盾构法施工引起地面沉降原因分析及防治措施

盾构法施工引起地面沉降原因分析及控制方法进入２1世纪,世界经济的迅猛发展使城市化建设得到了大幅度的提速。目前，人口不断地向城市聚集，使城市人口和建筑的密集度快速上升，造成能被利用的地面空间越来越少，因此,当今城市现代化建设的重要课题之一便是开发地下空间，为人类创造价值。但各种用途的管线被布置在地下,这便产生了在地下工程施工背景下的一种最佳方法——盾构法。盾构法施工虽然优点颇多，但是也存在诸多问题。本文就盾构法施工过程中引起的地面沉降问题展开讨论,分析产生的原因及寻找控制方法。

一,地面沉降产生原因

1、地层隆沉的发展过程

盾构推进引起的地面沉降包括五个阶段:最初的沉降、开挖

面前方的沉降、盾构机经过时沉降、盾尾空隙的沉降以及最终固结沉降,如图ｌ所示。

第一阶段:最初的沉降。该压缩、固结沉降是因为地基有效上覆土层厚度增加而产生的沉降，也是盾构机向前掘进时因为地下水水位降低造成的。指从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离(约3~12ｍ)的时候开始,直至开挖面到达观测点这段时间内所产生的沉

降。第二阶段：开挖面前方的沉降(或隆起)。这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力、或机身周围的摩擦力等作用而产生的。它是从开挖面距观测点约几米时开始至观测点处于开挖面正上方这段时间所产生的沉降(或隆起）。第三阶段:盾构机经过时沉降。该沉降是在土体的扰动下,从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点该段时期产生的沉降(或隆起）。第四阶段:盾尾空隙沉降。该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。土的密实度下降，应力释放是其土力学上的表现。第五阶段：固结沉降,它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。经前人研究发现，第一阶段沉降占总沉降的0～４.5%，第二阶段沉降占总沉降的０～4４%,第三阶段沉降占总沉降的1５～20%,第四阶段沉降占总沉降的２0~30%，第5阶段沉降占总沉降的5~３0％。

2、地表沉降的因素影响分析

该因素影响分析的平台是当前使用较为广泛的大型三维有限元分析软件ANSYS，盾构开挖面掘进引起的地表沉降的客观因素包括盾构直径、土体刚度、隧道埋深、施工状况等设计条件;而其主观因素包含施工管理、盾构机的选用形式、盾尾注浆、辅助施工方法等。下面对盾尾同步注浆、覆土厚度、管片宽度、掌子面顶进压力、土体弹性模量和盾构直径六个方面的因素进行分析。

２.1、盾尾注浆压力的影响

地表沉降会受到盾构机尾部注浆压力的影响，且影响较大。本文在ANSYS中通过设置不同的盾尾注浆压力参数值来研究其影响程度

的大小。通过模拟分析发现:最大地面沉降随注浆压力的增加而减小。我们知道,压力过小使得浆液不能将盾尾空隙充填完全，过大会造成浆液的流动性较差，主要是因为当盾尾脱空时，土体释放的大部分荷载被注浆压力抵消,注浆压力越大,浆体越能阻碍衬砌上方土体的径向位移，同时盾尾空隙也越能被充填完全,受到的作用也越大。

2.2、覆土厚度的影响

地面沉降的因素很大一部分也归结于覆土厚度,在盾构机直径不变,而覆土厚度不同的情况下,通过模拟分析发现:最大地面沉降随覆土厚度的增加而减小。也可以从计算结果得出一点帮助:在地层条件允许的情况下，加大隧道设计埋深对减小地面沉降来说是一条有效的措施。原因在于：覆土厚度在地层损失相同时越大的话，沉降槽的范围也会相应的增大,从而使得最大地面沉降值减小。

