盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制
盾构法施工地面沉降机理、预测与防治
失；盾尾后面的建筑间隙未能及时有效地进行充填，从而使周围土体挤
入建筑间隙，引起地层损失（在含水的不稳定地层中，这往往是引起地
层损失的主要因素）；盾构在曲线推进和修正蛇行时的超挖和扰动所引
起的地层损失；在土压力作用下，隧道变形或沉降也会引起地层损失；
施工中操作失误而引起开挖面坍塌，或前方地质情况骤变，而使开挖面
盾构法施工地面沉降机理、预测与防治
国内外实践表明，盾构法施工多少都会扰动地层而引起地表沉降，
即使采用目前先进的盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。
地面沉降量达到某种程度就会危及周围的地下管线和建筑物。因此，必
须研究盾构施工时引起的地层扰动，造成地面沉降的机理，要清楚地掌
握沿线的地下管线和建筑物的构造、型式等，对地面沉降量和影响范围
（1） 保持开挖面的稳定性。开挖面的稳定性可以用稳定系数N 来定量描述，N值定义为：
N= n
式（12）
式中 H----地面至开挖面中心的距离（m）;
γ----地层重度（kg/m3）;
P----开挖面支护压力（kg/m2）;
Cu ----地层的不排水抗剪强度( kg/m2);
n=0.7～0.8。
当N＝1～2时，地层损失率可控制在1%以下；
S (max )＝V(s)/ i≈V(s)/2.5 i
式（4）
Cording 和 Hansmire（1970）对紧密砂层做的统计分析，可以
满意地认为横向沉降槽体积等于地层损失，即V (s) ＝VL＝VlV。
横向沉降槽宽度系数i取决于接近地表的地层的强度．隧道埋深 和隧道半径。根据在均匀介质中的试验，可以从几何关系中近似地得 出：
粘性土： i=0.43Z＋1.1
式（6）
浅析盾构隧道施工引起的地面沉降机理与控制措施
降这一 问 题给 出 一个定量的解释 ； 最后简单介绍盾构隧道沉降控制措施和控制原则， 为盾构隧道施工提供有益的参考。
关键词 ： 盾构隧道； 沉降机理； 沉降控制
隧道 工程建设伴 随着地下 空间的开发 和利用 而出现， 并 且得 到 大量 的兴建【 ｌ 】 。隧道建设工法众多 ， 盾构法具有 自动化程度高 、 对围 岩扰动小 、 掘进速度快等许多优点 ， 在隧道建设得到 了广泛 的应用 。 如今 隧道建设逐 渐密集 ， 近接施 工逐渐增多 ， 为 了防止对近接建 筑 物 和构 筑物造成 损坏 ，对盾 构隧隧道 的沉 降控制提 出 了更高 的要 求 。盾构隧道施工过程 中难 以避 免破坏围岩的初始应力状态 ， 对 围 岩造 成扰动 ， 并且施 工过程 中的许 多因素都会加 剧扰动 ， 从而引起 地表沉 降而造成地表建筑物 的损坏 ， 所 以地表沉降控制是盾构 隧道 施工 的重要控制 因素删 。这就必须在盾 构施 工前 ， 对盾构施工 可能 引起 的沉降具有 足够的定性 和定 量认识 ， 合理 的预估 沉降 ， 控制沉 降。 １ 盾构 隧道 引起 地面 沉降的机理分析 随着时 间的发展 ，盾构法 隧道施工技术得 到了极 大的进步 ， 沉
隆 向
ห้องสมุดไป่ตู้
袁
沉 降
图 １盾构施工过程 引起的地层变形
降控制逐步改善 ， 但仍是不可避免的对土体造成扰动。为了有效控
制沉降 ， 需要对 盾构施工对 土体 的扰动机理具有足够 的认识。 １ ． １ 盾 构施 工的原理 作为隧道暗挖施法工 中的一种 ， 盾构 目前主要采用土压平衡盾 构或者泥水平衡盾构等 ， 它通过盾构前方刀盘上的刀具切削搅拌土 体， 以土仓渣 土或者泥水仓 浆液作为稳定 开挖面介质 ， 通过盾 构外 图 ２ 隧道上 部沉槽形状 壳 挡土 ， 依靠千斤 顶 向前顶进 ， 通 过螺旋输送机 、 排泥管输送 渣土 ， ． 第 四阶段为盾 尾空 隙沉降 。由于盾尾建 自动拼装 管片 ， 并 在盾尾注 浆填充建筑 间隙 ， 一般 要在拼装 完成 的 间隙移动引起地表沉降 。ｄ 管 片上二次补桨 ， 最终形成 隧道 。