叶轶晨 宋文辉 秦朝宁
中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州
摘要：地铁工程是现代化城市交通体系建设中最为重要的一部分，地铁不仅能够有效促进城市交通运输效率的提升，同时还有助于开发利用城市地下空间，为城市发展建设创造更多效益。在地铁施工中，盾构法作为最主要的施工方式，能够有效促进工程质量、进度的提升，但是在具体盾构施工中也存在着一定的问题，其中最为显著的就是因盾构施工所引起的地面沉降。因此，文章就对盾构施工地面沉降的原理、影响因素进行了分析研究，并进一步探究了地面沉降观测和防治的措施，以期为地铁隧道盾构施工提供参考和借鉴。
关键词：地铁隧道、盾构法、地面沉降、处置措施
引言
地铁交通在现阶段城市交通中发挥着极其重要的作用，并且随着城市规模的扩大，地铁工程数量不断增多，盾构施工技术，由于其安全性和先进性，在当下地铁隧道施工中得到了广泛应用[1]。然而地铁施工多在城市中心区域附近，施工区域内会存在大量构筑物和管线，在盾构开挖过程中必然会对地层产生扰动，易引起地表沉降。并且随着盾构施工的深入，沉降问题会进一步加重，这就会对地面建筑的安全稳定造成严重威胁。所以，做好对并购施工中地面沉降问题的研究和防治对于地铁交通建设有着非常重要的意义和作用。
1盾构法引起的地面沉降原理
在地铁隧道开挖施工中，由于需要破坏地下结构，就会导致地层扰动并造成地面沉降。尤其在软土隧道施工中，因为地层损失、施工环境干扰等方面的影响，都会造成地面沉降，如图1就为软土隧道是地面横向沉降槽的示意图。
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1.1隧道开挖使得地层损失
滴虫损失指的是在盾构开挖过程中，开挖体积与隧道具体体积的体积差，而隧道竣工体积则包含了施工中外围包裹压入浆的体积。在具体弥补地层施工中，如果发生地层异动，必然会导致沉降问题的出现，其最主要影响因素如下：①开挖土体移动较为严重。在盾构施工中，开挖面的土体如果原始侧向力大于水平，支护所能提供的作用力，开挖面土体就会沿支护面向上、向前移动，进而致使地层损失，最终导致土体隆起；②盾构后退。盾构施工暂停过程中，可能会由于千斤顶漏油回缩引发盾构后退，这也会造成地层损失，致使开挖处土层松动；③因施工影响土体进入盾尾空隙。在外空隙压浆施工中，如果压浆压力、压浆料等不合理，就可能导致盾尾坑道土体失衡，进而致使土层结构受力不均衡引发移动，特别是在含水不稳定的情况下，该方面的发生率相对较高[2]；④推进方向出现变动。在盾构施工中需要结合具体施工情况进行抬头纠偏，这就会形成椭圆形开挖断面，引起地层损失。地层损失程度主要受盾构以及隧道轴线之间角度偏差的影响，偏差越大损失越大；⑤盾构施工中会及时推进和清理开挖面存在的障碍物，这就会在隧道中产生空隙，如果不能及时填充，就会产生地层损失；⑥盾构管片拼装或者隧道土压不足也会引起地层损失，造成地面沉降。
1.2土体受扰动后固结性降低
隧道盾构施工会严重扰动周边土体，这就会给隧道周边地层存在超孔隙水压力。开挖施工中，土体表面应力会不断释放，在此过程中，孔隙水压力也会不断降低，孔隙中的水就会受压力影响向外排出，进而导致地层出现收缩沉降。并且在盾构开挖过程中， 挤压、压浆等操作也会造成隧道周边产生正值超空隙水压力区，该区域在施工结束后仍会自动复原，在该过程就会出现地层排水固结情况，固结完成后，地面就会出现明显沉降，所以该情况也叫做主固结沉降[3]。此外，隧道土体在受到施工扰动后，土体骨架的压缩变形会持续一定时间，这就会引起次固结沉降情况的出现。
