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openresty/1.9.7.4青岛地铁集团工程建设分公司& 山东青岛& 266000
&&&&&&& 摘要：城市地铁隧道施工过程中不可避免地会产生地层的损失、局部降低地下水位和对地层的扰动，这就必然产生不同程度的地面沉降，从而对地铁施工及周边环境的安全产生不利的影响。因此在城市地铁隧道施工中要采取措施对地面沉降进行预控。本文分析了城市地铁隧道施工引起的地面沉降的机理与原因，并探讨了预控措施。
&&&&&&& 关键词：地铁隧道；地面沉降；预控
一、地铁隧道施工引起的地面沉降机理
&&&&&&& 盾构隧道施工产生地面沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形。隧道施工所引起的地面沉降，主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降，支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降，管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降，可称为开挖地面沉降。盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成，而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结，是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因。
二、地铁隧道施工引起的地面沉降的原因
&&&&&&& （一）城市地铁施工过程中遭遇软弱围岩、富水砂层等不良地质情况，应对处理不及时不到位，拱顶塌方等引起的地表沉降。
&&&&&&& （1）开挖掌子面软弱围岩一般在Ⅴ级、Ⅵ级时，采用工法不合理，支护不及时，初期支护不能尽快封闭成环，导致掌子面塌方、掉块，甚至冒顶。（2）隧道开挖遭遇富水砂层未提前采用加固处理措施。
&&&&&&& （二）受扰动土的固结
&&&&&&& 来自开挖面的涌水或衬砌产生漏水时，地下水位下降而使地基下沉，这一现象是由于地基的有效应力增加而引起固结沉降造成的。
&&&&&&& （三）盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。地层损失地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差
周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。引起地层损失的施工及其他因素是：（1）开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。（2）盾构后退。在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。（3）土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。（4）改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。（5）盾构移动对地层的摩擦和剪切。（6）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。
三、城市地铁隧道施工引起的地面沉降的预控
&&&&&&& （一）开挖面稳定性控制
&&&&&&& 城市地铁开挖遭遇软弱围岩时，必须遵循&短进尺、弱爆破、快封闭、勤量测&方针，尤其是Ⅴ级、Ⅵ级围岩，必须依照设计进行双侧壁导坑法、CRD、CD工法施工，严格控制每循环进尺，严格进行开挖一个循环、支护一个循环，坚决杜绝盲目冒进。
&&&&&&& 采用土压平衡模式掘进时，开挖面土体应当呈流塑状态以控制开挖面，并采用输送机和调整附属装置维持存土与切削量平衡，使得碴仓土体保持一定的压力，以抵抗开挖面的土压和水压。通过螺旋输送机和碴仓内的土体获得止水效果，并配合同步注浆系统和必要的二次注浆操作，保证盾构开挖面的稳定，能有效地防止地下水的涌出，控制地表沉降。
