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摘要：当前盾构法施工已经开始逐渐的应用在我国的地铁隧道施工中，通过盾构法的使用，能够有效的提升工程的质量和进度。同时我国也在盾构技术的应用中取得了一定的成功。但是不可否认的是，在具体的应用中还存在很多的问题没有得到有效的解决，比如盾构法地铁隧道施工过程中引起的地面沉降问题。我们需要找到盾构法引起地面沉降的原因，并针对具体的原因采取针对性的措施。
关键词：地铁隧道；盾构法；地面沉降
近年来，我国城市化的进程也在不断加快，城市的规模在不断增大，使得城市活动空间变得异常紧张，尤其是给地面交通带来了十分巨大的运输压力，特别是流动人口以机动车辆的逐渐增多，导致许多城市道路交通拥堵以及交通事故频频发生。基于地面的活动空间难以满足人们的需求，开发以及合理利用城市地下空间的策略得到了国内外的一致认可。这样以来，不仅使得城市用地紧张以及交通拥挤等问题得到有效的缓解，同时对于促进社会的进步以及环境保护都是十分有意义的。因此，地铁这一交通工具目前在各大城市的得到了极大的推广普及，同时它也成为城市中不可或缺的交通出行方式。现如今，随着地铁交通的不断推广，地铁工程项目也与之增多，更多科学的施工技术在地铁的建设中得到了应用。在这些技术中，盾构法被运用到了地铁隧道建设施工中，不仅促进了我国地铁隧道施工技术的发展，同时该技术方法也极大的保障了隧道施工的质量以及施工安全。然而，地铁一般都修建在城市中心以及人流较大地段，由于地下的管线以及地面建筑的影响，在地铁隧道开挖过程中应用盾构法不可避免的会给地面稳定性造成一定影响，导致地面沉降。一旦地面沉降过于严重将会直接影响地铁隧道的施工安全以及施工质量，甚至还会使施工周围的建筑物以及路面等造成不同程度的破坏。基于此，本文查阅大量国内外相关文献，对盾构施工技术地铁隧道施工过程中容易引起地面沉降这一问题进行了探究分析，并列举案例说明，旨在为有效解决地面沉降这一问题提供相关参考依据。
1盾构法引起的地面沉降原理
在地铁隧道盾构施工过程中，会在一定程度上影响施工现场周围土层的稳定性，进而导致地面沉降发生，尤其在一些软土地铁隧道施工中地面沉降时有发生(图1)。
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1.1地面沉降的发展过程
其中，在地铁隧道施工过程中，盾构施工技术在施工中的运用会引发地面沉降，其施工沉降可以划分为以下5个主要阶段(表1)。
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1.2隧道开挖使得地层损失
在地铁隧道盾构施工过程中，由于开挖体积与隧道实际体积之间存在一定的体积差，进而导致产生地层损失。同时，在地铁隧道竣工后，一旦弥补层发生地层偏移，必将会引起地面沉降。其中，影响地层损失的因素主要有以下几种。
1.2.1开挖面土体位移现象。在盾构挖掘的过程中，开挖面土体会因为其水平应力与原始侧应力的不平衡造成盾构机上移或前移，然后土体会产生隆起现象，产生地层损失。
1.2.2盾构施工后退现象。在隧道盾构施工过程中，某些因素的发生会导致施工的暂停，当盾构机暂停时，盾构机的千斤顶装置会产生一定程度的漏油或回缩，这种问题产生的后果就是开挖面土体的松动，引发地层损失。
1.2.3有土体挤入盾尾空隙中。如果在地铁隧道外周空隙压浆过程中发生压浆量不足，压力设置不合理，以及压浆不及时等问题，这时盾尾坑道土体有很大可能出现失衡问题，进而导致土体出现移动，造成一定的地层损失。尤其是在遇到不稳定的地层含水量情况时，地层损失发生的概率更大。
1.2.4盾构推进方向发生改变。盾构技术应用在隧道施工过程中时，会时常需要进行一些曲线推进、调整转头以及进行一些纠偏推进等操作，这样会在一定程度导致盾构轴线与隧道轴线角度发生偏差，进而造成椭圆形的盾构开挖断面，进而造成地层损失。
1.2.5空隙的产生。在盾构隧道施工过程中，由于盾构机的挖掘在一定程度上会造成前进方向障碍物的位移，这就造成了空隙的产生。如果在盾构推进过程中，没有及时对所产生的空隙进行有效的填充，无法避免的造成一定的地层损失。除此之外，隧道在盾构管片拼装过程中会受到一定的挤压，同时再加上来自土体压力，就会发生一定形变，进而产生地层损失。
1.3土体固结性因扰动而降低
