四川中铁建地铁投资管理有限公司
摘要：一直以来，地铁盾构施工拥有安全、智能、快捷、地层实用性广等特点。在国内的地铁工程项目建设中，盾构施工法得到广泛的应用。但是采用盾构法修建城市地铁隧道时，如何预测和控制因幵挖造成的地表沉降和邻近建筑物沉降，避免对城市建筑物的损害，现已成为施工所面临的一个重要问题。本文结合工程实例，在数值模拟数据计算的基础上研究新建盾构隧道侧穿建筑物基础产生的地面沉降。
关键词：地铁；盾构施工；地表沉降
0引言
目前，在交通工程领域，人们开始把眼光指向地下，因此，道路地下工程的研究问题成为工程师关注的焦点。为解决城市交通问题，地铁因其运量大、效率高，在人们的日常生活中起着不可替代的作用，特别是在一些人口密集的城市，地铁等地下交通通道可以很好的解决城市交通拥堵问题。在城市地铁建设中，目前城市地下交通区间暗挖险道修建的主要施工方法为盾构工法。但是，因为施工位置在岩石土体内部，所以，在开挖过程中难免会破坏原有的平衡状态，导致地表变形和沉降的问题出现。为了避免地表沉降影响到周围的建筑物，就需要对地表沉降规律进行认真的分析，从而得到具体的控制方法。
1盾构施工引起的地层变形特征
虽然盾构法与浅埋暗挖施工存在较大的差异，但是针对引发的地层变形来看，国外通过大量的理论分析和实际的资料分析表示，其区别也不是很大。从隧道的横断面来看，图1表示的地表沉降特征曲线，并且在大部分情况下，第二条隧道引发的地表沉降要大于第一条隧道。针对单条隧道而言，沉降槽曲线似正态分布曲线，peck算式也是典型的沉降计算代表，两条隧道的沉降曲线就是单线的相互叠加，但是就最大沉降值而言，盾构隧道施工要小于暗挖法。
从纵向来看，地面沉降主要的发生特征和规律如图2，相比暗挖，其存在的不同点在于：第一，盾构掘进的前方可能有地表隆起出现；第二，施工沉降除开土体损失沉降之外，还有盾尾孔隙的沉降。盾构施工所引发的地表沉降原因较为复杂，除开地层条件外，法还关联到推进压力、掘进速度、平衡土压等，所以，很难准确计算以及做出预测。数值分析发展，一般提供了多工况变形预测工具，但是也只起到指导作用，所以，还需要进行实时监测以及相应的控制，将初始掘进作为试验段，调整各种施工参数，这才能够提供盾构参数的优化依据。
2盾构施工引起地表沉降的原因及变形机理
对于各种类型的沉降原因和机理见表1所示，从表中可以看出引发位移的主要原因，施工扰动会引起应力变化从而产生位移。
3案例分析
3.1概况
京津城际铁路延伸线解放路盾构隧道采用单洞双线，总长度为2248.5m。盾构外径为11.97m，盾体长度为12m，整机长度为65m，隧道外径11.6m，内径10.6m，管片厚度为0.5m。沿线最小覆土厚度约为7.5m，最大覆土厚度为15.6m。工程所处地区为冲海积平原，地层以淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土为主，土质不匀，成分复杂，具有技术难度大、安全风险高、工期要求紧等特点。
3.2数值计算
由于该盾构隧道侧穿多栋建筑物，大致分为浅基础建筑和深基础建筑两类。通过建立三维有限元模型研究盾构从某已建建筑物30m至到达建筑物直至完全通过该建筑物整个过程中地基基础的变形情况。为方便分析模拟结果，选取6个点（D1-D6）点所在横断面为观测面。随着盾构的推进，建筑物左侧沉降逐渐增大，同时该建筑物右侧也出现沉降，左侧的沉降要大于右侧。沉降变化趋势如图3、4所示。
图4 G1～G6 点沉降变化趋势
图3，4中可根据盾构推进的进度分为三个区域，区域一为盾构刀盘到达D1-G1观测面前，区域二为盾构通过建筑物，区域三为盾构刀盘离开建筑物。图中可以看出随着盾构掘进，建筑物地基沉降逐渐增大，沉降主要发生在盾构通过的过程中。建筑物左侧的D1～D6点最大沉降分别为，D1点为-40.54mm，D2点为-39.36mm，D3点为-39.03mm，D4点为-37.61mm，D5点为-36.72mm，D6点为-35.09mm。当盾构到达D1观测面时，D1点沉降为-18.1mm，占最大沉降的44.64%。当盾构分别抵达D2，D3，D4，D5，D6时，D2～D6点的沉降分别占各点最大沉降的47.89%，43.04%，49.46%，54.23%，57.28%。此时已经超过了沉降控制值(30mm)的要求，应采取控制措施。建筑物右侧点G1～G6的沉降小于D1～D6的沉降，但沉降规律近似于D1～D6。
