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摘要：盾构施工法作为城市地铁隧道施工的主要工艺和应用技术，与地面沉降有着不可分割的联系。尽管该种方法已在我国地铁隧道施工中得到了长足的发展，但是在施工工艺、技术和施工中仍然存在问题。而这些问题因素的存在以及产生的后果，就是引起地面沉降的主要原因。因此，本文将重点分析盾构施工引发地面沉降的问题因素，以及他们对地面沉降的影响。
关键词：盾构施工；沉降；土层损失；固结压密；盾构埋深；盾构半径
中图分类号：U415.6文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Shield tunnel as a method for urban subway tunnel construction of main technology and application technology, and ground subsidence has intersected connection. Although the method has set up a file in the tunnel construction in our country has grown rapidly, but in the construction technology, technical and construction problems still exist. And these problems factors and consequences, is the main cause of ground subsidence caused. Therefore, this article mainly focuses on analysis of shield construction by surface subsidence problem factors, and the influence of ground subsidence.
Key Words: Shield construction; Settlement; Soil loss; Consolidation pressure dense; Shield buried depth; Shield tunnel radius
自20實际60年代，盾构施工法引进我国后，随着我国现代化建设的发展，被广泛地应用到地铁隧道、公路隧道、市政管道等工程领域，并发挥了巨大的功效。虽然为这些领域内工程的实施提供了较高水平的工艺与技术水准，但是在实际施工中还是存在着问题。由于各种因素的影响，导致地层结构遭到破坏，引起地面沉降。地面沉降不仅会对地表和周围建筑物产生影响，同时也会引起一定范围内地层的不规律变化，不利于人类经济活动的发展。因此近年来，地铁隧道施工引发地面沉降的问题，已经受到相关专业人员的高度重视。
众所周知，自然和人为因素是引发地面沉降的关键。由于地表沉积层的变化或地质灾害的影响，自然会产生地面沉降。而人为因素除了包括地下水开采引发的区域性地面沉降，还包括隧道等工程引发的工程性地面沉降。在隧道盾构施工的过程中，不可避免地将对隧道工程周围的地层造成扰动，甚至造成破坏。而被扰动的土体，由于受到各种因素的影响使得地面发生沉降。同时，地表沉降槽的宽度系数也是影响地面沉降的关键因素，主要与盾构埋深和半径有关。可见，隧道盾构施工引发地面沉降的主要因素包括四个方面。一是盾构施工引起的地层损失；二是隧道施工周围扰动土层的固结压密；三是盾构埋深；四是盾构半径。
一、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。在实际施工中，不可避免地会造成土层损失。为了弥补这种损失，隧道周围土体会进行自然地移动，土体移动就会使得地面发生沉降。为了能够有效分析土体移动对地面沉降的影响，将着重论述导致地层损失的关键因素。
（一）开挖面土体的运动
开挖面土体的运动包括两种情况。在盾构掘进过程中，由于开挖面土体受到的水平支护应力小于最初侧向应力，使得开挖土体向盾构内移动，直接导致盾构上方地面发生沉降；在盾构推进过程中，由于开挖面土体受到的推动力大于最初侧向应力，使得土地向前或向上运动而导致盾构上方的土体隆起。
（二）盾构后退
为了减少盾构施工对土体的扰动，会借助千斤顶驱动盾构，使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体的开挖和运输。可是缩回所有千斤顶后，会产生较大的盾构后退现象，使得开挖面土体倒塌而导致地面沉降。
