地层特性对盾构法隧道施工地表沉降的影响研究

张立民

北京城乡建设集团有限责任公司

1 引言

随着我国隧道工程数量的不断增加，特别是地铁道路建设的不断发展，极大地推动了我国隧道建设施工技术的提升，使得各种隧道施工建设技术迅速地得到了实践应用并完善。盾构法作为一种比较成熟的隧道施工建设技术，具有安全快捷、环保成熟的优势特点，是一种广泛使用的隧道施工技术。当然，由于各种施工环境以及地层特性的影响，盾构法施工建设技术在其具体的应用时需要进行相应的参数调整，选择适合的盾构机，根据实际情况确定施工的具体流程和方式。下面通过对盾构法的简单陈述，探讨地层特性对该技术在隧道施工建设过程中的地层沉降影响问题。

2 盾构法

隧道工程的建设难度往往比普通道路工程建设难度要大很多，因此就针对隧道工程建设施工出现了相应的施工建设技术，其中比较实用有效，并且效果良好、安全稳定的盾构法是传承比较久远的一种隧道工程施工建设技术。早在200年之前，盾构法就已经应用在了铁路隧道的施工建设过程中，为当时的隧道工程建设提供了很大的助力。盾构法的实质是一种暗挖施工方法，这种施工技术的核心是盾构机械，也就是说盾构法的工作核心是盾构机，盾构机的主要部件是盾构外壳以及盾构管片，用来支撑隧道挖掘施工时四周地质结构，防止出现坍塌的现象，是一种一边进行隧道工程施工建设，一边挖掘前进的机械化施工手段。它的基本原理很容易理解，就是采用一个专门的机械进行挖掘并支撑隧道，然后通过施工队伍的巩固建设使得挖掘过后的部分固定，从而使得隧道建设能够顺利开展和进行。

盾构机是盾构法的核心机械设备，其本身具有非常有力地支撑结构和部件，根据不同的施工建设要求，有着不同的型号和类别，能够完全抵挡住来自隧道内部的外向水压力和地层压力，给隧道工程的施工建设提供一个坚实可靠的施工环境，另外辅助挖掘设备，一边进行挖掘作业，向前推进，一边进行隧道建设施工作业，巩固挖掘过后的部分。大多数的盾构机成圆形和椭圆形，这是为了更好地提供支撑力，当然根据不同的施工环境，也会设计出其他类型的盾构机。

盾构法之所以能够得到广泛的应用，是由于其具有独特和巨大的优势，其中最突出的就是，盾构法能够为隧道的施工建设以及后期的装修运转提供足够安全的施工环境，这是隧道施工建设最为注重的一点。另外就是盾构法隧道施工技术在进行施工建设过程中，不会影响到地面的正常作业，比如目前进行地铁工程建设时，许多隧道都处于道路下方，这样利用盾构法进行隧道建设，就不会对地面上的道路正常运转产生影响，这也是盾构法非常受欢迎的一点。另外盾构法隧道施工建设不会给周围环境以及地下管线、地面建筑产生较大的影响，产生的噪声以及各种环境危害比较小，并且盾构法施工建设不受气候的影响。因此盾构法到目前为止，仍然是隧道施工建设广泛应用的一种技术手段。

3 不同地层特性环境下盾构法施工的地表沉降

利用盾构法进行隧道的施工建设，盾构机挖掘前进时，往往会导致一定的地层形变，如果没有很好地应对这种地层形变现象，不采取合理有效地手段应对处理地层形变问题，很可能会导致地表沉降，甚至导致盾构机无法继承巨大的地层沉降压力，而使得隧道坍塌。因此在进行隧道建设过程中，应用盾构法施工建设技术就要着重考虑和应对地层形变问题。其中最重要的一点就是在利用盾构法施工建设之前，对地层特性进行分析，通过详细全面地地层特性分析，结合大量的实践经验，选择最合理地盾构机以及最实用的施工方法和流程。

利用盾构法进行隧道施工时，盾构机前进挖掘而导致的地层情变主要划分为三个阶段：第一个阶段是盾构机前方隆起或沉降；第二个阶段是施工沉降；第三个阶段是固结沉降。在对不同地层特性环境下，盾构法隧道施工的地表沉降问题分析时，主要对这三个过程产生的沉降问题进行分析研究。

由于隧道施工建设所处的环境各有差别，千变万化，每个地区都有其独特的地层特性，因此在施工前必须对当地的地层特性进行严格紧密的勘察和分析。通常在盾构法的地层特性分析过程中，将不同地层环境划分为复杂地层环境，软土层地层环境，软硬不均地层环境等。面对各种地层特性不同的施工环境，盾构机的挖掘前进工作往往会产生非常大的差异，施工过程的具体流程和内容也会有较大的区别，正购机的选择以及型号类型也会有较大的差异，在施工过程中产生的地表沉降问题更是有着非常明显的区别。

比如在比较复杂的地层特性环境中，由于地层的强度分布比较复杂，盾构机的挖掘前进需要考虑的参数和因素有很多，需要考虑的压力因素也有很多，这样地层沉降问题，就需要非常烦琐的计算和分析才能比较准确地确定其一定的沉降数据，这样的情况是非常不准确，也不稳定的，因此就需要选用合适的盾构机并非这种复杂的地层特性和施工环境。特别是在复杂地层特性环境下，地表沉降的问题更是非常的复杂，需要采用合理地应对方式，逐渐完善盾构法隧道施工技术针对这一情况的应对措施。

