地鐵盾構(gòu)施工地表沉降及其控制措施研究

曹麥林

摘要：隨著我國城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市所面臨的交通問題在逐漸增加，堵車等問題嚴(yán)重阻礙了出現(xiàn)需求，因此人們的日常出行要求越來越高，為了滿足城市內(nèi)的出行便利，地鐵施工建設(shè)也在不斷地增加。但是，在進(jìn)行地鐵施工時(shí)，由于城市地鐵施工的工程量巨大，容易導(dǎo)致地面沉降等問題的發(fā)生，不僅影響人們的正常生活還會對城市環(huán)境和交通造成破壞。如何解決地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工時(shí)引發(fā)的地表沉陷問題，是目前地鐵施工中的重點(diǎn)關(guān)心問題。本文針對跌帖盾構(gòu)施工時(shí)引發(fā)的地表沉降問題展開分析討論，并提出相應(yīng)的控制措施。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu)施工;地表沉降;控制措施

一、前言

地鐵是我國目前主要的交通，為人們的日常出現(xiàn)提供了方面可靠的交通方式，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生活水平的提高具有重要意義。地鐵的相關(guān)設(shè)施主要是位于地下，在進(jìn)行地鐵施工時(shí)主要就是在地下進(jìn)行施工，進(jìn)行地鐵地下施工時(shí)，經(jīng)常會遭遇地表沉降，塌陷等問題，不僅造成了城市交通和環(huán)境的破壞，還對施工和人們的生命安全帶來巨大的安全隱患。在地鐵施工中，造成地表沉降的原因主要是因?yàn)槎軜?gòu)結(jié)構(gòu)的施工，如果解決盾構(gòu)施工造成的地表沉降問題是目前地鐵施工中主要的問題。

二、地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工造成地表沉降的主要原因

地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的過程中經(jīng)常會引起地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，根據(jù)相關(guān)的研究分析發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工時(shí)引起地表沉降的原因主要是因?yàn)槎軜?gòu)隧道的施工造成地層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞或損失，因此導(dǎo)致地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，從而當(dāng)場出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象或者日后再出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象。

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，因?yàn)槭┕^(qū)域的地層被盾構(gòu)不斷的推進(jìn)，導(dǎo)致地層遭受擠壓，同時(shí)盾構(gòu)尾部也受到經(jīng)驗(yàn)，從而出現(xiàn)沉降情況的發(fā)生。地鐵盾構(gòu)施工造成的地表沉根據(jù)形成機(jī)理的不同可以分為主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降[1]。

在施工的過程中，盾構(gòu)的刀頭和管片會對土體造成干擾，開挖面上的不平衡壓力也會導(dǎo)致塌方，盾構(gòu)的挖掘了和排土量沒有得到控制時(shí)，會造成開挖面上受力不平衡導(dǎo)致地表沉陷。管片之間的連接螺栓沒有得到緊固，會導(dǎo)致管片發(fā)生變形，從而增加間隙，會導(dǎo)致變現(xiàn)和移位，這也會導(dǎo)致地表沉降的發(fā)生。另外盾構(gòu)結(jié)構(gòu)對地層的摩擦，也會導(dǎo)致土體出現(xiàn)壓縮松弛情況的發(fā)生，導(dǎo)致地表沉降。在盾構(gòu)結(jié)構(gòu)尾部發(fā)生脫落時(shí)，沒有進(jìn)行及時(shí)的注漿對間隙進(jìn)行填充，會導(dǎo)致地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，如圖1所示。

三、不同階段施工造成的地表沉降特點(diǎn)

（一）地表沉降的初始階段

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工挖掘的過程中，會出現(xiàn)地下水的平衡狀態(tài)被破壞情況的發(fā)生，這會導(dǎo)致地下水的水位下降，從而出現(xiàn)區(qū)域沉降的發(fā)生，這被稱為地表沉降的初始階段。

（二）地表沉降的開挖前變形階段

當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工挖掘時(shí)，隨著施工挖掘面不斷的接近路線中的某個(gè)位置時(shí)，會導(dǎo)致周圍的土地發(fā)生變形，從而出現(xiàn)地表隆起或沉降現(xiàn)場的發(fā)生，這是因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)推力不穩(wěn)定造成的土層壓力不斷變化，從而出現(xiàn)地表沉陷，這個(gè)階段被稱為變形階段。

（三）地表沉降的盾構(gòu)通過階段

盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行的過程中，對地面造成劇烈的擾動(dòng)，從而在前進(jìn)時(shí)到達(dá)某個(gè)地區(qū)時(shí)會出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，這個(gè)階段被稱為盾構(gòu)通過時(shí)的沉降階段。

