地铁盾构施工地表沉降及其控制措施

张中阳

摘 要：随着城市建设规模的增加，地铁施工也越来越多。因为地下施工导致的地面沉降等问题随之增多，给城市环境、交通和人民生活带来负面影响。文章围绕地铁盾构施工中地表沉降问题进行讨论，阐述了发生沉降的主要运营和不同阶段地表沉降的特点，其次对地表沉降影响因素进行了分析，最后对如何实施有效防范措施，加强地铁盾构施工地表沉降控制提出自己的看法和建议。

关键词：地铁；盾构施工；地表沉降；注浆；土压力

引言

地下铁路是现代城市交通体系重要的组成部分，在城市建设、经济发展和提高人民生活水平方面发挥了重要作用。由于地铁主要设施位于地面以下，使得地下施工成为地铁建设工程的主体。在地铁地下施工过程中，地面沉降、塌陷和开裂等问题时有发生，不仅造成城市环境破坏，也给地铁工程自身带来巨大安全隐患。在地铁工程中，盾构结构施工往往会引发地表沉降现象，针对地铁盾构施工地表沉降问题进行深入研究，制定安全防范措施，对应数量和规模不断呈现上升趋势的地铁工程来说无疑是十分重要的。

1 地铁盾构施工过程中地表沉降原因分析

大量实际统计数据表明，地铁盾构工程中引发地面沉降的原因包括施工造成的地层损失、地铁盾构隧道附近地层因为遭受扰动和剪切破坏而导致的重塑土再固结等。在众多地面沉降现象中，施工地域地层受盾构推进造成的挤压、超挖以及盾构尾部压浆的影响而发生扰动，从而导致地铁隧道附近的地层形成正、负超孔隙水压力，最终导致的地层沉降称之为固结沉降。根据形成机理不同，固结沉降包括主固结沉降和次固结沉降两种沉降方式。受超空隙水压力消失影响导致的土层压紧密实形成的沉降是主固结沉降。因土层骨架结构发生蠕动使土层在剪切力作用下发生变形导致的沉降是次固结沉降。

2 不同施工阶段地表沉降特点概述

随着地铁盾构施工的不断推进，因其引发的地表和土体沉降也在不断发生着变化，根据施工进展，与其对应的地表沉降也随之分为五个发展阶段，即初始沉降、开挖面前方变形、盾构通过时、盾尾空隙沉降、后续沉降。

2.1 初始沉降阶段

当盾构机运转挖掘前进时，地下水流原有结构发生破坏，地下水位发生下降，从而导致附近一定范围内地面发生沉降，从开挖路线前方某处发生沉降，直至挖掘面到达该处，这一过程的沉降称之为初始沉降阶段。

2.2 开挖面前方变形阶段

当挖掘面逐渐接近前进路线上某处时，在距离该点几米时，会导致该处附近地面发生沉降和隆起，这一现象从出现直至挖掘面到达该处这一过程称之为开挖面前方变形阶段。导致这一现象的原因是盾构机推力不稳定，开挖面土层压力忽高忽低，不断发生变化造成的。

2.3 盾构通过时沉降阶段

从开挖面到达前进路线某处，直至盾尾到达该处，这一过程中发生的沉降称之为盾构通过时沉降。导致其发生的原因是盾构机经过时对土体造成的剧烈扰动。

2.4 盾尾空隙沉降阶段

当盾构机盾尾经过前进路线上某处时，由于盾尾间隙内的土体突然失去来自盾构的支撑作用，或者由于管片壁后没能按時施工要求进行注浆导致附近土壤应力释放都会造成沉降发生。这一阶段的沉降称之为盾尾空隙沉降。

