盾构隧道引起的地表沉降分析

盾构隧道引起的地表沉降分析

卢颖明彭柳

1武汉地铁集团有限公司湖北省430000；2长江水利委员会综合管理中心湖北省430015

摘要：随着城市地下空间的逐步拓展，盾构法成为城市地下铁路修建的主要工法。本文对盾构隧道施工引起的地表沉降的影响因素进行了详细的分析，归纳总结了地表变形的影响因素，为制定完善施工安全措施提供依据，确保施工地区重要设施的安全。同时结合某地铁盾构隧道掘进工程实践进行分析，提出地表沉降的历时阶段，得出了有益的结论。

关键词：盾构隧道；地表沉降；影响因素

1引言

由于盾构法具有高度的机械化、自动化，不影响地面交通，对周围建（构）筑物影响较小，适应软弱地质条件，施工速度快等优点，在城市地铁工程中得到广泛应用。但由于盾构的推进引起地层扰动，破坏原始土体的水压平衡，往往引发一系列环境病害。因此，必须研究沉降的机理及影响因素，并进行预测，正确估计可能发生的地面变形，以确保施工地区楼房、建筑物与地下管线等重要设施的安全。

本文以某地铁盾构隧道的地面沉降观测为基础，详细分析了开挖过程中和完成后的沉降规律，这对评价开挖对地面建筑及地下管线的影响有一定的指导意义。

2地表沉降机理

在盾构法隧道施工过程中，总会不可避免的产生土体扰动，这种扰动引起地层损失和隧道周围地层土体剪切破坏的再固结。扰动效应传导到地面便形成了地表沉降，大都在盾构施工期间呈现出来。从整体来看，影响地表沉降的因素是十分复杂的，但主要的关键因素有以下几个方面：

1）盾构隧道掘进时前方土压力的松弛。盾构舱内土压力是可以控制的，舱内土压力与围岩压力的平衡关系控制着地表沉降的大小。直观地说，当舱内土压力大于围岩侧压力时，会造成开挖面上方土体上隆；当舱内土压力小于围岩侧压力时，会造成开挖面上方土体下沉。

2）盾构机与围岩之间的摩擦作用。当盾构机向前掘进时，势必推动周边的土体向前移动，这种移动表现在盾构掘进机附近的土体发生侧移，而导致开挖面后方漏空，地表产生下沉；开挖面前方土体挤压，地表产生上隆。

3）盾构机掘进过程中对孔隙水压力平衡的破坏。在盾构机掘进扰动土体的过程中，会破坏地下水的平衡。土体开挖后，地下水被截断，向隧道内排泄，隧道上方土体排水固结，从而引起地表沉降。或是隧道注浆堵水，衬砌防水密封后地下水径流受阻，土体饱和膨胀，从而引起地表隆起。

4）盾尾空隙。在盾构机尾部脱出后，围岩和管片之间存在一定的间隙，为土体下沉提供了空间，一般会造成沉降速率较大的变化。

5）盾构机掘进过程中的姿态。在掘进过程中，盾构机的行进方式并不是完全按照设计路线前进的，而是在一定的误差范围蛇形前进。这样的波动增大了对土体的扰动，也增加了地表沉降的可能性。盾构推进过程中，盾位纠偏、仰头推进、叩头推进、曲线推进等都会使实际开挖面形状偏大于设计开挖面，从而引起地层损失。实际轴线与设计轴线偏离越大，所引起的地层损失也越大。

6）围岩的固结沉降。在盾构机穿越后，后期受扰动土体的重新固结也会增加地表沉降的幅度。

3盾构施工进度引起地表沉降分析

影响盾构隧道地表沉降因素有渣土仓压力、地层性质、盾尾注浆开始时刻、注浆量和注浆压力、出土量及盾构推进速度等，而地表沉降是这些因素综合影响的结果。地表沉降主要取决于地层类型、盾构机类型及施工状况。沉降历时曲线可分为五个阶段：

（1）先行沉降：指自隧道开挖面距地面观测点还有相当距离（数十米）开始，直到开挖面到达观测点之前所产生的沉降。主要是由于土体受挤压其有效应力增加而引起的。

（2）开挖面前的沉降和隆起：指自开挖面距观测点很近（约几米）时直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象。它是由于盾构推进引起土体应力状态改变而产生的变形。当这部分土体受到挤压时地表即隆起。

（3）盾尾沉降。指从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降。其原因是，盾构外壳与土层之间会形成剪切滑动面，剪切滑动面附近的土层内产生剪切应力，剪切应力引起地表变形。盾构机推进速度越快，剪切应力越大，地表位移也越大。

（4）盾尾空隙沉降。指盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降，是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形。这种沉降速率很大，但只要当支护结构及时施做以后就能控制。沉降量一般不大。

（5）后续沉降。指固结和蠕变残余变形沉降，主要是地基扰动所致。这些沉降多非同时发生，地基条件和施工状况不同，沉降的类型也有所不同。地面后期固结变形多数只占地面总变形量的较小部分，大约占总变形量的5％～30％。

4工程实例

地表沉降监测一般采用精度较高的电子水准仪以监测断面为单位划分，每个断面上布置奇数个测点，在隧道的中心布设一个测点，然后在两侧对称“近密远疏”的布置若干测点。监测断面的间距一般在5～30m范围内。

某地铁隧道采用盾构法施工，隧道直径为6000mm，普通衬砌环结构，环宽1200mm，由6块预制钢筋混凝土管片错缝拼装构成。经过现场布点监测，获得了大量的实测数据，通过对典型数据的分析获得以下结果（见图2）

图1典型地表沉降监测数据的历时曲线

由图1可以看出，隧道正上方的Qs206测点沉降量最大，达到-20.5mm，而两侧的测点沉降量则要小很多。但几乎所有测点都在一定程度上表现出了一种变化规律：在6月23日之前，沉降量都比较小，约在2.5mm，属于图1所示的第一阶段。在6月27日之前沉降量增大，但速率较小属于第二阶段。在6月29日，沉降量突然增大，而且沉降速率也很大，属于第三阶段。在6月30日产生小量上隆，这是二次补浆的作用，属于第四阶段，在此之后基本上呈现平缓的变化，地表沉降量趋于稳定，属于第五阶段。各阶段的划分没有清晰的界限，但各阶段的变化特征却是不同的，这与引起地表沉降的主要影响因素有关系。盾构隧道施工进度的不同，其控制作用的影响因素也不同，表现在地表沉降的量值和变化速率上也出现了不同的特征。

5结论

根据以上分析，结合实际监测情况，可以得出结论：

1）地面沉降的基本原因是盾构掘进所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。地层损失引起的地面沉降，大都在施工期间呈现出来。

2）把地表沉降的时程分为五个阶段比较适合实际情况；

3）在影响地表沉降的众多因素中，盾尾间隙的影响可以说是比较重要的，在控制地表沉降时，应以针对盾尾间隙为主采取有效的措施来达到预期的沉降控制目标。

4）为了减少地表沉降，在盾构隧道的施工过程中都会采取同步注浆和二次补浆，这会在一定程度上减少沉降速率，但处置不当会形成地表隆起。

5）在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量的比例高达35％以上。

6）一般地，地表沉降的范围在盾尾40m内，之后基本没有影响。