（三）挤入盾尾空隙的土体
由于盾尾后侧建筑空隙的压浆工作实施的不到位，在压浆量不足、压力不当等的影响下，使得盾尾后坑道周围土体失去了最初的平衡状态，逐渐向盾尾空隙中运动，引起土层损失。尤其盾构在粘性土质推进中，这是引起地层损失的重要因素。
（四）推进方向的影响
在盾构施工中，盾构轴线主导着盾构推进的方向。实际上，盾构在土体推进中所形成的开挖断面并不是圆形，也是椭圆。而盾构轴线是影响这个椭圆是否规范形成的关键因素。因此，它主导着盾构推进的方向。当盾构轴线偏离隧道轴线时，就会产生偏角。偏角越大，对土体的扰动程度和损害程度就越大，进而引起地层损失。因此，盾构的推进方向也会给地层带来损失。
（五）穿过障碍物后产生的空隙
在盾构推进中会遇到正面障碍物的阻碍，当盾构穿过它并使它移动后，会在地层中留有空隙。如果不能及时进行压降填充，则会引起土层移动而导致地面沉降。
（六）盾构机的影响
在盾构掘进与推进的过程中，盾构机会对地层产生摩擦和剪切，破坏地层结构与土体构成。在一定程度上引起地层损失，使得地面沉降。
（七）隧道衬砌的沉降
由于受到长期的荷载影响，使得隧道衬砌自身产生沉降，从而产生地面沉降。在隧道衬砌沉降非常严重的情况下，将会造成严重的地层损失，地面沉降也将更加明显。
二、扰动土体的固结压密
（一）超空隙水压力
扰动土体产生固结严密的主要原因，是土体受到盾构施工的扰动后，由于盾构推进的挤压，导致水压力上升，在隧道附近土层中形成超孔隙水压力区。超孔隙水压力，是指地下饱和水受到挤压时产生的水压力。当盾构停止作业离开后，由于土体表面应力的释放，超孔隙水压力逐渐消散，孔隙水得以排出。在孔隙水排除的过程中，土体逐渐固结压密，引起地层变形和地面沉降。
土体由于空隙水压力的变化而产生的地面沉降，叫做主顾结沉降；在土体受到盾构扰动后，盾壳仍然处于持续变形状态，导致地面沉降叫做次固结沉降。因为粘性土的空隙比和灵敏度较大，次固结沉降的持续状态也会较长，这是导致粘性土体沉降的主要原因。
（二）土体强度
土体强度，是指土体在破坏前能承受的最大应力。当土体受到盾构扰动后，使土层遭到破坏，其所能承受的最大应力也逐渐削弱，导致土体丧失了原始强度。随着土体强度的减弱，土层逐渐移动和变形，产生地面沉降。
（三）土体稳定性
土体稳定性，是指处于一定时空条件的土体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度，取决于土体强度和变形两种因素。当土体强度减弱时，土体中各点产生的法向应力和剪应力会导致土体发生移动和变形，使得盾构正上方土体失去稳定性，从而引起地面沉降。
三、地表沉降槽宽度系数
地表沉降槽的宽度系数，影响着地面沉降的范围与程度。它的变化主要和两个方面有关，一是盾构埋深，二是盾构半径。
（一）盾构埋深
盾构埋深，是指盾构施工中盾构作业的深度，也可形象称之为隧道深度。尽管隧道施工中有不同数值的盾构埋深，但它与沉降槽宽度系数的关系却有着一定规律。通常情况下，随着盾构埋深的增大，宽度系数逐渐增大，地表沉降槽横向影响范围也会逐渐增大，而地面沉降却会逐渐减少。因为盾构埋深越大，盾构离地表的距离就会越大，对地表土层的扰动程度就会越小，因此地面沉降也会较小。反之，盾构埋深越小，地表沉降槽宽度系数就会越小，而此时地面沉降呈现的状态是范围小而深。可见，盾构埋深与宽度系数几乎是同增长同减少关系，可与地面沉降之间却是此消彼长的关系。
（二）盾构半径
一般情况下，盾构半径和地表沉降槽宽度系数之间，也是同增加同减少的关系，但与地面沉降却不是此消彼长的关系。宽度系数随着盾构半径的增大而逐渐增大，地面沉降范围也会随之增大。
四、总结
通过本文的论述，我们了解到城市地铁隧道施工引起的地面沉降是工程性地面沉降。盾构施工法作为隧道工程的主要工艺与应用技术，对地面沉降的影响至关重要。地面沉降主要与土层损失、扰动土体的固结压密、盾构埋深与盾构半径等方面有关。值得注意的是，在粘性土质中这些因素对地面沉降的影响会更加明显。
参考文献：
[1] 朱永，杨其新. 隧道施工导致的地表移动及变形研究[J]. 地下空间与工程学报， 2006，(04) .
[2]段光杰. 地铁隧道施工扰动对地表沉降和管线变形影响的理论和方法研究[D]. 中国地质大学（北京）， 2003 .
[3]俞鑫风，王健. 地铁隧道近接施工相互影响研究现状及其思考[J]. 北京建筑工程学院学报， 2008，(03) .
[4]韩煊，罗文林,李宁. 地铁隧道施工引起沉降槽宽度的影响因素[J]. 地下空间与工程学报， 2009，(06) .