在软土层的施工环境中，无论哪一种隧道施工建设技术，都会导致地层运动，从而引起一定的地层坍塌、地表沉降问题，这是由于软土层的本身承受力比较分散，其土质颗粒在进行施工过程中，往往会经历分散再巩结的过程，这就导致了施工地层首先会出现一定的坍塌，然后经过和巩固措施，使得软土层受到支撑和巩固作用，最终呈现出一定的地表沉降。而应对，这种地表沉降就需要对软土层进行详细的分析研究，对其具体的受力情况进行严谨的分析，选用合理地盾构机和施工方法，然后通过合理地手段对地表沉陷进行弥补和巩固，并进行一定的恢复，当然也可以通过有效地措施和方法，尽量减少地表沉降的程度，降低后期巩固弥补作业的难度，最大可能地对地表沉降进行控制。

总之在不同地层特性环境下，进行隧道施工建设时出现的地表沉降问题，是无法避免的一种必然性状况，这需要我们通过严格的地层特性勘察分析，选择合理科学的施工方法技术，规划有效地施工流程，全方面应对地表沉降问题，使得隧道工程施工建设的地表沉降问题，得到最大限度地应对和解决。在软土层的隧道工程施工建设过程中，需要注重盾构机的出装速度，盾构机的掘进速度，各个工序之间的匹配衔接情况，注浆流程和方式以及压力参数的考量和设定，事故应急预案的设定，盾构机设备的维护，这些都是需要考虑和完善的内容，是降低软储层地层特性环境下隧道发生地表沉降问题的重要影响因素。应对不同的地层特性，有着不同的关注点，其核心都是为了更好地推动隧道工程的顺利施工，保证地表沉降问题能够得到更好地解决，使得地表沉降带来的影响最小化，从而全面推动隧道工程的施工建设。

4 不同地层特性环境下盾构法应对地表沉降问题分析

盾构法隧道施工建设技术，经过长期的实践总结，已经逐步发展完善成为一项比较全面系统的隧道施工建设技术，针对地表沉降问题，有着各种各样的应对措施，比如专门的施工流程，不同类型的盾构机的选择，专业的施工技术设备等。通常情况下，这些不同设备方法流程的选择，需要结合对施工区域地层特性等信息的考察，需要结合隧道工程施工建设要求和规范等内容。下面简单分析根据不同地层特性因素，不同盾构机类型和施工流程、方法技术选择。

4.1 盾构机的选择

通常情况下盾构机的类型主要分为两种，一种是复合式土压平衡盾构机，另一种是泥水加压式平衡盾构机。通常情况下，复合式土压平衡盾构机进入在复杂的土层特性环境下，这种类型的盾构机能够更好地针对复杂土层特性环境下的地表沉降问题，通过向土体中注入一些泡沫剂等塑性材料，使得盾构机切削下来的土体充分搅拌，并形成一定的塑性体，然后在挖掘过程中控制真钩机的前进挖掘速度以及排除速度，并进行不断地调整工作，使得前进速度和排毒速度保持协调一致，然后利用塑性体使得盾构机能够获取一定的平衡压力，使得盾构机在前进挖掘的工作过程中，更好地保持平衡状态。这种复合式土压平衡盾构机通常应用在比较复杂的土质环境工程中，其配备的塑性材料需要根据其地质特性和土层条件来配置，需要全面地了解具体的地层特性信息，进行详细的地质勘查，从而更好地为降低地表沉降问题作出帮助。

复合式土压平衡盾构机也经常运用在上软下硬类型的地层结构环境中，而针对一些软土层的隧道施工建设环境，则需要一些特定的盾构机刀盘进行作业，这样能够使得挖掘速度和初读速度能够更好地匹配衔接，这样能够更好地保持盾构机的稳固前进，使得地表沉降问题能够得到一定的控制。另外泥水加压式平衡，盾构机也有自身的特点和优势，相对于土压平衡盾构机来说，更常应用在软土层的施工建设过程中。

当然，针对具体的盾构机类型以及盾构机具的选择，应该切实的结合施工现场的地质条件、地层特性、施工要求以及地表沉降问题等因素，选择出最合理地盾构机类型和机具类型。

4.2 施工技术方法的选择

不同的盾构机类型和施工环境有着不同的施工流程和方法，其中比较关键的有以下几个内容。首先是盾构机的模式选择，比如土压式平衡盾构机就有三种常用的应用模式，敞开式平衡模式、半敞开平衡模式以及土压平衡模式。比如针对全断面岩层地层特性环境的情况进行施工时，就可以选择敞开式的挖掘前进模式，针对一些比较柔软的软土层地质特性，结构环境时，就选择土压平衡模式。不同的模式有不同的优点和特性，需要结合实际情况来选择和确定。

另外就是盾构机挖掘前进参数确定问题，这需要在施工建设之前进行地质特点的分析和施工要求的判断，确定初步的参数设置情况，比如盾构机的前进、推力、姿态、速度参数的选择和确定，然后在电动机的实际工作过程中进行不断地调整。

当然还有许多其他的技术要点和施工方法手段，这些不同的技术要点和施工方法手段都需要结合施工区域的地层特性以及施工要求，认真严谨的进行分析判断，选择最合理科学的方法和设备，更好地推动隧道工程的顺利进行，降低地表沉降以及地表沉降带来的影响。

5 结论

不同的地层特性对于隧道工程的施工建设来说有着很大的区别，应用盾构法进行隧道工程施工建设，就更需要考虑不同地层特性对工程建设带来的影响，其中地表沉降问题更需要值得我们去重视，认真对待，不断地通过分析总结、实践探索，找到更加完善的盾构法隧道施工建设方式，推动我国的隧道工程施工建设进一步的发展完善。