2.5 后续固结沉降阶段

盾构机经过以后，经受扰动的土地发生固结和蠕变后续实效变形造成的沉降称之为后续固结沉降。

3 地铁盾构施工过程中地表沉降影响因素分析

3.1 注浆作业对地表沉降的影响

注浆作业是地铁盾构施工的重要组成部分。而注浆作业的好坏对于因盾构施工造成的地表沉降有着至关重要的影响，因而在地铁盾构施工中，注浆作业往往作为控制地表沉降程度主要措施。注浆作业中，对地表沉降影响突出的因素主要包括注浆压力的大小、注浆量的多少、有效注浆范围、加固体强度提高加值以及后挖隧道的扰动等。

3.2 盾尾空隙对地表沉降的影响

盾构机在土层中推进施工时，随着盾构机的挖掘运动，盾尾钢壳与地表土壤会呈现出周期性的紧密贴实和分离。当盾尾与土壤发生分离时，在注浆作业没用及时跟进发生效用的情况下，与盾尾发生分离的土壤会因为失去支撑压力而发生位移、崩塌等现象，随着土壤的运动与位移，盾尾与土体间的空隙再度被填满，土壤受力再次达到平衡。这一过程也是影响地表沉降的重要因素。

3.3 地表硬壳对地表沉降的影响

在城市环境进行地下施工，地面表层和地下深层土体往往呈现出不同的特性。理论计算结果和大量实际测量数据都表明在正常的盾构推进施工中，地面表层和地下深层土体所发生的沉降呈现一致性，但相对于地面表层，地下深层土体的沉降程度更加距离，受施工影响更加突出。这是因为城市环境下，地面表层往往由混凝土地面、柏油路路面等较为坚硬的材质构成，变形模量、抗弯刚度及抗变形能力等远大于地下深层土体。在受到相同作用时发生沉降的程度更低。由于这个原因，许多沉降外表看来并不明显，但实际上地面表层已经与其下方的地下深层土体发生分离，形成巨大空隙，从而给施工安全带来更大的安全隐患。

3.4 其他方面对地面沉降的影响

除了上述因素外，盾构纠偏、盾构发生临时停顿或后退、推进速度以及出土量发生改变等技术问题，都会对地表沉降产生影响。由于这些因素过多，且其影响不具有普遍性，所以文章就不再赘述。

4 做好地铁盾构施工地表沉降的防范措施

4.1 切实做好注浆作业

4.1.1 严格控制注浆速度

为保障注浆效果，浆液填充速度要尽可能与盾构机挖掘速度保持一致，最大限度降低盾尾空隙的产生，从而避免由于盾尾空隙造成的沉降。需要注意的是，如果注浆速度过快，会导致盾尾漏浆现象发生，也会对施工造成不利影响。具体注浆速度要根据施工实际情况确定。

4.1.2 准确把握注浆时间

从上面沉降原因分析可以看出，注浆的不及时是导致沉降发生的重要原因。在盾构施工时，必须把握好注浆的时机，一般情况而言，最理想的注浆时机应该是管片脱开盾尾的时间。

4.2 科学设置掘进土压力参数

盾构施工中需要重点控制的土压力参数包括地层土压力、地下水压力和预备压力三个参数。根据施工要求不同，压力参数的确定方法也不一样。对于深埋隧道施工，由于不确定因素较多，难以精确计算，可在遵循相关设计规范的基础上，结合试掘进期间取得的数据进行确定。浅埋隧道施工需要计算的土压力较多，需要按照各自相应的公式计算，然后结合以往经验进行选择。

5 结束语

综上所述，地铁盾构施工造成的地表沉降问题无法完全避免，但在对沉降机理和影响因素的深入分析的基础上，可以通过科学有效的措施予以控制和减轻。随着我国城市现代化建设步伐的逐步加快，地铁工程建设事业必将迎来更大的发展空间。技术人员要认真分析地下施工对周边城市环境的影响，不断开发出效果更好、成本更低、更加简便易行的控制措施，确保地铁施工的顺利进行和城市生活的和谐安宁。

参考文献

[1]邓温妮，黄茂松.盾构隧道施工引起地面沉降的分析方法[J].湖南大学学报，2008，11.

[2]韩学诠.盾构施工地面沉降控制[J].铁道建筑技术，2009，6.