盾构法隧道施工引起的地面沉降的原因与对策
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随着城市地铁的不断发展，盾构施工在地铁建设中得到了广泛应用。
然而，在盾构施工过程中，由于多种原因导致的地面沉降问题越来越突出。
这不仅影响了盾构施工的进度和安全，还对周边建筑和环境造成了不良影响。
因此，深入探究地铁盾构施工中地面沉降的原因及应对措施具有重要意义。
1.地下水位变化盾构施工需要通过顺铁土层推进，但顺铁土层是由含水量较高的软黏土和泥炭土组成。
当盾构机在顺铁土层推进的过程中，水流压力会导致土层松动，土质的变化会使地下水位随时发生变化，从而导致地面沉降。
2.地质条件不利地域条件对盾构施工也有很大的影响。
如果施工地点地下是岩屑、岩石同砂土层，那么盾构施工时推进的阻力会很大，需要施工人员有相应的技术水平才能完成。
如果地下孔隙不充分，且岩石裂缝密度很大，那么相对应的地面也很容易出现沉降问题。
3.盾构施工参数设计不合理盾构施工一个重要的参数是推进速度，推进速度过快或过慢都会导致地面承载量不足，进而引发地面沉降。
同时，如果盾构施工人员选择的管径较大，那么施工质量更加难以保证，地面沉降的概率也会增大。
1. 引入地质勘探施工前对施工地点和周边地形进行勘测可以帮助盾构施工人员了解施工地点地质情况，从而确认推进速度和管径等参数的选择。
这样可以降低地面沉降的概率，减少对周边建筑和环境的影响。
同时，引入地质勘探还能够帮助施工人员做好地下水的调控工作，从而减少水流压力对地面的影响，应对地面沉降的问题。
2. 采用先进技术盾构施工本身就是一项先进技术，除了前期的地质勘探之外，也需要采用最先进的盾构机和各种工程材料。
这样可以帮助施工人员优化盾构施工的流程和施工的参数设计，减少对地面的影响，从而避免地面沉降的发生。
3. 做好监测工作在盾构施工过程中，安装监测设备对这种高速、高压的施工过程进行监测是必须的。
通过频繁监测，及时发现地面沉降的迹象可以让施工人员采取相应的措施，及时防范风险，保证施工安全。
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近年来，随着城市化进程的不断推进，地铁成为了很多大城市中不可或缺的交通工具。
而盾构技术则成为了地铁建设中的一项重要施工方式。
然而，在盾构施工过程中，地面往往会出现一些沉降现象，给周边居民的生活和财产安全造成一定的影响。
本文将对地铁盾构施工中地面沉降的原因进行分析，并提出应对措施。
一、地面沉降的原因1. 地源性因素地面沉降一部分是因为地质条件的影响。
在不同的地质环境下，沉降的表现形式有所不同。
比如，在岩溶地貌区，地面沉降多以整体下降的形式出现；在地层含水量大的区域，地面沉降容易出现表层松散层塌陷等现象。
2. 工程因素盾构施工中，不合理的施工方案和施工方式也是导致地面沉降的重要原因。
比如施工过程中没有对土体松动区域进行有效的润湿处理，施工速度过快，导致松动土层未能充分稳定等均会导致地面沉降。
二、应对措施1. 严格的前期勘探在盾构施工之前，需要进行严格的地质勘探和承载力评估。
通过分析地质特征、地下水位、地下能源管线等相关数据，制定合理的施工方案，降低地面沉降的风险。
2. 合理的施工方案应对地面沉降，合理的施工方案也是非常关键的。
比如，针对不同地质环境，采用不同的润湿材料和润湿方式，采用低速推进的方式，缩短推进长度和施工时间等都是减少地面沉降的有效措施。
3. 现场监控在盾构施工中，需要严格的现场监控。
通过测量地表沉降量、地下水位变化、盾构隧道周边压力等指标，并且及时进行调整，以减少地面沉降的风险。
4. 推进过程中的处理盾构施工中，在推进过程中颗粒物的产生是不能避免的，但可以通过吸附、过滤、消磁等方式减少其对沉降的影响。
同时将土体松动区域进行充分稳定，也能有效减少地面沉降。
本文对地铁盾构施工中地面沉降的原因进行了分析，并提出应对措施。
无论是通过前期勘探降低风险，还是调整施工方案、现场监控实时调整等，都可以有效降低地面沉降的风险，为城市地铁建设提供保障。
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
探究盾构施工引起地表沉降的主要原因与控制策略
探究盾构施工引起地表沉降的主要原因与控制策略摘要：在工程项目的施工中，采用盾构施工方法虽然加快了施工进度，并且使得施工更加便利，但是，随之而来的地表沉降问题也更加频繁。
为此，对盾构施工所引起的地表沉降原因进行分析具有重要的现实意义，应采取具有可行性的控制策略，以保证盾构施工的质量。
关键词：盾构施工；地表沉降；主要原因；控制策略；探究盾构施工的开展会对岩土体产生较大的扰动，甚至会导致周围的地表出现位移或者是形变。
一旦位移与形变超出了预定范围，则会对附近地面的建筑设施以及地下管线安全带来危害。
为此，要想降低因隧道施工所造成的地表沉降变形问题，就应当深入地分析地表形变并采取相应的控制措施。
一、盾构施工引起地表沉降的主要原因和机理分析（一）开挖过程水土压力不平衡在采取土压平衡或者是泥水加压盾构形式开展施工的过程中，因为实际的推进量和排土量相差过多，导致开挖面的水压、土压及压力舱压力呈现出不平衡的现象，导致开挖面失去原有的平衡，引起地基形变。