3.3控制地面沉降主要方法
3.3.1隧道设计选线
针对隧道区间利用盾构法进行施工时，应该考虑到地面建筑和含水软弱地层的影响，尽可能考虑到远离建筑群，并且将隧道线路致力于均匀的地表沉降区域内。对于不同时候的施工双线隧道，在施工设计中，就应该考虑到二次沉降带来的影响，对于地表沉降以及危害进行正确的估价。在条件允许的前提下，通过监测和测量，以此来获取盾构施工之后的地表沉降值和隆起值。
3.3.2 确保舱内压力保持开挖面的稳定
在利用土压平衡式的盾构施工中，主要是盾构推进过程中，依靠舱内土体压力以及盾构前方土体压力的相对平衡，来稳定开挖面的土体。通过实践证明，因为在盾构推进中，受到推进速度、千斤顶顶力以及排土量等影响，土压会出现波动，所以，土压平衡本身就属于一种动态式的平衡。在具体的操作中，很难完全保持动态平衡，所以，可以通过排土量控制以及舱内外土体压力差值的控制，就可以实现开挖面的稳定要求。保持开挖面的稳定性，及需要将前方土体的松动减小或者是避免因为挤压造成的土体扰动。在盾构推进中，应该保证土压力和正面静止水压力之和要比密封舱内的压力小，这样才可以降低开外面上体的扰动。
3.3.3控制地表沉降
第一，在进行盾构掘进之前，需要对周边的地面建筑物、地下障碍物、地下管线等加以掌握，必要时可以进行物探，针对重要建筑物制定保护措施。
第二，建立隧道沉降量的测控制网，做好相应的监测，以掌握施工中以及建成之后对于隧道本身以及周边环境的影响。主要分析盾构前方监测点的监测数据。如果监测点的地面变形控制在-5mm～+5mm之间，在盾构通过时，其地面的变形控制在-30mm～+10mm之间，否则就需要对出土量加以调整，要求对环境进行更严格的分析，确保控制值。
第三，地面的变形接近-20mm～+5mm，就需要找出原因，做好相应的处理。
第四，在管理掘进参数中，需要保证土仓压力的合理性，利用盾构掘进参数的优化，来保证开挖面的稳定，以便控制建筑物和地层的隆降。
第五，注意曲线上的盾构推进以及盾构的纠偏。在曲线推进过程中，土体对于隧道以及盾构不会存在过大的约束力，很难控制盾构轴线，从而减缓推进速度，其纠偏幅度不宜过大，同时，还要做好纠偏测量工作以及加大注浆量，这样才可以减少地层的损失，降低地面的沉降。
第六，避免因为壁后注浆孔以及管片街头等漏水而引发的地层下沉。在安装管片或者是在防水施工中，都应该严格按照要求，确保质量不受影响。如果出现管片漏水，需要做好二次注浆处理，以满足防水要求。
4结语
1)随着盾构机的推进，土体开始下沉，沉降量逐渐增加，当盾尾经过观测点时沉降量最大。横断面上地表特征点的数值计算值和现场实测值沉降曲线能用高斯函数较好的拟合，且两者吻合良好。
2)纵向剖面地表沉降上，数值计算沉降曲线相对平滑，而现场实测曲线存在“上下”现象，但两条曲线可近似的认为具有相同的形状和最终值，数值计算相对合理。
3)工作面支撑压力和注浆控制是盾构机控制最重要的两个参数，支撑压力和饱和土的自重应力之间的系数在0.5～1.3范围内时，支撑压力的变化对地表沉降的影响有限;相对于支撑压力，注浆压力对地表沉降的影响更加明显。
参考文献：
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[5]彭诚.地铁隧道盾构施工引起土体附加应力及地表沉降研究[D].中南大学，2014.
论文作者:张守南
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/6
标签：盾构论文; 地表论文; 隧道论文; 建筑物论文; 地层论文; 压力论文; 地铁论文; 《基层建设》2017年第7期论文;