（四）地表沉降的盾尾空隙階段

盾尾沉降的階段是指的施工隊(duì)伍在進(jìn)行施工時(shí)，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)在運(yùn)行的過程中，被干擾的土地出現(xiàn)了固結(jié)情況，從而出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，在施工的過程中盾構(gòu)機(jī)的盾尾沒有按照規(guī)定進(jìn)行管片處理，導(dǎo)致土壤的壓力突然消失，從而出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象，這個(gè)階段被稱為地表沉降的盾尾空隙階段[2]。

四、影響盾構(gòu)施工地表沉降的主要因素

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工中，造成地表沉陷現(xiàn)象發(fā)生的因素主要包括注漿作業(yè)因素，地表硬殼因素和盾尾空隙因素三個(gè)因素。另外出土量，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度等因素也或多或少的造成地表沉降的發(fā)生，但是這些因素并不常見，最常見的還是注漿作業(yè)因素，地表硬殼因素和盾尾空隙因素。

（一）注漿作業(yè)因素影響地表沉降現(xiàn)象

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，注漿作業(yè)屬于其中的最重要環(huán)節(jié)，注漿作業(yè)會直接影響地表結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，在地鐵盾構(gòu)施工的過程中經(jīng)常會因?yàn)樽{作業(yè)質(zhì)量不夠?qū)е碌乇斫Y(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題，從而引發(fā)地表沉降的現(xiàn)象。為了減少因?yàn)樽{作業(yè)質(zhì)量導(dǎo)致的地表沉降現(xiàn)象，很多的施工團(tuán)隊(duì)都通過控制注漿作業(yè)的質(zhì)量來控制地表沉降問題[3]。在注漿作業(yè)中，注漿的范圍、注漿量和注漿壓力等都會引發(fā)地表沉降現(xiàn)場的出現(xiàn)。

（二）地表硬殼因素影響地表沉降現(xiàn)象

地鐵盾構(gòu)施工的過程中，相關(guān)的施工人員應(yīng)該加強(qiáng)對地下深層和地表面層特征的重視程度，因?yàn)樵谶M(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，地下深層和地面表層是最容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象的，另外地下深層比地面表層更容易受到盾構(gòu)設(shè)施工的影響。在城市建設(shè)中，地面表層也就是地表主要是柏油路路面和混凝土路面，這些材料的路面比較堅(jiān)固，在出現(xiàn)地表沉降現(xiàn)象時(shí)，沉降程度較低，但是仍然會給城市地表造成安全隱患[4]。

（三）盾尾空隙因素影響地表沉降現(xiàn)象

盾尾空隙填滿步驟是造成地表沉降的核心因素，在進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)的工作時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)處于挖掘狀態(tài)，導(dǎo)致地表土壤層和盾尾鋼殼出現(xiàn)分離現(xiàn)象，導(dǎo)致周圍的緊密度出現(xiàn)分離，另外由于盾尾和土壤出現(xiàn)分裂現(xiàn)象，導(dǎo)致地表土壤的壓力消失，這種時(shí)候極其容引發(fā)地表坍塌問題，另外由于土壤受到盾構(gòu)機(jī)的影響會處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在盾尾和土壤出現(xiàn)空隙時(shí)，會被地表土壤逐漸填滿，從而引發(fā)地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

（四）其他因素導(dǎo)致的地表沉降現(xiàn)象

除了以上三種主要的因素之外，在地鐵盾構(gòu)施工中因?yàn)榧夹g(shù)方面的問題也會導(dǎo)致地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，比如說盾構(gòu)發(fā)生偏差時(shí)的修正，盾構(gòu)機(jī)的停止和后退，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度和出土量等問題，都會對地表沉降現(xiàn)象造成影響。

五、降低地鐵盾構(gòu)施工地表沉降的有效措施

（一）加強(qiáng)注漿速度的控制

為了保證注漿工作的質(zhì)量效果，地鐵盾構(gòu)施工隊(duì)伍在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，要控制好注漿的填充速度，首先要保證盾構(gòu)機(jī)的挖掘速度和注漿的填充速度保持一致，在最大程度上減少盾尾和地表土壤間隙的出現(xiàn)，從而降低盾尾間隙導(dǎo)致的地表沉降現(xiàn)象。要充分的保證注漿步驟的治療，在進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，如果注漿的速度過快，會導(dǎo)致盾尾出現(xiàn)漏漿問題，會為地鐵盾構(gòu)施工造成一定的安全隱患，使地鐵盾構(gòu)施工無法正常進(jìn)行[5]。注漿作業(yè)的速度并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，要在地鐵盾構(gòu)施工的過程中根據(jù)施工現(xiàn)場的具體情況，作出最合適的選擇。

