浅谈盾构法施工对地表沉降的影响

曲直　何星星　李杰

摘 要：盾构法施工在城市地铁建设中扮演着重要的角色，以其安全、智能、快捷、地层适用性广等优势应用于大多数的地铁建设中。然而由于地质条件或人为因素会导致地层的沉降。本文从盾构法的施工原理出发，就沉降的原因、规律进行分析，并得出了控制沉降的方法。

关键词：盾构法施工、地表沉降、沉降监测

1. 引言

随着城市的发展，建设地铁的城市越来越多，地铁作为缓解市中心交通的一种交通方式，因此兴建地铁，必将经过这些建筑物密集的繁华地区。目前，地铁开挖的方法有明挖法、暗挖法、盾构法等，在建筑密集的地区必将使用盾构法，盾构法施工引起的土体沉降在工程中是无法避免的，当引起的沉降量过大时，将会导致周围建筑物和地下管线遭到破坏，因此研究盾构施工对土体变形的影响尤为重要。

2.盾构法施工原理

盾构法的主要施工工序是：开挖、支护、注浆。

首先在隧道的某一个端口开挖一个竖井或基坑，以便于盾构机的安装与就位。在底层中盾构机沿着设定好的轴线施工开挖，从竖井或基坑出发，向另一竖井、基坑或预留孔洞推进。利用盾构机进行开挖土体，盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环隧道初砌机具。为了防止隧道及地面的沉降，应当及时的在盾构机尾部的开挖坑道周围与初砌环外周围的空隙注入足够的浆体，盾构机在掘进的过程中土体不断的从开挖的断面排除。盾构掘进时会受到底层阻力，由盾构千斤顶传递到隧道的初砌结构，再传到竖井或基坑的后侧壁。除此之外，还有地下水的影响，在施工的过程中，要尽量减少对周围设施、建筑物的影响，尽量减少对周围土体的扰动，减少土体的沉降，从而使得初砌上的受力更为稳定。

3.地铁盾构法掘进引起的地表沉降规律

对于盾构施工时产生地表沉降的规律可以分为五个阶段[1][2]如图1所示。

（1）初期沉降

指当盾构机开挖的断面在到达测量的位置之前时，盾构机前往土体土体的化界面以外产生的沉降。由于初期沉降的位移量非常小，并且，有些工程不会存在这种初期沉降，所以被人们所忽视。有测试资料显示，导致初期沉降的原因是固结沉降。

（2）开挖面前沉降或隆起

指当盾构到达某测量面的时候，在这一位置之前发生沉降或隆起。

隧道的开挖方式由不同的盾构类型所决定，由于推进参数的不同，土体所受的应力也完全不同，在这种情况下，导致土压力增加或应力释放。在国际上用超载系数OFS来测量土体的稳定性。当超载系数大于1且小于4时，开挖面发生弹塑性变形，其土的损失在百分之二之百分之四之间；当超载系数小于1时，其开挖的面为弹性变形；而当超载系数大于5的时候，开挖面为塑性变形，土的损失率大于百分之四。当开挖面的支撑力大于开挖面的纵向应力时，且超载系数为负的时候，开挖的土体面会朝着盾构机位移相反的方向位移，地面将发生隆起。

（3）通过时沉降

当盾构机的刀盘外径大于盾构机外壳直径的时候，会造成超挖现象，此时的总沉降等于超挖会导致底层损失所引起的沉降与盾构机外壳用过此底层由于土体扰动导致的沉降之和。并且这种沉降受施工质量的影响。

（4）盾尾空隙的沉降

沉降发生在盾尾通过之后的位置。盾构机通过后盾尾导致周围土体被燃动，这是引起沉降的主要原因，这种现象在土力学上的表现为土体的应力释放，土的密实度下降。

由于盾构机的外径比隧道初衬的外径大2%，因此在盾构施工的过程中，如果不对这个空隙进行及时的填充，将会引起土体的下沉。掘进的过程中注浆会减少土体的沉降，注浆的填充率将直接影响沉降量的大小。

（5）后续的沉降

由于人类的活动的原因，地基会受到扰动，这将会导致土体固结和蠕变残余变形。其他四个阶段变形可以通过一些手段进行控制，以达到最少沉降量，但是，后续沉降是无法消除的，其变形量大约占总变形的5%～30%。

4.影响地表沉降的主要因素

影响地表沉降的因素有两大类[3]-[4]，分别为主观因素和客观因素。

客觀因素：

（1）地质条件。经过实际测试和实验研究均表明，地表的沉降因素随隧道的埋藏深度而变化。T.Ito等（1982）[5]指出：运用盾构法施工过程中，隧道拱顶的那一层土体的状况是引起土体沉降的主要原因。

