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摘要：盾构技术已广泛地应用于软土层的地铁隧道、市政管道等工程领域，其地铁施工引起的地表沉降问题也引起人们的高度关注。本文就盾构施工引起的地表沉降的原因进行分析，并提出对策。
关键词：地铁盾构；地表沉降
Abstract: shield technology has been widely used in soft soil layer metro tunnel, municipal pipeline engineering field, the subway construction of surface subsidence caused by problems aroused people's concern. This paper will shield tunnel surface subsidence caused by the analysis of the causes, and put forward the countermeasures.
Key words: the subway shield; Surface subsidence
中图分类号：U455.43文献标识码：A文章编号：
一、地表沉降的发展过程
（1） 地表沉降的原因
盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受到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。引起地层沉降的施工及其他因素主要有：开挖面土体移动；盾构后退；土体挤入盾构空隙；改变推进方向；当盾构外周黏附一层黏土时，盾尾后隧道管片外周环形空隙会有较大的增加，如不相应增加压浆量，地层损失必然增加；在土压力作用下，隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失；隧道管片衬砌沉降较大时，会引起不可忽略的地层损失；受扰动土体的固结沉降。
（2） 地表沉降发展过程
盾构在不同地层掘进时引起的地表变形可分为先期沉降、开挖面前沉降或隆起、盾构通过时沉降、盾构空隙沉降、后期沉降5 个阶段，其产生的原因与机理如表 1 所示。
表 1 盾构施工引起变形的原因与机理
沉降类型 主要原因 应力扰动 变形机理
先期沉降 地下水位降低 孔隙水压力减少，围岩有效应力增加 压缩和压密、下沉
开挖面前沉降或隆起 工作面处施加压：过大时隆起，过小时沉降 围岩应力释放、扰动负荷土压力 弹塑性变形
通过时沉降 施工扰动，盾构与围岩(土体) 间剪切错动，出渣 扰动 压缩
盾构空隙沉降 围岩(土体) 失去支撑，管片背后注浆不及时 应力释放 弹塑性变形
后期沉降 结构变形、地层扰动、空隙水压下降等 土体固结 压缩和蠕动下沉
二、地表监测及沉降控制
（1） 监测基准值
依据经验、工程类比、结构计算及管线状况、材质，有关规范、规程和设计要求，制定了监控量测基准值。如表 2 所示。在本文只讨论地表沉降问题。
表 2 监控量测管理基准值
（2） 测点布置
①地表沉降和地下管线安全监测
地表沉降点沿隧道轴线按 5m 间距埋设，地表横向沉陷测点按 50m 间距埋设。沿区间隧道施工影响范围内( 距隧道边线约 15m) 的主要地下管线上方地表纵向每隔 30m 布置一个测点。
②地面建筑物监测
在区间隧道两侧距隧道边线约 15m，特别是对隧道两侧 10m 范围内地面建筑物进行监测，测点主要布置在建筑物基础或承重柱上。
（3）沉降控制措施
控制地表沉降的措施主要包括以下几个方面：
①地层状况及沿线建(构) 筑物调查。若要在施工过程中达到有效控制地面沉降的目的，首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建(构) 筑物进行调查。
②土仓压力的设定。在隧道掘进过程中，土仓压力的设定是一个非常关键的参数，土压设定值如偏小则导致地面下沉量增大，土压设定值如偏大则会导致地面发生隆起现象。
③盾尾同步注浆参数的设定。盾构掘进过程中，以适当的注浆压力和浆量、合理配比的注浆材料等，在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆，这是控制或减小地表沉降或隆起的关键措施。
④隧道掘进过程测量的管理。测量数据能最直接反映出地表沉降的过程，测量数据能够用于指导施工，对沉降量较大的点，应加大控制测量的频率，调整盾构参数，以达到控制沉降的目的。
三、工程实例分析
本工程实例引用于轨道交通工程某号线盾构施工标段，工程主要有一组双线单圆盾构区间隧道组成，隧道分为上行线和下行线，区间隧道采用两台德国海瑞克公司制造的土压平衡盾构机施工。两条隧道分别由不同建筑单位施工，由于施工经验和技术力量存在差别，因此对施工过程控制地表沉降差异也参差不同，具体分析过程如下。
（1）工程实例地质条件和隧道监测