采用土压平衡掘进模式时，碴土应具有良好的流塑状态、良好的稠度、低内摩擦角和低渗透性，如果这些要求满足不了时，需要对混合仓、开挖面和螺旋输送机内注入外加剂对碴土进行软塑化处理，使开挖土具有较好的流动性和止水性。对于易流动、渗透系数小、内摩擦角小的粘性土地层，通过刀盘切下和螺旋输送机的搅拌后土体一般具有良好的塑流性，对于砂性土，其粘着力小，不易流动，切下来的土流动性差，充满碴仓和螺旋输送机内的砂性土使刀盘、输送机的扭矩和千斤顶推力大大增大，影响掘进机的掘进效果。此外，砂性土止水性差，当掘进前方水压较高时，很容易出现涌水现象，这时需要往碴仓和开挖面内注入添加剂，使开挖土具有良好的流动性和止水性，平衡开挖面的土压和水压，维持开挖面的稳定性。在实际施工中采用的外加剂是膨润土和泡沫，膨润土以悬乳液的形式通过膨润土系统注入到开挖仓和输送机进口，泡沫则是通过盾构机上的泡沫系统注入。在必要情况下可以向盾壳上注入，及早充填盾壳背空隙，以能有效控制地表沉降。
&&&&&&& 及时注意和掌握天气情况，遭遇暴雨大风天气时，尤其要注意上部有市政雨污水管线的掌子面的安全稳定巡视。城市地铁在雨季施工时，因暴雨引起的管网雨污水恶化地铁隧道章子面导致塌方冒顶的例子是举不胜举。
（二）注浆量
&&&&&&& 城市地铁遭遇砂层、富水砂层时，采取超前注浆加固是较为可行的措施。而地层空隙的及时注浆压密可抑制地表沉降，实际施工经验也证明了这一点。虽然地表沉降受多方面因素的控制，但注浆量这一因素是关键的，并能通过控制注浆量来有效控制地表沉降。如果建筑空隙不充填浆液，则沉降的体积应等于地层损失。由于注浆充填建筑空隙，沉降明显减小。一般将注浆量用充填率表示。充填率是指注浆量与建筑空隙体积的比值。理论上充填率达到100%就能满足控制沉降的需要，但事实上地铁隧道施工中充填率都高于100%，达200%以上也属常见。
&&&&&&& 大量的注浆量统计结果分析表明，当注浆量超过200%时，地表沉降量随注浆量变化不是很大。因此，没有必要盲目提高注浆量，浪费材料。对于淤泥质黏土地质每环注浆量宜为2.3～2.7m3左右，浆液稠度在9～11之间；对于粉质砂土层地质，每环注浆量要相应增加0.1m3；对于不同埋深的注浆量应略有增加。注浆压入的时间应控制在盾尾脱离管片的同时为宜。注浆时间滞后，起不到管片脱开盾尾后控制上部土体突沉的目的，只是控制了上部土体沉降的速度，因此浆液压入时间应与管片脱开同步，采用手控操作时，可按每环注浆量算出手按的次数，再根据掘进速度算出每按一次的间隔时间，这样就保证了掘进和注浆的同时开始和同时结束。
（三）控制地层失水
&&&&&&& 地下水的流动使土粒产生位移，土粒间空隙压缩，水位下降使土体内有效应力增加，发生固结现象，造成地表沉降。就止水性而言，粘性土的渗透系数较小，没什么问题。砂性土渗透系数大，仅靠土仓和螺旋输送机的压缩效应不能有效止水。掘进时密切关注开挖面的出水情况，当发现碴土太稀、水量偏大、开挖面有地下水涌出时，立即关闭螺旋输送机仓门，给开挖面或土室内注入泡沫或膨润土外加剂以补充细微颗粒的不足或置换细微颗粒中的空隙水，使开挖土体具有止水性，同时实现气压或土压平衡模式掘进。保证管片壁后注浆量充足，加固周围土体，有效止水，确保结构防水质量，防止管片背面漏水，以免引起地下水的流动或水位的下降。成洞段的隧道若出现漏水现象应及时通过管片注浆孔进行二次补强注浆和防水补漏处理。通过富含地下水的地层时，一方面要确保盾构机快速通过，一方面在刀盘前方注入泥浆，在管片背后注入水泥&水玻璃双液浆，及时迅速封堵地下水。在掘进过程中加强对铰接密封、盾尾密封检查，发现有涌水（或砂浆渗漏）时立即进行处理，避免因水或砂浆的流失产生沉降。
（四）信息化施工
&&&&&&& 信息化施工主要是通过设置仪器进行定时监测，并将其结果与施工管理标准值和容许值做比较，进而反馈到下一步施工中的保护措施。它的主要内容有：（1）建立完善的变位监测系统，在隧道的两侧埋设沉降观测点进行系统、全面的跟踪监测。注意对盾构前方监测点监测数据的分析，盾构前方监测点地面变形控制在-5mm~5mm之间；（2）根据地面建筑物的结构形式以及与隧道的间距等关系，制定最大沉降和沉降差的警界值；（3）通过对盾构初始掘进时地面变形情况的分析，不断调整、优化掘进参数，以验证所选施工参数的合理性，保持盾构开挖面的稳定，实现信息化反馈施工。
&&&&&&& 参考文献：
&&&&&&& [1]何小林．盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制[J].工程技术，2012年17期.
&&&&&&& [2]黄辉.探讨对于城市地铁隧道施工引起的地面沉降问题[J].四川水泥，2015年7期.
