隧道盾构施工中地表沉降变形及控制措施探讨

陈 鹤

（中铁十九局集团 第二工程有限公司，辽宁 辽阳 111000）

1 隧道盾构施工中地表沉降变形分析

1.1 地表沉降变形的原因

浅埋隧道、松软地质条件下，盾构施工对土体的扰动将到达地表，即施工地表沉降变形。盾构施工引起的地表沉降变形因素众多，如门挖面坍塌、过大的推力、地下水位降低、施工偏离中线、超挖、周围土体的扰动、与周围土体的摩擦、盾尾空隙的产生、背后注浆压力及注浆效果、管片的变形、管片漏水等。

地表沉降变形的原因中，以开挖面的土体移动和土体挤入盾尾间隙为主要原因。而在一定条件下，开挖面土体移动量与盾构土仓的压力相关，土体挤入盾尾间隙量与盾尾同步及补充二次注浆效果相关。在影响地表沉降变形的各因素中，土体及衬砌材料的力学性质可以通过试验测定，土仓压力在施工时可以人为控制，最难确定而又对地表位移有着重要影响的是盾尾空隙、土体向盾尾空隙的自然充填及注浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度和范围。

1.2 地表沉降变形的分类

（1）先行沉降，盾构到达之前早就产生的沉降；

（2）开挖面前变形，盾构开挖面前不远地表产生的隆起、沉降变形；

（3）开挖面处变形，盾构施工通过处产生的变形；

（4）开挖面后变形，盾构通过后地表产生的变形；

（5）后期沉降变形，盾构通过后较长时间内产生的地表沉降变形。

1.3 地表沉降变形的产生机理

（1）先行沉降：盾构到达之前早就产生的沉降，一般来说，主要是地铁施工造成的地下水位下降，导致前方失水或部分失水沉降；

（2）开挖面前变形：盾构开挖面前不远地表产生的隆起、沉降变形，主要是盾构掘进施工产生的，土仓内土压过高或推力过大造成前方隆起，反之，出土过快，土仓内失水、失压引起前方沉降；

（3）开挖面处变形：盾构施工通过处产生的地表沉降变形，也是由于盾构机掘进施工产生的，掌子面失稳、超挖、偏离中线等均可造成地表沉降变形；

（4）开挖面后变形：盾构通过后地表产生的变形，主要是跟盾尾空隙充填及时性和充填效果有关，大部分表现为地表下沉，个别注浆压力过大、注浆量过大也会引起地表隆起；

（5）后期沉降变形：盾构通过后较长时间内产生的地表沉降变形，主要是由盾构施工引起土体的松动、扰动随时间再次固结造成的地表沉降变形。

2 隧道盾构施工中地表沉降变形的控制措施

主动控制和被动控制是两种常规的变形控制方法。主动控制是指在盾构掘进时，先对邻近建(构)筑物采取实时保护措施，例如，在盾构机不断推进时，通过监测地表沉降数据，实时调整施工参数。被动控制通常是指在地层出现了大的沉降，或者是地面建(构)筑物发生较大的不均匀沉降时，对建(构)筑物进行加固或纠偏等措施，使其恢复到正常的变形范围内。这种处理措施是沉降治理的方式之一，应尽量避免在工程中使用。

2.1 设计选线的控制方面

当用盾构法对隧道区间进行施工时，要充分考虑到含水软弱地层和地面建筑的影响，尽可能的避开建筑群，并且使隧道线路处于地表均匀沉降区内。对于不同时施工的双线隧道，在进行施工设计时，需要考虑二次沉降的影响，并且正确估计地表沉降及其危害。在条件允许的情况下，尽量通过监测和测量取得盾构施工后的地表沉降及隆起值。

2.2 舱内压力的控制方面

对于土压平衡式盾构施工方法，其原理是在盾构推进的过程中，依靠盾构前方土体压力和舱内土体压力相平衡来保持开挖面的土体稳定。通过大量工程实践得知，由于在盾构推进的过程中，土压受到推进速度、排土量和千斤顶顶力等的影响会发生波动，因此土压平衡是一种动态的平衡，可以通过控制排土量和舱内外土体压力差值的大小要实现开挖面的稳定。

开挖面的稳定，可以减小前方土体的松动或挤压造成的土体扰动。在盾构推进的过程中，应该一直保持正面静止水、土压力之和略小于密封舱内的压力，这样才能尽可能的减小开挖面土体的扰动。

2.3 盾尾建筑空隙的控制方面

管片施工质量的好坏是盾构施工的关键因素之一。管片的强度、尺寸和预留孔道位置等都需要严格控制。防水处理也必须做好，这样才能保证盾构具有良好的抗渗性。

确保注浆数量，控制注浆压力。由于注浆材料会发生收缩，因此注浆量必须大于理论建筑空隙的体积，一般应该超过理论值的l0%左右；如果在注浆材料中掺加膨胀剂，则实际注浆量可以等于理论注浆量。

改进压浆材料性能。拌浆站在施工时，要对浆体进行强度、凝结时间和收缩量等进行相关实验，选择合适的配合比。注浆材料抗渗性的好坏影响到隧道的防水能否成功，因此需要严格把握。

土体受到卸荷而发生扰动的程度与是否存在盾尾间隙有关。通过同步注浆和二次注浆能够减小土体扰动程度。在盾构向前推进时，需要及时调整注浆参数，从而达到控制沉降的目的。进行同步注浆时，需要严格注浆压力，从而确保注浆是填充土体间隙而不是由于过大的压力而是土体被劈裂。根据已有的施工经验，注浆压力一般取为1.1-1.2倍静止土压力比较合适。

2.4 开挖面地层扰动的控制方面

施工之前就要调查施工区域内的地质概况，尤其是要清楚地下水的来源、流量和流向，为施工做好准备，及早制定控制地表沉降变形的预防措施和防水、堵水的具体方案以及坍塌应急处理方案，在突发事件发生时能够有效应对。

加快施工速度，并保证连续性。盾构机停止向前推进时，正面土压力导致盾构机发生后退，尽管后退量可以采取支撑或者加固来减少，但还是不可避免的。所以，做好施工组织，避免盾构机停止运作，提高开挖工程的施工速度，对减少地表沉降变形有积极地作用。如果盾构机在施工过程中需要检修或者其他原因不得不暂停作业时，必须要采取防止后退的措施，正面和盾尾要封闭，尽可能地减少暂停作业期间的地表沉降。

盾构机向前掘进时，要控制好开挖面的出土量，避免超量。严格控制了出土量，地表沉降的控制还是可能的。依照在软粘土中盾构施工中的工程经验，采用挤压式盾构，要是地表不发生隆起，出土量要控制在理论土方量的80-90%。

施工过程中用合理的正面支撑控制土体的坍塌，保证开挖面的稳定性。条件允许时，要尽量使用先进的不会改变地下水位的土压平衡式盾构技术进行开挖，这样可以减少土体由于地下水位发生变化而引起扰动。

3 结语

隧道盾构施工技术经过发展，已经有了很大的进步，由于盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形以及地面的沉降。地层扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将会引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及到邻近建筑物和地下管网的安全，进而引起一系列的岩土环境问题。由此可见，研究盾构施工产生地表沉降的机理及控制措施具有重大的意义。

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