水旭东 宋文辉 楚泽龙
中国水利水电第十一工程局有限公司 河南郑州450001
摘要：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；地面沉降
引言
随着城市化进程的加快，我国地铁交通得到了一个较为迅速的发展，地铁交通的发展所带来的直观影响就是人们出行效率的提高，当然，地铁工程规模也在逐步扩大化。地铁一般修建在城市中心或者地下中心，修建地铁必然离不开隧道的开挖，隧道开挖对地层的影响比较大，常常伴随地表沉降问题，而盾构施工中的地面沉降问题更为严重，对地面建筑结构都造成了一定的损害，所以探讨地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题具有一定的现实意义。
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，掉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。
1.2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施工理念
根据工程设计、实施条件及相关规范标准要求，结合过往同类型工程经验，提出“精准掘进、敏捷反应、均衡施工”的盾构施工理念。
2.1精准掘进
精准掘进主要体现为条件精准、参数精准、控制精准。为了切实做到精准掘进，在盾构始发前，充分收集相关工程资料，并到现场实地调查、测量、取样，确保相关数据准确可靠；根据地质水文及工程设计情况，选用铁建重工土压平衡盾构机，在最小转弯半径、最大掘进坡度、适应地层、覆土厚度及管片参数等关键方面与设计要求一一比对，确保完全达标；根据相关规范标准，对盾构机各个系统装置进行全面系统的调试、测试及评估验收，确保配置齐全有效，相关功能性能满足要求；通过下达盾构掘进指令明确地质条件、设计工况、盾构参数设定、掘进管理要求；安排值班工程师跟班指导，对相关指标进行过程控制；实施交接班管理制度，由带班领导组织项目技术、盾构机电、安全、测量及作业层队长、班长、拼装手、盾构司机等关键岗位人员参会，对当班施工情况进行复盘，提出改进措施，并有效传达至接班人员。实践表明，实施精准掘进对提高盾构施工质量、加快盾构施工进度、保障盾构施工安全等方面的可控性具有决定性意义，也是盾构施工管理的内在要求。
2.2敏捷反应。施工过程中，工程地质水文条件经常
变化，工程设计曲线、坡度等间或变化，机械设备状态时有变化。为此，必须做到敏捷反应，这样才能及时应对相关情况，有效控制风险。同时，敏捷反应也是精准掘进的客观要求。为此，要跟班管控、实时采集、监测到位、反馈及时、反应高效。值班工程师制度、交接班管理制度、监测方案、盾构掘进指令制度，及监控和网络通信等设施配备，为相关工作执行落实提供了有力保障。
2.3均衡施工
施工过程划为六个阶段：一是盾构始发至封洞门，二是封洞门至百环，三是百环至海河护岸桩，四是下穿海河，五是对岸护岸桩至接收前50环，六是接收前50环至盾构接收。根据各阶段地质水文、环境变化及机械维保等要求，确定不同的施工节奏，排布施工计划；根据计划组织管片等物资供应，配置区间左右线施工班组；通过盾构掘进指令将每班施工任务下达至班组，每天白、夜两班连续均衡施工，做到工序连续、质量可控、节奏稳定，施工风险及进度控制有保障。
3地铁隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析
3.1覆土厚度与盾构外径的影响
在盾构施工中，存在的不可控因素比较多，很多因素都与盾构外径大小有着较为密切的联系，正常情况下，盾构外径是呈动态变化的，其外径长度越大，盾构施工中对土层的波动幅度就越大，在同样的地层波动中，随着沉降槽宽度的增加，其地面下沉深度也会相应增加，隧道的覆土厚度与盾构外径之间呈方向关系，也就是说，覆土厚度越大，地层更加稳定，地面沉降值就越小。
3.2盾构穿越土层性质
盾构施工中所涉及的土层种类比较多，很多土层都处于中间节点，不同的土层其物理性质不同，在盾构施工中，所体现出来的地面沉降现象也有一定的区别，在软土层中，所包含的穿越砂土层的隔离系数比较小，沉降量也更低。基于盾构结构的不同，在穿越不同土质中所产生的地面沉降效应是有一定区别的，穿越砂土层相比于黏土层，宽度系数要低一些，所产生的沉降量更多。
3.3地下水流失因素
在深度隧道施工中，地下水流失会造成水位的降低，这对于盾构施工中地面的稳定性有着极大的影响，尤其是在桩基孔隙率较大的地层，地下水流失造成的地面沉降现象更为严重，盾构机运行的时候，对土层的波动影响较大，当盾构机长时间未工作，地下水就会通过盾构通道流向挖掘面，使得地铁隧道方向与水连通，在水的贯穿作用力下，隔水层水位降低，地下水位也会降低，停止挖掘使得开挖面水量大幅度流失。如果地铁隧道表面的土层较为松散，而且没有一个良好的密封性，在盾构施工的时候就容易形成上下连通的水力通道，随着盾构机的推进，引起地面沉降。