（2）初始底层上面的荷载.影响地表沉降的最大因素是隧道上方的竖向压力，Broms、Bennemiark（1967）和Peck都做了一项相同的研究--有关稳定比的研究，都对上部荷载的影响做了分析。

（3）盾构机的性能

主观因素：

（1）注浆初衬的用量。

（2）工人的施工经验与施工中对工程的控制水平。

在一个城市的市中心运用盾构施工，建造地铁时，地表沉降的影响因素就变得多了，其沉降的程度不只受隧道的埋深、断面的尺寸以及施工的方法、支护的方式有关，地质条件也将称为引起地表沉降的重要因素。

5.地表监测及沉降控制

1、监测基准值

根据以往的工程经验、工程类比、管线的状况和结构的计算、材质、规范等要求，经统计制定了监控测量的基准值[6-10]。如下表

2、测点布置

（1）对地面沉降及地下管线的安全监测

地表沉降点要沿着隧道的轴线方向按照5m一个进行点位埋设，对于地表横向的沉降点，要以每50cm间距埋设。在施工的影响范围内的建筑物，要在主要管线上方每30m设置一个测点。

（2）对地面建筑物的监测

要在隧道两旁的扰动影响区设置监测点，一般要在隧道两侧，距隧道边线大约15米内。对于10m以内要重点监测，测点一般都布设在建筑物的基础上，或者承重柱上。

3、沉降的控制措施

对于控制地表沉降，可以总结以下几个方面[11-12]：

（1）沿线建筑物底层状况的调查。

在施工前，要对隧道施工的影响范围内，底层状况以及建筑物分布情况进行调查分析，这是控制地表沉降的首要条件。

（2）设定土仓压力。

土仓压力的设定，对地表沉降有相当大的影响。若土仓压力设定值偏大，则会导致地层隆起现象；若设定较小，地层沉降量会变大。

（3）盾尾同步注浆参数的设定。

注浆量的多少是导致沉降的一个重要指标。注浆量、注浆压力、砂浆的配合比、以及与盾尾空隙的同步性，决定着沉降量的大小。这也是控制控制隆起和沉降的主要措施。

（4）施工过程中的监测

在施工对底层的沉降量及时的进行监测，这些数据对于指导施工，达到沉降量要求有重要的指导意义。对于那些沉降量偏大的位置，要增多沉降量测量的次数。调整盾构参数，从而达到控制地层沉降的目的。

7.结语

本文就盾构施工对地表沉降的影响进行了分析，并闡述了盾构施工的盾构施工的原理、盾构施工引起地表沉降的规律、引起地表沉降的原因以及地表监测与沉降控制。希望对我国的地铁建设有所借鉴。

参考文献

[1]尹旅超，朱振宏，李玉珍等编译.日本隧道盾构新技术.武汉：华中理工大学出版社，1999.

[2]周文波编著.盾构法隧道施工技术及应用.北京：中国建筑工业出版社，2004：248～254.

[3]张印涛.盾构施工引起的地表沉降研究[D].北京I：业大学.2004

[4]李继升.北京地铁浅埋暗挖法施「引起地表沉降规律的研究[D].中国地质大学（北京）2012

[5] Ito T， Hisatake M. Three dimensional surface subsidence caused by tunnel driving. In： Elsenstein Zed. Proceedings of the Fourth International Conference on Numerical Methods in Geomechanics. Rotterdam：A A Balkema， 1982，2：551-559.

[6] 刘树山. 砂卵石地层盾构施工对建筑物的影响分析及技术措施[J]. 城市轨道交通研究，2008，（ 4） ： 39 ～ 46

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[8] 侯建增. 基坑工程安全控制探讨[J]. 中国安全生产科学技术，2009，4（ 5） ： 181 ～ 183

[9] 石杰红，钟茂华，何理，史聪灵，符泰然. 双线盾构地铁隧道施工地表沉降数值分析[J]. 中国安全生产科学技术，2006，2（ 3） ： 53 ～ 57

[10] 赵保建，姜忻良，王涛. 盾构法地铁施工地表变形分析及数值模拟[J]. 现代隧道技术，2007，44（ 2） ： 58 ～63

[11] 地盘工学会著. 牛清山，陈凤英、徐华译. 盾构法的调查·设计·施工[M]. 北京： 中国建筑出版社，2008

[12] 钟茂华，王金安，史聪灵，等，地铁施工围岩稳定性数值分析[M]，北京： 科学出版社， 2006