（二）控制好注漿作業(yè)的時(shí)間

注漿作業(yè)的時(shí)間也是地鐵盾構(gòu)施工中的重要環(huán)節(jié)，合適的注漿作業(yè)時(shí)間選擇可以有效的控制地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)這也是地鐵盾構(gòu)施工中的重要步驟，如果注漿作業(yè)的時(shí)間過早會影響地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的正常施工，但是如果注漿作業(yè)的時(shí)間過晚，那就會導(dǎo)致地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，因此必須掌握好最合適的注漿作業(yè)時(shí)間，根據(jù)相關(guān)的資料和施工經(jīng)驗(yàn)來看，最合適的注漿作業(yè)時(shí)間就是在光譜脫離盾尾的時(shí)候，這種時(shí)候進(jìn)行注漿作業(yè)工作可以有效的控制地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，并且還不會對地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工造成影響。

（三）科學(xué)合理的制設(shè)置挖掘工作參數(shù)

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的過程中，施工人員必須加強(qiáng)對各種相關(guān)參數(shù)的重視，任何參數(shù)的設(shè)置出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生，為地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的時(shí)候造成安全隱患。尤其是地下水壓力、預(yù)備壓力和地層土壓力的參數(shù)，這些必須要進(jìn)行嚴(yán)格合理的參數(shù)設(shè)置，在進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置時(shí)并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的情況不同，會出現(xiàn)不同的參數(shù)設(shè)置要求。另外在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的過程中，由于施工過程較為復(fù)雜，存在很多未知并且無法確定的因素，因此在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)常會出現(xiàn)技術(shù)人員計(jì)算出現(xiàn)誤差的問題。

為了減少參數(shù)誤差的出現(xiàn)，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且對施工過程中獲得的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，從而制定出合理的參數(shù)。此外技術(shù)人員在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，往往會需要設(shè)置很多的土壓力參數(shù)，這種時(shí)候就需要根據(jù)現(xiàn)場施工的具體情況，選擇合適的計(jì)算方式，從而提高參數(shù)計(jì)算的準(zhǔn)確度，保證地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的正常施工，控制地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生[6]。

（四）減少地鐵盾構(gòu)施工過程中對地層的擾動(dòng)

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工之前，要做好充分的施工準(zhǔn)備，以此來保證地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工過程中的安全，另外還需要提前做好預(yù)警措施，提前對施工現(xiàn)場可能出現(xiàn)的情況制定好措施和方案來面對可能出現(xiàn)問題，尤其是提前對地表變形和塌方的應(yīng)急處理和預(yù)防工作，不僅可以保證地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)施工的質(zhì)量，減少地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全事故的發(fā)生，還能有效的保證盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度。

如果在地鐵盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)意外情況，要立馬停止掘進(jìn)工作，由于受到土壤壓力的影響，會出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)后退的發(fā)生，這種時(shí)候極其容易導(dǎo)致安全施工的發(fā)生，因此為了提高工作過程的安全性，在地鐵盾構(gòu)施工開始之前，必須要制定好預(yù)防盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)后退情況的相關(guān)措施，減少地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

（五）加強(qiáng)對圍巖擾動(dòng)的防治

在地鐵盾構(gòu)施工的過程中，盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)會造成盾構(gòu)和圍巖間的摩擦，從而產(chǎn)生擾動(dòng)造成地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。因此要通過科學(xué)合理的方法來降低盾構(gòu)和圍巖間的摩擦，盡可能地部隊(duì)圍巖造成擾動(dòng)，并且要保證盾構(gòu)施工的過程合理控制，避免出現(xiàn)盾構(gòu)出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，要適當(dāng)?shù)慕档屯谕亮浚绻诘罔F盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)出現(xiàn)偏差，要緩慢的進(jìn)行調(diào)整。

（六）加強(qiáng)對盾尾空隙下沉的控制

在地鐵盾構(gòu)施工過程中，由于盾尾間隙的出現(xiàn)，會導(dǎo)致盾殼支撐的圍巖發(fā)現(xiàn)變形而導(dǎo)致地表沉降現(xiàn)象發(fā)生，尤其是在黏性土層中，由于注漿作業(yè)對土層作出的壓力過大，很容易出現(xiàn)地基隆起現(xiàn)象，因此要進(jìn)行合理的控制。在進(jìn)行注漿作業(yè)時(shí)，要根據(jù)地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場的具體情況選擇最合理的注漿材料，另外要注意在地鐵盾構(gòu)施工時(shí)，要盡可能的在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的過程中進(jìn)行注漿工作，并且要保證注漿充足，確保注漿的數(shù)量和質(zhì)量不好出現(xiàn)問題，從而對地表沉降現(xiàn)象進(jìn)行有效的控制。另外要根據(jù)地鐵盾構(gòu)施工現(xiàn)場的情況，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行二次注漿來加強(qiáng)對地表沉降的控制，把地表沉降的范圍控制在合理的范圍內(nèi)。