4管理方针
4.1定参数、稳姿态、缓纠偏
①定参数：定参数为精准掘进的客观要求和基本反应，基于对水文地质、周边环境、机械设备配置性能等条件的掌握，结合过往施工经验，科学设定盾构参数，并在施工过程中根据相关条件变化及时调整优化。②稳姿态：通过相关参数设定及施工过程管控，确保盾构不栽头、管片不上浮、线路不跑偏。根据地质软弱富水的特点，通过分区油缸压力的设置，使盾构保持“抬走”姿态推进；在下穿海河段，通过压低盾构走势预留一定管片上浮量，控制盾构工后轴线偏差。③缓纠偏：当出现盾构偏位、管片上浮等情况时，不应急于纠偏，根据偏移量的大小将纠偏进尺分配到后续数环范围，以有效避免管片破损渗漏、线形突然升降变化的不利情况。
4.2强密封、严注浆、勤量测
①强密封：强化对盾构主驱动、盾尾、铰接及螺旋机等关键装置的密封管理，加强施工过程中对密封油脂注入的监测，由值班工程师对相关部位进行实时巡查、检查、测量，确保密封有效，以防盾尾渗漏、螺旋机喷涌等风险。同时，注意管片衬垫及防水、螺栓孔密封衬垫、螺栓复紧及管片拼装质量控制。②严注浆：包括同步注浆及二次注浆。根据水文地质条件情况，合理设定注浆压力和注浆量，确保盾体与管片之间间隙的填充效果，以控制管片变形及上浮、区间地面及构建筑物沉降变形。在下穿海河段，为切实防治击穿河床，注浆作业以注浆压力为主控指标。局部出土超方，及时二次补浆。③勤量测：监控量测是反映盾构施工质量安全控制的基本指标，是风险监控的有效手段。洞内、区间地面、周边构建筑物及下穿海河区域都要设定相关控制点，编制专项监测方案，通过实时监测盾构隧道变形、位移、地面沉降或隆起及构建筑物变形等指标变化，有效指导盾构施工。
4.3重维保、匀推进、快应急
①重维保：盾构法隧道施工是典型的机械法施工，机械设备状态尤为重要。建立科学的维保管理制度，使用质量可靠的油脂材料，规范开展维保作业，并结合第三方检测，确保机械始终处于健康状态。②匀推进：控制推进速度、协调工序衔接、材料储备充裕、调度工作高效，以在相应施工阶段实现连续均衡施工，将隧道线形控制在最佳状态，将变形沉降控制在最小范围，工程实施稳步推进。③快应急：准确认识施工风险，为应对相关情况做充分的准备。为做到快应急，需要应急预案可行有效、应急物资充足到位、应急人员随时待命；施工过程中，还要加强应急培训宣传、应急物资盘点、应急演练测试等。
5地面沉降观测方法
5.1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，从而更好的观测路面沉降量；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。
5.2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。
5.3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，从而更好的观测路面沉降量；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。
5.4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。
5.5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。
5.6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。
5.7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。
5.8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。
5.9固结沉降的控制
以盾构通过后长期地面监测信息为立足点，采取合适的后期固结沉降控制措施。管片上存在预留注浆孔，可以通过该处组织注浆作业，达到抑制沉降持续发展的效果。从粉质黏土整个沉降周期的角度来看，后期沉降具有持续时间长且难以避免的特点，但仅占到总沉降量的5%左右。
结语
城市轨道交通对缓解城市交通压力具有重要作用，其中地铁隧道为关键施工内容，受现场地质环境、周边建（构）筑物、施工作业方法等方面的影响，易发生地面沉降现象。文章通过对地面沉降成因的分析，提出具体的处治措施，以提高地铁隧道盾构施工水平。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
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