地铁盾构法施工造成地表沉降分析探讨
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摘要：盾构法施工引起的地表沉降分析是一个非常复杂的问题，影响的因素也很多，本文在模拟开挖时，对实际情况做了一些简化。今后的研究应充分考虑广州地层的复杂性，对地表沉降的影响因素做进一步的完善。
关键词：盾构法；地表沉降；施工措施
一、地表沉降的原因
盾构施工引起地面沉降的主要原因是施工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作用等。
1.1地层损失
地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差。竣工隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积。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：
（l）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应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移动，引起负地层损失（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）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，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。盾构轴线与隧道轴线的偏角越大，则对土体扰动和超挖程度及其引起的地层损失也越大。
（4）土体挤入盾尾空隙。由于向盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不适当，使盾尾后坑道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。在含水不稳定地层中，这往往是引起地层损失的主要因素。特别是盾构在粘性土中推进时，盾构外周粘附一层粘土，盾尾后隧道外围圆形空隙会有较大量的增加，如不有效增加压浆量、地层损失必大量增加。这在设计施工中应予考虑。
1.2受扰动土体的重新固结
推进中孔隙水压变化、土体扰动后重新固结、管片渗漏水、压浆材料凝固收缩等引起土体固结沉降。由于盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区，其超空隙水压在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。可见，地表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件等。
施工引起的地层损失可分为三类：
①正常的地层损失。盾构施工操作精心，没有失误，但由于地质和盾构施工方法的特定条件，在施工中总要引起不可避免的一定地层损失。
②不正常的地层损失。因盾构施工操作失误而引起的本来可以避免的地层损失。
③灾害性的地层损失。盾构开挖面发生土体急剧流动或暴发性的崩坍，引起灾害性的地面沉降。
二、盾构施工地表沉降的控制措施
2.1掘进模式的选择
地层条件不一样，选择的掘进模式也就不一样。为了使盾构机的应用更加广泛，一台盾构机可以通过自身的转换能实现土压平衡、半敞开式、敞开式三种模式。不同模式对应的施工参数也不一样，而地质条件千变万化，如果模式选择不恰当，势必会产生很大的地表沉降。
2.2优化施工参数
盾构推进中对周围地层及地面的影响最小就是盾构的最佳推进，也就是我们所追求的最优掘进参数，这时地层的强度下降小、受到扰动也小、超孔隙水压小、地面隆沉小以及盾尾脱开后的沉降小，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。
盾构的掘进参数包括：土舱压力、排土量和掘进速度、千斤顶顶力及分布、盾构坡度、纠偏方向与纠偏量和注浆压力、时间、注浆量以及浆液配比的确定等。盾构的几个掘进参数，既是相互独立，又是互相匹配、优化，其根本目的，是控制盾构掘进轴线偏差不超出允许范围及尽量减少对地层的变形影响。。
盾构施工采用德国海瑞克复合式土压平衡盾构机，其施工方法是盾构推进过程中刀盘将切削下来的碴土充满土仓，并通过推进操作产生与土压力和水压力相平衡的土仓压力来保持开挖面的稳定和防止地下水的渗入。而当盾构刀盘面提供的压力小于原静止土压力，开挖面土体处于主动土压力状态，土体单元的水平应力小于垂直应力，则开挖面土体受到较小的支撑力而向后方位移，如果出土速度过快，开挖面前上方土体就会塌落，导致地面沉降。
2.3盾构在曲线上推进及盾构纠偏
盾构在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要放缓，纠偏幅度不要过大，加大注浆量，加强纠偏量测等工作，以减少地层损失。
（l）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间隔，切换速度不宜过快。
（2）根据掌子面地层情况应及时调整掘进参数，调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时就应该实行纠偏程序。
（3）蛇行修正及纠偏时应缓慢进行。在直线推进的情况下，应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理。在曲线推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。
（4）推进油缸油压的调整不宜过快、过大。调整不同编组千斤顶或调整各千斤顶区域的工作油压，调整推力合力的作用位置，减少偏心力偶矩。用控制盾构纵坡达到调整高程位置，控制两边对称千斤顶行程差来调整平面位置差。
2.4衬砌接缝防水
接缝漏水使隧道周围地层孔隙水流失，土体有效应力增加，引起地层再压缩固结，从而引起地表沉降。可以在施工中采用多孔型三元乙丙弹性橡胶止水条，在千斤顶推力和螺栓拧紧力的作用下，使得管片间的三元乙丙弹性橡胶止水条的缝隙被压缩来起防水的作用。
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