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[摘 要]盾构施工扰动引起的地层沉降是需严格控制的一项重要指标，针对盾构穿越建筑物的自由地层已有较多的研究成果。而城市地铁盾构施工时，隧道经常要穿越城市密集的建筑群，因建筑物荷载及刚度的存在，盾构施工对地表变形的影响与穿越自由地层存在较大的差异，随着城市地铁建设的加快，这一课题近年来也受到国内外越来越多学者的关注。
[关键词]盾构隧道；施工；建筑物；地表沉降
中图分类号：S295 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0136-01
1 盾构施工法的概念
盾构法施工是通过盾构机的注浆系统和盾构推进的作用力，使开挖面和周围的土体在不发生失稳、坍塌的情况下，进行隧道的开挖，同时利用管片拼装机在盾尾拼装管片作为二村结构，并在管片衬砌形成的过程中和形成后进行同步注浆和二次注浆，使隧道在修筑的过程中不扰动周围的土体的一种新型工法。“盾”所指的是控制开挖面稳定性的压力舱和刀盘以及支护周围土体的盾构钢壳；“构”所指的是构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。盾构法是目前在地铁施工中较为常用的一种方法，它的工作原理就是在地铁隧道施工时，尽量保障周围的岩土不被扰动，将对地面的建构筑物、地下管线、及地下埋设物的影响尽可能降到最低。如果想要达到这一目标，除了将压力舱内的泥土或者泥水压力应用到开挖面平衡力上，还需要利用盾构钢壳、管片、以及管片拼装完成后的同步注浆、二次注浆填充管片与钢壳之间的空隙，使支护作用得以实现。
2 地鐵隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析
在隧道工程施工时使用盾构法施工导致地面出现沉降的影响分析所使用的方法是美国科学家P.B.Peck？所推出的估算方法。为有效分析地面沉降所引发的实际影响，需使用数学模拟及数值计算方法来分析盾构施工中由盾构半径、地层损失率、盾构埋深、盾构穿越土层的特性等因素引起的地面沉降效应。
2.1 盾构深埋因素
盾构埋深是导致地面沉降非常显著的因素之一。在软土隧道进行掘进时，隧道的埋深通常是6～22米，对盾构施工沉降槽予以计算，得到的系数是0.976。数值计算中选取的通用参数为目前使用最多的盾构半径3.2米，地层损失率为2%，而选取的穿越土层为黏土层。在计算后发现，宽度的系数会伴随盾构掘进的深度而不断的增加，这也在很大程度上导致地面沉降影响的范围会不断扩大。
2.2 地层损失率
分析知道，地层的损失率对地面的沉降也有非常显著的影响。此外专家认为，假如地层的损失率比较大的话，其在施工计算中将不再会适用于？P.B.Peck理论以及公式。因此与工程的实际相结合，设定地层的损失率分别为：1%、2%、3%、4%？及？5%。盾构的埋深为10米，穿越的土层不改变，盾构的半径仍为3.2米。通过计算得出，地层的损失率对宽度的系数将产生一定的影响，宽度的系数也会伴随地层损失率的不断增加而减小。随着地层损失率的不断增加，其沉降量也变得越来越快。
2.3 盾构穿越土层性质
软土层的隧道开挖，土层主要有砂土层、砂质粉土及淤泥质的粘性土（见图1），而且在不同土层穿越中对地面产生的沉降也有不同影响。通过数学建模，假设地层的损失率是2%，盾构埋深是10米，盾构的半径是3.2米的条件下来计算穿越不同土层的宽度系数和沉降量的关系。经过计算可知，在穿越不同土质地面的沉降效应不尽相同，在穿越黏土时其沉降槽的宽系数是最大的，对地面的沉降影响范围也是最大的，而穿越砂质的粉土层时，其宽度的系数比黏土层要小，所以对地面的沉降影响范围相对较小，其沉降量也比黏土层明显，而穿越砂土地层时，沉降槽的宽度系数最小，所以其影响地面沉降的范围最小，沉降量则最大。