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城市地铁隧道施工引起的地面沉降与处理
唐波摘 要：文章主要介绍了城市地铁隧道施工引起的地面沉降与处理方法。首先对城市地铁隧道施工引起的地面沉降问题进行相关的机理分析；然后通过仿真实验来举例说明地面沉降过程中，施工人员应当运用的处理技术，其主要包括检测方案、具体计算及沉降各阶段分析和处理施工等部分。关键词：隧道；盾构法；地面沉降；解决方案1 城市地铁隧道施工引起地面沉降的机理分析城市地铁隧道在施工过程中最常采用的方法为盾构施工法，其指的是在工程施工前，利用像挖掘机一样的机械把地下的泥土挖出，勾画出隧道工程的大体框架。由于施工地区土质密度、强度或特殊地形的影响，因此很容易在地铁隧道建设施工中出现一些误差。如地铁隧道挖出的土与隧道体积不相等，土质密度过于松散出现塌方、施工地出现不同程度的沉降现象等等。其中，最严重的问题就是施工地区的沉降现象，其具体指的是人们在挖土的过程中，由于先挖走的土层空隙水压强度不大，应力很小，施工点只会出现小面积的推移；但随着工程建设施工进程的加快，被挖出的土壤越来越多，推动力和应力会不断增强，导致施工点出现大面积移动或者施工地面出现突起等现象。施工人员为了防止盾构施工法对地质、土壤造成的影响，在施工过程中会使用千斤顶支撑上地面，等到地铁隧道中多余的泥土全部被运输离开后再撤走千斤顶，但这样的缺点是本来被千斤顶支撑的地面突然没有了支持力，从而出现隧道塌陷，即我们所说的施工沉降现象。因为机械设备在地下作业过程中相对困难，若隧道施工时再遇上粘质土壤，施工难度不仅会加大，而且施工地沉降的偏差也会增加。2 某地铁工程隧道施工引起地面沉降与处理工艺2.1 工程概况某地铁工程一号地铁线北起升仙湖，南下华阳，中间途经火车北站、天府广场以及火车南站等多个重要地点，是人们出行选择的首选交通工具。其全长31.6千米，隧道外径7.8m，内径6.4m，并且地铁一号线还有继续向南扩展的趋势，在继续向南的隧道建设施工也采用同地铁一号线相同的盾构施工法，并预计在2018年就能够完成地铁三号线的修建，并开始运行。根据地质资料分析得出：盾构主要穿越的土层有灰色粘质粉土层、灰色淤泥质粘土层和灰色粘土层等多种土层。地铁隧道穿越地基土层的基本物理力学指标见表1，部分施工地的沉降现象分别用横断面和纵断面图来表示，如图1和图2所示。2.2 监测方案在实际施工中，需要对施工地进行地面沉降的监测。作者所在的项目工程中，计划是每隔200m就进行一次横断面的监测，像天府广场这样建筑物密集的地方，会缩短监测距离，每隔50m就进行一次横断面的监测，而每个横断面监测之间，可再细化到每个监测点。一般情况下，每个横断面监测间会设置10个监测点，并且为了监测所得的数据具有连续性，施工人员在隧道中还布置了沉降观测点，对施工周围的管线是否沉降也进行了相应的观察。2.3 具体计算及沉降各阶分析（1）刚出现沉降的时间段，即前期沉降，其是工程刚刚施工的阶段，由于没有过多的挖土和破坏土层、地质，沉降的最大值不会超多2mm，地面的突起不会超过4mm。这也可以说明施工人员施工进度合理，给予地质的压力较小。（2）开始运用盾构机的阶段，这时人们为了在规定的期限内完成此工程，开始加快工程的进程，于是就出现了大面积的沉降或者突起，不仅是对施工区有影响，甚至可能对施工点周围都有一定的影响。（3）盾尾空隙沉降阶段，其为工程施工的尾部工作阶段，项目的主要施工工作已经完成，但由于人们在工程建设施工过程中地质、土层受到了破坏，出现很多的缝隙，导致土质松散，易出现沉降和下陷现象。但从总体看来，第一阶段和第三阶段沉降程度还较小，特别是第二阶段施工地沉降幅度较大，需要施工人员注意。2.4 处理工艺与施工尽管盾构施工法在隧道建设施工方面有着良好的优势，但是也存着一定的安全隐患，怎样保证施工员的安全并且如何能快速获得隧道的安全状态，也成为了盾构施工法进一步发展而必须面对的问题。现如今，人们从施工自动监测、监测数据处理分析和安全状态预警报警等方面做出了研究，利用更加科学、有效的方式来保证隧道施工人员的安全。3 结束语综上，我们着重分析了地铁隧道施工过程中出现沉降的各种原因，同时还指出了盾构施工法的不足之处，并提出了相应的解决办法。随着城市化发展的进程加快，地铁工程项目会越来越多，人们也在努力改善盾构施工法的缺点，使其更加完善且安全地运用在各施工项目之中。参考文献[1]黄俊，张顶力，虞辰杰.地铁隧道开挖引起地表塌陷分析[J].中国地质灾害与防治学报，）：65-69.[2] 林昌，王菲，吕伟华.城市地铁隧道施工引起的地面沉降[J].东南大学学报（自然科学版），2008（2）.[3]任建喜，李庆元，郑赞赞，等.盾构诱发的地表及临近建筑物变形规律研究[J].铁道工程学报，2014（1）.[4]崔铁军，马云东.基于土压平衡盾构施工的双层地铁隧道引起地面沉降分析[J].中国安全生产科学技术，2013（12）.[5]薛晓辉，宿钟鸣，孙志杰.基于地层损失理论的盾构隧道沉降分析及控制措施研究[J].科学技术工程，2013（32）.[6]沈培良，张海波，殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地面沉降分析[J].海河大学学报，6-559.[7]张云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报，）：338-392.
科技创新与应用
2016年31期
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