探究城市地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降

陸松

摘要：地鐵盾構(gòu)隧道是城市建設(shè)工作的重點(diǎn)，以現(xiàn)階段城市化建設(shè)工作情況為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來地鐵盾構(gòu)隧道施工特點(diǎn)，明確地表沉降的發(fā)展過程，分析城市地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降的特點(diǎn)和實(shí)施方案，以此為城市構(gòu)建地鐵提供有效依據(jù)。

Abstract： Subway shield tunneling is the focus of urban construction work. Based on the urbanization work at the current stage， combined with the construction characteristics of subway shield tunneling in recent years， the development process of surface settlement is clarified， and the surface settlement of urban metro shield tunnel is analyzed. The characteristics and implementation plan provide an effective basis for the construction of metros in cities.

關(guān)鍵詞：城市；地鐵；盾構(gòu)隧道；地表沉降

Key words： city；subway；shield tunnel；surface settlement

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）17-0151-03

0 引言

城市地鐵隧道應(yīng)用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，在推動盾構(gòu)機(jī)時必然會帶來隧道上方地表沉降的問題，且在隧道施工和運(yùn)營過程中，也會構(gòu)成隧道升降，直接影響周邊地面建筑與地下設(shè)備的應(yīng)用。由此，在施工中如何控制施工對周邊土體的影響，研究地表沉降的發(fā)展過程，是隧道施工的重要課題，對城市地鐵建設(shè)工作而言至關(guān)重要。

1 地表沉降的發(fā)展過程

1.1 地表沉降的原因

應(yīng)用盾構(gòu)法建設(shè)時，必然會帶來地層損耗和盾構(gòu)隧道受到影響，或剪切破壞的重塑土的在固結(jié)，這也是地面出現(xiàn)沉降的主要因素。導(dǎo)致地鐵盾構(gòu)施工出現(xiàn)地表沉降原因主要分為以下幾點(diǎn)：其一，開挖面土體移動；其二，盾構(gòu)后移；其三，土體擠入盾構(gòu)縫隙中；其四，變化施工的方向；其五，在盾構(gòu)外周粘著一層土?xí)r，盾尾后隧道管片外周環(huán)形空隙會擴(kuò)大，例如不需要增加壓漿量，地層的損耗非常嚴(yán)重；其六，在土壓力影響下，隧道管片出現(xiàn)的變形也會帶來必定的地層損耗；其七，隧道管片襯砌沉降過高的過程中，會帶來難以忽視的地層損耗問題；其八，影響土體固結(jié)沉降。

1.2 地表沉降發(fā)展過程

盾構(gòu)在挖掘不同地層的過程中，帶來的地表變形可以分為五個階段：先期沉降、開挖前、通過時、盾構(gòu)間隙以及后期，出現(xiàn)問題的原因具體如下：其一，先期。出現(xiàn)地表沉降的原因在于地下水位下降，孔隙水壓力降低，圍巖有效應(yīng)力提升，最終出現(xiàn)壓縮、壓密以及下沉等問題；其二，開挖面前沉降或隆起。在這一階段出現(xiàn)地表沉降的主要原因在于工作面處受到壓力影響，過高時很容易隆起，過低時又會出現(xiàn)沉降，圍巖應(yīng)力得到拓展，影響負(fù)荷土的壓力，最終出現(xiàn)彈塑性變形；其三，通過時。在這一階段出現(xiàn)地表沉降，是因?yàn)槭艿绞┕さ挠绊?，盾?gòu)與圍巖間剪切錯動，掉渣，人為因素影響地基土的結(jié)構(gòu)原狀，最終出現(xiàn)壓縮問題；其四，盾構(gòu)空隙沉降。在這一階段出現(xiàn)地表沉降是因?yàn)閲鷰r失去支撐力，管片背后的注漿不符合規(guī)定，應(yīng)力釋放，最終出現(xiàn)彈塑性變形；其五，后期。這一階段出現(xiàn)地表城建的原因在于結(jié)構(gòu)變形、地層受到人為因素的影響，空隙水壓降低等，土體固結(jié)，最終出現(xiàn)壓縮和蠕動下沉的問題[1]。