盾构施工 的三个关键方 面如下 ： 筑空隙的存在 ， 管 片脱离盾尾是会造成地表产生较大 的下沉 。另外 １ ． １ ． １ 开 挖 面 的 稳 定 管片的变形也会引起土体的位移 。ｅ ． 第五 阶段为指固结 和次 固结蠕 开挖 面稳定 在盾构施 工中是至关重要的 。在泥水盾构 中， 形成 变残余变形引起的沉降， 主要是指孑 Ｌ 隙水压力逐步重新达到长期的 弱透水 的泥膜 、 控制泥水压力是两 大关键 问题 ； 在土压平衡盾构 中， 平衡状态 ， 由此而引起的有效应力的变化。 １ ． ３地面沉 降的影响 因素 使 切削下 的土体具有塑流 性并在土仓 内充 满 。用螺 旋输送机来 排 土， 通过控制千斤顶 的推力和螺旋输送 机的排土量来稳定开挖面 。 盾构施工过程造成地 面沉 降的影响 因素 可归 纳为 ：隧道埋深 ； １ ． １ ． ２ 盾 构推进与衬砌 拼装 开挖断面形状和尺寸、 土层条件、 地表下富含的地下水 、 开挖面土体
地铁盾构施工中地面沉降原因分析及应对
地铁盾构施工中地面沉降原因分析及应对1. 引言1.1 引言地铁盾构施工是一种常见的地下工程施工方式，通过盾构机在地下开挖隧道，是城市地铁建设的重要工艺之一。
在地铁盾构施工过程中，地面沉降是一个不可避免的问题，会给周围环境和建筑物带来一定的影响。
对地面沉降原因进行分析并有效应对是非常重要的。
在本文中，我们将针对地铁盾构施工中地面沉降的原因进行深入探讨，并介绍地下水位变化、地下土层变动、盾构施工技术以及沉降监测与控制这几个方面的内容。
通过深入分析这些因素，可以帮助我们更好地理解地铁盾构施工中地面沉降的机理，从而采取有效措施来减少地面沉降对周围环境和建筑物的影响，保障施工过程的安全和顺利进行。
部分是整篇文章的开端，只有充分了解地铁盾构施工中地面沉降的原因，才能更好地理解后续部分的内容。
接下来我们将对地面沉降的原因进行详细分析。
2. 正文2.1 地面沉降原因分析地面沉降在地铁盾构施工过程中是一个常见的问题，主要原因可以归纳为地下水位变化、地下土层变动和盾构施工技术等因素。
地下水位变化是导致地面沉降的重要原因之一。
在盾构施工过程中，地下水位的变化会影响周围土层的稳定性，导致土层松动和沉降。
特别是在地下水位波动较大的地区，地面沉降问题更为突出。
地下土层变动也会引起地面沉降。
盾构施工过程中，土层受到挖掘和开挖等操作的影响，可能会导致土层紧密度的改变，进而引起地面沉降。
地下土层的物理性质和结构也会对地面沉降产生影响。
盾构施工技术的不当使用也可能导致地面沉降。
如果施工工艺不合理或操作不当，可能会对周围土层造成不可逆的破坏，进而引发地面沉降问题。
地面沉降是一个综合性问题，需要综合考虑地下水位变化、地下土层变动和盾构施工技术等多个因素。
只有对这些因素进行全面分析和有效控制，才能有效应对地面沉降问题。
在下文中，我们将进一步讨论如何有效监测和控制地面沉降。
2.2 地下水位变化地下水位变化是导致地铁盾构施工中地面沉降的重要原因之一。
盾构法施工引起地面沉降原因分析及防治措施
盾构法施工引起地面沉降原因分析及控制方法进入21世纪，世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。
目前，人口不断地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度快速上升，造成能被利用的地面空间越来越少，因此，当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空间，为人类创造价值。
但各种用途的管线被布置在地下，这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法——盾构法。
盾构法施工虽然优点颇多，但是也存在诸多问题。
本文就盾构法施工过程中引起的地面沉降问题展开讨论，分析产生的原因及寻找控制方法。
一，地面沉降产生原因1、地层隆沉的发展过程盾构推进引起的地面沉降包括五个阶段：最初的沉降、开挖面前方的沉降、盾构机经过时沉降、盾尾空隙的沉降以及最终固结沉降，如图l所示。
