陈文凯
北京住总集团有限责任公司轨道交通市政工程总承包部，北京市
摘要：现如今，地铁已经成为了人们出行的重要交通工具，人们也越来越关注地铁的安全问题。地铁隧道建设环境错综复杂，在应用盾构法期间易发生地面沉降问题，阻碍正常施工，甚至诱发安全事故。文章以地铁隧道工程实例为背景，首先探讨盾构法施工阶段发生地面沉降的主要成因，提出相适应的处治措施。
关键词：地铁隧道；盾构法；施工；地面沉降；问题
引言
地铁以其受地面交通影响小、运行速度快、占用地上空间少等优点，成为理想的交通方式。地铁选址一般都选择在一个城市的繁华地段或者人口密集的居民区，地铁建设常用的施工手段是盾构机开挖隧道，盾构机在穿越周围建筑物时必然会导致邻近土体变形，变形传递到地基，影响建筑物地基的稳定性，很容易造成建筑的开裂、倾斜、倒塌。因此为了保护建筑物，需要研究隧道开挖对邻近建筑物的影响。
1.盾构法引起的地面沉降原理
1.1隧道开挖破坏了地层稳定性
在地铁隧道盾构施工中，我们要兼顾多个方面的影响因素，盾构施工包含了多个操作环节，在对地层进行开挖的过程中，受外部作用力的影响，隧道外层的物质会随着内部向心力涌入到隧道中，彼此相互挤压移动，对地层的稳定性影响较大。隧道开挖后，地表土体结构会发生改变，特别是在使用盾构法施工中，对应力的把控是比较严格的，如果应力波动幅度过大，那么随着地层的移动和土体的缺失，地层就会呈现一个不稳定波动，出现较多的土体隆起。土体被挤入盾尾的空隙中，隧道向外扩充，如果压降量没有达到预期的标准，就会使得压浆压力出现范围性波动，导致盾尾坑道土体失衡，尤其是在水体含量不稳的地层，更容易出现地面大幅度波动沉降问题[1]。
1.2土体稳定性降低
盾构施工中涉及的设备比较多，盾构设备的体积比较大，在运行的时候，会对地层产生强烈的振动幅度，使土体结构受到破坏，盾构施工所形成的隧道周围有一层空隙，空隙的存在使得水流流入到了隧道中，在盾构设备持续推进的过程中，大量的水流进入到其中，空气内部的水压力逐渐降低，内部压力的失衡导致地面沉降现象的出现。盾构施工所产生的压力比较大，持续性的土体波动幅度较长，如果没有进行合理的处理，会对土体造成较大的破坏。
2.工程概况
某市轨道交通5号线工程土建施工10标段，沿线建设3个地下车站、4个地下盾构区间。本场地勘探揭露50m深度范围内地层主要为人工填土、第四系上更新统（Q3）粉质黏土、黏质粉土、粉细砂以及第四系中更新统（Q2）粉质黏土、粉土等土层。航海东路下方为重点建设内容，本标段主要穿越该处，道路的车流量较大，既有建（构）筑物规模可观，盾构施工期间存在扰动性影响，加大地面沉降的发生概率，以何种方式有效防治成为本标段的重难点施工内容。
3.盾构施工中的地面沉降成因分析
因盾构施工而引发的地面沉降具有阶段性具体有：（1）初期沉降。随盾构作业的推进，前方滑裂面因失稳而发生沉降，伴有较明显的挤压变形现象，导致大范围的应力释放，最终出现固结沉降。（2）开挖面沉隆。随盾构作业时间的延长，土体应力状态较前期发生显著变化，土体应力释放量较大，土层出现塑性变形。（3）盾构通过期间的沉降。从空间关系角度分析，盾构外壳与土层接触部分构成滑动面，该处存在较强的剪切应力，在其作用下使地表变形。（4）盾构通过后的沉降。建筑空隙为重要的成因，除了管片与盾构外壳两部分所形成的空隙外，还包含由于盾构偏移隧道轴线产生的空隙。（5）盾构后期的沉降。此处主要指固结沉降现象，其反映的是地层沉降的时间效应，根据现有技术水平难以从根本上避免此类沉降。
4.地面沉降观测方法
4.1沉降观测点的布设
正常情况下，沉降观测点布置在岩隧道的中线地面上，地面布设点的距离控制在5m左右，每个检测断面上布置5个观测点。现在隧道的中线上设置一个点，点与点之间的距离左右间隔为5m。对于不同的地层布设点距有着一定的变化，在软土地层，要根据隧道的深埋度和周围地质条件做出合理的调控，对监测点和断面进行加密。如果隧道上方路面为混凝土，在沉降的时候可以采用两种布设方式：一是混凝土路面观测点布置，在路面中心处每隔20m布设一个观测段面，在路面表层上，从而更好地观测路面沉降量；二是路面下方土层布设观测点，这样可以防止路面硬化造成观测误差。
4.2沉降观测率
为了对地面沉降进行全面的把控，我们需要合理调控盾构过程中的观测频率，可以在盾构机头前10m位置处每天早晚各观测一次，根据数据变化调整观测次数，保证观测数据的准确性。在观测范围内，要每周对观测点进行检查，保证观测点土层处于稳定状态，如果土层沉降或者隆起超过了规定的限差，需要进一步加大观测的范围和频率[2]。
5.盾构施工沉降的控制措施
以沉降控制要求为工作导向，做好盾构机选型工作，确保其在运行参数、盾构姿态等方面均具有合理性，优化盾构施工方法，提高盾构施工期间的沉降控制水平。
5.1盾构选型的基本要求
