【技术】地铁隧道盾构施工对地表沉降的机理研究
摘要：本文介绍了地铁隧道盾构施工的分类、特点和施工原理以及优缺点等等，提出了土压平衡是盾构总推力与开挖面土体的土压力与水压力的平衡；还有影响地表沉降的客观和主观原因，盾构掘进时不同的阶段对地表沉降的影响，以及盾构沉降的分布范围，控制沉降的主要因素。
关键词：地铁；盾构施工；地表沉降
地铁是城市轨道交通中一种主要形式，由于其高运量、快速便捷、安全舒适的特点，在缓解城市路面交通压力、方便居民出行发挥重要作用，盾构法隧道施工以其安全性、便捷性、速度快以及对地面影响小等特点被广泛应用到地铁建设中。
1.盾构施工简介
1.1盾构的分类
盾构机按其适用的地质情况不同主要分为泥水式盾构机、土压平衡式盾构机等类型。泥水盾构机是在盾构机前面设置挡板，与刀盘泥浆槽之间形成稳定的开挖面，泥土进入泥浆仓内，形成一个不透水的薄膜在掌子面以此为张力来保持水压力，与开挖面的土压和水压之和保持平衡。挖出的土泥以泥浆的方式运输到地面，然后泥浆和水通过处理设备将泥土分离出来，分离出来的泥水经过处理后再循环利用到开挖中。土压平衡盾构机是当盾构机向前推时，通过前面刀盘旋转切削土体切下来的土被运到土仓。当土仓被削下来的土填满时，被动土压力与开挖面上的土压和水压力之和保持平衡，因此掌子面实现平衡的。
1.2盾构法的施工原理和过程
盾构法施工的主要原理就是在对周围土体或者建筑最小扰动的基础上完成隧道掘进，从而在很大程度上减少了对地下管线和地面建筑物的影响。为了尽量减小盾构机对周围土体的影响，除了盾壳对土体有支护作用以外，还要保持土压平衡，对盾构经过的而产生的建筑空隙及时进行注浆，主动控制周围土体因盾构机扰动而造成的位移变形是盾构法施工技术的重点。
2.引起地层沉降的原因
2.1 主观原因
盾构严重超挖会引起地表隆沉，注浆不及时或者注浆量不足也会造成地面沉降，在隧道掘进过程中，一些施工参数设置不合理，如出渣速度、注浆压力大小等都会直接导致地面沉降。盾构机的“姿态”对沉降的影响不容忽视，盾构机“姿态”不正就会产生一定的空隙，从而引起周围土体的变形和移动。
2.2客观原因
是指非施工人员引起的地表沉降，与设计、地质条件等因素有密切关系。这种现象一般会出现在整个隧道掘进过程中，并且在掘进之后后会持续很长时间。具体表现以下两种。一是盾构正常掘进对对周围地层也会产生影响。二是隧道成型以后，隧道本身的沉降也会导致部分地表沉降。
2.3土体损失
土体损失量是盾构施工过程中土体体积与土体体积理论计算值之差。圆形盾构理论上排土体积为：。式中：为盾构外径，为推进长度。
3. 地表隆沉的发展过程
地表沉降的发展可分为五个阶段，分别为初始沉降，开挖面沉降，尾部沉降，盾尾空隙沉降和长期连续沉降。
3.1初期沉降
盾构机的开挖面在地面观测点前方有一定距离直到开挖面到观测点为止，此时地面沉降产生，是由于地下水位下降引起的。然而，当盾构掘进压力较大时，先前地表沉降会表现为地表隆起，但数值不大。
3.2 开挖面沉降
超载系数 OFS 与土体损失的关系见表1所示。
表1 超载系数与土体流失对应表
|
超载系数 |
开挖面变形特性 |
土体损失 |
|
OFS﹤1 |
弹性变形 |
﹤1% |
|
1﹤OFS﹤4 |
弹塑性变形 |
2%~4% |
|
OFS﹤5 |
塑形变形 |
﹥4% |
3.3尾部沉降
由于盾构掘进之后，尾部土体因应力释放会造成的土体位移，位移变化量与注浆压力以及注浆量有关，浆液填充不理想时，沉降量就会增大，反之就会小。在隧道施工中盾构机会受到三个作用力，总的推力、土仓压力以及盾构机外壳受土体向后的摩擦力。
3.4盾尾空隙沉降
盾构机通过后，沉降是由盾尾间隙和周围土体的扰动造成的。因为盾尾内径要大于衬砌外径。这些盾尾通过之后的间隙若不能及时注浆或者注浆量不足，周围的土体就会发生移动导致地表沉降。
3.5后期持续沉降
盾构掘进后的很长一段时间，沉降会继续进行。这一阶段的沉降是由于隧道周围土体受到扰动，其滞后时间与地质环境，施工水平和盾构类型有密切联系。
3.6地面沉降的分布范围
地面沉降的分布是三维的。随着施工的进行，隧道上方地面沉降也在慢慢增加，沉降槽的宽度也在缓慢扩展。
图 1 粘土地基变形模型图
4.地表沉降主要控制因素分析
造成地面沉降有很多原因，比如掘进速度、推进压力、出渣量、隧道覆土厚度水文地质环境等等。其中地质条件、隧道埋深等边界条件是不变的。为了有效的控制地面沉降，对施工现场实际监测数据进行研究分析，合理调整掘进施工参数，来降低地面沉降量。（1）盾构法开挖隧道引起地表沉降的原因之一是土体的初始应力状态受到扰动，平衡状态受到破坏。（2）盾构机在掘进施工中，若掘进速度、出渣量控制不好，会造成掌子面土体的破坏，尤其是地下水位下降，会造成土体初始应力场的变化，从而造成地表沉降。（3）在盾构施工中，保持掌子面压力平衡是预防地面沉降很重要的技术难点，土仓压力与土体初始应力和静水压力之和保持平衡。土压的设置可根据施工中地表沉降的监测反馈信息，通过设置掘进参数如出渣量、掘进速度等来达到。（4）由于盾尾壳板和盾尾内管片安装及盾构纠偏需要，需要在盾尾留有一定的间隙，还要保证及时的注浆和注浆量来填充此间隙，在掘进时我们也要根据现场情况来设定合理的注浆压力。在砂质粘土、全风化和强风化地层中，地层自稳能力差，同步注浆不及时或者注浆量不足也是造成地面下沉一个原因。（5）掘进过程中地下水的流失造成地下水位下降，从而引起土体较大的固结沉降。因此，在管片拼装时一定要严控质量，防止管片破损和错台过大，将隧道渗漏水量降到最少，以减小地层固结沉降。
5.结论
地铁隧道的建设是一个非常复杂的过程，施工过程中会出现许多不确定因素，盾构法隧道施工引起的地表沉降与施工工艺、地层环境等密切相关，施工参数的多变性、土层性质的不确定性，问题相当复杂，本文从几个方面对地铁隧道盾构施工对地表沉降的机理进行了介绍，为以后盾构法在地铁隧道施工中的应用提供了参考，以后的研究中，应进一步探讨盾构选型和分析土压平衡问题。
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