，相对于开车要便宜的多，这在一定程度上也减少了城市汽车数目，缓解了地面交通的压力。地铁也成为了普通百姓生活中不可或缺的一部分。

三、地表沉降分析

隧道盾构施工引发地面沉降的主要因素包括四个方面。一是盾构施工引起的地层损失；二是隧道施工周围扰动土层的固结压密；三是盾构埋深；四是盾构半径。

1.地层损失

地层损失，是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差。在实际施工中，不可避免地会造成土层损失。为了弥补这种损失，隧道周围土体会进行自然地移动，土体移动就会使得地面发生沉降。为了能够有效分析土体移动对地面沉降的影响，将着重论述导致地层损失的关键因素。

（一）开挖面土体的运动

开挖面土体的运动包括两种情况。在盾构掘进过程中，由于开挖面土体受到的水平支护应力小于最初侧向应力，使得开挖土体向盾构内移动，直接导致盾构上方地面发生沉降；在盾构推进过程中，由于开挖面土体受到的推动力大于最初侧向应力，使得土地向前或向上运动而导致盾构上方的土体隆起。

（二）盾构后退

为了减少盾构施工对土体的扰动，会借助千斤顶驱动盾构，使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体的开挖和运输。可是缩回所有千斤顶后，会产生较大的盾构后退现象，使得开挖面土体倒塌而导致地面沉降。

（三）挤入盾尾空隙的土体

由于盾尾后侧建筑空隙的压浆工作实施的不到位，在压浆量不足、压力不当等的影响下，使得盾尾后坑道周围土体失去了最初的平衡状态，逐渐向盾尾空隙中运动，引起土层损失。尤其盾构在粘性土质推进中，这是引起地层损失的重要因素。

（四）推进方向的影响

当盾构轴线偏离隧道轴线时，就会产生偏角。偏角越大，对土体的扰动程度和损害程度就越大，进而引起地层损失。因此，盾构的推进方向也会给地层带来损失。

2.扰动土体的固结压密

（一）超空隙水压力

土体由于空隙水压力的变化而产生的地面沉降，叫做主顾结沉降；在土体受到盾构扰动后，盾壳仍然处于持续变形状态，导致地面沉降叫做次固结沉降。因为粘性土的空隙比和灵敏度较大，次固结沉降的持续状态也会较长，这是导致粘性土体沉降的主要原因。

（二）土体强度

土体强度，是指土体在破坏前能承受的最大应力。当土体受到盾构扰动后，使土层遭到破坏，其所能承受的最大应力也逐渐削弱，导致土体丧失了原始强度。随着土体强度的减弱，土层逐渐移动和变形，产生地面沉降。

（三）土体稳定性

土体稳定性，是指处于一定时空条件的土体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度，取决于土体强度和变形两种因素。当土体强度减弱时，土体中各点产生的法向应力和剪应力会导致土体发生移动和变形，使得盾构正上方土体失去稳定性，从而引起地面沉降。

四、原因分析

对长期营运中的地铁隧道沉降原因进行分析，总结出有以下七方面的原因：

1.下卧土层的不均匀性。下卧土层的不均匀变形是地铁隧道下沉的基本原因。在实际工程中，沿隧道纵向分布的土层性质不同。这就决定了土层的扰动、回弹量、固结和次固结沉降量、沉降速率、沉降达到稳定时间等都有不同程度的差别，导致隧道发生沉降。通常情况下，隧道下卧土层类别变化处正是隧道发生较大沉降的地方。

