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地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题分析王波

发表时间：2021/6/16 来源：《建筑科技》2021年4月上作者：王波

[导读] 随着地铁工程规模的不断扩大，也更加突出了其施工过程中存在的地面沉降问题。盾构法是地铁隧道施工中常用的一项施工技术，但受到地层的影响，常常会出现地面沉降的问题，难以保证地铁隧道施工的顺利进行以及施工质量。为有效解决这一问题，本文重点对地铁隧道盾构施工中的地面沉降问题进行分析，具体分析了地面沉降的原理及影响因素，并在此基础上结合工程实例提出一些处治措施，以供参考。

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摘要：随着地铁工程规模的不断扩大，也更加突出了其施工过程中存在的地面沉降问题。盾构法是地铁隧道施工中常用的一项施工技术，但受到地层的影响，常常会出现地面沉降的问题，难以保证地铁隧道施工的顺利进行以及施工质量。为有效解决这一问题，本文重点对地铁隧道盾构施工中的地面沉降问题进行分析，具体分析了地面沉降的原理及影响因素，并在此基础上结合工程实例提出一些处治措施，以供参考。
关键词：地铁隧道；盾构施工；地面沉降；成因；处治措施
        引言
        随着我国城市化进程的加快，地铁也成为了城市中一重要的交通工具。现如今许多科学施工技术也在地铁工程建设中广泛应用，其中盾构法便是地铁隧道施工中较常用的一项施工技术，对保障地铁隧道施工质量及施工安全有重要作用。但由于地铁工程一般是建设在城市中心及人流量较大的地段，加之主要为地下作业方式，因此在地铁隧道盾构施工过程中，容易受到地下管线及地面建筑的影响，降低地面的稳定性，进而引发地面沉降问题。地面沉降问题的出现，不仅会严重影响地铁隧道施工的质量及安全，也会对施工周围的建筑物及路面等造成破坏。因此，对地铁隧道盾构施工中的地面沉降问题分析尤其重要且必要。
        1、地面沉降问题发生的原理及影响因素
        1.1原理
        在地铁隧道盾构施工中，引起地面沉降问题发生的原理主要体现在两个方面：一是隧道开挖破坏了地层的稳定性。具体而言，在运用盾构法施工时，应涉及到多个操作环节，其中在地层开挖环节，由于受到外部作用力的影响，隧道外层的物质会随着内部向心力而涌进隧道内部，在彼此相互挤压下，就容易破坏地层的稳定性，这样就容易引起地面沉降问题。在盾构法施工中，掉应力的把控是非常严格的，若应力波动幅度非常大，就会使得地层呈现出不稳定的波动，土体隆起也随之出现。尤其是在含水量较大的土层中，其稳定性非常弱，更容易出现大幅度的地面波动沉降问题。二是土体稳定性降低。由于地铁隧道盾构施工中，会使用到许多机械设备，且盾构设备本身体积也比较大，在运行过程中会对地层产生非常大的扰动，从而使得土体结构遭到破坏。这样在盾构施工形成的隧道周围会出现一层空隙，随着盾构机持续推进，大量的水书沿着空隙进入到隧道中，使得内部压力失衡，也会因此导致地面沉降问题发生。
        1.2影响因素
        在地铁隧道盾构施工过程中，引起地面沉降的影响因素有许多，主要包括如下几个方面：
        （1）覆土厚度与盾构外径。在地铁隧道盾构施工中，盾构外径会受到许多因素的影响，使得盾构外径呈现出动态变化的状态。而随着盾构外径长度越大，盾构施工对土层产生的波动幅度就会越来越大。与此同时，在地层波动中，地面下沉深度会随着沉降槽宽度的增加而增加，而隧道的覆土厚度与盾构外径呈方向关系，换而言之，覆土厚度越大，地层就会越稳定，那地面沉降值就会越小。
        （2）土层性质。地铁工程规模比较大，使得盾构施工中涉及的土层种类也比较多，而不同土层的物理性质也有所差异，所表现出的地面沉降现象相应也有所不同。其中，在软土层中，由于包含的穿越砂土层格力系数较小，因此沉降量较低。另外，盾构结构的差异，在穿越不同土质时，所引起的地面沉降效应也会有所差异，相比较粘土层，穿越砂土层的宽度系数要低一些，其产生的沉降量也就会更多一些。
        （3）地下水流失。在隧道施工尤其是深度施工中，地下水流失会使得水位降低，这样就会对盾构施工的地面稳定性产生较大的影响，特别是桩基空隙较大的地层，地下水流失引起的地面沉降现象较为严重。主要因为随着盾构机不断推进，会对土层产生较大的波动，在盾构机长时间停止工作后，地下水就会顺着盾构通道流向挖掘面形成一个上下连通的水力通道，在水的贯穿作用下就会降低隔水层水位，随之地下水位也会降低，大量地下水流失，进而引起地面沉降。
        2、地面沉降问题的处治措施
        以某城市轨道交通2号线工程土建施工10标段为例，经现场地质勘察50m地层得知，盾构范围区间的地层主要为人工填土、粉质黏土、黏质粉土、粉细砂及黏土、粉土等土层。该标段盾构施工期间存在扰动性影响，存有地面沉降发生的可能性。