2地铁隧道盾构施工中地面沉降因素的阐述
2.1盾构深埋因素的阐述
盾构深埋是引起地面沉降的最关键因素，尤其在软挖隧道施工中，必须有效控制深埋深度在6~10m。在具体盾构施工中，相关系数通过沉降槽的沉降量的计算为0.976。在具体计算中，地层损失以及盾构半径多设置为2%和3.2m，选择粘土层作为穿越层。通过计算，盾构埋深和宽度系数成正比例关系，埋深增加，宽度系数会提高，沉降面积也会进一步扩大。
2.2地层损失率的阐述
通过大量实践分析，地层损失率与地层沉降存在密切相关性，地层损失越大，沉降程度越明显。并且经研究发现在地层损失率大的盾构隧道施工中，P.B.Peck理论和公式存在一定的不适用性，因此在具体施工中，需要全面考察和分析工程具体情况，合理设置地层损失率在1%~5%(取整)，埋深为10m,但不改动盾构半径、穿越土层参数。同时分析计算结果，地层损失与宽度系数也存在一定影响，这成反比例关系，但是地层损失率提高，沉降量会增加。
2.3盾构穿越土层性质
铁施工会遇到各种不同地质条件，比如砂土、淤泥土、粉质土等等，所以在具体盾构隧道施工中也会因土层性质变化，呈现不同程度的沉降。在粘土层盾构施工中，如果不改变施工工艺，砂土层沉降槽宽度系数由于比较小，所以沉降情况比较严重。比如设置地层损失率、埋深和盾构半径分别为2%、10m和3.2m,计算出的结果与地面沉降结果仍有一定误差。在具体穿越土层施工中，沉槽宽度系数从高到低依次为粘土层、砂粉土和砂土层，所以沉降范围按照上述顺序不断缩小，但沉降槽沉降量却不断增加。
2.4盾构半径
盾构半径需要结合具体地铁隧道情况进行科学合理地设置，一般在施工中，
单圆和双圆土压平衡盾构半径多设置在6~6.5m，但是对于跨江或者跨海情况下的盾构施工，需要增加盾构半径，控制在7~15m。比如设置单元盾构半径为3m，川江盾构半径为7.5m，双圆盾构半径为4.5m，埋深和地层损失率分别为10m和2%，分析计算结果，沉降面积与横向沉降槽宽度系数直接相关[4]，并且宽度系数与盾构半径之间的相关性也极其密切，半径增加，宽度系数会提高，最终导致沉降面积扩大。
3地铁隧道盾构法施工中的地面沉降观测方法
3.1观测仪器分析
在具体盾构施工地面沉降观测中，一般会选择精密水准仪、全站仪、铟钢水准尺、手持GPS、数字水准仪等相关仪器，需要注意所有仪器在使用前都必须提前进行校正检验，严格控制测量误差，确保测量精度。
3.2进行沉降观测点布置
沉降观测点的布置需要有效结合具体施工情况，一般需要在隧道中线上部地面位置设置距离点，距离点间距为5m，每4个布置点需要额外设置1个监测横断面，并结合具体施工现场设置5个观测点，以此来完成对施工区地面的全面观测。在施工中，如果对于软土、埋深较浅的施工区域，需要全面判断具体施工情况，明确影响地面沉降的各方面因素，科学进行监测点的布设。在具体布设时，隧道上方为混凝土结构，多采用下述两种方法进行观测点布设：第一，直接在混凝土路面沿中线进行观测点设置[5]；第二，结合施工区具体情况在路面下进行观测点的布设，需要注意在应用该方法时，必须综合考虑路面硬壳可能引起的沉降误差，对于路面空虚情况，应该优化测量方法，不断提高测量的准确性。
3.3沉降监测频率分析