2.隧道上方地面承受较大荷载。上方地面承受较大荷载也将导致隧道产生较大沉降。特别是当加载面积较大、压缩土层较厚时，在附加应力的作用下，隧道沉降量会大幅增加。由于隧道下部土体的反力总小于未修建隧道前此处土的自重应力，隧道下卧土层压缩模量比修建隧道以前有所降低，而且受施工扰动的隧道下卧土层的长期次固结在地面加载时依然在继续。3.地铁隧道邻近周边的施工影响。地铁隧道周边的土体开挖将会对地铁隧道造成明显的影响。例如深基坑的开挖，其过程实际上是一卸载的过程。地铁隧道临近的深基坑开挖对隧道的影响主要是两个方面：其一由于基坑开挖引起围护的侧向位移和坑内隆起使得坑外地层沉降，导致隧道也随之沉降；其二基坑开挖引起围护向基坑内的侧向水平位移，导致隧道发生挠曲变形。

4.城市底层沉降的综合影响。隧道处于地层中间，就不可避免地要受到城市地面沉降的综合影响。地层构造使得城市的地层沉降会产生沉降漏斗区。当隧道穿越沉降漏斗区时，位于漏斗区内的那段隧道的沉降明显比漏斗区外隧道的沉降大，长期积累下去，就会产生严重的纵向不均匀变形。

5.列车运行的振动。地铁隧道在正常营运期间，要受到地铁列车振动荷载的长期循环作用。虽然单次列车通过所产生的荷载引起的结构振动位移很小，但在列车振动荷载长期循环持续的作用下，必须注意隧道下卧的饱和砂土层液化的可能性以及饱和粘土震陷的可能性。

五、地铁隧道施工地面沉降控制措施

为了能够将地表沉陷值可以控制在允许的范围之内，我们就必须从开挖方式、超前支护、地下水的排放以及其他的辅助措施入手，最大程度的减少每个环节引起的地表沉降量。

1.开挖方式

在进行开挖过程中，土层的土质是不断发生变化的，开挖方式应当根据土层的具体情况，以及隧道断面的变化，选择不同的开挖方式。在进行开挖时各个开挖面的距离应当保持在3到5米之内，不应过大。为了减少土体在空气中的暴露的时间，应当及时的进行支护。在开挖之前，应当对掌子面及时的进行超前的注浆加固，并根据现场的具体状况，及时的进行调整导管、栅格支护以及其他的参数，从而确保注浆的效果，以便能够最大程度的提高土体的稳定性。在进行隧道的断面开挖时，应当尽可能的采用人工开挖的方式，以便减少不必要的超挖，并最大程度的减少开挖的步距，做到开挖多少就及时支护多少。

2.改善土体的特性

在进行隧道开挖过程中，应当及时的对隧道周边开挖的土体进行局部加固的处理，这样不仅仅可以使得隧道开挖之后能够使得自然拱成行，同时还可以在一定程度上，将土体的特性进行改进，以便土体的特性向比较好的方面进行转化。例如超前注浆以及深层注浆，均可以在加固土体的同时改善土体的特性。

3.地下水的排放

在进行隧道开挖的过程中，由于断面所处位置较低，地表水会很容易的进行渗透，从而对隧道开挖面进行渗透。但是也不能够为了一味的排水，进行地下水的抽排，这样将会使得一些特殊的地层发生土层超固结，从而造成土层大面积的下沉。所以，在进行地下水排放时应当按照需求进行抽放。

4.格栅网喷支护

进行支护时，如果采用的格栅网喷，就必须掌握好几个主要节点位置的安装，主要包括：使格栅的连接处满足焊接的要求，在进行连接时除了按照要求之外还应确保螺栓的链接的稳定。各个格栅的锚杆都应当进行严格的打设，并进行注浆操作。同时在喷砼之前，施工人员应当将集水以及淤泥进行及时的处理，确保工作面干净，从而确保地基有足够的承载力。除此之外，还应进行二次注浆管的预埋，以便进行后续的施工操作。

六、结束语

综上，在对城市地铁隧道施工所带来的地面沉降问题上，施工人员应对地铁隧道施工现场做出仔细的分析，对容易造成地面沉降的环节上进行合理的设计，从而防止地面沉降的发生。

参考文献：

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[2]阳军生，李建生,傅金阳.隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发[J]. 地下空间与工程学报，2011(01)：47-49