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因此，该标段施工的重点内容为地面沉降的有效防治。对此，具体需要以沉降控制为工作导向，先要做好盾构机的选型工作，并保证其运行参数、盾构姿态等方面的合理性，对盾构施工方法进行优化，从而提高盾构施工期间的地面沉降控制水平。具体的处治措施为以下：
        2.1盾构机选型
        依据施工场地的地质条件，选择合适的盾构机类型。本工程选用了土压平衡盾构机施工，且盾构刀盘针还针对地质条件进行了特殊设计，具有这几点特征：可在气压下土仓内安全施工，且便于土压平衡；该隧道地质情况较为复杂且多变，但刀盘开口可直接使土体顺利从切削面流向土仓；可根据土压力大小控制螺旋运输机的转速，保持土仓内的恒定土压力值，平衡开挖面土体侧压力，从而有效控制地面沉降。
        2.2初期控制
        对于盾构施工初期，考虑主要是因为在推进压力的作用下，渗透性不足的软黏地层容易出现沉降，因此为有效控制初期沉降，关键在于盾构施工的状态的调整，应确保盾构施工处于连续性与均衡的状态，要避免中途长时间的停机。
        2.3开挖控制
        对于盾构开挖过程的沉降控制，首先需要计算确定土仓压力值，以现场地质条件和埋深情况为基础，引入全覆土重理念，以此进行土压力的计算。同时由于现场施工环境较复杂，且存在许多不可预见的因素，所以在获得理论土压力值后，还需要在该值基础上进行调整，适当增加10~20kPa，以此确保施工效果。其次在进入到掘进阶段时，需要严格控制螺旋输送机的工作状态，确保其出土的均衡性，以此降低土压的波动幅度。另外，在掘进期间，涉及的参数项目较多，包括推力、掘进速度、刀盘转速、螺旋转速等，应保证彼此之间处于相对均衡的状态，不应发生大幅度波动，从而保证土压的合理性。最后要注意盾构姿态的控制，影响盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，通常需要操作人员来完成控制。当盾构机下俯时，应加大下端的千斤顶推力，若盾构机上仰，则需要加大对上端千斤顶的推力纠偏。另外，对于特殊地层的盾构姿态控制，具体需要根据掌子面的地质情况来对液压推进油缸进行分区操作。
        2.4盾构通过控制
        在盾构通过时，由于沉降持续时间较短，容易在短时间内引起大范围的沉降。针对这一问题，需要对盾构筒体的直径进行改进，应确保盾构首尾直径一致，并协调好盾构施工期间的各要素，确保盾构连续掘进，避免不必要的纠偏行为，从而有效控制地面沉降。
        2.5盾构通过后控制
        对于盾构通过后的地面沉降控制，关键措施在于同步注浆，主要因为这一阶段的沉降几乎达到了施工全程总沉降的一半左右，所以需要做好同步注浆工作，以此减小盾尾空隙区域的地层变形，提高地铁隧道的抗渗水平。另外，同步注浆应用效果与浆液性能有密切的关系，因此在选择浆液时应选择惰性浆液，其凝结时间相对较长，且补强注浆效果较显著，能够有效减少多环隧道土体产生的沉降量。
        2.6地面沉降监测
        为有效控制地面沉降，还需要加强盾构施工过程中的沉降监测。具体需要结合现场实际情况布设相应的观测点，通常需要沿着隧道中线上方的地面布置，间隔5m左右布设一个观测点。另外，有效控制地面沉降，合理设置沉降观测率也非常重要，一般是早晚在盾构机前面10~20m区间进行观测，也要根据盾构施工的进度使得增加观测次数，确保地铁隧道施工周围土层处于稳定状态为止。
        结语：
        总之，在地铁隧道盾构施工过程中，会受到许多因素的影响从而出现地面沉降问题。施工方需要基于施工现场地质条件基础上，并充分掌握盾构施工地面沉降的原理及原因，从而落实有效的控制措施，最大化地避免地面沉降问题出现。
参考文献：
[1]邓建峰.盾构隧道施工引起的地表沉降探究[J].科技创新与应用,2020(26):57-58.
[2]王睿.探析地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降[J].工程机械与维修,2020(02):81-83.
[3]李尚辉,陈灿煌.上软下硬地层盾构施工地表的沉降控制技术[J].宜宾学院学报,2020,20(06):5-8+45.