[5]阳军生，李建生,傅金阳. 隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发[J]. 地下空间与工程学报， 2011，(01) .
关键词：盾构施工；沉降；土层损失；固结压密；盾构埋深；盾构半径
中图分类号：U415.6文献标识码：A 文章编号：
Abstract: Shield tunnel as a method for urban subway tunnel construction of main technology and application technology, and ground subsidence has intersected connection. Although the method has set up a file in the tunnel construction in our country has grown rapidly, but in the construction technology, technical and construction problems still exist. And these problems factors and consequences, is the main cause of ground subsidence caused. Therefore, this article mainly focuses on analysis of shield construction by surface subsidence problem factors, and the influence of ground subsidence.
Key Words: Shield construction; Settlement; Soil loss; Consolidation pressure dense; Shield buried depth; Shield tunnel radius
自20實际60年代，盾构施工法引进我国后，随着我国现代化建设的发展，被广泛地应用到地铁隧道、公路隧道、市政管道等工程领域，并发挥了巨大的功效。虽然为这些领域内工程的实施提供了较高水平的工艺与技术水准，但是在实际施工中还是存在着问题。由于各种因素的影响，导致地层结构遭到破坏，引起地面沉降。地面沉降不仅会对地表和周围建筑物产生影响，同时也会引起一定范围内地层的不规律变化，不利于人类经济活动的发展。因此近年来，地铁隧道施工引发地面沉降的问题，已经受到相关专业人员的高度重视。
众所周知，自然和人为因素是引发地面沉降的关键。由于地表沉积层的变化或地质灾害的影响，自然会产生地面沉降。而人为因素除了包括地下水开采引发的区域性地面沉降，还包括隧道等工程引发的工程性地面沉降。在隧道盾构施工的过程中，不可避免地将对隧道工程周围的地层造成扰动，甚至造成破坏。而被扰动的土体，由于受到各种因素的影响使得地面发生沉降。同时，地表沉降槽的宽度系数也是影响地面沉降的关键因素，主要与盾构埋深和半径有关。可见，隧道盾构施工引发地面沉降的主要因素包括四个方面。一是盾构施工引起的地层损失；二是隧道施工周围扰动土层的固结压密；三是盾构埋深；四是盾构半径。
一、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。在实际施工中，不可避免地会造成土层损失。为了弥补这种损失，隧道周围土体会进行自然地移动，土体移动就会使得地面发生沉降。为了能够有效分析土体移动对地面沉降的影响，将着重论述导致地层损失的关键因素。
（一）开挖面土体的运动
开挖面土体的运动包括两种情况。在盾构掘进过程中，由于开挖面土体受到的水平支护应力小于最初侧向应力，使得开挖土体向盾构内移动，直接导致盾构上方地面发生沉降；在盾构推进过程中，由于开挖面土体受到的推动力大于最初侧向应力，使得土地向前或向上运动而导致盾构上方的土体隆起。
（二）盾构后退
为了减少盾构施工对土体的扰动，会借助千斤顶驱动盾构，使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体的开挖和运输。可是缩回所有千斤顶后，会产生较大的盾构后退现象，使得开挖面土体倒塌而导致地面沉降。
（三）挤入盾尾空隙的土体
由于盾尾后侧建筑空隙的压浆工作实施的不到位，在压浆量不足、压力不当等的影响下，使得盾尾后坑道周围土体失去了最初的平衡状态，逐渐向盾尾空隙中运动，引起土层损失。尤其盾构在粘性土质推进中，这是引起地层损失的重要因素。