2 地表監(jiān)測與沉降管理

2.1 監(jiān)測基準(zhǔn)值

結(jié)合實(shí)踐案例和工作經(jīng)驗(yàn)的對比研究可知，設(shè)計(jì)的監(jiān)測基準(zhǔn)值如表1所示。

2.2 測點(diǎn)設(shè)計(jì)

其一，地表沉降與地下管線的安全檢查。在設(shè)計(jì)地表沉降點(diǎn)時，結(jié)合隧道軸線每隔五米的距離就設(shè)計(jì)一個沉降點(diǎn)，橫向沉陷測點(diǎn)結(jié)合每隔五十米的距離就設(shè)計(jì)地表沉降點(diǎn)。沿著區(qū)間隧道施工影響區(qū)域的重要地下管線上方地表縱向相隔三十米就設(shè)計(jì)一個測點(diǎn)。

其二，地面建筑物檢測。在區(qū)間內(nèi)的隧道兩側(cè)距離隧道邊線有十五米，尤其是對隧道兩邊十米范圍的建筑物而言更好實(shí)施檢測，測點(diǎn)要設(shè)計(jì)在建筑物的基礎(chǔ)或者是承重柱上。

2.3 沉降控制方案

管理地表沉降問題的方案主要分為以下幾點(diǎn)：其一，調(diào)查與研究地層狀況與沿線周邊的建筑物。若想在施工階段全面管理地面沉降問題，要先在構(gòu)建盾構(gòu)隧道之前，對施工現(xiàn)場周邊的地層狀況與沿線周邊建筑物進(jìn)行調(diào)查和研究；其二，土倉壓力的設(shè)計(jì)。在隧道挖掘過程中，土倉壓力的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的數(shù)據(jù)信息，若是設(shè)計(jì)的數(shù)值過小，很增加地面下沉的數(shù)量，若是設(shè)計(jì)的數(shù)值過大，很容易讓地面出現(xiàn)隆起問題；其三，盾尾同步注漿數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)。在盾構(gòu)挖掘時，要選擇正確的時間注漿，并保障注漿的數(shù)量符合規(guī)定，這項(xiàng)工作是管理地表沉降或隆起的重要方案；其四，隧道挖掘階段的測量管理。測量信息有助于直接展現(xiàn)地表沉降的變化，檢測信息也可以為施工者提供依據(jù)，明確沉降量過高的位置，促使其及時調(diào)節(jié)施工效率，調(diào)節(jié)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)，提升地表沉降工作的效率和質(zhì)量[2]。

3 工程案例研究

某城市在盾構(gòu)施工階段，工程是由一組雙線單圓盾構(gòu)區(qū)間隧道構(gòu)成，隧道包含了上下兩行線，區(qū)間隧道引用了德國海瑞克公司設(shè)計(jì)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行操作。兩條隧道是由兩個不同的施工單位進(jìn)行操作，因?yàn)槭┕そ?jīng)驗(yàn)和操作技術(shù)存在區(qū)別，所以施工階段有關(guān)控制地表沉降的工作也存在差異性，其中主要分為以下幾點(diǎn)：

3.1 地質(zhì)條件與隧道檢測

隧道挖掘階段主要是灰色淤泥質(zhì)黏土層④層與灰色粘性土⑤-1-1層，土性平衡；土質(zhì)展現(xiàn)出飽和的軟流塑狀，具備高壓性和低透水性，也是盾構(gòu)挖掘的優(yōu)質(zhì)地層，但是因?yàn)槠渚邆漭^高的含水量，孔隙比大，強(qiáng)度低等特點(diǎn)，所以很容易出現(xiàn)流變的情況。土層的黏粒含量要高于百分之十，施工也不會出現(xiàn)液化的問題，但若是受到高黏粒含量的影響，也會出現(xiàn)流變。

隧道挖掘階段的檢測工作包含了坑內(nèi)與坑外，主要是對施工現(xiàn)場的周邊建筑或者是地質(zhì)條件等進(jìn)行檢測，并依據(jù)實(shí)際檢測信息科學(xué)調(diào)節(jié)盾構(gòu)的數(shù)據(jù)。