隧道掘进范围内主要为灰色淤泥质黏土层④层和灰色黏性土⑤－1－1层为主，土性均勻；土质呈饱和－软流塑状，具有高压性，低透水性，是盾构掘进的良好地层，但由于其高含水量，大孔隙比和强度低等特点，又极易产生流变。土层的黏粒含量均大于10%，施工中不存在液化现象，但由于其高黏粒含量的特点，又极易产生流变。
隧道掘进过程中的监测主要可分为坑内监测和坑外监测，对工程地质条件较差或周边建(构) 物、地下管线较多的点，将加大监测频率，通过监测数据来调整盾构参数。图1为测量人员在进行地表监测。
图1 测量人员监测地表沉降
（2）上行线盾构掘进监测
图2 是上行线隧道开挖时地表沉降值，其中0～200m 表示的是隧道的长度。
图 2 上行线盾构掘进地表沉降曲线
从图 2 可以看到隧道开挖对地表沉降的影响有以下几个特点:
①盾构主要在灰色淤泥黏土中掘进，如图 2所示，整个区间隧道地表沉降控制在+ 17 ～ －65mm 间( 其中正号表示地面隆起，负号表示地面沉降，本文未全部表示出)，整个隧道区间轴线正上方多数沉降稳定在－30mm 左右，符合规范设计的要求。
②隧道开挖地表沉降最大值发生在隧道口，即隧道端头处，其沉降最大主要原因是有，其一盾构进站时调整盾构姿态的需要，导致了地表的沉降过大；其二是由于附近给水管线的施工导致沉降过大；其三地质勘探孔的冒浆导致地层损失。
③除盾构端头处地表沉降较大外，在盾构施工过程中，由该地段的地质情况较差，多为流塑性状黏土，流变性强，受扰动后沉降也较大。
（3）下行线开挖至不同进深地表沉降的影响分析
图 3、图 4 是下行线开挖至不同进深时地表的沉降值，图中的沉降值取自隧道中轴线正上方的地表沉降，3 ～57m 表示的是隧道的长度。
图 3 下行线开挖至不同进深地表沉降
图4 下行线开挖至不同进深地表沉降
从图 3、图 4 可以看到隧道开挖到不同进深对地表沉降的影响有以下几个特点：
①随隧道逐级开挖，隧道口对应的地表最大沉降也在逐级增大。
②隧道开挖对地表沉降的影响区域基本贯通全长，其中每开挖一段，其地表沉降影响区域向隧道开挖方向约为 6 倍的隧道直径，在 6 倍隧道直径以外地表有微小的隆起，作用不大，可以忽略不计。
四、结束语
经过工程实践，提出如下措施，是减少盾构掘进对地表沉降影响的重要手段，并且实践证明也是有效的。
(1) 做好信息化施工：就是及时将监测所获取的数据反映给盾构机操作人员，可以及时调整盾构机掘进参数，来控制地表的沉降或隆起。
(2) 隧道开挖导致的地表最大沉降一般发生在隧道开挖的起始处，对于长隧道，其最大地表沉降应该发生在隧道的前面段，隧道的起始段应该密切监测。
(3) 隧道开挖中，在盾构推进的过程中会影响其推进方向一定范围内土体的隆起，当其线路上方有重要管线及建筑物时应尤为注意。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地铁盾构；地表沉降
Abstract: shield technology has been widely used in soft soil layer metro tunnel, municipal pipeline engineering field, the subway construction of surface subsidence caused by problems aroused people's concern. This paper will shield tunnel surface subsidence caused by the analysis of the causes, and put forward the countermeasures.
Key words: the subway shield; Surface subsidence
中图分类号：U455.43文献标识码：A文章编号：
一、地表沉降的发展过程
（1） 地表沉降的原因
盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受到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。引起地层沉降的施工及其他因素主要有：开挖面土体移动；盾构后退；土体挤入盾构空隙；改变推进方向；当盾构外周黏附一层黏土时，盾尾后隧道管片外周环形空隙会有较大的增加，如不相应增加压浆量，地层损失必然增加；在土压力作用下，隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失；隧道管片衬砌沉降较大时，会引起不可忽略的地层损失；受扰动土体的固结沉降。
（2） 地表沉降发展过程
盾构在不同地层掘进时引起的地表变形可分为先期沉降、开挖面前沉降或隆起、盾构通过时沉降、盾构空隙沉降、后期沉降5 个阶段，其产生的原因与机理如表 1 所示。
表 1 盾构施工引起变形的原因与机理
沉降类型 主要原因 应力扰动 变形机理
先期沉降 地下水位降低 孔隙水压力减少，围岩有效应力增加 压缩和压密、下沉
开挖面前沉降或隆起 工作面处施加压：过大时隆起，过小时沉降 围岩应力释放、扰动负荷土压力 弹塑性变形
通过时沉降 施工扰动，盾构与围岩(土体) 间剪切错动，出渣 扰动 压缩