第一阶段：最初的沉降。
该压缩、固结沉降是因为地基有效上覆土层厚度增加而产生的沉降，也是盾构机向前掘进时因为地下水水位降低造成的。
指从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离(约3～12m)的时候开始，直至开挖面到达观测点这段时间内所产生的沉降。
第二阶段：开挖面前方的沉降(或隆起)。
这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力、或机身周围的摩擦力等作用而产生的。
它是从开挖面距观测点约几米时开始至观测点处于开挖面正上方这段时间所产生的沉降(或隆起)。
第三阶段：盾构机经过时沉降。
该沉降是在土体的扰动下，从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点该段时期产生的沉降(或隆起)。
第四阶段：盾尾空隙沉降。
该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。
土的密实度下降，应力释放是其土力学上的表现。
第五阶段：固结沉降，它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。
经前人研究发现，第一阶段沉降占总沉降的0～4．5％，第二阶段沉降占总沉降的0～44％，第三阶段沉降占总沉降的15～20％，第四阶段沉降占总沉降的20～30％，第5阶段沉降占总沉降的5～30％。
2、地表沉降的因素影响分析该因素影响分析的平台是当前使用较为广泛的大型三维有限元分析软件ANSYS，盾构开挖面掘进引起的地表沉降的客观因素包括盾构直径、土体刚度、隧道埋深、施工状况等设计条件；而其主观因素包含施工管理、盾构机的选用形式、盾尾注浆、辅助施工方法等。
盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制
内部 进 行 的 ， 无论 其 埋深 大 小 ， 挖 施 工都 开
不 可 避 免 地 会 对 周 围 土 层 产 生 扰 动 ， 而 从
引起 地 面 沉 降 （ 或隆 起 ） 危机 邻 近 建筑 物 或 ，
地 下 管 道 等 设 施 的安 全 …。 因此 ， 工 能 产 响 范 围约 在 后 尾通 过 测 点 后 ０～２ ｒ范 围 。 性 地 层影 响 范 围要 小 ， 为 Ｄ／ 施 Ｏ ｅ 约 ４＋Ｈｃ ６ 。 ｔ０。 ｇ
生 多 大 的 沉 降 或 隆 起 ， 不会 影 响 相 邻 建 会
由于 盾 构 外 径 大 于 管 片 外 径 ， 片 外 壁 与 管
筑 物 的 安 全 ， 地 铁 隧 道 盾 构 施 工 中最 关 周 围 土 体 间 存 在 空 隙 ， 往 因注 浆 不 及 时 ３ 盾构 隧道的地面沉降机理 是 往 键的 问题 ［。 在地 铁 工 程施 工 前 对 工程 可 和 注 浆 量 不足 ， 片 周 围 土 体 向空 隙 涌入 ， ２要 １ 管 盾构 隧 道 施 工 产 生 地 面 沉 降 的 机 理 主 能 引 起 的 地 面 沉 降 问 题 有 所 估 计 ， 首 先 造 成 土 层 应 力 释 放 而 引 起 地 表 变 形 ， 一 要 源 干 开 挖 面 的 应 力 释放 、 加 应 力 等 引 就 这 附
ｍａ ｎ ｆ ｃ ｏ ｓ ｆ ａ ｄ ｓ ｂ ｉ ｅ ｃ ｏ ｔ ｅ ｈ ｅ ｄ ｕ ｎ ｌ ｓ ｅ ｉ ｉ ｄ ｌ ｎ ｓ ｓ ｄ ｎｃ ｉ ｍａ ｎ ｙ ｕ ｔ ｔ ｅ ｘ ａ ｔ ｏ ｓ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｅ ｅ ｓ ｉ ａ ｔ ｒ ｏ ｌ ｎ ｕ ｓ ｄ ｎ ｅ ｆ ｈ ｓ ｉ ｌ ｔ ｎ ｅ ； ｐ ｃ ｆｅ ａ ｄ ｕｂ ｉ ｅ ｅ ｓ ｉ ｌ ｄ ｅ ｏ ｈ ｅ ｃ ｖａ ｉ ｎ ｕ ｆ ｃ ｓ ｒ ｓ ｒ ｌ ａ ｅ ａ ｄ ｔ ｅ ｄ ｔｏ ａ ｓｒ ｓ ｃ ｕ ｅ ｓ ｒ ｔ ｄ ｆ ｒ ｔｏ ｌ ｎ ｓ ｂ ｉ ｅ ｃ ａ ｓ ｗ ａ ｃ ｎｓ ｒ ｃ ｉ ｎ ａ ｅ ｙ ｒ ｔ ｒ ａ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｎ ｉ ｌ ｓ ｒ ｎ ｈ ａ ｄｉｉ ｎ ｌ ｔ ｅ ｓ ａ ｓ ｄ ｔ ａ ａ ｅ ｏ ｍａ ｉ ｎ， ａ ｄ ｕ ｓｄ ｎ ｅ ｎｄ ｕｂ ｙ ｏ ｔ ｕ ｔ ｏ ｓ ｆ ｔ ｃ ｉｅ ｉ ａ ｄ ｏ ｔ ｏ ｐ ｉ ｃ ｐ ｅ ａ ｅ
