城市地铁盾构施工地表沉降研究李亮

城市地铁盾构施工地表沉降研究李亮

李亮

中铁十八局集团第四工程有限公司天津市300000

摘要：城市地铁工程与一般的地面交通施工项目不同，其施工质量直接受到地质环境的影响，并且地下管线分布不均匀，给地铁施工带来困难。地铁盾构施工是城市地铁建设的重点，在具体的施工过程中，十分容易出现地表沉降的问题，这就需要采取有效措施，提高盾构施工质量。本文简单分析了盾构施工技术，并探讨了地铁盾构施工地表沉降的相关问题，最后提出了几点控制策略。

关键词：地铁；盾构施工；地表沉降；控制策略

引言

地铁建设缓解了城市的交通压力，对城市的经济发展也起到了巨大的推动作用。地铁施工中使用的盾构施工具有效率高、受外界影响小等优点，是目前地铁隧道施工的主要方法。但盾构法施工不可避免造成地表沉降，会对周边环境带来重大影响。盾构施工地表沉降的成因及机理十分复杂，涉及到的影响因素和参数众多，一直是学者们研究的一个重要课题，因此，进行地铁施工过程的各项参数与地表沉降之间的关系研究，对地铁隧道施工安全具有重要的理论意义与工程实践价值。地铁盾构施工造成的地表沉降问题无法完全避免，但在对沉降机理和影响因素的深入分析的基础上，可以通过科学有效的措施予以控制和减轻。

1盾构施工技术分析

1.1工作原理

盾构施工技术是指使用盾构机，在盾构钢壳之内保持开挖面稳定的同时，安全向前掘进、出渣，在尾部拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆以使围岩基础稳定，用千斤顶顶住已拼装好的衬砌并利用其反力推动盾构前进的方法。盾构机施工主要由稳定开挖面、挖掘包括排土、衬砌包括壁后注浆三大要素组成。开挖面的稳定根据土质及地下水等情况的不同而有不同的处理方法，主要有开挖面的自然稳定即敞口放坡、机械式支撑稳定、压缩空气支撑稳定、泥水式支撑稳定以及土压平衡式支撑稳定等。盾构机的“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾型钢壳；“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。

1.2技术特点

第一，对城市地面建筑物和周围环境影响小，除了在盾构竖井或基坑处需要一定的施工场地外，地铁隧道沿线不需要施工场地，施工无噪音、无振动公害，对地面交通基本无干扰，适用于埋深较大、不宜明挖的松散地层；第二，施工精度要求高，管片的制作精度几乎相当于机械制造的程度，误差范围要求控制在0.5mm以内，盾构前进过程中要求严格控制对隧道轴线的偏差；第三，盾构施工过程有单行前进、不可后退的强制性，具有较大的风险，盾构施工开始便无法后退，一旦盾构本身出现致命故障，则可能产生灾难性的后果；第四，盾构机是适合于某一特定区间的专用设备，需要根据施工隧道的断面大小、埋深、地质条件等进行设计、制造或者改造。

2城市地铁盾构施工地表沉降

2.1地表沉降理论

采用盾构法对地下隧道施工开挖时，周围的岩土层会产生应力释放效应，而这种释放会对地层产生变形，最后引起地表面建筑物的形变和位移。如果任其施工位移和变形的发展，将会影响地表面的管道和其他基础设施的安全。尤其是在城市市区，这种影响更为明显。地下隧道开挖施工产生沉降的示意图，如图1所示。

图1地下隧道开挖沉降示意图

2.2地表沉降影响因素

采用盾构法对城市地下铁路隧道的施工，会对土层和地表产生不必要的沉降。然而，影响地表沉降的因素有很多：第一，盾构机在隧道中掘进施工时，机器前方的土压力松弛，当盾构机舱内的土压力比周围岩土层的土压力大时，将对开挖面上面的土体造成上隆现象，当盾构机舱内的土压力比周围岩土层的土压力小时，会造成开挖面上方土层下沉；第二，盾构机和周围的岩土层产生的摩擦，当盾构机往前掘进施工时，将诱发周边土体的移动，此移动主要引起在盾构机土体产生侧移，进而导致施工开挖面后面的地表层沉降，以及施工开挖面前面的土层发生上隆；第三，盾构机尾部的空隙，施工过程中，当盾构机尾部脱出后，管片和围岩之间存有一定的间隙，给土体下沉提供了较好的空间，将导致沉降速度发生变化；第四，管片的变形和下沉，由于作用在管片上的土压、水压等周边压力不匀使衬砌产生变形，在自重、上部土压及地面荷载作用下所引起的地表变形；第五，地下水的影响，由于城市地铁隧道较深，一般都是在地下水位以下，开挖施工时地下水被不间断的排除，如果注浆密封不及时或效果不太好，地下水将会渗出，土层会固结和收缩，最终将导致地面大范围的沉降。

2.3地表沉降特点

随着地铁盾构施工的不断推进，因其引发的地表和土体沉降也在不断发生着变化，根据施工进展，与其对应的地表沉降也随之分为五个发展阶段，不同阶段地表沉降特点如下：第一，初始沉降阶段，当盾构机运转挖掘前进时，地下水流原有结构发生破坏，地下水位发生下降，从而导致附近一定范围内地面发生沉降；第二，开挖面前方变形阶段，当挖掘面逐渐接近前进路线上某处时，在距离该点几米时，会导致该处附近地面发生沉降和隆起；第三，盾构通过时沉降阶段，从开挖面到达前进路线某处，直至盾尾到达该处，这一过程中发生的沉降称之为盾构通过时沉降；第四，盾尾空隙沉降阶段，当盾构机盾尾经过前进路线上某处时，由于盾尾间隙内的土体突然失去来自盾构的支撑作用，或者由于管片壁没能按施工要求进行注浆导致附近土壤应力释放都会造成沉降发生；第五，后续固结沉降阶段，盾构机经过以后，经受扰动的土地发生固结和蠕变后续实效变形造成的沉降称之为后续固结沉降。

3城市地铁盾构施工地表沉降控制策略

3.1切实做好注浆作业

第一，严格控制注浆速度，为保障注浆效果，浆液填充速度要尽可能与盾构机挖掘速度保持一致，最大限度降低盾尾空隙的产生，从而避免由于盾尾空隙造成的沉降，具体注浆速度要根据施工实际情况确定；第二，准确把握注浆时间，从上面沉降原因分析可以看出，注浆的不及时是导致沉降发生的重要原因，在盾构施工时，必须把握好注浆的时机，一般情况而言，最理想的注浆时机应该是管片脱开盾尾的时间。

3.2加强施工过程控制

盾构施工参数控制过程的总体原则是在保证盾构施工及先行隧道安全稳定的基础上，实现经济的最优化。在不同阶段坚持的基本原则是：盾构施工期间，尽可能地减少盾构施工对周围岩土体及先行隧道的影响，优化相关盾构施工参数，实现盾构施工过程对先行隧道的最小影响控制；盾构施工完成阶段，应实时掌握后行隧道及先行隧道的变形情况，防止后期土层的固结变形对先行隧道产生不利影响。

结束语

总而言之，地表沉降是地铁盾构施工过程中最关心的工程问题之一，关乎近邻建筑物能否正常运营及盾构能否正常施工。随着盾构法地铁建设中的广泛应用，盾构隧道施工对地表沉降的影响受到越来越多的关注。因此，相关单位要对地表沉降进行准确地预测，以求在设计和施工中采取有效控制沉降的措施，防止安全事故的发生。

参考文献

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