浅谈盾构法施工引起地表变形的控制措施

1 引言1

在城市地铁建设过程多采用盾构法施工，施工过程中不可避免地对周围的环境造成影响，尤其是地层沉降带来的影响尤为明显，对周围建筑物的影响也非常的显著。因此盾构隧道施工引起的地层沉降应引起人们的高度重视。

2 地表变形的表现形式

盾构推进过程中某地段地表变形时间曲线与盾构机所处的相对位置有关。根据与盾构机的相对位置分为初期沉降、开挖面前沉降（或隆起）、通过时沉降（或隆起）、尾部空隙沉降（或隆起）和后续沉降等5个阶段，见图1。

3 地表变形原因分析

盾构法施工过程中由于超挖、衬砌背后间隙、开挖面土压（泥水压）及注浆压力等因素，破坏了隧道周围地层土体的初始应力平衡状态，造成了地层应力得以释放产生弹塑性变形或者压力过大产生压缩变形，从而引起地层变形，其原因可以分为地层损失和固结沉降两个方面。

3.1 地层损失

由于隧道断面超挖造成盾构或衬砌背后与围岩之间存在间隙，如果土体不能自稳，空隙就会被周围土壤填充，引从而产生地表沉降。地层损失分为三类：正常地层损失、非正常地层损失、灾害性地层损失[1]。

3.1.1 正常地层损失

正常地层损失是指全部由施工现场的客观条件造成的，它与规划、设计时各种施工参数选择和施工现场的地质条件等因素有直接关系。这类原因引起的沉降通常发生在整个盾构施工过程中，并且要持续到施工完成后的较长一段时间。

3.1.2 非正常地层损失

非正常地层损失是指由于盾构施工过程中主观因素而引起的地层损失，如盾构施工过程中工人操作失误、各类参数设置错误、超挖、注浆滞后等。非正常地层损失引起的地面沉降不同于正常地层损失，具有局部变化的特征。

3.1.3 灾害性地层损失

灾害性地层损失是指盾构掘进中遭遇透水性强的颗粒状土的透镜体或者水压大的贮水等不良地质条件，在盾构开挖面发生突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，而引起灾害性的地面沉降。

3.2 固结沉降

固结沉降是指由于盾构推进过程中的超（欠）挖和盾尾空隙的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，引起的地层沉降。固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。

主固结沉降量与覆土厚度有着密切的关系。覆土层越厚，主固结沉降占总沉降的比例越大。因此，在隧道埋深较大的工程中，施工沉降虽然很小，但主固结沉降的作用决不可忽视。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几个月，有的甚至要几年以上。

4 地表变形控制措施 4.1 初期沉降控制措施

初期沉降出现在盾构机到达该位置之前。初期沉降主要是由于盾构施工过程中地下水位降低而导致的土体固结沉降。控制措施主要是保持地下水压，具体措施如下：

（1） 合理设定土压（泥水压）控制值并且在盾构掘进中保持压力稳定，目的就是平衡开挖面土压和水压，避免地下水位的降低。

（2） 保持开挖面土压（泥水压）的稳定，对于土压式盾构重点是控制泥土的塑流化改良效果，应根据施工现场的土质、透水系数、地下水压、掘进长度等因素选择合理的改良材料和注入参数；对于泥水式盾构重点是控制泥浆性能，泥浆性能包括相对密度、黏度、PH值、过滤特性和含砂率，应根据地层条件选择合理的泥浆材料和配合比。

（3） 防止地下水从盾构机，盾尾及已施工好的衬砌结构处渗漏。因此，应保持盾构机各部位密封完好，保证盾尾密封油质注入压力和注入量，管片密封与拼装质量满足规范要求。

4.2 开挖面前沉降（或隆起）控制措施

开挖面前沉降（或隆起）出现在盾构机即将通过该位置时。开挖面前沉降（或隆起）主要是由于土压（泥水压）控制值偏低（或过大）而引起盾构机正前方土体弹塑性变形，从而造成地层沉降（或隆起），其控制的主要措施是加强土压（泥水压）的管理，真正实现土压土压（泥水压）的平衡，具体措施如下：

（1） 根据现场地层实际地质情况，合理设定土压（泥水压）控制值并在掘进过程中保持稳定，以平衡开挖面土压和水压。

（2） 确保开挖面的土压（泥水压）稳定。对于土压式盾构以土压和塑流化改良控制为主，应根据地层条件选择合理的改良材料和注入参数，必要时还应对盾构推力、推进速度、刀盘扭矩等盾构参数进行控制。对于泥水式盾构是泥浆性能，以泥水压和泥浆性能控制为主，应根据地层条件选择合理的泥浆材料和配合比，必要时还应对排土量进行控制。

4.3 通过时沉降（或隆起）控制措施

通过时沉降（或隆起）出现在盾构通过该位置时，由于超挖、纠偏、盾壳与土体的摩擦等原因造成的地层沉降（或隆起），其控制措施如下：

（1） 控制好盾构姿态，避免不必要的纠偏作业。出现偏差时，应按照\"勤纠、少纠、适度\"的原则就行纠偏[2]。控制好超挖，在确实需要超挖的部位，应合理确定超挖半径与超挖范围，尽可能减少超挖。

（2） 加强排土量控制。对于土压式盾构，排土量控制方法有质量控制和容积控制2种。

（3） 土压式盾构在软弱或松散地层掘进时，盾构外周与周围土体的黏滞阻力或摩擦较大时，应采取注浆减阻措施。

4.4 尾部空隙沉降（或隆起）

（1） 尾部空隙沉降（或隆起）出现在盾尾通过之后。一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大2%，使盾壳内与衬砌间必须有一定的空隙。如果这些空隙填充不及时，造成地层应力释放，最终形成较大的地表沉降；如果衬砌背后的填充注浆压力过大，则附加土压就会引发地层隆起。

4.5 后续沉降

后续沉降是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。主要是由于盾构掘进造成的地层扰动、松弛等引起。后续沉降主要控制措施是：

（1） 盾构掘进、纠偏、注浆等作业时，尽可能减少对地层的扰动。 （2） 若后续沉降过大不满足地层沉降要求，可采取向特定部位地层内注浆的措施。

5 小结

盾构法施工引起的地表沉降（或隆起）是由多种因素造成的，既有工程地质条件的客观因素，也有操作人员的主观因素。在盾构掘进时要严格控制好开挖面的稳定；同时加强盾构姿态管理，减少超挖欠挖。在管片安装完毕后要及时进行同步注浆和二次注浆，减少空隙的存在，防止地层松弛而产生弹塑性变形。在实际施工时，必须采取相应措施减少地表变形，以免对周围地层和建（构）筑物产生影响。

参考文献

[1] 周文波. 盾构法隧道施工技术及应用：[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2004：243-2.