2.4 盾构半径
盾构的选型和半径在不同的地铁隧道中也有一定的差异，比较常见的盾构主要有单圆土压平衡盾构、双圆土压平衡盾构、穿越江海的泥水盾构及大型TBM等。而单圆以及双圆土压平衡盾构的半径通常都在3～3.25米左右，但是越江或越海的工程，对泥水平衡盾构的半径提出了更高的要求，通常在7～15米。假设单圆盾构的半径是3.17m，而双圆盾构的半径是4.5米，穿江盾构的半径是7.5米；地层的损失率是2%，盾构的埋深是10米，穿越土层是淤泥质黏土层。通过数值计算得知，盾构的半径对宽度系数具有非常显著的影响，横向沉降槽的宽度系数也是伴随盾构半径的增大不断的变大，地面沉降的范围也不断出现增大。
3 建筑物沉降及变形特征分析
3.1 楼房的不均匀沉降
在地铁隧道施工过程中，下穿建筑物时，要使隧道施工和建筑物的安全有所保障，则必要对在隧道周边的建筑物进行监测（图2）。
（1）当盾构掘进至前端时，楼房整体会出现不均匀沉降。一端发生沉降的同时，另一端开始隆起。（2）当左线盾构机掘进通过楼房中心后，楼房出现最大不均匀沉降。最大不均匀沉降模拟值为7.3mm，实测值为6.0mm。这时，实测的楼房中心沉降量为11.2mm。当左线盾构掘进通过楼房2倍隧道洞径外时，楼房的沉降变形趋于稳定。（3）在右线隧道掘进穿越楼房中心位置后，楼房的不均匀沉降再次出现最大值。最大不均匀沉降模拟值为7.0mm，实测值为5.1mm。这时，实测的楼房中心沉降量为15.7mm。右线隧道施工完成后，楼房的沉降量达到最大。建筑物中心最大沉降量的模拟值为26.0mm，实测值为20.4mm。通过数值模拟数据及实测数据可知，隧道开挖后，且楼房沉降稳定时，基础四周最终沉降较为平均。此时，模拟和实测的最大不均匀沉降量均小于1.0mm。这是由于筏板基础的刚度大，不仅限制了楼房基础周围土体的位移，而且还将楼房荷载平均分布至下层土体，从而使得楼房不均匀的沉降量大幅减小。
3.2 建筑物变形特征
地铁隧道施工中对地层的扰动是无法避免的，一旦产生地层扰动，必将引发地表发生沉降或隆起，这种变化也必定会传递给上部的建筑物。由此可知，建筑物沉降和地层扰动是有一定联系的，所以，对隧道施工导致建筑物沉降研究的本质就是对地层变形与基础相互作用的研究。无论隧道与建筑物的位置是平行、垂直还是有一定角度的斜交，在盾构掘进过程中，一定会在某一时刻出现不均匀沉降的最高值，但该时刻建筑物中心的沉降量发展并不大，建筑物中心的最大沉降必将发生在盾构穿越施工结束之后。在建筑物基础对地层的约束作用下，隧道施工时，建筑物所在位置的地表会有较明显的沉降变化，由于基础的刚性比较强，所以会出现基础的整体平面倾斜变形以及沉降。
结语
综上所述，可以得出：
（1）盾构掘进过程中，随着盾构的推进，地面沉降趋势也会发生变化，这是一个动态的发展过程。在盾构穿越工程中，建筑物的最大沉降通常发生在盾构通过建筑物之后，而最大不均匀沉降通常发生在盾构到达建筑物中部之后，这两种情况是建筑物安全建设最不利的情况，需要重点关注。（2）当沿隧道纵向的尺寸比较小的时候，盾构穿越时容易出现沿隧道开挖方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构经过中部时；当沿隧道横向尺寸较小时，盾构穿越时容易出现向隧道轴线方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构脱离后。（3）与盾构隧道穿越自由地层相比，在相同施工条件下，建筑物附加应力增大，土体竖向应力增大。为了控制沉降，必须增加盾构的保压值，地表沉降不再符合正态分布规律。