盾构法施工地面沉降原因分析及控制方法
盾构 法施工地面沉 降原 因分析及控制方法
摘要 ： 文章主要结合城市轨道交通隧道盾构施工实践， 主要针对盾构法施工地面沉降原因进行 了分析 ， 并提出了有效的控制方法。
关键词： 隧道 ； 盾构 法施 工 ； 地 面沉 降 ； 原因； 控 制方 法
近年来， 我 国大型城市都开始兴建地下铁路系统。同时涌现出大量相关 物及地下管线情况，对上一阶段试设定的３ 组参数作慎密调整 以取得最佳参 数。 第３ 区段为４ ０ ｍ， 在路面或建筑群下。 这是正式掘进的准备阶段 ， 通过本区 可能危及周边建筑物和地下管线等的安全 ，造成严重的经济损失和社会影 段 的掘 进 ， 对 地 面沉 降 、 隧道轴 线 控制 、 衬砌 安 装质 量 等 基本 有 了各 项 控 制措 响。 因此 ， 如何控制好隧道施工 中地表沉降问题 ， 保护好城市建筑和周边环境 施 ， 施工参数也基本掌握 ， 能利用信 息反馈指导施工。
２ ． ２纠 偏 与 衬 砌 接 缝 防 水
量、 沉降范围、 沉降曲线最大坡度及最小曲率半径和对附近建筑设施的影响 ， 并分析影响沉降的各种因素 ， 以求施工中减少地层移动。 经分析研究认 为， 引
起地面沉降的基本原因是盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动。
１ ． １ 地 层 损 失
（ ２ ） 前舱压力设定。 应随隧道上复土厚度的变化而变化 ， 但如单凭理论土 压来设定前舱压力显然是不合适的。另外 ， 盾构机 内部的土压传感器和 自动 模式控制器存在系统误差 ， 所以在掘进中有必要将土 压力设定值进行调整 。 根据实际施工经验 ， 盾构机切 口前方 １ ． ５ Ｄ 十Ｈ（ Ｄ为盾构机外径 ， Ｈ为盾构 中 心 至地 面高度 ） 范 围 内地 面 的沉 降 情 况 与 土压 力 设 定值 密 切 相关 ， 所 以盾 构 前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与 自然土压力 的吻合程度 。 在实际的施工中， 可控制盾构机前的地面沉降量在负沉 陷０ ～ ２ ｍ ｍ， 如负沉降 过大则应适当调低压力设定值 ，如发生正沉降则应适当调高土压力设定值 。 合理设定土压力控制值 的同时应限制掘进速度 ， 如掘进速度过快 ， 螺旋输送 机转速相应值达到极限， 密封舱内土体来不及排出 ， 会造成土压力设定失控。 所以应根据螺旋输送机转速控制最高掘进速度 ， 一般控制在５ ｅ ｒ ｒ ｄ ｍ ｉ ｎ 以内。 （ ３ ） 同步 注浆 。 １ ） 合理配 比的浆料。 目前广州地铁土压力平衡式盾构采用的是隋性浆液 ， 由黄砂、 粉煤灰、 膨润土加水经合理配比、 充分搅拌而成 。 常规下浆液性质可用 稠度值控制， 取值范围为２ ０ ． ５ ～ １ １ ． ０ ， 每次拌浆必做测试， 不达标准不准下料 。 ２ ） 注 浆压 力 。 同步 注浆 压力 ， 从理 论上 只 需 使浆 液 压人 口的 压力 大 于该 处水 土压 力 之和 ， 即能 使建 筑 空 隙得 到足 够充 盈 。 压浆 压力 不 能太 大 ， 否 则会 对 周 围土 层造 成 劈裂 ， 管片 外 的土 层将 会被 浆 液 扰动 而 造成 较 大 的后 期 沉 降 及隧道本身的沉降。