在地铁隧道修建过程中，盾构施工可能会引起施工现场周围的土体扰动，这就造成在隧道的周围超孔隙水压力的产生。然而，土体表面应力在盾构推进后得到了一定的释放，超孔隙水压力也随之减小，隧道的周围孔隙中的水也因此被排出，使地面发生沉降问题。此外，在施工过程中盾构施工技术的应用，由于受到挤压，使地层周围形成了一个压力区。主固结沉降指的就是在施工后，地面会因水压力区的恢复和地层排水的固结变形产生沉降。
2地铁隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析
隧道工程盾构法施工造成的地面沉降影响分析所应用的方式一般都是应用美国科学家P.B.Peck所推出的估算方法。为了能够分析地面沉降因素的具体影响，需要采用数学模拟以及数值计算的方法，分析出盾构施工中主要的影响因素地层损失率、盾构半径、盾构埋深以及盾构穿越土层性质等引起的地面沉降效应。
2.1盾构深埋因素分析
盾构埋深是引起地面沉降比较显著的因素。在软土隧道开挖的过程中，埋深的深度一般为6-22m，对盾构施工中的沉降槽进行计算，通过计算得到相关系数为0.976。数值计算中经常采用的参数一般选择的盾构半径为3.2m，地层损失率为2%，而穿越的土层为黏土层（淤泥质）。同时通过计算后发现，宽度系数会随着盾构埋深的深度而增加，这也导致地面沉降影响的范围不断的扩大。
2.2地层损失率
通过对地层损失的分析可知，地层损失率对地面沉降也有很明显的影响。同时有专家认为，如果地层损失率比较大，那么其在施工计算中将不再适用于P.B.Peck理论和公式。所以通过结合工程的实际，可以设定地层损失率分别为：1%、2%、3%、4%以及5%。设盾构埋深为10m，穿越土层不变，盾构半径也为3.2m。经过计算分析得出，地层损失率影响着宽度系数，宽度系数会随着地层损失率的增加也减小。随着地层损失率的增加，沉降量也越来越快。
2.3盾构穿越土层性质
在软土层的隧道开挖中，主要的土层性质有砂土层、砂质粉土以及淤泥质粘性土，在不同的土层穿越中对地面沉降也有不同的影响。在保持其他工艺条件都不变的情况下，穿越砂土层相对于黏土层来说，其沉降槽宽度的系数也更小，因此沉降量也是最大的。设地层损失率为2%，盾构埋深为10m，盾构半径为3.2m，计算分析穿越不同土层的宽度系数与沉降量的关系。通过计算分析后可知，在穿越不同土质时地面沉降效应也不同，穿越黏土时的沉降槽宽系数最大，对地面沉降影响的范围也最大，穿越砂质粉土层，宽度系数比黏土层小，沉降量显著，在穿越砂土地面时沉降量最大。
2.4盾构半径
盾构半径在不同的地铁隧道中也存在差异，比较常见的盾构半径有单圆土压平衡盾构、穿越江海盾构以及双圆土压平衡盾构等。其中单圆和双圆土压平衡盾构直径一般都在6-6.5m左右，但如果是越江或者越海的工程，其对泥水平衡盾构的半径要求更大，一般在7-15m。设单圆盾构半径为3.17m，双圆盾构半径为4.5m，穿江盾构半径为7.5m；地层损失率为2%，盾构埋深为10m，穿越土层为淤泥质黏土层。通过计算分析发现，盾构半径对宽度系数具有较为明显的影响，横向沉降槽的宽度系数随着盾构半径的增大而变大，地面沉降范围也不断的增大。
3地面沉降观测方法
3.1观测仪器以及观测要求
在地面沉降观测中，主要使用的仪器有精密水准仪、钢卷尺以及铟钢水准尺。线路沿线以及建筑物的地表沉降的数值与国家规定的误差要控制在2mm左右，相邻点高度误差控制在1mm左右。
3.2沉降观测点的布设
一般情况下，沿隧道中线上方的地面布设点距离需要控制在5m，并隔四个布设点设置一个检测横断面，每个断面上要设置5个观测点。在隧道的中线上设置一个点，然后在其左右隔5m设置一个点。在软土层或者埋深较浅的区域需要根据隧道的埋深深度以及围岩地质的条件对监测点和断面进行加密。如果隧道上方的路面为混凝土，在沉降观测点的布设中主要采用两种方式。(1)混凝土路面观测点布置，在路面部分沿着中线每隔20m布设一个观测断面，观测点要布设在路面上，从而测量路面的沉降量；(2)路面以下土层观测点布设，为了能够有效的防止路面硬壳层的沉降测量误差，造成路面虚空，需要通过混凝土路面在地层中打短钢筋的方式来布设观测点，从而实现对地层沉降的监测。
3.3沉降观测频率
