探究城市地铁盾构隧道地表沉降

陆松

摘要：地铁盾构隧道是城市建设工作的重点，以现阶段城市化建设工作情况为基础，结合近年来地铁盾构隧道施工特点，明确地表沉降的发展过程，分析城市地铁盾构隧道地表沉降的特点和实施方案，以此为城市构建地铁提供有效依据。

Abstract： Subway shield tunneling is the focus of urban construction work. Based on the urbanization work at the current stage， combined with the construction characteristics of subway shield tunneling in recent years， the development process of surface settlement is clarified， and the surface settlement of urban metro shield tunnel is analyzed. The characteristics and implementation plan provide an effective basis for the construction of metros in cities.

关键词：城市；地铁；盾构隧道；地表沉降

Key words： city；subway；shield tunnel；surface settlement

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）17-0151-03

0 引言

城市地铁隧道应用盾构法进行施工，在推动盾构机时必然会带来隧道上方地表沉降的问题，且在隧道施工和运营过程中，也会构成隧道升降，直接影响周边地面建筑与地下设备的应用。由此，在施工中如何控制施工对周边土体的影响，研究地表沉降的发展过程，是隧道施工的重要课题，对城市地铁建设工作而言至关重要。

1 地表沉降的发展过程

1.1 地表沉降的原因

应用盾构法建设时，必然会带来地层损耗和盾构隧道受到影响，或剪切破坏的重塑土的在固结，这也是地面出现沉降的主要因素。导致地铁盾构施工出现地表沉降原因主要分为以下几点：其一，开挖面土体移动；其二，盾构后移；其三，土体挤入盾构缝隙中；其四，变化施工的方向；其五，在盾构外周粘着一层土时，盾尾后隧道管片外周环形空隙会扩大，例如不需要增加压浆量，地层的损耗非常严重；其六，在土压力影响下，隧道管片出现的变形也会带来必定的地层损耗；其七，隧道管片衬砌沉降过高的过程中，会带来难以忽视的地层损耗问题；其八，影响土体固结沉降。

1.2 地表沉降发展过程

盾构在挖掘不同地层的过程中，带来的地表变形可以分为五个阶段：先期沉降、开挖前、通过时、盾构间隙以及后期，出现问题的原因具体如下：其一，先期。出现地表沉降的原因在于地下水位下降，孔隙水压力降低，围岩有效应力提升，最终出现压缩、压密以及下沉等问题；其二，开挖面前沉降或隆起。在这一阶段出现地表沉降的主要原因在于工作面处受到压力影响，过高时很容易隆起，过低时又会出現沉降，围岩应力得到拓展，影响负荷土的压力，最终出现弹塑性变形；其三，通过时。在这一阶段出现地表沉降，是因为受到施工的影响，盾构与围岩间剪切错动，掉渣，人为因素影响地基土的结构原状，最终出现压缩问题；其四，盾构空隙沉降。在这一阶段出现地表沉降是因为围岩失去支撑力，管片背后的注浆不符合规定，应力释放，最终出现弹塑性变形；其五，后期。这一阶段出现地表城建的原因在于结构变形、地层受到人为因素的影响，空隙水压降低等，土体固结，最终出现压缩和蠕动下沉的问题[1]。

2 地表监测与沉降管理

2.1 监测基准值

结合实践案例和工作经验的对比研究可知，设计的监测基准值如表1所示。

2.2 测点设计

其一，地表沉降与地下管线的安全检查。在设计地表沉降点时，结合隧道轴线每隔五米的距离就设计一个沉降点，横向沉陷测点结合每隔五十米的距离就设计地表沉降点。沿着区间隧道施工影响区域的重要地下管线上方地表纵向相隔三十米就设计一个测点。

其二，地面建筑物检测。在区间内的隧道两侧距离隧道边线有十五米，尤其是对隧道两边十米范围的建筑物而言更好实施检测，测点要设计在建筑物的基础或者是承重柱上。

2.3 沉降控制方案

管理地表沉降问题的方案主要分为以下几点：其一，调查与研究地层状况与沿线周边的建筑物。若想在施工阶段全面管理地面沉降问题，要先在构建盾构隧道之前，对施工现场周边的地层状况与沿线周边建筑物进行调查和研究；其二，土仓压力的设计。在隧道挖掘过程中，土仓压力的设计是至关重要的数据信息，若是设计的数值过小，很增加地面下沉的数量，若是设计的数值过大，很容易让地面出现隆起问题；其三，盾尾同步注浆数据的设计。在盾构挖掘时，要选择正确的时间注浆，并保障注浆的数量符合规定，这项工作是管理地表沉降或隆起的重要方案；其四，隧道挖掘阶段的测量管理。测量信息有助于直接展现地表沉降的变化，检测信息也可以为施工者提供依据，明确沉降量过高的位置，促使其及时调节施工效率，调节盾构的数据，提升地表沉降工作的效率和质量[2]。