初始掘进阶段 ， 曾按１ ． ２ ｒ ０ ｈ （ ｒ ０ 为土密度 ， ｈ 为隧道上复土 厚度 ） 设定注浆压力 ， 以此摸索最佳参量 ， 实践表明该压力根本无法确保浆液 全 部 压入 ， 合 适 的 注浆 压力 应 视隧 道 的不 同埋 深 ， 以５ ～ ６×１ ０ ５ Ｐ ａ 为佳 ， 可 见实 践 与 理论 计算 有 较大 差距 。 究 其原 因 ， 一 是 浆液 管道 造 成压 力损 失 ， 二是 实 际 注 浆量 大 于理 论 注浆 量 。 ３ ） 压 浆位 置 。注 浆压 力一 般 取５ ～ ６×１ ０ ５ Ｐ ａ ， 其 对 管 片产 生 的 推力 可 达 到 ５ ０ ～ ６ ０ ｔ ／ ｍ ２ ， 选择好 分布于盾尾外壳６ 根浆管的压浆位置， 足以使 “ 飘 浮” 于浆 液的隧道尾端产生位移， 这样， 一可改善隧道轴线原有的偏差 ， 二可改善因管 片与盾尾卡壳 ， 不能 自若纠偏的状况（ 以不影响地层变化为前提 ） 。 ４ ） 跟踪注浆 。从广州地铁盾构施工的地面沉降观测资料可知 ， 盾构施工 后期沉降（ 盾尾后３ Ｄ 十Ｈ ＝ １ ９ ． ０ ２ ｍ范围外 ） 沉降发展速度虽然较慢 ， 但其 累计 值还是相当可观的， 占到总沉降量的５ ０ ％左右。后期沉降主要是土体的固结 沉降造成。对于地面有较重要 的建筑物来说 ， 利用跟踪压注固结浆液的方法 来控制后期沉降 ， 是一种效果良好且必须的手段。
地铁盾构施工中地面沉降原因分析及应对
地铁盾构施工中地面沉降原因分析及应对地铁盾构施工中地面沉降是一个常见的问题，它主要是由于盾构施工过程中的土体位移和压实引起的。
下面，将对地铁盾构施工中地面沉降的原因进行分析，并提出相应的应对措施。
1. 地下水位变化：地下水位的变化是导致地面沉降的主要原因之一。
盾构施工过程中，隧道中的地下水会因为施工活动而发生变化，导致地下土体的水分含量发生变化，进而引起地面沉降。
在施工前进行地下水位监测，控制好盾构施工中的水文条件，可以有效减少地面沉降。
2. 土体位移：盾构施工中，隧道推进时会对周围土体施加巨大的水平压力，使得土体发生位移。
当土体的承载力不足以承受盾构的压力时，会发生沉降。
需要对地下土体的力学性质进行详细研究，选择合适的施工参数和技术方案，以避免土体发生过大的位移。
3. 土体压实：盾构施工过程中，施工机械会对土体进行挖掘和回填，这会对土体进行压实。
土体压实过程中，土壤颗粒间的间隙会发生变小，导致初始地面沉降。
在施工过程中需要控制好土体的压实过程，避免过度压实，以减少地面沉降。
针对以上的原因，可以采取一些应对措施，以减少地铁盾构施工中的地面沉降。
1. 合理控制地下水位：在施工前进行地下水位监测，并根据监测结果进行合理的调整，保持地下水位的稳定。
如果发现地下水位异常变化，及时采取补救措施，如进行加固和排水。
2. 采用适当的土体加固措施：根据土体力学性质的研究结果，选用合适的土体加固措施。
可以采用加固桩、土钉墙等方式对土体进行加固，增加土体的承载能力，减少地面沉降。
3. 控制土体压实过程中的施工参数：在施工过程中，合理选择施工参数，避免过度压实土体。
加强施工过程的监测和控制，及时调整施工参数，确保土体得到适度的压实，减少初始地面沉降。
4. 引入新技术和新材料：随着科技的进步，可以采用一些新技术和新材料来减少地面沉降。
采用可控压实技术对土体进行处理，可以减小土体的初始沉降；引入高效盾构机械和地铁车站的整体下沉技术等，也可以减少地面沉降的影响。
盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制研究
盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制研究【摘要】近年来，我国交通工程建设随着社会经济的发展而日益增多，城市地铁建设工程数量也在不断增加。
城市地铁挖掘施工方法一般采用盾构法来进行，盾构法对隧道进行施工时，在施工推进过程中通常会引起地面沉降现象，本文主要分析盾构法隧道施工引起地面沉降的原因以及相应的控制方法。