２.3、管片宽度对地表沉降的影响

在地铁隧道盾构法开挖中，某一段固定长度内管片的整体刚度是受到衬砌管片的宽度影响的,也就是说管片抵抗外界变形的能力与宽度息息相关。本文在建模中取了不等的管片宽度来比较该因素是如何影响沉降的,计算表明,地表沉降最小的情况是发生在管片宽度越大的时候。究其地层变位更小的原因,如下：特定长度内的管片之间形成的缝隙数量在宽度大的盾构管片时相对来说就少，此时缝隙的总宽度也就更小,致使抵抗外界变形的能力就更强,整体的刚度也就更大。

2.4、掌子面顶进压力的影响

掌子面顶进压力即盾构推进时切削刀盘对隧道前方土体的作用

力，在模型中将其取不同的值来反映对地表沉降的影响，但要保证前方水土压力之和不大于掌子面项进压力的值，警戒值被前方土体隆起超过是由顶进压力值过大造成的。模拟后发现，地表累计沉降值变化量在掌子面顶进压力的增大下略微增大，而它在一般工况下掌子面顶进压力改变时变化较小。

2.5、土体弹性模量对地表沉降的影响

土体受扰动时抵抗变形的能力体现在土体的弹性模量上,在隧道开挖时对地表沉降总和的贡献很大,为了比较其对地表沉降的影响,在模型中设定了不同的土体弹性模量来查看对比结果。通过模拟分析得知当提高土体弹性模量时,提高了土体抵抗变形的能力，即增大了土体的刚度，结果导致最大地面沉降量相应的减小,因此,要保证土体不发生过大变形，在选择盾构掘路线时，软土层的地带应避开,土质情况较好的区域应优先放在考虑的位置。

２.6、盾构直径对地表沉降的影响

其它的因素值保持不变,分别改变盾构直径的大小来进行研究。经模拟分析发现，当盾构直径增大时,最大地面沉降值是不断增大的。这是由于：①周围土体会受到盾构机躯体在掘进前行过程中对其产生的扰动,并且躯体越大,扰动越大；⑦在施工过程中,盾构直径越大意味着盾尾建筑空隙越大，增大了地层损失，导致被挖去的土体也就越多，要达到阻止地层产生更大的位移的目的,就须及时将浆体注入到盾尾空隙中:③刀盘开挖半径越大是由越大的盾构直径所致,因此在盾构机的刀盘在切削土体时增大了开挖面前方受扰动土体的范围：从分析得

知，在条件允许的情况下，要达到减少土体变位的目的，应在盾构机选型时尽量选用相对较小直径的盾构机。

二、地面沉降的控制方法

1、优化掘进参数

最佳盾构推进是指盾构推进中对周围地层及地面的影响最小,表现在地层的强度下降小、受到扰动小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的实沉幅度小,这些理想指标也是盾构施工中控制地面沉降、保护环境的首要条件和治本办法。要达到这一理想状态必须对推进中的参数即对刀盘油压、土舱压力、推进速度、压浆压力、压浆量、盾构坡度、盾构姿态及管片拼装作分析。对隧道上复土地质条件、地面荷载设计坡度及转弯半径、轴线偏差及盾构姿态等选取合理的参量，以指导施工。

(1)首１00ｍ试推进。其目的是摸索掌握规律,选取确定最佳掘进参数，指导全线施工。首1００ｍ试推进又可根据沿线地形地貌条件划分为３个区段:第1区段为30m，在施工场地内,属最初掘进,是对各项推进参数的摸索阶段，推进中设定3组不同的施工参数进行试掘进，通过测量数据的反馈,摸索地层变化轴线控制的规律。第2区段为３０m,在路面或人行道下。根据地面条件、建筑物及地下管线情况,对上一阶段试设定的3组参数作慎密调整以取得最佳参数。第3区段为4０ｍ，在路面或建筑群下。这是正式掘进的准备阶段，通过本区段的掘进，对地面沉降、隧道轴线控制、衬砌安装质量等基本有了各项控制措施,施工参数也基本掌握，能利用信息反馈指导施工。