长沙地铁3号线盾构施工法引起的地表沉降及控制因素分析

彭再高 尹小波

摘 要：本文主要研究长沙地铁3号线盾构施工法引起的地表沉降规律，并探讨盾构施工法引发地表沉降的主要控制因素，得出长沙地铁盾构法施工的地表沉降的典型特点。结果显示：雅长区间的地表不均匀沉降主要发生在盾构区间的首段和尾段。因此，长沙地铁盾构施工过程中应积极采取相应的工程措施，优化设计方案，防止水岩相互作用而导致的涌水涌沙，合理设置土仓平衡压力，配置渣土改良系统，提高土仓中砂卵石土的流塑性和止水性。

关键词：盾构施工；地表隆陷；控制

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0124-03

Analysis and Control Factors of Surface Subsidence Caused by

Shield Construction Method on Changsha Metro Line 3

PENG Zaigao1，2 YIN Xiaobo1，2

（1.School of Earth Science and Information Physics， Central South University，Changsha Hunan 410083；2. Key Laboratory of Metallogenic Prediction of Nonferrous Metals and Geological Environment Monitoring（Central South University）， Ministry of Education，Changsha Hunan 410083）

Abstract： This paper mainly studied the ground subsidence law caused by the shield construction method of Changsha Metro Line 3， and discussed the main control factors of the ground subsidence caused by the shield construction method， and drawed the typical characteristics of the ground settlement of the shield construction method in Changsha subway. The results showed that the uneven settlement of the surface mainly occured in the first and the end of the shield interval. Therefore， in the course of the construction of Changsha metro shield， the corresponding engineering measures should be taken actively to optimize the design scheme， prevent water and rock interaction caused by water gushing and sand flow， set the balance pressure of the soil bin reasonably， configure the residual soil improvement system， and improve the flow plasticity and water stop of the sand gravel soil in the soil bin.

Keywords： shield construction；ground subsidence；control

1 研究背景

地铁施工引起的地表沉降问题一直以来都是工程界非常重视的问题。对地表沉降的监测和控制是保证地铁施工安全的重要手段。进行监测的目的是对施工所引起的地表沉降进行控制，为地铁盾构施工提供指导。地铁施工引起地表沉降的根本原因是施工对周围土体的扰动。盾构推进过程中产生的地面变形由以下五个部分组成：①盾构到达前的地面变形，主要是由于土体受挤压其有效应力增加而引起的；②盾构机到达时的地面变形，主要是由于盾构推进引起土体应力状态改变而产生的变形；③盾构机通过时的地面变形，是由盾构机与土体间产生的剪切应力使地面变形变大引起的；④盾构通过后的瞬时地面变形，主要由建筑空隙造成的；⑤地表后期固结变形，主要由盾构推进对周围土体扰动引起的[1]。

2 长沙地铁3号线雅长区间地表沉降分析

笔者在搜集雅長区间地表沉降监测数据的基础上，绘制了长沙地铁3号线雅长区间左线纵向监测断面的地表沉降曲线分析图（见图1）。从图1可以看出，雅长区间盾构施工起点处的地表沉降结果为隆起，在掘进至30环左右时，地表又出现明显沉降，在40环左右达到了全区间的最大沉降量-60mm，之后沉降曲线出现振荡，直至盾构掘进至150环后，地表沉降才趋于平稳。而在盾构施工结束位置，地表再次出沉降，曲线再次出现振荡。

