摘要：随着社会的快速发展，地铁在城市中的作用越来越大。本文简要叙述了地铁隧道盾构法施工而引起的地表沉降的原因，根据土质的不同，采取不同的掘进方法，努力确保地铁隧道的施工质量，为城市地铁隧道施工企业提供参考。
关键词：地铁隧道；盾构法；地表沉降
一、地铁隧道盾构施工概述
盾构法施工已成为我国城市地铁隧道施工中一种重要的施工方法。同其他施工方法一样，施工将不可避免地扰动土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化，导致地表的沉降。无论施工技术如何改进，预测地铁隧道开挖引起的地表位移沉降及对周围环境的影响是盾构施工的一个重要问题。围绕这一问题国内外学者们运用了许多方法进行了大量的研究工作。盾构施工过程中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之间有一定的差值，即“负地层损失”的概念，从而对Peck公式进行改进；Loganathan和Poulos基于解析理论，提出预测地表沉降的解析公式，由于实际影响因素比较多，理论计算参数取值存在一定的局限；利用神经网络强大的非线性映射进行建模分析，目前，将人工神经网络应用在地铁施工建设处于启动阶段，还需要进一步开展研究和试验；利用数值模拟的方法对开挖过程进行了模拟分析；利用数学方法中的延迟差分方程法建立模型对纵向地表沉降进行动态预报；基于最优化理论的共轭方向加速法，研究了Peck法与随机介质法各自的多参数反分析方法。由于地质条件的复杂多变以及施工参数的变化使得上述的研究成果具有一定的局限性，不同地区纵向地表沉降有着不同的特点。
二、引起地铁隧道施工中地面沉降的原因分析
1.地层损失引发地面沉降
地铁隧道的施工中，盾构施工将对相应的土体产生扰动，从而引发一定范围内土体成为松土而造成地层的损失，根据相应的理论分析和实际工程项目实例的总结，引起地层损失的因素包括开挖面的土体移动；盾构的后退；土体挤入了盾尾空隙；推移方向的改变；盾构正面障碍物，从而使地层在盾构通过后产生的空隙难以压浆填充引发地层损失；盾壳在移动后对地层产生了摩擦和剪切；在土体压力的作用下，地铁隧道的衬砌产生了形变引发的地层损失；当隧道衬砌具有较大的沉降时也将引发地层损失。
2.覆土厚度H和盾构外径D的影响
盾构外径越大，由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大，在相同地面沉降槽宽度下，最大地面沉降也随着增大；而隧道覆土厚度越大，则最大地面沉降值就会越小，但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度H与盾构外径D的比值即H/D的增大而减小。
3.地下水流失造成地面沉降
深埋隧道的施工中，地层损失所造成的地面沉降主要对建筑物的端承桩造成影响。而地下水流失所造成的地下水位下降则主要对建筑物的浅基础以及长度较短的摩擦桩造成影响。尤其是桩基基础以下间隙率较大的地层，例如中粗砂层，其所造成的沉降较大。在土压平衡式盾构机器掘进过程中，普遍存在拱顶同步注浆不密实的状况，从而导致了拱顶处沿着地铁隧道方向水力连通。而当盾构机器长时间停止掘进作业时，地下水容易从盾构机的后方流向开挖面，从而引发了地下水流失。而当地层起伏较大，或是地层存在地质钻孔、封孔的质量不良时容易与上部地层造成水力通道，贯通隔水层引发地下水水位下降，此外含水量较大的地层中，盾构机的停止掘进也将导致开挖面较大的水量流失。当地铁隧道上层的土层覆盖较浅且土质较为松散，并且存在未封堵的地质钻孔时，由于形成了上下连通的水力通道，当盾构机推进后地下水下降迅速，从而引发地表沉降。
4.地面沉降的安全性判断与控制
因不同城市地铁隧道工程的地质条件、地面环境、隧道埋深、上部结构对地基变形的适应能力和使用要求具有很大差异，地铁隧道地面沉降的安全判断，通常需要考虑地面建（构）筑物和地下管线的安全及地层稳定等因素后综合确定。目前国内与地铁隧道地面沉降有关的规范均未给出地铁隧道地面变形的具体指标或允许值。从当前国内的地铁施工实际来看，地表变形多根据经验控制在+10mm～-30mm以内。但工程实践表明，制定统一的标准并不妥当，实际工程中要按照不同地区、不同地质和周边环境区别对待，以确定科学、合理且经济的沉降安全性控制标准。