[关键词]盾构隧道；施工；建筑物；地表沉降
中图分类号：S295 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0136-01
1 盾构施工法的概念
盾构法施工是通过盾构机的注浆系统和盾构推进的作用力，使开挖面和周围的土体在不发生失稳、坍塌的情况下，进行隧道的开挖，同时利用管片拼装机在盾尾拼装管片作为二村结构，并在管片衬砌形成的过程中和形成后进行同步注浆和二次注浆，使隧道在修筑的过程中不扰动周围的土体的一种新型工法。“盾”所指的是控制开挖面稳定性的压力舱和刀盘以及支护周围土体的盾构钢壳；“构”所指的是构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。盾构法是目前在地铁施工中较为常用的一种方法，它的工作原理就是在地铁隧道施工时，尽量保障周围的岩土不被扰动，将对地面的建构筑物、地下管线、及地下埋设物的影响尽可能降到最低。如果想要达到这一目标，除了将压力舱内的泥土或者泥水压力应用到开挖面平衡力上，还需要利用盾构钢壳、管片、以及管片拼装完成后的同步注浆、二次注浆填充管片与钢壳之间的空隙，使支护作用得以实现。
2 地鐵隧道盾构施工引起地面沉降主要影响因素分析
在隧道工程施工时使用盾构法施工导致地面出现沉降的影响分析所使用的方法是美国科学家P.B.Peck？所推出的估算方法。为有效分析地面沉降所引发的实际影响，需使用数学模拟及数值计算方法来分析盾构施工中由盾构半径、地层损失率、盾构埋深、盾构穿越土层的特性等因素引起的地面沉降效应。
2.1 盾构深埋因素
盾构埋深是导致地面沉降非常显著的因素之一。在软土隧道进行掘进时，隧道的埋深通常是6～22米，对盾构施工沉降槽予以计算，得到的系数是0.976。数值计算中选取的通用参数为目前使用最多的盾构半径3.2米，地层损失率为2%，而选取的穿越土层为黏土层。在计算后发现，宽度的系数会伴随盾构掘进的深度而不断的增加，这也在很大程度上导致地面沉降影响的范围会不断扩大。
2.2 地层损失率
分析知道，地层的损失率对地面的沉降也有非常显著的影响。此外专家认为，假如地层的损失率比较大的话，其在施工计算中将不再会适用于？P.B.Peck理论以及公式。因此与工程的实际相结合，设定地层的损失率分别为：1%、2%、3%、4%？及？5%。盾构的埋深为10米，穿越的土层不改变，盾构的半径仍为3.2米。通过计算得出，地层的损失率对宽度的系数将产生一定的影响，宽度的系数也会伴随地层损失率的不断增加而减小。随着地层损失率的不断增加，其沉降量也变得越来越快。
2.3 盾构穿越土层性质
软土层的隧道开挖，土层主要有砂土层、砂质粉土及淤泥质的粘性土（见图1），而且在不同土层穿越中对地面产生的沉降也有不同影响。通过数学建模，假设地层的损失率是2%，盾构埋深是10米，盾构的半径是3.2米的条件下来计算穿越不同土层的宽度系数和沉降量的关系。经过计算可知，在穿越不同土质地面的沉降效应不尽相同，在穿越黏土时其沉降槽的宽系数是最大的，对地面的沉降影响范围也是最大的，而穿越砂质的粉土层时，其宽度的系数比黏土层要小，所以对地面的沉降影响范围相对较小，其沉降量也比黏土层明显，而穿越砂土地层时，沉降槽的宽度系数最小，所以其影响地面沉降的范围最小，沉降量则最大。