【关键词】盾构法；机理；原因；控制中图分类号：u455 文献标识码： a 文章编号：1.前言随着我国社会经济的发展以及人口数量的增多，地面高速公路、铁路等交通已经不能满足了人们更快、更安全、更环保的需求，于是人们开始把目光投向更为绿色环保的轨道交通---轻轨，目前已有多个城市建设了城市地铁，形成了网络。
地铁、隧道的建设多采用盾构法来进行施工建设，其施工时具有对周围建筑物、地面交通影响小、适应地下复杂多变环境等优势，但盾构法隧道施工无论施工地点距离地面深度多深、范围多广，都会不可避免的对周围的土层产生影响，从而引起地面不同程度的沉降。
2.盾构法隧道施工概念盾构法施工是使用盾构掘进机来对地下进行开挖，利用护盾的保护，以钢筋混凝土管片作为衬砌支护，在机内进行安全地衬砌和开挖作业，从而形成隧道的施工方法[1]。
盾构隧道施工方法主要是由三个部分组成，这三个部分包括稳定地面开挖面、盾构机掘进以及衬砌。
3.盾构法隧道施工原理研究盾构法隧道施工的工作原理是，护盾沿着隧洞轴线边对土壤进行推进挖掘。
护盾具有施工保护作用，它可临时支撑起挖掘出尚未衬砌的隧洞，对周围土层以及地下水的压力起到承受的作用，它可对地下挖掘、衬砌、排土等作业的施工进行掩护[2]。
盾构法隧道施工主要是由稳定开挖面、挖掘和排、及衬砌三大部分而构成，其中稳定开挖面是盾构法隧道施工最重要的工作原理以及施工工艺。
土压平衡方法是泥土加压式盾构面以及削土密闭式盾构的统称，其前端有一个面切削刀盘，密闭舱在削刀盘后面，削刀盘具有贮留土体的作用，施工时，泥土可通过密闭舱中心线下部装设的长筒螺旋输送机来排出，密闭舱输送机一头设有出口。
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盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制摘要:本文首先分析了盾构法隧道引起的地面沉降规律和沉降影响范围,总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形,并对地铁施工中的地面沉降安全判断标准和控制原则进行了探讨,为城市地铁工程建设提供有益的参考。
关键词:盾构隧道地铁工程地面沉降沉降控制盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响小、适应复杂地质条件、施工速度快等众多优点而在地铁工程建设中广泛应用。
但盾构法隧道工程是在岩土体内部进行的,无论其埋深大小,开挖施工都不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降(或隆起),危机邻近建筑物或地下管道等设施的安全[1]。
因此,施工能产生多大的沉降或隆起,会不会影响相邻建筑物的安全,是地铁隧道盾构施工中最关键的问题[2]。
要在地铁工程施工前对工程可能引起的地面沉降问题有所估计,就首先需要了解盾构法施工引起的地面沉降的一般规律和机理,进而提出相应的安全判别标准和控制原则,达到事先防控的目的。
1 盾构隧道地面沉降规律地面沉降规律是反映盾构掘进时,沿掘进轴线方向对地层的影响,同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用,包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。
根据地面沉降发生的时序,一般将盾构施工沿隧道纵向的地面沉降划分为五个阶段[3]。
1.1 盾构到达前的地层沉降,即先行沉降盾构到达前,地表已经产生变形,影响范围约在10m～15m以内。
主要是由盾构推进土压力的波动所引起,还有地下水位下移使土层有效应力增加而引起的固结沉降。
1.2 盾构到达时的地层沉降,开挖面前的沉降或隆起自开挖面距观测点约3m～10m时起,直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。
实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡,多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。