沉降监测频率也是沉降观测中的重点和关键，直接影响观测效果。对于监测频率也必须从多方面入手，综合考虑盾构情况、施工现场情况、工程进度等多方面因素的影响，一般在施工中需要在盾构机头前10m和后20m位置分别设置观测点，通过对观测点具体情况的有效分析，不断调整土层频率，直至满足相关施工要求，确保监测频率的合理科学。在发生异常沉降和隆起时，需要迅速对相关频率区域开展测量，及时为施工建设提供数据参考。
4地铁盾构施工中的地面沉降防治措施分析
4.1工程概况
某地铁轨道交通工程，沿线具体包括两个地下车站，3个盾构区间。通过地质勘探，50m深度内的土层分布为人工填土、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。同时整个沿线区域存在较多的构筑物，并且属于主交通运行道路，流车流量大，盾构所引起的土层搅动会引发明显地面沉降问题，因此在该段施工中必须有效进行沉降防治措施的制定和实施，并将其作为工程建设的重点和关键。
4.2盾构选型的基本要求
通过全面分析底层条件，施工选择土压平衡盾构机作为主要盾构设备，并且结合具体工程地质对盾构刀盘进行了改进优化，具体特点如下：能够在气压下土仓内安全工作，有助于维持土压平衡。刀盘开口有利于在开挖过程中加快切削土地向土仓的转移，尤其在复杂多变的地质条件下，能够利用土压传感器实时进行库存压力的检测传递，从而为切削面工作和钻探处理提供实时数据支持[6]。刀盘可双向旋转能够有效避免机器自转。盾构刀盘在施工中先切削土体，然后进入土仓搅拌，维持土压力在一定状态下，密封土仓壁也安装了压力传感器。结合具体土层压力实时调整螺旋运输机的速度，进而对排土量进行调整，控制土仓土压在稳定范围内，平衡开挖面侧向土压力，进而起到管控沉降的目的。
4.3地面初期沉降的控制
在盾构初期，沉降情况相对较轻，沉降量非常小，只有渗透性较差的软粘土地层，才可能受推进压力影响产生沉降。通过勘察分析发现，开挖面10m位置有附加应力，在施工过程到前方5m位置，应力值为0.02MPa。为了有效控制沉降问题，该阶段需要科学进行盾构施工状态的调整，确保整个施工的连续均衡，尽可能缩减停机时间。
4.4开挖面沉降的控制
科学进行补仓压力的设置，结合具体施工情况，对其进行动态化调整，才可以取得最佳沉降控制效果。在施工中应该结合公式模型对土仓压力进行准确计算，以此为基础明确压力控制标准[7]，科学进行螺旋机开挖过程中各项参数的控制，有效控制土仓压力稳定。
4.4.1土仓压力的计算方法
以具体工程地质以及深埋情况为基础，围绕全覆土重理念，准确计算理论土压力。对于粘性地层，需要按照土体湿容重水土合算静止土压力的方式，并且还需要额外考虑地面附加应力。土仓压力计算：P=Kγh+K（1）
式中：P——理论土压力（kPa）；K——静止侧压力系数；γ——湿容重（kg/m3
）；h——隧道埋深（m）。
由于施工中存在较多不确定因素，所以为了切实保证工程施工质量，有效降低沉降风险，对于理论土压力在计算完成后应该额外增加10~20kPa。
4.4.2土压的动态化控制
在掘进施工中，确保出土的均匀性，有效控制土压稳定，必须加强对螺旋输送机的管控。在拼装阶段需要结合具体工程进度，每环停止掘进前，都需要设置高土压值，但是由于时间延长而导致土压降低，在施工中可以通过间歇推进憋土稳压等措施来增加土压，保持压力稳定。
4.4.3贯入量的控制
通过有效控制贯入量，能够有效减轻开挖面土体扰动。粉质粘土层在盾构施工中，如果贯入量较大，则会增加施工中泥饼的产生率，所以在施工中需要控制贯入量20~50mm/r之间，同时进一步结合推进进度，确定贯入量为25mm/r。