3.2 上行線盾構(gòu)挖掘檢測

圖1是上行線隧道挖掘階段的地表沉降數(shù)值，0～200m代表隧道的長度。

通過上述研究分析可知，隧道開挖對地表沉降的影響主要展現(xiàn)為以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：其一，盾構(gòu)主要在灰色淤泥粘土中挖掘，如圖所示，整體隧道地表沉降都處于+17～-65mm之間（加號代表隆起，減號代表沉降），整體隧道的軸線正上方大部分沉降可以穩(wěn)定在+30mm，符合施工建設(shè)的要求；其二，隧道挖掘地表沉降最大的數(shù)值出現(xiàn)在隧道口，也就是隧道挖掘施工的開始，這一階段出現(xiàn)最大的沉降數(shù)值有下述幾點(diǎn)原因：第一是受到周邊給水管線施工的影響，出現(xiàn)較大的沉降，第二是盾構(gòu)進(jìn)站過程中調(diào)節(jié)盾構(gòu)形式的需求，致使地表沉降情況嚴(yán)重，第三地質(zhì)勘探孔的冒漿，會讓地層受到影響；第三，除了盾構(gòu)的開頭存在嚴(yán)重的地表沉降外，在盾構(gòu)施工階段，因?yàn)檫@一區(qū)域的地質(zhì)條件不好，大都是流塑性鉆粘土，所以也會增加實(shí)際沉降情況[3]。

3.3 下行線挖掘至不同進(jìn)深地表沉降的影響

圖2和圖3是下行線挖掘至不同進(jìn)深階段的地表沉降數(shù)值，其中3～57m代表隧道的程度。

通過研究上圖可知，隧道挖掘到不同進(jìn)深對地表沉降構(gòu)成的影響主要展現(xiàn)為以下幾點(diǎn)特點(diǎn)：其一，隨隧道逐層挖掘，隧道口的地表沉降數(shù)值也在持續(xù)上升；其二，隧道挖掘階段，整體區(qū)域都有地表沉降的情況出現(xiàn)，其中每挖掘一段，其地表沉降就會產(chǎn)生大約有隧道直徑六倍的影響，在六倍=隧道直徑之外的地表雖然有輕微隆起，但影響不大，可以不用研究[4]。

4 總結(jié)

通過上述實(shí)踐案例的研究分析可知，控制盾構(gòu)挖掘?qū)档偷乇沓两档挠绊懹蟹e極的引導(dǎo)作用，其中操作方案如下所示：其一，推廣信息化施工。在挖掘時，要第一時間向盾構(gòu)機(jī)操作工作者傳遞檢測獲取的各項(xiàng)信息，確保其可以正確調(diào)節(jié)盾構(gòu)機(jī)挖掘的數(shù)據(jù)，以此管理地表的沉降或隆起；其二，導(dǎo)致地表展現(xiàn)出嚴(yán)重的沉降問題，一般會在開挖的初期中出現(xiàn)。對長隧道而言，地表沉降的最大值會出現(xiàn)在隧道的前期施工中，所以施工團(tuán)隊(duì)要對這方面進(jìn)行深入研究和分析；其三，挖掘隧道時，在盾構(gòu)推進(jìn)時會影響其工作方向一定區(qū)域內(nèi)的土體隆起，在這一階段施工團(tuán)隊(duì)要注重觀察施工上方的管線和建筑物變化[5]。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段有關(guān)隧道開挖地面沉降的研究雖然獲取了一定成績，但由于土體本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，工程建設(shè)工作較為繁瑣，其中依舊存在很多現(xiàn)實(shí)工程問題需要解決。因此，施工團(tuán)隊(duì)在接下來的發(fā)展中，要加大研究，從多角度入手，結(jié)合新時代環(huán)境提出的需求，構(gòu)建全新的工程建設(shè)理念，以此為城市盾構(gòu)隧道施工的有序進(jìn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)：

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[3]江英超，何川，胡雄玉，方勇.砂土地層盾構(gòu)隧道施工對地層擾動的室內(nèi)掘進(jìn)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，32（12）：2550-2559.

[4]李博.深圳地鐵龍崗線盾構(gòu)隧道穿越樁基施工的數(shù)值模擬研究[J].上海交通大學(xué)，2015.

[5]李澤榮.地鐵盾構(gòu)施工引起地表沉降的數(shù)值模擬研究[J].西安科技大學(xué)，2015.