2.4 盾构半径
盾构的选型和半径在不同的地铁隧道中也有一定的差异，比较常见的盾构主要有单圆土压平衡盾构、双圆土压平衡盾构、穿越江海的泥水盾构及大型TBM等。而单圆以及双圆土压平衡盾构的半径通常都在3～3.25米左右，但是越江或越海的工程，对泥水平衡盾构的半径提出了更高的要求，通常在7～15米。假设单圆盾构的半径是3.17m，而双圆盾构的半径是4.5米，穿江盾构的半径是7.5米；地层的损失率是2%，盾构的埋深是10米，穿越土层是淤泥质黏土层。通过数值计算得知，盾构的半径对宽度系数具有非常显著的影响，横向沉降槽的宽度系数也是伴随盾构半径的增大不断的变大，地面沉降的范围也不断出现增大。
3 建筑物沉降及变形特征分析
3.1 楼房的不均匀沉降
在地铁隧道施工过程中，下穿建筑物时，要使隧道施工和建筑物的安全有所保障，则必要对在隧道周边的建筑物进行监测（图2）。
（1）当盾构掘进至前端时，楼房整体会出现不均匀沉降。一端发生沉降的同时，另一端开始隆起。（2）当左线盾构机掘进通过楼房中心后，楼房出现最大不均匀沉降。最大不均匀沉降模拟值为7.3mm，实测值为6.0mm。这时，实测的楼房中心沉降量为11.2mm。当左线盾构掘进通过楼房2倍隧道洞径外时，楼房的沉降变形趋于稳定。（3）在右线隧道掘进穿越楼房中心位置后，楼房的不均匀沉降再次出现最大值。最大不均匀沉降模拟值为7.0mm，实测值为5.1mm。这时，实测的楼房中心沉降量为15.7mm。右线隧道施工完成后，楼房的沉降量达到最大。建筑物中心最大沉降量的模拟值为26.0mm，实测值为20.4mm。通过数值模拟数据及实测数据可知，隧道开挖后，且楼房沉降稳定时，基础四周最终沉降较为平均。此时，模拟和实测的最大不均匀沉降量均小于1.0mm。这是由于筏板基础的刚度大，不仅限制了楼房基础周围土体的位移，而且还将楼房荷载平均分布至下层土体，从而使得楼房不均匀的沉降量大幅减小。
3.2 建筑物变形特征
地铁隧道施工中对地层的扰动是无法避免的，一旦产生地层扰动，必将引发地表发生沉降或隆起，这种变化也必定会传递给上部的建筑物。由此可知，建筑物沉降和地层扰动是有一定联系的，所以，对隧道施工导致建筑物沉降研究的本质就是对地层变形与基础相互作用的研究。无论隧道与建筑物的位置是平行、垂直还是有一定角度的斜交，在盾构掘进过程中，一定会在某一时刻出现不均匀沉降的最高值，但该时刻建筑物中心的沉降量发展并不大，建筑物中心的最大沉降必将发生在盾构穿越施工结束之后。在建筑物基础对地层的约束作用下，隧道施工时，建筑物所在位置的地表会有较明显的沉降变化，由于基础的刚性比较强，所以会出现基础的整体平面倾斜变形以及沉降。
结语
综上所述，可以得出：
（1）盾构掘进过程中，随着盾构的推进，地面沉降趋势也会发生变化，这是一个动态的发展过程。在盾构穿越工程中，建筑物的最大沉降通常发生在盾构通过建筑物之后，而最大不均匀沉降通常发生在盾构到达建筑物中部之后，这两种情况是建筑物安全建设最不利的情况，需要重点关注。（2）当沿隧道纵向的尺寸比较小的时候，盾构穿越时容易出现沿隧道开挖方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构经过中部时；当沿隧道横向尺寸较小时，盾构穿越时容易出现向隧道轴线方向的倾斜，最危险的工况发生在盾构脱离后。（3）与盾构隧道穿越自由地层相比，在相同施工条件下，建筑物附加应力增大，土体竖向应力增大。为了控制沉降，必须增加盾构的保压值，地表沉降不再符合正态分布规律。