1.3 盾构机通过时的沉降盾构切口达到测点起至后尾离开测点期间发生的地表沉降。
这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中,盾构机外壳与周围土层之间形成剪切滑动面,土体被扰动所致,盾构通过时的地表沉降约占总沉降的35%～40%。
1.4 盾尾间隙沉降盾尾通过测点后产生的地表沉降,影响范围约在后尾通过测点后0～20m范围。
由于盾构外径大于管片外径,管片外壁与周围土体间存在空隙,往往因注浆不及时和注浆量不足,管片周围土体向空隙涌入,造成土层应力释放而引起地表变形,这一期间的地表沉降约占总沉降的40%～45%。
1.5 后续沉降后期沉降是由盾尾脱出一周后的地表沉降,是由前面地层扰动引起的固结沉降和蠕变残余沉降,反映了地层沉降的时间效应。
这一期间的地表沉降一般不超过总沉降的10%。
总体而言,盾构法施工过程中,1.2和1.4阶段的地面沉降量和沉降速率较大,控制沉降也最为关键。
1.2阶段的变形控制要素是土仓内压力,而1.4阶段的控制要素是盾尾间隙的注浆及时性和充盈率。
2 地面沉降的影响范围盾构在推进过程中,地表沉降以盾构为中心呈三维扩散分布,且分布随着盾构机的推进而产生同步移动。
地面沉降的影响范围可借助Peck公式进行预测。
Peck公式的理论基础是:盾构掘进过程中产生一定的地层损失,相当于挖去一块土体,从而导致上部的土体移动,不考虑土体排水固结和蠕变,认为地层移动为一个随机过程,在盾构掘进后在地表形成的横向沉降槽为一近似正态分布曲线[4]。
韩煊、李宁等[5～6]结合JLE工程观测数据库,对我国8个地区30多组观测数据进行对比研究,分析评价了Peck公式预测方法在我国的适用性。
盾构隧道施工引起地面沉降沿纵向影响范围,在盾构前方约范围内(D为盾构直径,H为地表至盾构底的深度)。
粘性地层中,纵向影响范围为一夹角为斜直线;砂性土中则为一鼻形曲线,深层土体的范围与粘性土相同,表层土体的范围要小于粘性土。
横向影响范围对粘性土地层而言,为隧道轴线两侧范围内,砂性地层影响范围要小,约为。
3 盾构隧道的地面沉降机理盾构隧道施工产生地面沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形[7]。
隧道施工所引起的地面沉降,主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降,支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降,管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降,可称为开挖地面沉降。
盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成,而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。
盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结,是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因[8～9]。
4 盾构隧道施工的地面沉降影响因素地层沉降大小的影响因素有内因和外因之分,但归纳起来主要有[10]以下几点。
4.1 地质条件的影响实测和实验研究均表明,隧道埋深对地表沉降的影响因地层情况各异。
T.Ito等[11]曾指出,盾构法施工地表沉降槽的宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的特性。
4.2 土体性质的影响土体的非均质性、各向异性、弹塑性和粘塑性使得盾构隧道施工引起的地层沉降进行准确预测是十分困难的,正因为此,说明土体的性质对地层沉降有着很大的影响。
4.3 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。