4.4.4盾构掘进参数的控制
盾构掘进施工中需要控制多方面的参数，且必须维持各参数间的均衡，否则就可能因为参数波动幅度过大而影响土压稳定性。在具体工程建设中，需要结合具体情况来确定初步参数，根据施工开展情况对其进行进一步的优化。本次施工，盾构掘进参数如表1所示。
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4.4.5盾构姿态的控制
（1）滚动纠偏。通过刀盘反转能够有效纠正滚动偏差，控制滚动偏差不超过1.5°，如果超过该值，盾构机就会自动警报，并切换刀盘旋转方向，进而实现对偏差的纠正。（2）竖直纠偏。千斤顶单侧推力与盾构机方向直接相关，但是盾构机方向和盾构机姿态变量间的相关性相对离散，主要以人员自主控制为主。盾构下俯时，需要增加下端推力，而上仰则需要增加上端推力，进而实现纠偏的目的[8]。（3）水平纠偏。该纠偏与竖直纠偏方法基本相同，也是利用改变左右两侧的千斤顶推力，实现纠偏的目的。（4）姿态控制。在复合地层或者特殊地层条件下进行施工时，也就是地层中的力学性能指标差异较大，对于该情况则可以结合具体掌子面地质，通过分区操作液压推进油缸的方法进行纠偏。
4.4.6渣土改良
由于粉质粘土条件较差，所以需要通过渣土改良来满足既定的施工要求。为了保持土仓压力均衡，提高螺旋机出土效率，土仓渣土不仅透水性应相对较低，而且流塑性也必须相对较高。渣土改良应采用含水量在1%~3%之间的优质泡沫材料，并且泡沫剂用量需要结合具体黏土含量进行增加。同时对于硬塑或可塑地质，施工时需要在刀盘中心位置进行注水。
4.5盾构通过时的沉降控制
盾构过程中的沉降风险非常大，所以，在施工中需要对盾构同体直径进行优化，确保盾构首尾直径相同。并且在施工时需要综合协调各方面参数，并强化盾构姿态控制，确保整个掘进过程的连续均衡，减少不必要纠偏。
4.6盾构通过后的沉降控制
在地面沉降管控中，最为关键的是盾构过后的成交管控，因为在该时期的沉降达到了整体沉降量的40%~45%。在该阶段最为有效地控制方法为同步注浆，其不仅可以有效避免段盾尾空隙区形变，并且还有助于增强隧道防水抗渗性能，管片衬砌能够保持较稳定状态。在同步注浆中必须严格控制浆液性质，一般选择惰性浆液，因为惰性浆液凝聚所需时间长，能够保持良好的注浆压力。浆液中各成分的重量比例为水：消石灰∶粉煤灰∶膨润土∶砂=350：80∶300∶80∶1100。
但是惰性浆液凝固时间长，这就会增加管片延长时间，增加管片上浮、错台等风险，并且其在增强隧道质量方面的作用也相对较小。
4.7固结沉降的控制
结合盾构后的地面监测信息，科学进行后期固结沉降措施的应用。在管片中设置注浆孔，这样就能够为注浆作业提供便利，及时根据观测情况进行沉降控制。分析粉质黏土的整个沉降过程，后期沉降会持续较长时间，并且无法避免，沉降量约占总量的5%。
结论
综上所述,地铁作为现阶段最为主要的公共交通运输工具，随着城市的扩大以及人口的增多，地铁工程数量必然不断增加，作为相关施工单位及施工人员，必须积极进行盾构施工技术的研究，围绕盾构中的地面沉降问题，不断优化技术方案，并加强沉降测量监控，尽可能降低地面沉降风险，为地铁交通事业的发展作出更多贡献。
参考文献
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