在分析雅长区间纵向剖面地表沉降曲线的基础上，分别选取典型地表沉降监测点绘制地表沉降随时间变化的曲线图（见图2、图3和图4）。

从图2至图4可以看出，地表沉降曲线在盾构区间的不同位置展现出的发展态势也明显不同。主要表现为：在盾构区间的起点和中间位置，地表沉降最终值表现为正值。其中，起点的最大沉降量达到+100mm左右，沉降量相比其他断面来说较大；而中段监测点的最大沉降值为+2.5mm。在盾构区间结束位置，地表隆陷变化曲线则表现为负值，其最大沉降量达到了-32mm。由此可以得出，在盾构区间的不同位置，地表沉降曲线存在明显不同。笔者结合施工资料，得出在L20监测点盾构机达到时间为2016年7月17日，而此时盾构机位置正好在监测点正下方。此时的盾构出土量为69m3/d，同步注浆量为6m3/环，同步注浆压力为3.5bar，盾构机推力为12 800kN。可见，各施工参数都趋于稳定，因此可推断出此段沉降的主要原因是盾构机本身与土体发生剪切运动而产生的剪应力使土体发生沉降，注浆量偏少可能是地表沉降产生的次要原因。据雅长区间岩土勘察报告得出：与区间其他区段不同的是，此段隧道顶板正好穿透了工程性质较差的第四系上更新统冲积层的砂卵石层。该层围岩等级为Ⅵ级，自稳能力较差，加之该层渗透能力较大，土仓内不易形成不透水流塑性状态的碴土，导致难以建立土压平衡，这也是该监测点此时出现沉降的原因。而在2016年7月25日之后，由于地层上软下硬，地表下面出现脱空现象，施工方再次实行了二次注浆与地面注浆加固，使得此段沉降曲线迅速回升，而后监测曲线达到稳定。

图3的监测曲线为盾构区间的中部，此时的盾构隧道穿越地层为工程地质性质较好的中元古界冷家溪群中风化板岩。盾构穿越此断面时的出土量为69.6m3/d，同步注浆量为5m3/环，盾构机推力为6 800kN。从全线监测数据来看，地表隆陷已经趋于稳定，监测数据存在稍微隆起，最大值为+2.5mm。

图4中地表隆陷曲线接近于经典的地铁盾构施工引起的地表沉降曲线。此段监测点的地表沉降分别包括初期沉降、开挖面沉降、通过沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降五段[2]。盾构机通过此监测断面时出土量为63.2m3/d，同步注浆量为6m3/环，盾构机推力为14 000kN，施工参数在L1050监测断面前后保持稳定。

3 结论

地表沉降问题一直以来都是地铁施工过程中最为重要的问题。本文对长沙地铁3号线的施工监测数据进行了深入分析，结合岩土工程勘察报告及施工资料得出以下结论。

①长沙地铁3号线雅长区间左线盾构施工发生的不均匀沉降主要出现在盾构施工区间的首段和尾段。盾构区间首段由于受到隧道顶板穿越砂卵石层的影响，地表沉降问题最为严重。土层工程地质性质差是其地表沉降的主要原因。在后期施工过程中，由于施工方积极采取了二次注浆等工程措施，控制了地表沉降，保证了地铁施工安全。

②长沙地区水资源丰富，地下水位埋深较浅，地铁施工尤其要注意地下水的影响。单从本区间的地表沉降监测数据来看，隧道顶板穿越的工程地质性质差的砂卵石层是引起地表沉降量增大的主要因素。由于该砂卵石层透水性强，土仓内不易形成不透水的流塑性状态的碴土，导致难以建立土压平衡机理，使土仓压力不稳定而造成地表塌陷，甚至还可能形成涌水或涌沙等工程地质灾害，从而使整个工程失稳塌方[3]。因此，在施工時要合理设置土仓平衡压力，配置渣土改良系统，提高土仓中砂卵石土的流塑性和止水性，防止涌水、涌砂现象的发生，保证开挖面稳定，建立土压平衡，从而避免地表沉陷。当地表沉陷过大时，应及时采取二次注浆措施。

参考文献：

[1]徐永福，孙钧.隧道盾构掘进施工对周围土体的影响[J].地下工程与隧道，1999（2）：9-13.

[2]何自珩.双线盾构隧道地表沉降规律研究与沉降预测[D].长春：吉林大学，2017.

[3]长沙市轨道交通3号线一期工程KC-3标段工农路站至长沙大学站区间详细勘察阶段岩土工程勘察报告[Z].广州：广东有色工程勘察设计院，2013.