（四）推进方向的影响
在盾构施工中，盾构轴线主导着盾构推进的方向。实际上，盾构在土体推进中所形成的开挖断面并不是圆形，也是椭圆。而盾构轴线是影响这个椭圆是否规范形成的关键因素。因此，它主导着盾构推进的方向。当盾构轴线偏离隧道轴线时，就会产生偏角。偏角越大，对土体的扰动程度和损害程度就越大，进而引起地层损失。因此，盾构的推进方向也会给地层带来损失。
（五）穿过障碍物后产生的空隙
在盾构推进中会遇到正面障碍物的阻碍，当盾构穿过它并使它移动后，会在地层中留有空隙。如果不能及时进行压降填充，则会引起土层移动而导致地面沉降。
（六）盾构机的影响
在盾构掘进与推进的过程中，盾构机会对地层产生摩擦和剪切，破坏地层结构与土体构成。在一定程度上引起地层损失，使得地面沉降。
（七）隧道衬砌的沉降
由于受到长期的荷载影响，使得隧道衬砌自身产生沉降，从而产生地面沉降。在隧道衬砌沉降非常严重的情况下，将会造成严重的地层损失，地面沉降也将更加明显。
二、扰动土体的固结压密
（一）超空隙水压力
扰动土体产生固结严密的主要原因，是土体受到盾构施工的扰动后，由于盾构推进的挤压，导致水压力上升，在隧道附近土层中形成超孔隙水压力区。超孔隙水压力，是指地下饱和水受到挤压时产生的水压力。当盾构停止作业离开后，由于土体表面应力的释放，超孔隙水压力逐渐消散，孔隙水得以排出。在孔隙水排除的过程中，土体逐渐固结压密，引起地层变形和地面沉降。
土体由于空隙水压力的变化而产生的地面沉降，叫做主顾结沉降；在土体受到盾构扰动后，盾壳仍然处于持续变形状态，导致地面沉降叫做次固结沉降。因为粘性土的空隙比和灵敏度较大，次固结沉降的持续状态也会较长，这是导致粘性土体沉降的主要原因。
（二）土体强度
土体强度，是指土体在破坏前能承受的最大应力。当土体受到盾构扰动后，使土层遭到破坏，其所能承受的最大应力也逐渐削弱，导致土体丧失了原始强度。随着土体强度的减弱，土层逐渐移动和变形，产生地面沉降。
（三）土体稳定性
土体稳定性，是指处于一定时空条件的土体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度，取决于土体强度和变形两种因素。当土体强度减弱时，土体中各点产生的法向应力和剪应力会导致土体发生移动和变形，使得盾构正上方土体失去稳定性，从而引起地面沉降。
三、地表沉降槽宽度系数
地表沉降槽的宽度系数，影响着地面沉降的范围与程度。它的变化主要和两个方面有关，一是盾构埋深，二是盾构半径。
（一）盾构埋深
盾构埋深，是指盾构施工中盾构作业的深度，也可形象称之为隧道深度。尽管隧道施工中有不同数值的盾构埋深，但它与沉降槽宽度系数的关系却有着一定规律。通常情况下，随着盾构埋深的增大，宽度系数逐渐增大，地表沉降槽横向影响范围也会逐渐增大，而地面沉降却会逐渐减少。因为盾构埋深越大，盾构离地表的距离就会越大，对地表土层的扰动程度就会越小，因此地面沉降也会较小。反之，盾构埋深越小，地表沉降槽宽度系数就会越小，而此时地面沉降呈现的状态是范围小而深。可见，盾构埋深与宽度系数几乎是同增长同减少关系，可与地面沉降之间却是此消彼长的关系。
（二）盾构半径
一般情况下，盾构半径和地表沉降槽宽度系数之间，也是同增加同减少的关系，但与地面沉降却不是此消彼长的关系。宽度系数随着盾构半径的增大而逐渐增大，地面沉降范围也会随之增大。
四、总结
通过本文的论述，我们了解到城市地铁隧道施工引起的地面沉降是工程性地面沉降。盾构施工法作为隧道工程的主要工艺与应用技术，对地面沉降的影响至关重要。地面沉降主要与土层损失、扰动土体的固结压密、盾构埋深与盾构半径等方面有关。值得注意的是，在粘性土质中这些因素对地面沉降的影响会更加明显。
参考文献：
[1] 朱永，杨其新. 隧道施工导致的地表移动及变形研究[J]. 地下空间与工程学报， 2006，(04) .
[2]段光杰. 地铁隧道施工扰动对地表沉降和管线变形影响的理论和方法研究[D]. 中国地质大学（北京）， 2003 .
[3]俞鑫风，王健. 地铁隧道近接施工相互影响研究现状及其思考[J]. 北京建筑工程学院学报， 2008，(03) .
[4]韩煊，罗文林,李宁. 地铁隧道施工引起沉降槽宽度的影响因素[J]. 地下空间与工程学报， 2009，(06) .
[5]阳军生，李建生,傅金阳. 隧道施工对邻近结构物影响评价软件的开发[J]. 地下空间与工程学报， 2011，(01) .