盾构空隙沉降 围岩(土体) 失去支撑，管片背后注浆不及时 应力释放 弹塑性变形
后期沉降 结构变形、地层扰动、空隙水压下降等 土体固结 压缩和蠕动下沉
二、地表监测及沉降控制
（1） 监测基准值
依据经验、工程类比、结构计算及管线状况、材质，有关规范、规程和设计要求，制定了监控量测基准值。如表 2 所示。在本文只讨论地表沉降问题。
表 2 监控量测管理基准值
（2） 测点布置
①地表沉降和地下管线安全监测
地表沉降点沿隧道轴线按 5m 间距埋设，地表横向沉陷测点按 50m 间距埋设。沿区间隧道施工影响范围内( 距隧道边线约 15m) 的主要地下管线上方地表纵向每隔 30m 布置一个测点。
②地面建筑物监测
在区间隧道两侧距隧道边线约 15m，特别是对隧道两侧 10m 范围内地面建筑物进行监测，测点主要布置在建筑物基础或承重柱上。
（3）沉降控制措施
控制地表沉降的措施主要包括以下几个方面：
①地层状况及沿线建(构) 筑物调查。若要在施工过程中达到有效控制地面沉降的目的，首要的先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响范围内的地层状况及沿线建(构) 筑物进行调查。
②土仓压力的设定。在隧道掘进过程中，土仓压力的设定是一个非常关键的参数，土压设定值如偏小则导致地面下沉量增大，土压设定值如偏大则会导致地面发生隆起现象。
③盾尾同步注浆参数的设定。盾构掘进过程中，以适当的注浆压力和浆量、合理配比的注浆材料等，在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆，这是控制或减小地表沉降或隆起的关键措施。
④隧道掘进过程测量的管理。测量数据能最直接反映出地表沉降的过程，测量数据能够用于指导施工，对沉降量较大的点，应加大控制测量的频率，调整盾构参数，以达到控制沉降的目的。
三、工程实例分析
本工程实例引用于轨道交通工程某号线盾构施工标段，工程主要有一组双线单圆盾构区间隧道组成，隧道分为上行线和下行线，区间隧道采用两台德国海瑞克公司制造的土压平衡盾构机施工。两条隧道分别由不同建筑单位施工，由于施工经验和技术力量存在差别，因此对施工过程控制地表沉降差异也参差不同，具体分析过程如下。
（1）工程实例地质条件和隧道监测
隧道掘进范围内主要为灰色淤泥质黏土层④层和灰色黏性土⑤－1－1层为主，土性均勻；土质呈饱和－软流塑状，具有高压性，低透水性，是盾构掘进的良好地层，但由于其高含水量，大孔隙比和强度低等特点，又极易产生流变。土层的黏粒含量均大于10%，施工中不存在液化现象，但由于其高黏粒含量的特点，又极易产生流变。
隧道掘进过程中的监测主要可分为坑内监测和坑外监测，对工程地质条件较差或周边建(构) 物、地下管线较多的点，将加大监测频率，通过监测数据来调整盾构参数。图1为测量人员在进行地表监测。
图1 测量人员监测地表沉降
（2）上行线盾构掘进监测
图2 是上行线隧道开挖时地表沉降值，其中0～200m 表示的是隧道的长度。
图 2 上行线盾构掘进地表沉降曲线
从图 2 可以看到隧道开挖对地表沉降的影响有以下几个特点:
①盾构主要在灰色淤泥黏土中掘进，如图 2所示，整个区间隧道地表沉降控制在+ 17 ～ －65mm 间( 其中正号表示地面隆起，负号表示地面沉降，本文未全部表示出)，整个隧道区间轴线正上方多数沉降稳定在－30mm 左右，符合规范设计的要求。
②隧道开挖地表沉降最大值发生在隧道口，即隧道端头处，其沉降最大主要原因是有，其一盾构进站时调整盾构姿态的需要，导致了地表的沉降过大；其二是由于附近给水管线的施工导致沉降过大；其三地质勘探孔的冒浆导致地层损失。
③除盾构端头处地表沉降较大外，在盾构施工过程中，由该地段的地质情况较差，多为流塑性状黏土，流变性强，受扰动后沉降也较大。
（3）下行线开挖至不同进深地表沉降的影响分析
图 3、图 4 是下行线开挖至不同进深时地表的沉降值，图中的沉降值取自隧道中轴线正上方的地表沉降，3 ～57m 表示的是隧道的长度。
图 3 下行线开挖至不同进深地表沉降
图4 下行线开挖至不同进深地表沉降
从图 3、图 4 可以看到隧道开挖到不同进深对地表沉降的影响有以下几个特点：
①随隧道逐级开挖，隧道口对应的地表最大沉降也在逐级增大。
②隧道开挖对地表沉降的影响区域基本贯通全长，其中每开挖一段，其地表沉降影响区域向隧道开挖方向约为 6 倍的隧道直径，在 6 倍隧道直径以外地表有微小的隆起，作用不大，可以忽略不计。
四、结束语
经过工程实践，提出如下措施，是减少盾构掘进对地表沉降影响的重要手段，并且实践证明也是有效的。
(1) 做好信息化施工：就是及时将监测所获取的数据反映给盾构机操作人员，可以及时调整盾构机掘进参数，来控制地表的沉降或隆起。
(2) 隧道开挖导致的地表最大沉降一般发生在隧道开挖的起始处，对于长隧道，其最大地表沉降应该发生在隧道的前面段，隧道的起始段应该密切监测。
(3) 隧道开挖中，在盾构推进的过程中会影响其推进方向一定范围内土体的隆起，当其线路上方有重要管线及建筑物时应尤为注意。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。