（二）推进过程中对扰动围岩在开展盾构推进的过程中，因为盾构壳板和围岩之间的摩擦以及对于围岩造成的扰动，导致地基出现下沉的情况，尤其是在蛇行修正或者是曲线推进方面，超挖是导致围岩出现松动的主要原因[1]。
（三）存在盾尾空隙或者是壁后注浆不合理受盾尾孔隙的影响，导致盾壳支承围岩向盾尾的孔隙进行形变，导致地基下沉的现象明显，而最主要的原因就是受应力释放的作用与影响，进而产生弹塑性的形变。
另外，壁后注浆材料的质量或者是实际注入的时间与具体位置，甚至是压力和数量等因素都会对地基下沉的程度带来影响。
而导致黏性土地基临时性地基隆起的主要原因就是壁后的注浆压力超过标准要求。
（四）一次衬砌形变与变位如果接头的螺栓紧固性不强，那么很容易导致管片环发生形变，进而盾尾的孔隙也会逐渐增加。
与此同时，管片在经盾尾脱出以后，因为外压不均匀，进而导致衬砌出现形变或者是变位，使得地基下沉的程度更为明显。
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是近年来城市地铁建设中常见的一种施工方式。
其具有施工效率高、环境影响小等优点，因此被广泛应用于地铁工程的建设中。
在盾构施工过程中，地面沉降问题一直是工程建设中一个值得重视的问题。
地面沉降不仅会对周边建筑物和地下管线造成影响，还可能引发安全隐患。
在盾构施工过程中，必须对地面沉降进行深入分析，并采取有效措施进行应对，以保障施工安全和周边环境的稳定。
1. 地质条件地下地质条件是盾构施工中地面沉降的一个重要影响因素。
地下岩土的稳定性和承载能力直接决定了盾构施工中地面沉降的大小和范围。
如果地下岩土的稳定性较差，容易发生沉降问题。
如果地下存在较大的地下水位变化或者土壤有较大变形性质，也会对地面沉降造成影响。
2. 盾构施工参数盾构施工参数的选择对地面沉降影响较大。
施工过程中的盾构机开挖速度、土压平衡控制、注浆情况等参数的选择都会对地面沉降造成一定程度的影响。
如果这些参数设定不合理，就会导致地面沉降超出设计范围。
4. 周边建筑物和地下管线盾构施工过程中，周边建筑物和地下管线的存在也会对地面沉降造成影响。
如果周边建筑物和地下管线是老旧或者弱平衡结构，就会对地面沉降产生不利影响。
5. 环境因素环境因素也是地面沉降的重要影响因素。
如气候条件、降雨情况、地下水位变化等，都会对地面沉降产生一定的影响。
二、应对地铁盾构施工中地面沉降的措施1. 严密的监测和预警系统在盾构施工过程中，必须建立严密的地面沉降监测和预警系统。
通过实时监测地面沉降情况，一旦发现地面沉降超出预期，就能及时采取应急措施，以减少对周边环境和建筑物的影响。
2. 合理的施工方案在盾构施工过程中，必须采用合理的施工方案，包括盾构机的开挖速度、土压平衡控制、注浆情况等参数的合理设定，以减少地面沉降的可能性。
3. 加强支护和加固措施在盾构施工过程中，必须加强支护和加固措施，以减少地面沉降的风险。
包括合理设置盾构机的开挖方式、支护结构的设置等，以保障周边建筑物和地下管线的稳定。
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。
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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中图分类号:u45 文献标识码:a 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0071-02abstract:this paper analyzes the shield tunnel caused by land subsidence law and settlement of affected areas,and summarizes the main factors of land subsidence of the shield tunnel;specified land subsidence is mainly due to the excavation surface stress release and the additional stress causedstrata deformation,land subsidence and subway construction safety criteria and control principles are discussed to provide a useful reference for the construction of urban subway project.key words:shield tunnel;subway project;land subsidence;subsidence control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。