對(duì)地鐵盾構(gòu)施工引起的地表沉降研究分析

陳 華

（中國(guó)水利水電第四工程局有限公司， 青海 西寧 810000）

0 前言

作為城市主要交通工具之一，近幾年我國(guó)地鐵建設(shè)在各地區(qū)普遍推廣，地鐵盾構(gòu)機(jī)作為隧道掘進(jìn)專(zhuān)用的工程機(jī)械也得到了廣泛地應(yīng)用，由于施工過(guò)程中各種因素的影響，其可能會(huì)導(dǎo)致隧道周?chē)翆拥乃蓜?dòng)和倒塌，從而導(dǎo)致地表沉降，為了減少地表沉降，筆者將對(duì)地鐵盾構(gòu)施工中形成沉降的因素進(jìn)行分析，以此提出控制地表沉降的方法。

1 地鐵盾構(gòu)施工形成沉降的原因

1.1 形成土體擾動(dòng)

地鐵盾構(gòu)機(jī)在前進(jìn)到有地下水的區(qū)域時(shí)，地下水流原有結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，地下水的水位因此下降，達(dá)不到原來(lái)的水平，而原來(lái)由其支撐的土體將會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生沉降，其不僅阻礙盾構(gòu)機(jī)的前進(jìn)，而且還可能導(dǎo)致安全事故。此外，盾構(gòu)機(jī)在行駛時(shí)會(huì)不斷接觸土體，對(duì)土體造成較大壓力，使土層松動(dòng)，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)后，土體將會(huì)發(fā)生沉降。盾構(gòu)機(jī)的推力也是造成土體擾動(dòng)的重要原因之一，如果盾構(gòu)機(jī)的質(zhì)量不好或駕駛員的技術(shù)不足，在行駛中盾構(gòu)機(jī)的推力就會(huì)不斷發(fā)生變化，導(dǎo)致其對(duì)土體的壓力不均，土層會(huì)發(fā)生沉降或隆起，導(dǎo)致土體受到嚴(yán)重的破壞。此外，盾構(gòu)機(jī)的盾尾間隙無(wú)法像其他結(jié)構(gòu)一樣支撐土層，在盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)，土層突然失去支持力，開(kāi)始松動(dòng)下陷，有的泥土卡在盾構(gòu)機(jī)盾尾間隙，可能會(huì)影響盾構(gòu)機(jī)的正常工作，進(jìn)而影響地鐵建設(shè)的進(jìn)度。

1.2 造成地層的移動(dòng)

盾構(gòu)機(jī)的設(shè)定土壓值對(duì)于出土量有很大的影響，設(shè)定的內(nèi)壓值越小，地層受到的推力也越小，出土量很大，地層結(jié)構(gòu)受到破壞，會(huì)造成地層的移動(dòng)，致使地表發(fā)生沉降。而且由于地面表層存在混凝土路面、柏油路面等，與土體相比較為堅(jiān)硬，不易變形，當(dāng)土體受到擾動(dòng)，發(fā)生松動(dòng)或沉降時(shí)，土體和地面表層會(huì)出現(xiàn)一個(gè)很大的空隙，地層的結(jié)構(gòu)因此改變，開(kāi)始移動(dòng)，導(dǎo)致靠近路面的地層結(jié)構(gòu)缺少支撐力，容易發(fā)生沉降，不利于保障居民的出行安全。在地鐵盾構(gòu)機(jī)工作過(guò)程中，例如擠壓、超挖、盾尾壓漿等因素，都會(huì)對(duì)隧道附近的地層結(jié)構(gòu)造成影響，導(dǎo)致地層移動(dòng)，使土層變形，進(jìn)而導(dǎo)致地層組織疏松，地層所受支撐力不足就會(huì)發(fā)生地表沉降。此外，由于盾構(gòu)機(jī)自身結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)導(dǎo)致地層各結(jié)構(gòu)受力不均勻，致使地層結(jié)構(gòu)發(fā)生移動(dòng)，在這樣的情況下，地層各結(jié)構(gòu)分布就會(huì)更加不均勻，導(dǎo)致地層進(jìn)一步的損壞。

2 盾構(gòu)法施工原理

2.1 專(zhuān)業(yè)盾構(gòu)機(jī)的各部分功能簡(jiǎn)介

專(zhuān)業(yè)的盾構(gòu)機(jī)由主機(jī)和配套工具組成，不同的工具的功能不同。其主要功能包括掘進(jìn)、拼裝和注漿，掘進(jìn)包括推進(jìn)裝置、刀片、出渣，它可以推進(jìn)油缸，使盾構(gòu)機(jī)正常行駛，而拼裝功能是保障盾構(gòu)機(jī)質(zhì)量的重要因素，它可以對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行安裝，改造其結(jié)構(gòu)使盾構(gòu)機(jī)更適合地鐵施工，注漿則是為了避免盾尾間隙導(dǎo)致的土層沉陷，按照施工要求進(jìn)行注漿，就可以減少盾尾間隙的影響。除了這些功能以外，現(xiàn)代的地鐵盾構(gòu)機(jī)結(jié)合了多種技術(shù)，有了更多的功能，如測(cè)量導(dǎo)向糾偏，它提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，縮短工程周期，減少人力物力的浪費(fèi)，還可以切挖開(kāi)削山體，減少施工過(guò)程中遇到的阻礙，使施工順利進(jìn)行，運(yùn)送土碴也是它的一個(gè)重要功能，可以利用盾構(gòu)機(jī)開(kāi)辟出建設(shè)地鐵工程所需的空間。