3 工程案例研究

某城市在盾构施工阶段，工程是由一组双线单圆盾构区间隧道构成，隧道包含了上下两行线，区间隧道引用了德国海瑞克公司设计的土压平衡盾构机进行操作。两条隧道是由两个不同的施工单位进行操作，因为施工经验和操作技术存在区别，所以施工阶段有关控制地表沉降的工作也存在差异性，其中主要分为以下几点：

3.1 地质条件与隧道检测

隧道挖掘阶段主要是灰色淤泥质黏土层④层与灰色粘性土⑤-1-1层，土性平衡；土质展现出饱和的软流塑状，具备高压性和低透水性，也是盾构挖掘的优质地层，但是因为其具备较高的含水量，孔隙比大，强度低等特点，所以很容易出现流变的情况。土层的黏粒含量要高于百分之十，施工也不会出现液化的问题，但若是受到高黏粒含量的影响，也会出现流变。

隧道挖掘阶段的检测工作包含了坑内与坑外，主要是对施工现场的周边建筑或者是地质条件等进行检测，并依据实际检测信息科学调节盾构的数据。

3.2 上行线盾构挖掘检测

图1是上行线隧道挖掘阶段的地表沉降数值，0～200m代表隧道的长度。

通过上述研究分析可知，隧道开挖对地表沉降的影响主要展现为以下几点特点：其一，盾构主要在灰色淤泥粘土中挖掘，如图所示，整体隧道地表沉降都处于+17～-65mm之间（加号代表隆起，减号代表沉降），整体隧道的轴线正上方大部分沉降可以稳定在+30mm，符合施工建设的要求；其二，隧道挖掘地表沉降最大的数值出现在隧道口，也就是隧道挖掘施工的开始，这一阶段出现最大的沉降数值有下述几点原因：第一是受到周边给水管线施工的影响，出现较大的沉降，第二是盾构进站过程中调节盾构形式的需求，致使地表沉降情况严重，第三地质勘探孔的冒浆，会让地层受到影响；第三，除了盾构的开头存在严重的地表沉降外，在盾构施工阶段，因为这一区域的地质条件不好，大都是流塑性钻粘土，所以也会增加实际沉降情况[3]。

3.3 下行线挖掘至不同进深地表沉降的影响

图2和图3是下行线挖掘至不同进深阶段的地表沉降数值，其中3～57m代表隧道的程度。

通过研究上图可知，隧道挖掘到不同进深对地表沉降构成的影响主要展现为以下几点特点：其一，随隧道逐层挖掘，隧道口的地表沉降数值也在持续上升；其二，隧道挖掘阶段，整体区域都有地表沉降的情况出现，其中每挖掘一段，其地表沉降就会产生大约有隧道直径六倍的影响，在六倍=隧道直径之外的地表虽然有轻微隆起，但影响不大，可以不用研究[4]。

4 总结

通过上述实践案例的研究分析可知，控制盾构挖掘对降低地表沉降的影响有积极的引导作用，其中操作方案如下所示：其一，推广信息化施工。在挖掘时，要第一时间向盾构机操作工作者传递检测获取的各项信息，确保其可以正确调节盾构机挖掘的数据，以此管理地表的沉降或隆起；其二，导致地表展现出严重的沉降问题，一般会在开挖的初期中出现。对长隧道而言，地表沉降的最大值会出现在隧道的前期施工中，所以施工团队要对这方面进行深入研究和分析；其三，挖掘隧道时，在盾构推进时会影响其工作方向一定区域内的土体隆起，在这一阶段施工团队要注重观察施工上方的管线和建筑物变化[5]。

5 结束语

综上所述，现阶段有关隧道开挖地面沉降的研究虽然获取了一定成绩，但由于土体本构关系非常复杂，工程建设工作较为繁琐，其中依旧存在很多现实工程问题需要解决。因此，施工团队在接下来的发展中，要加大研究，从多角度入手，结合新时代环境提出的需求，构建全新的工程建设理念，以此为城市盾构隧道施工的有序进行提供保障。

参考文献：

[1]李怡哲.盾构施工沉降演化规律及其控制研究[J].武汉工程大学，2016.

[2]陆征宇.软土地层地铁盾构施工风险评估与控制方法研究[J].西安建筑科技大学，2015.

[3]江英超，何川，胡雄玉，方勇.砂土地层盾构隧道施工对地层扰动的室内掘进试验研究[J].岩石力学与工程学報，2015，32（12）：2550-2559.

[4]李博.深圳地铁龙岗线盾构隧道穿越桩基施工的数值模拟研究[J].上海交通大学，2015.

[5]李泽荣.地铁盾构施工引起地表沉降的数值模拟研究[J].西安科技大学，2015.