盾構(gòu)施工引起的地表沉降問題

張博 任博 姚毅

摘要：隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道施工的機(jī)械化程度越來(lái)越高，隧道盾構(gòu)機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于隧道施工。雖然盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響??；施工不受地形地貌、地表環(huán)境條件的限制；地表占地面積?。皇┕な芴鞖鉅顩r和氣候條件影響?。皇褂梅秶鷱V，可用于多類地層等優(yōu)點(diǎn)。但施工中隧道上方一定范圍內(nèi)的地表沉陷難以完全消除，由于某些原因?qū)е碌乇沓两颠^(guò)大，造成周圍建筑物大量損壞，給人民財(cái)產(chǎn)帶來(lái)重大損失，同時(shí)也嚴(yán)重影響了周邊壞境。因此，研究盾構(gòu)施工引起的地表沉降問題有著非常重要的意義。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工 地表沉降 沉降原因 沉降控制

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市現(xiàn)代化建設(shè)將迅猛發(fā)展，地上空間緊張，人口膨脹、交通阻塞等城市問題日益嚴(yán)重，這就嚴(yán)重阻礙了城市的發(fā)展。地鐵快速客運(yùn)系統(tǒng)能夠極大的緩解了市區(qū)地面交通阻塞狀況，對(duì)改善城市交通發(fā)揮著重大作用。隨著上海多條越黃浦江隧道、越珠江獅子洋高速鐵路隧道，南水北調(diào)工程等一大批世界級(jí)盾構(gòu)隧道的開工建設(shè)，我國(guó)已成為世界上盾構(gòu)隧道工程總量最多、規(guī)模最大、發(fā)展最快的國(guó)家。今后，盾構(gòu)隧道還有相當(dāng)大的發(fā)展空間。

一、地表沉降的危害

雖然盾構(gòu)施工對(duì)環(huán)境影響?。皇┕げ皇艿乇憝h(huán)境條件的限制；地表占地面積小，征地費(fèi)用少；施工受天氣狀況和氣候條件影響??；使用范圍廣優(yōu)點(diǎn)。但盾構(gòu)法隧道的施工引起地層的擾動(dòng)，引起周圍土體應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)的改變，從而引起地層變形和地面沉降。當(dāng)?shù)貙幼冃纬^(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重危及臨近建筑物、道路和地下管網(wǎng)的安全。所以在設(shè)計(jì)施工階段，有必要預(yù)測(cè)隧道施工引起的地層變形，保護(hù)現(xiàn)有周圍建筑物，這需要深入研究盾構(gòu)法隧道施工對(duì)土體的擾動(dòng)機(jī)理以及產(chǎn)生的地層變形，從而采取相應(yīng)的措施減小變形，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響。

二、地表沉降的原因

盾構(gòu)推進(jìn)引起的地層損失和盾構(gòu)隧道受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是地面沉降的基本原因。主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1.隧道的開挖破壞了地層原來(lái)的平衡狀態(tài)并使周圍土體受到擾動(dòng)以及地下水位的變化導(dǎo)致地層原始應(yīng)力狀態(tài)的改變，這些都會(huì)造成土體變形和地表下沉。

2.盾構(gòu)施工中輔以降水法時(shí)，在井點(diǎn)管四周形成漏斗狀曲面，漏斗外圍地下水流動(dòng)補(bǔ)給而產(chǎn)生動(dòng)水壓頭，出現(xiàn)土中有效應(yīng)力增加，產(chǎn)生固結(jié)沉降。

3.當(dāng)向盾尾和襯砌之間的建筑空隙中注漿不及時(shí)或者注漿不足時(shí)，均會(huì)造成盾尾隧道周邊土體向盾尾環(huán)形空隙移動(dòng)而引起地表沉降。

4.盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，開挖面土體受到的水平支護(hù)應(yīng)小于原始側(cè)向應(yīng)力，則開挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降。

5.改變推進(jìn)方向。盾構(gòu)在曲線推進(jìn)、糾偏、抬頭或叩頭推進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際開挖斷面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。

6.隧道襯砌結(jié)構(gòu)及接縫防水處理不當(dāng)或者施工質(zhì)量差而出現(xiàn)隧道滲漏點(diǎn)，導(dǎo)致水土流失，而出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻沉降。

三、影響沉降的因素

1.隧道覆土厚度

實(shí)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究表明：隧道埋深對(duì)地層沉降的影響因地層情況各異，Attewell研究給出如下關(guān)系：