为了能够更好的控制地面沉降，需要合理安排盾构过程中沉降观测的频率，一般需要在盾构机头前10m的位置或者后20m的范围每天的早、晚观察各观测一次，同时根据施工的进度不断的增加观测的次数。在这个范围内的监测点则需要每周进行观察一次，直到保证周围的土层稳定为止。如果沉降或者隆起超过规定的限差，或者出现异常的变动情况，则需要加大观测的范围和频率。
4地铁隧道盾构法施工中的地面沉降控制
4.1案例工程概述
某市轨道交通十四号线一期【施工17标】土建工程项目地下区间位于从化市，中间风井-街口站段区间隧道左线，短链11.297m，长2101.236m；右线，短链1.735m，长2099.776m。街口站始发，下穿东风村，池塘、大片荔枝林、河滨北路、流溪河河东北路到达中间风井。该段区间最小曲线半径R=1900m，线路最大坡度20.195‰，隧顶覆土8.1m-22.5m。盾构隧道洞身范围穿越底层主要为可塑残积土、全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩。本段区间采用2台双模平衡盾构机施工，由街口站小里程端始发，中间风井大里程端吊出。
4.2盾构隧道下穿流溪河
区间隧道下穿流溪河，该段隧道埋深约12m，常水位下河床宽度184m。穿河道段隧道大部分位于中风化花岗岩地层，岩层抗压强度根据详勘及地质补勘显示为16.5MPa、20.5MPa、23.3MPa、23.4MPa、50.1MPa、57.0MPa等，岩面起伏大，变化多样。地层裂隙发育，盾构穿越流溪河可能存在击穿覆盖层，出现泄压的风险。应对措施：针对不同地层设定合理的盾构掘进参数，重点控制切口压力、刀盘转速、贯入度。采用优质膨润土泥浆和采用改良型泡沫剂，改良渣土，避免螺旋机出土喷涌，盾构多出土。做好过河段的出渣量分析，严格控制开挖量，禁止超挖，对超挖地段进行针对性注浆。加强对该段的注浆控制。同步注浆方面采用压力、流量双控标准；二次注浆要及时跟进，可采取水泥水玻璃双液浆进行快速封闭与填充，确保同步、二次注浆的效果，控制成型隧道出现滞后沉降，出现渗漏水。避免注浆压力过大导致浆液进入流溪河，对河水造成污染。在流溪河两岸堤岸设置沉降观测点，盾构下穿时跟踪观测，如发生沉降、隆起立即停止盾构掘进并对堤岸采取注浆等加固措施。盾构过河施工前进行全面的停机检查，包括物资、设备的检查更换和配备等。
4.3穿越建（构）筑物
盾构掘进施工侧穿联星村向西队房屋群（里程YDK63+053—YDK63+373），在河东北路下穿2栋4层民房（计划拆除），房屋群均为条形基础，隧道与建（构）筑物较近，盾构下穿或侧穿建（构）筑物，风险较大。应对措施：内部召开盾构操作手及技术员进行讨论交流，对盾构穿越每个穿越建（构）筑物的地面处理、隧道处理及掘进参数进行交流分析，保证通过安全。盾构房屋下穿民房时，通知房屋屋主，必要时组织房屋屋主人员临时迁移，确保盾构区间下穿安全。剩余盾构掘进区间，在河东北路下穿Φ600雨水管和Φ250自来水管（铸铁），无特别重要管线。
4.4盾构接收局部下穿软土层
本标段盾构到达端存在软土地层，稳定性差，处理好到达接收对整个盾构施工意义重大。应对措施：中间风井大里程接收端3m*24m范围内采用间距1.5m袖阀管梅花形布置进行地层加固，深度为10m。密闭接收装置接收方案，即在洞门外，采用特制钢套筒与洞门预埋环板连接，钢套筒长9.9m，内径6.5m，在远离洞门一端设置一圆形端盖，用反力架和钢支撑撑在车站结构上，确保钢套筒不会在盾构推力作用下发生位移等事故。盾构机直接到达在钢套筒内。盾构机到达前，通过实际测量计算出盾构刀盘碰端头加固连续墙的里程。盾构机在到达此里程即进入到达掘进状态，要安排专人值班，以每天两次的频率监测地面的沉降情况，并根据监测数据，采取补浆等措施。在到达前30环对盾构机姿态进行复核，并确保盾构机沿设计轴线推进到达。碰壁前推进设置：在盾构机碰壁以前，就必须注意盾构机掘进参数的选择，防止纠偏过急以及通过正确的管片选型，保证盾构机碰壁时良好的盾构姿态。
5结束语
随着地铁交通的建设，盾构施工法逐渐在隧道的开挖中得到广泛的应用，提升了地铁隧道开挖的效率和质量。但是在盾构施工的过程中，不可避免的会出现地面沉降现象，不仅影响地面的美观，更可能会造成严重的安全事故。因此我们需要加强对盾构施工中引起的地面沉降的机理以及原因的研究，同时保证地面沉降的观测，进而及时、有效的预防地面沉降现象的出现，降低地面沉降带来的危害。
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