李龙跃
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102100
摘要：在当今时代，地铁交通已经成为了人们出行的重要方式，在很大程度上缓解了交通拥堵的问题。地铁隧道工程施工是在岩土体内部进行的，不管其埋深时大时小，开挖施工一定会扰动地下岩土体，使其丧失初有的平衡状态，而朝着新的平衡状态转变。隧道开挖阶段，因地层物质被挖出，很容易形成施工沉降槽，其很容易引起地面沉降与塌陷问题，进而对道路路面、建筑物等造成不同程度的损伤，不利于工程建设，甚至对人们生命财产安全构成威胁。从本质上分析，隧道挖掘的环境土层介质属于非连续介质，等同于土层处于移动状态中，存留在介质内的连贯性会被破坏，且不同单元之间初有的关联性也会发生一定改变，单元分离而运动。在含水地层内开展隧道施工活动，但土颗粒骨架间的水分逐渐被排出时，将会使土体内空隙水压力出现改变，地层会由于出现排水固结而有地表沉降的表现 , 业内针对这种地层因孔隙水压力波动与渗透力作用而出现的地面沉降问题，将其统一叫作固结地表沉降 , 其主要是因含水层内地下水位下降 , 土层内液压跌落，形成粒间应力，即有效应力增加的结果。隧道开挖阶段岩土体扰动以后，在较长的一段时间内，土体骨架会发生一定压缩变形，土体蠕变阶段形成的地表沉降问题被叫作次固结沉降。基于此，本文主要分析了地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题，希望能够提供相关借鉴。
关键词：地铁隧道；盾构法；施工；地面沉降；问题研究
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.工程概述
天津市轨道交通地铁1号线东延工程土建施工05标段，沿线建设5个地下车站、5个地下盾构区间。本场地勘探揭露50 m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。
2.盾构法引起的地面沉降原理
2.1地层稳定性被隧道开挖工程破坏
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]。
2.2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。
3.地面沉降观测方法
3.1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[2]。
3.2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。
4.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。
4.1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。
4.2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10 m处的土层已经存在附加应力，随施工的推进，至前方5 m时该应力值约为0.02 MPa。为控初期沉降，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。
4.3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。
4.3.1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。
4.3.2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20~50 mm/r较合适，再进一步考虑推进速度，最终将该值设为25 mm/r[3]。
4.3.3盾构掘进参数的控制
掘进期间的参数项目较多，彼此间需维持相对均衡的状态，不可发生大幅度波动，以保证土压具有合理性。以工程实际情况为准初步设定参数，密切关注实际施工情况，对其采取合理的优化措施。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。
4.3.4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。
4.4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[4]。
4.5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∶1 100∶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。
4.6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。
5.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.
[4]秦玉开.地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题分析[J].建筑技术开发，2019 （13）：138-139.