2.2 地鐵盾構(gòu)施工數(shù)值模擬及結(jié)果分析

地鐵盾構(gòu)機(jī)工作時(shí)會(huì)造成地層的移動(dòng)，從而導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)的損失。為了明確地層損失對(duì)地表沉降的影響，筆者將選取選取地層損失量V分別為 0.5 %、1.0 %、3.0 %、5.0 %的四種施工狀況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如表1，以此來(lái)研究盾構(gòu)機(jī)對(duì)地表沉降的影響。由表1可知，最大地表沉降值與地層損失量基本呈線(xiàn)性關(guān)系, 大致成正比，即盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層造成的損失量越大，地表的最大沉降值就越大。是以，采取措施減輕地鐵盾構(gòu)機(jī)對(duì)地層的損害十分必要。

表1 不同地層損失量下的最大地表沉降值

3 控制地表沉降的措施

3.1 合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)模式

選擇合理的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方式對(duì)減輕地層結(jié)構(gòu)的移動(dòng)和損失有重要作用，在施工前期，施工單位要結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的地形，并探測(cè)地層結(jié)構(gòu)，根據(jù)地層的結(jié)構(gòu)組成選擇合適的盾構(gòu)掘進(jìn)方式，控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度，減輕盾構(gòu)機(jī)對(duì)土體和周?chē)貙拥臄_動(dòng)，避免地層損失，從而減少地表沉降，保護(hù)地面建筑物和居民的出行安全。盾構(gòu)機(jī)常用的掘進(jìn)模式有三種，開(kāi)敞式、半開(kāi)敞式（氣壓平衡式）和土壓平衡式，不同掘進(jìn)模式的特點(diǎn)不同，其適用的土質(zhì)狀況也有所區(qū)別，開(kāi)敞式掘進(jìn)模式適用于子面能夠長(zhǎng)期處于穩(wěn)定狀態(tài)的地層結(jié)構(gòu)，因?yàn)樽用姹容^穩(wěn)定，所以其行駛的速度較快，半開(kāi)敞式適用于子面的圍巖比較穩(wěn)定但是有地下水的區(qū)域，而土壓平衡式常應(yīng)用于上述兩種模式不能應(yīng)用的情況，如子面不穩(wěn)定、土壓大等，對(duì)于上述三種模式一定要明確其適用范圍，結(jié)合施工實(shí)際，選擇合適的掘進(jìn)模式。

3.2 控制盾構(gòu)刀盤(pán)的切換

盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)是決定其掘進(jìn)功能的關(guān)鍵，在使用刀盤(pán)時(shí)，如果不注意其對(duì)山體開(kāi)削和土體的影響，其就會(huì)對(duì)地層造成較大的損失，使地表更容易發(fā)生沉降。是以，駕駛員在切換盾構(gòu)刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)一定要密切關(guān)注周?chē)耐馏w情況，一但出現(xiàn)意外情況，立刻采取措施解決，另外，在切換刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，要合理控制刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速，減少刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，而且在切換方向的過(guò)程中要等前一個(gè)方向的轉(zhuǎn)速或電機(jī)電流變零后，再進(jìn)行這個(gè)方向轉(zhuǎn)速的加載，盡量放慢加載過(guò)程，如果加載過(guò)程出現(xiàn)突然終止或不動(dòng)的情況要立刻停止方向的切換，并采取解決方案。由于這個(gè)過(guò)程中技術(shù)難度較高，轉(zhuǎn)速不好控制，施工單位要選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的工人來(lái)操作，減少盾構(gòu)機(jī)對(duì)地表沉降的影響，盡量消除人為因素造成的損失，保障工人的生命安全，加快地鐵工程的建設(shè)速度。

3.3 優(yōu)化盾構(gòu)的施工參數(shù)

盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)也是決定其在施工過(guò)程對(duì)地層損傷程度的重要因素，是以，要合理設(shè)置盾構(gòu)的施工參數(shù)，尤其是掘進(jìn)時(shí)的土壓力參數(shù)，如果土壓力設(shè)置合理，那么出土量不會(huì)過(guò)高，地表與土體之間的間隙可以有效地縮小，支撐力比較高，不易沉降。在施工前，要使用盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行試掘進(jìn)，根據(jù)公式和施工實(shí)際計(jì)算合理的參數(shù)，從而優(yōu)化盾構(gòu)的施工參數(shù)。如果參數(shù)準(zhǔn)確合理，則其掘進(jìn)過(guò)程中的土壓力比較科學(xué)，不易引發(fā)安全事故，可以減少地表沉降，從而減少盾構(gòu)施工過(guò)程中的人力物力損失。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵作為一種價(jià)格便宜、綠色環(huán)保的出行方式，對(duì)其的建設(shè)勢(shì)在必行，但其盾構(gòu)機(jī)施工導(dǎo)致的地表沉降問(wèn)題一直是影響地鐵施工進(jìn)度的重要因素，以此，施工單位要認(rèn)真分析研究地鐵盾構(gòu)機(jī)施工引起地表沉降的原因，并采取措施減少地表沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)，加快我國(guó)地鐵的建設(shè)速度，便民出行。此外，施工單位還要對(duì)盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行模式進(jìn)行分析，并結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的情況選擇合理的盾構(gòu)掘進(jìn)方式、優(yōu)化其運(yùn)行參數(shù)，保障盾構(gòu)機(jī)施工的高質(zhì)化、高效化。

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