4.4 地下水位变化的影响盾构隧道施工中往往要采取降低地下水位的措施,降水使地层产生固结沉降。
此外,施工过程中地层中水位的变化,也会引起地层变形,导致地面沉降。
4.5 盾构施工姿态调整的影响盾构施工过程中的纠偏、仰头、叩头和曲线推进以及后退等姿态调整均会引起多余的地层损失,导致地层沉降。
另外,盾构推进过程中,土压舱压力过大或压力过小,也会引起地层变形。
4.6 注浆的影响由于盾构壳具有一定的厚度,且盾壳外径大于管片外径,盾壳与管片之间会留有一定的空隙。
工程中普遍采用同步注浆或二次注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失。
若压浆不及时,或因注浆量不足,或因注浆压力不适当,将会使盾尾后部隧道周边的土体失去平衡,向盾尾空隙塌陷,致使地层沉降。
同时,若注浆压力过大,浆液浸入地层,扰动地层,也会加大地面沉降。
4.7 管片变形的影响土压力作用下,隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失,导致地面沉降。
4.8 受扰动土体变形的影响盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后,形成超孔隙水压力区,在盾构离开后的地层中,因土体应力释放,隧道周围的超孔隙水压力下降,孔隙水排出,引起地层移动和地面沉降。
此外,盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等施工作用,也使周围地层形成超孔隙水压力区,在盾构隧道施工后的一段时间内超孔隙水压力消散,地层产生排水固结变形,引起地面沉降。
除上述因素外,还有一些其它因素,如:隧道渗水、涌水、携带泥砂、坍方等引起地层损失,从而导致地表变形等。
总之,地铁隧道施工引起的地面沉降是诸多因素的综合作用结果,合理的设计与巧妙的施工是盾构隧道控制地面沉降的关键。
5 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[12～16]。
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。
地面沉降控制的总原则是,采取各种措施保持隧道周围岩土体稳定,防止水土流失,进而控制地面沉降。
针对不同工程的具体情况,结合地面沉降的不同阶段,盾构法隧道施工应采用施工前预防地面沉降的处理措施和施工过程中的补救加固措施,包括注浆、锚杆、钢板桩、旋喷桩、搅拌桩加固,采用冻结法施工或素混凝土墙等,对盾构隧道上覆和两侧地层进行加固,有效预防和控制盾构法施工引起的地面变形与发展。
盾构法隧道的地面沉降控制,要综合考虑地表建(构)筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素,分别确定其允许的地表沉降值,并取最小值作为控制基准值。
具体施工过程中,可设置预警值、报警值和极限值来进行分级控制。
预警值一般为极限值的60%,当地表沉降达到该值时,应采取必要的控制措施并密切监控沉降的进一步发展;报警值一般为极限值的80%,达到该值时,要立即采取有效措施和手段对地表沉降进行控制;极限值则是地表沉降允许的最大值,超过该值将导致结构破坏等严重工程事故,这在工程中是绝对不允许的。
6 结语城市地铁隧道暗挖法施工不可避免的会对周围岩土体产生不同程度的扰动或破坏,造成地层位移与变形,甚至诱发地面沉降、地下管线等建(构)筑物受损等环境影响或灾害问题。
本文分析了盾构隧道引起地面沉降的一般规律和沉降影响范围,并总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;在指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形基础上,对地面沉降的安全判断标准和控制原则进行了探讨,为日益高涨的城市地铁隧道施工提供有益的参考。
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