（七）加強(qiáng)對隧道埋深的控制

在地鐵盾構(gòu)施工的過程中，在確定了隧道的大小和形狀后，還需要確定隧道的埋深，通常來說隧道的深度越大，地鐵盾構(gòu)施工對地表造成的影響也就越小，但是隧道深度過深會導(dǎo)致地鐵其他的施工產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，因此也不適合選擇過深的深度，如果隧道的深度過淺，會導(dǎo)致挖掘的土壤中充滿雜填土、粉質(zhì)黏土等不穩(wěn)定的土壤層，容易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象，無法保證隧道挖掘的穩(wěn)定，容易引發(fā)隧道坍塌事故。因此需要選擇合理的隧道深度才能有效的保證地鐵施工正常進(jìn)行，對地鐵盾構(gòu)施工造成的地表沉降現(xiàn)象造成有效的控制。

（八）加強(qiáng)對水下水位的監(jiān)測工作

當(dāng)?shù)罔F盾構(gòu)施工經(jīng)過地下水區(qū)域時(shí)，由于隧道所在的地區(qū)地下水位較深，造成的地表沉降相對較小，但并不能因此產(chǎn)生輕視心理，在實(shí)際的施工過程中，要適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行降水工作，并對地下水位進(jìn)行定期的監(jiān)測工作，保證地下水因?yàn)闈B透導(dǎo)致的問題降低，從而控制地表沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

（九）減少地鐵盾構(gòu)施工對地表的荷載

在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)施工的過程中，隧道上浮的荷載也是必須引起地鐵盾構(gòu)施工隊(duì)伍重視的環(huán)境，因?yàn)榈罔F盾構(gòu)施工的特殊性，起重機(jī)等重型機(jī)械設(shè)備是不可或缺的，但是不能為了減少路面荷載就減少行駛的車輛，這樣會增加交通負(fù)擔(dān)，因此重型機(jī)械設(shè)備，鋼材等材料的堆放要放在不會對隧道造成影響的地方，從而減少地表的荷載，控制地表沉降現(xiàn)象。

六、結(jié)語

綜上所述，在進(jìn)行地鐵盾構(gòu)結(jié)構(gòu)的施工過程中經(jīng)常發(fā)生地表沉降現(xiàn)象。為了提高人們出行的交通質(zhì)量，地鐵工程的建設(shè)必不可少，盡管地鐵盾構(gòu)施工的過程無法徹底消除地表沉降問題，但是可以通過科學(xué)有效的措施，對地鐵盾構(gòu)施工過程中造成的地表沉降現(xiàn)象進(jìn)行控制，在最大的程度上減少地鐵盾構(gòu)施工過程中的地表沉降現(xiàn)象。地鐵盾構(gòu)施工團(tuán)隊(duì)，要對造成地表沉降現(xiàn)象的原因和因素進(jìn)行透徹的分析，提前做好預(yù)防和解決措施，以此來提高地鐵盾構(gòu)施工中對地表沉降現(xiàn)象的控制，促進(jìn)城市的發(fā)展建設(shè)，保證人們的正常交通安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉文.地鐵盾構(gòu)施工全過程安全風(fēng)險(xiǎn)變化規(guī)律及事故演化機(jī)理研究[D].華中科技大學(xué)， 2018.

[2]秦學(xué)波.鄭州地鐵盾構(gòu)下穿建筑物風(fēng)險(xiǎn)控制措施研究[D].鄭州大學(xué)， 2018.

[3]羅國帥.紅層巖層地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律研究[D].廣州大學(xué)， 2016.

[4]徐楨.天津市地鐵五號線盾構(gòu)施工地表沉降安全性分析與對策研究[D].中國民航大學(xué)， 2015.

[5]曹振.西安地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估及施工災(zāi)害防控技術(shù)[D].西安科技大學(xué)， 2013.

[6]黃俐.北京地鐵盾構(gòu)施工沉降風(fēng)險(xiǎn)機(jī)理研究及評價(jià)模型構(gòu)建[D].中國礦業(yè)大學(xué)（北京）， 2012.