式中：R——隧道半徑；

h——隧道覆土厚度；

i——隧道軸線到地面沉陷槽曲線反彎點(diǎn)的距離；

k，n——與地層特性及施工因素有關(guān)的常數(shù)。

2.盾構(gòu)直徑

在隧道埋深一定時(shí)，地表沉降隨著盾構(gòu)直徑的增大而增大。

3.隧道介質(zhì)種類和環(huán)境的影響

盾構(gòu)法施工地面沉降槽寬度主要取決于最接近隧道拱頂?shù)哪且粚油恋臓顩r。這意味如果隧道完全位于地下水位以下，則緊挨隧道上方的承壓水土層對(duì)沉降槽有重大影響。

4.盾尾注漿填充率

地面最大沉降隨注漿填充率的增加而減小甚至可能出現(xiàn)隆起。因此，施工時(shí)要試驗(yàn)得到最佳注漿填充率，減小地面沉降。

5.地層物理力學(xué)性質(zhì)

地層土體的壓縮性、強(qiáng)度性質(zhì)等對(duì)地面沉降有重要影響。

6.施工條件

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，土倉(cāng)壓力、推進(jìn)速度、盾尾注漿開始時(shí)刻、注漿量和注漿壓力、二次補(bǔ)注漿壓力、數(shù)量與次數(shù)、出土量等等都會(huì)影響地表沉降，甚至同施工人員的工作態(tài)度、技術(shù)水平等主觀因素有著聯(lián)系。

四、地表沉降的控制

根據(jù)國(guó)內(nèi)外資料和施工實(shí)踐，對(duì)地表的沉降只要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，還是能控制在很小范圍內(nèi)的。其一般措施如下：

隧道法施工前，首先進(jìn)行地質(zhì)勘探，然后根據(jù)不同的地質(zhì)條件選定所需的盾構(gòu)類型及輔助施工方法，減少對(duì)土體的擾動(dòng)及防止開挖面的坍塌。

施工階段采取的措施：

（1）盾構(gòu)前方的隆陷控制。地表隆起的主要原因是盾構(gòu)正面對(duì)土體的推進(jìn)力大于原始側(cè)向力，因此在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的情況下， 可以根據(jù)地表隆起狀況調(diào)整推力、出碴速度， 達(dá)到降低地表隆起的目的。地表沉降是由于開挖面推力小于原始側(cè)向應(yīng)力而引起，通過(guò)減少出碴量，提高正面壓力，達(dá)到控制沉降的目標(biāo)，并保持開挖面的穩(wěn)定。

（2）盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的沉降。這一沉降是無(wú)法避免的，但是如果超限， 可以通過(guò)采取調(diào)整掘進(jìn)速度，及時(shí)注漿等， 使盾尾后隧道周邊的土體及時(shí)處于三向應(yīng)力狀態(tài)， 從而達(dá)到有效控制地層的彈塑性變形。

（3）固結(jié)沉降的控制。盾構(gòu)通過(guò)后， 由于應(yīng)力松弛的影響， 地層還會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降， 根據(jù)地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)控制， 在管片襯砌背后實(shí)施回填與固結(jié)注漿， 尤其是對(duì)拱部120°范圍進(jìn)行地層加固注漿。

（4）其它施工措施。盾構(gòu)在曲線推進(jìn)、糾偏、抬頭或叩頭推進(jìn)過(guò)程中， 實(shí)際開挖斷面是圓形而變?yōu)闄E圓， 從而會(huì)引起附加變形， 此時(shí)應(yīng)調(diào)整掘進(jìn)速度等， 達(dá)到減少對(duì)地層的擾動(dòng)度和減少超挖的效果， 從而減少變形。

五、結(jié)語(yǔ)

雖然即使采用當(dāng)前先進(jìn)的盾構(gòu)技術(shù)，也難完全防止地表沉降。但是可以采取一些有效的措施，把地表沉降控制在最小范圍內(nèi)，不使周圍建筑物受到破壞。在以后的盾構(gòu)隧道施工中，為了減小地表沉降，我認(rèn)為應(yīng)該采取以下兩方措施：

在技術(shù)方面：應(yīng)該發(fā)展更加先進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)，壓力控制系統(tǒng)更加靈敏、有效，盾尾注漿更加密實(shí)，掘進(jìn)過(guò)程更加穩(wěn)定等方面技術(shù)在施工方面：應(yīng)該培養(yǎng)一支專業(yè)化、高素質(zhì)的施工隊(duì)伍，杜絕一些由于操作不當(dāng)，而引起的地表沉降事故。

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