盾构施工沉降分析

目录

1.地表沉降原因 (1)

1.1.地层损失 (1)

1.2.受扰动土的固结 (2)

1.3.地下水流失 (3)

2.地表沉降的发展过程 (4)

2.1.初期沉降 (5)

2.2.开挖面沉降 (6)

2.3.尾部沉降 (6)

2.4.尾部空隙沉降 (6)

2.5.长期延续沉降 (6)

3.引起地表沉降的因素 (6)

3.1.主观原因 (6)

3.2.客观原因 (7)

4.穿越建（构）筑物掘进参数的控制 (8)

5.结语 (9)

盾构施工沉降分析

针对地铁工程而言，进行沉降控制的重要性体现在两个方面：

(1) 城市地铁工程一般位于城市的繁华地段，周围建筑物密集、各种地下管线纵横复杂交错，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等事故。影响市民正常生活，造成各种纠纷，进而影响工程施工的进度，增加工程的费用。

(2) 沉降事故在地铁工程的施工中属于多发事故。同时其发生的直接表现为地下隧道拱顶的下沉或坍塌，而这种塌陷的发生又多由涌水、涌泥，环片支护失效等原因引起。这些原因的存在和发生，可以导致施工现场的人员伤亡、设备损坏，进而影响工程进度、增加工程费用，造成严重的后果。

1.地表沉降原因

在软土地层中开挖隧道，不论采取任何施工技术都将引起地层运动，产生地面沉降。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。

1.1.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（地层损失率指地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比）。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) 随盾构推进而移动的盾构正面障碍物，使地层在盾构通过后产生的空隙无法及时压浆填充，引起地层损失。

(6) 盾构移动对地层的摩擦和剪切。

(7) 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。

(8) 隧道衬砌沉降较大时，将引起地层损失。

1.2.受扰动土的固结

盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成

超孔隙水压力区(正值或负值)。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。

此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35％以上。

1.3.地下水流失

在深埋隧道中，地层损失造成的建筑物的沉降主要影响的是端承桩，而地下水大量流失造成地下水位下降则主要影响的是浅基础和长度较短的摩擦桩，特别是基础以下存在间隙率较大的地层，如中、粗砂层所造成的沉降较大。

由于土压平衡式盾构机在掘进过程中，拱顶同步注浆普遍存在不密实情况，导致拱顶处沿隧道方向存在水力连通，当盾构长时间停止掘进时，地下水容易从盾构机后方流至开挖面，引起地下水大量流失，当地层起伏较大的地层或存在地质钻孔封孔质量不好时，容易与上部地层形成水力通道，直接贯通隔水层引起地下水位下降；另外在含水量较大的地层中停机也会造成开挖面较大的水量流失。如在深圳地铁一个工程实例，由于隧道上层覆土较浅，且土质松散，并有部分未封

堵的地质钻孔，由于形成上下贯通的水力通道，当盾构推过时，地下水下降达2米多，引起地表沉降达120毫米，当调整盾构掘进参数、加大注浆量时，地表存在冒浆现象。

从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。

2.地表沉降的发展过程

盾构推进引起的地面沉降可分为初期沉降、开挖面沉降、尾部沉降、尾部空隙沉降、长期延续沉降等五个阶段。

地表沉降纵向分布图

地表沉降横向分布图

地基变形模型图

2.1.初期沉降

初期沉降是指当盾构机开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。初期沉降是由固结沉降所引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水（或孔隙水）的下降。

2.2.开挖面沉降

开挖面沉降是指当盾构机开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。

2.3.尾部沉降

它是指盾构通过时产生的地面沉降。由于盾壳和地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中就会产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在盾构推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛一部分土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛部分则带来了地面沉降。

2.4.尾部空隙沉降

由于施工需要，盾构机外壳和管片衬砌之间存在“建筑间隙”，这些“建筑间隙”如不及时充填，就会被周围土体占领，最终形成较大的地表沉降。

2.5.长期延续沉降

长期延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。该段沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。

（沉降计算分析）

3.引起地表沉降的因素

3.1.主观原因