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三、盾构施工地表沉降的控制措施
1.掘进模式的选择
地层条件不一样，选择的掘进模式也就不一样。为了使盾构机的应用更加广泛，一台盾构机可以通过自身的转换能实现土压平衡、半敞开式、敞开式三种模式。不同模式对应的施工参数也不一样，而地质条件千变万化，如果模式选择不恰当，势必会产生很大的地表沉降。
2.优化施工参数
盾构推进中对周围地层及地面的影响最小就是盾构的最佳推进，也就是我们所追求的最优掘进参数，这时地层的强度下降小、受到扰动也小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的沉降小，这些理想指标也是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件。
盾构的掘进参数包括：土舱压力、排土量和掘进速度、千斤顶顶力及分布、盾构坡度、纠偏方向与纠偏量和注浆压力、时间、注浆量以及浆液配比的确定等。盾构的几个掘进参数，既是相互独立，又是互相匹配、优化，其根本目的，是控制盾构掘进轴线偏差不超出允许范围及尽量减少对地层的变形影响。
盾构施工采用德国海瑞克复合式土压平衡盾构机，其施工方法是盾构推进过程中刀盘将切削下来的碴土充满土仓，并通过推进操作产生与土压力和水压力相平衡的土仓压力来保持开挖面的稳定和防止地下水的渗入。而当盾构刀盘面提供的压力小于原静止土压力，开挖面土体处于主动土压力状态，土体单元的水平应力小于垂直应力，则开挖面土体受到较小的支撑力而向后方位移，如果出土速度过快，开挖面前上方土体就会塌落，导致地面沉降。
3.盾构在曲线上推进及盾构纠偏
盾构在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要放缓，纠偏幅度不要过大，加大注浆量，加强纠偏量测等工作，以减少地层损失。
（l）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快。
（2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时就应该实行纠偏程序。
（3）蛇行修正及纠偏时应缓慢进行。在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
（4）推进油缸油压的调整不宜过快、过大。调整不同编组千斤顶或调整各千斤顶区域的工作油压，调整推力合力的作用位置，减少偏心力偶矩。用控制盾构纵坡达到调整高程位置，控制两边对称千斤顶行程差来调整平面位置差。
4.衬砌接缝防水
接缝漏水使隧道周围地层孔隙水流失，土体有效应力增加，引起地层再压缩固结，从而引起地表沉降。可以在施工中采用多孔型三元乙丙弹性橡胶止水条，在千斤顶推力和螺栓拧紧力的作用下，使得管片间的三元乙丙弹性橡胶止水条的缝隙被压缩来起防水的作用。
结语
综上所述，地铁隧道盾构法引起地表沉降的因素是多方面的，为了保证掘进施工进度、质量，必须根据掘进处的地质情况确定合适的掘进模式、掘进土压力、注浆方式和时机、注浆量和压力等，在施工时必须加强对造成沉降因素的监测，使沉降得到有效的控制，达到小于规范的允许值。
参考文献：
[1]相福磊.地铁隧道盾构法施工中的地面沉降问题研究[J].中国新科技新产品，2013（35）
[2]刘伟莉.浅谈地铁隧道盾构法的施工[J].中国高新技术企业，2012（27）
[3]徐喜荣.地铁盾构法隧道施工技术探讨[J].城市建设理论研究，2014（11）
论文作者:周天庆
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/16
标签：盾构论文; 地层论文; 隧道论文; 地铁论文; 地表论文; 地面论文; 损失论文; 《基层建设》2018年第30期论文;