本次盾构机选用机器类型以对地质条件的精确研究为基础，本工程采用土压平衡盾构机进行施工。该盾构刀盘针对本工程的地质条件进行了特殊设计，具有以下特征：可在气压下土仓内安全工作，便于土压平衡。刀盘开口可使土体顺利从切削面流向土仓，对于郑州地铁隧道路线的地质情况的复杂性、多变性和黏性这一点尤为重要，可直接将土压传到土压传感器，易进入切削面除去障碍物和钻探进行土壤处理。刀盘可双向旋转用于防止机器的自身转动。盾构刀盘切削开挖面的土体，再在土仓内搅拌，保持一定的土压力，密封土仓壁中设置土压力传感器。根据土压力的大小控制螺旋运输机的转速（即改变排土量），维持土仓内的恒定的土压力值，平衡开挖面的土体侧压力，以达到控制地面沉降的目的。
5.2地面初期沉降的控制
盾构施工初期仅存在微量的沉降现象，在推进压力的作用下，渗透性不足的软黏地层极易出现此方面的问题。实测资料表明，开挖面前方约10m处的土层已经存在附加应力，随施工的推进，至前方5m时该应力值约为0.02MPa。为控制初期沉降，较为关键的举措在于调整盾构施工的状态，使其具有连续性与均衡性，缩短中途停机时间。
5.3开挖面沉降的控制
通过对土仓压力的设定与动态化调整，达到控制开挖面沉降量的效果。经过计算后确定土仓平衡土压力控制标准，动态调整螺旋机出土量、推力、贯入量等参数，以达到维持土仓压力稳定性的效果。
5.3.1土压的动态化控制
掘进阶段严格控制螺旋输送机的工作状态，保证其出土具有均衡性，减小土压的波动范围。拼装阶段以施工进度为准，在每环停止掘进前均应创建相对较高的土压值，若因时间的延长出现土压下降的情况，则采取间歇推进憋土稳压等方法，经过加压后使土压维持稳定。
5.3.2贯入量的控制
加强对贯入量的控制，削弱开挖面土体所受到的扰动性影响，避免地层沉降现象。粉质黏土地质条件特殊，在贯入量过大的条件下易产生泥饼，根据现场情况和土压平衡盾构机的工作特性，认为贯入量以20~50mm/r较合适，再进一步考虑推进速度，最终将该值设为25mm/r。
5.3.3盾构姿态的控制
（1）滚动纠偏。采用使盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。允许滚动偏差≤1.5°，当超过1.5°时盾构机报警，盾构机通过切换刀盘旋转方向进行反转纠偏。（2）竖直方向纠偏。控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，与盾构机姿态变化量间的关系比较离散，靠操作人员的经验控制。当盾构机出现下俯时，加大下端千斤顶的推力；当盾构机出现上仰时，加大上端千斤顶的推力进行纠偏。（3）水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一致，左偏时加大左侧千斤顶的推力纠偏，右偏时加大右侧千斤顶的推力纠偏。（4）特殊地层下的姿态控制。盾构通过复合地层（即作业面土体的抗压强度等力学性能指标存在很大差异的地层）时，根据掌子面的地质情况对液压推进油缸进行分区操作[3]。
5.3.4渣土改良
考虑到粉质黏土施工环境较为特殊，对其采取改良措施，减少泥饼的形成量。土仓渣土应同时满足较高流塑性、较低透水性的要求，土仓内的土压应均匀分布至各处，维持均衡状态，使螺旋机可顺畅出土。粉质黏土的改良选用优质泡沫材料，其与水的比例稳定在1%~3%区间内。粉质黏土含量增加时，同步加大泡沫剂的用量，遇硬塑或可塑状地层施工条件时，需要向刀盘中心处单独注水。
5.4盾构通过时的沉降控制
盾构通过期间的沉降持续时间较短，极易在短时间内发生大范围的沉降。对此，应改进盾构筒体的直径，尽可能保证盾构首尾直径具有一致性。盾构施工期间协调好各项要素的关系，实现连续的盾构掘进，加强对盾构姿态的控制，避免不必要的纠偏行为。
5.5盾构通过后的沉降控制
盾构通过后的控制为地面沉降控制全流程中的重点内容，原因在于此阶段的沉降几乎达到施工全程总沉降的40%~45%。同步注浆是较为关键的控制方法，做好此方面的工作可减小盾尾空隙区域的地层变形现象，提高隧道的抗渗水平，管片衬砌可维持相对稳定的状态。同步注浆应用效果与浆液性能具有密切的关联，以惰性浆液较为合适，其凝结时间相对较长，可享受到更加充足的同步注浆压力，在此条件下在极短时间内向后续的多环传压和补压，补强注浆效果显著，可以减少多环隧道土体所产生的时效沉降量。根据同步注浆的施工需求，可按照粉煤灰∶膨润土∶消石灰∶砂∶水=300∶80∶80∶1100∶350（按重量量计） 的方式配制。惰性浆液在实际应用中存在不足之处，稳定管片所需的时间相对较长，期间土层围岩等外部产生的作用力较为显著，易发生管片上浮、错台等质量问题。惰性浆液在控制地层沉降方面具有较好的应用效果，对提高隧道施工质量其产生的作用甚微。
6.结束语
盾构法在地铁隧道施工中的应用比较广泛，且应用效果也比较理想，但不可忽略的是因盾构施工引起的地面沉降。我们要进一步加强对盾构施工的研究，从盾构施工引起的地面沉降机理入手，采用合适的预防措施降低其沉降危害。
参考文献
[1]杨楠 . 盾构隧道施工引起的地表沉降及控制措施分析［J］. 工程技术研究，2017（04）：112-114.
[2]邹师 . 地铁隧道盾构施工中的地面沉降问题研究［J］. 岩石力学与工程学报，2017（07）：129-132.
[3]甄志平，张英秋 . 盾构施工引起的地面沉降浅析［J］. 物流工程与管理，2006（02）：73-74.