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

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。主要分析了地表沉降受盾构隧道施工的影响因素分析，归纳总结了地表变形的影响因素，为正确选择施技术，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，并结合工程实例对盾构施工不同阶段、现场监测和数据分析进行讨论，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。目前已经成为国内外城市地铁隧道的主要施工方法。在建的上海、北京，广州、南京、天津地铁中都大量的采用盾构法。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。国内外实践表明，盾构施工或多或少都会扰动地层引起地层移动而导致不同程度的环境影响，即使采用当前先进的盾构技术，也难以完全防止地表隆陷以及地层水平位移的发生。尤其是在城市修建地铁，由于其埋深较浅，地表建筑及地下设施较多，修建地铁时对周围环境的影响更大。地层沉降可能导致地表建筑物倾斜，甚至开裂、倒塌，地下管线被破坏；地层水平位移可引起地下桩基偏移及管线与通道错位等，进而导致桩基承载力下降并影响管线与通道的正常使用，甚至毁坏。但地表沉降对环境的影响是主要矛盾。因此，必须研究盾构隧道施工时引起地层移动、造成地面沉降的机理及影响因素，对地面沉降量进行预测，正确估计可能发生的地面变形，以选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施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。

伴随着盾构施工方法的逐步完善，众多学者专家对盾构法施工引起的地表沉降和控制地表沉降的措施等方面进行了大量的研究。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。就影响因素而言，一般可以概括为以下几个方面：地质水文条件、施工参数、设计参数和盾构机械本身等。

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，如图l所示：

图1 地表沉降发展示意图

(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。前面四种变形可以通过选择机械和施工参数加以控制，但无论什么样的机械和施工参数，盾构推进总会在一定程度上扰动土体，因此，后期固结变形如会或多或少地存在，是无法消除的。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％。地面后期固结沉降与地面即时变形量有很好的对应关系，地面即时变形越大，周围土体的扰动程度越大，地面后期固结变形也越大。

4工程实例

关于盾构隧道施工引起的地表沉降监测一般采用精度较高的电子水准仪进行，采用闭合线路或者附和线路。测点布置主要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5～30 m范围内。具体的测点布设视工程的具体情况而定。

北土城东路站——芍药居站区间位于规划的土城北路下方，东起地铁5号线北土城东路站西端，由西向东下穿惠新东街、城铁13号线芍药居站、京承高速公路，西至10号线芍药居站。区间隧道高程范围内的地层主要为第四纪全新世冲洪积层：粉土层、粉质黏土层、黏土层和粉细砂层。地下水主要为地表浅层滞水和潜水。隧道采用盾构法施工，隧道直径为6000mm，普通衬砌环结构，环宽1200 mm，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2 典型地表沉降监测数据的历时曲线

由图2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。

参考文献

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