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【摘 要】在地铁隧道盾构法施工时，由于受到既有建筑物、重要管线以及地铁线路本身的限制，会发生一定的沉降。表沉降值是衡量开挖方式是否合适的关键，因此监测和预测地表沉降有重要的实际意义。基于此，文章对地铁隧道盾構法施工引起地表沉降进行分析，以期能够促进我国地铁事业的发展。
【关键词】地铁隧道；盾构法；地表沉降
1.工程概况
1.1工程背景：该地铁区间采用盾构法施工，线路自南向北，全长3147.82m，采用一台直径Ф10.0m土压平衡式盾构机的单洞双线隧道形式。选用曲率半径R=350m和R=354m曲线施工段为监测对象，详细平面情况如图1所示。
图1区间平面
1.2工程地质条件：区间沿隧道纵向地层变化较均匀，地层自上而下为①粉土填土、①1杂填土、③粉土、③1粉质黏土、③2黏土、③3粉细砂、④粉质黏土、④2粉土、④3粉细砂、④4中粗砂、⑥粉质黏土、⑥1黏土、⑥2粉土、⑥3粉细砂、⑦1中粗砂、⑦2粉细砂、⑦4粉质黏土、⑨圆砾卵石、⑨1中粗砂、⑩粉质黏土、⑩2粉土。
2.地表沉陷预测模型
2.1基本原理：岩体作为开挖沉陷的研究主体可以用两种完全不同的介质模型来模拟，一种是连续介质模型；另一种是非连续介质模型。由于岩体中有一系列原生的和开挖引起的裂隙面和其他非连续面，开挖沉陷问题属于非连续介质模型，开挖引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。概率积分法应用时应注意几种假设：岩体是各项同性、均质的、不连续介质，即地表移动与方向无关，也称为等影响原理；岩层水平成层，承认线性叠加原理；盆地内岩体体积不随深度变化，只产生形变。我国通用的概率积分法主要适用于水平和倾斜地层半无限开采条件下的地表移动变形计算。所以应用概率积分法来研究开挖沉陷引起的地表移动变形问题是适当的。
2.2地表沉陷预测模型：由概率积分法理论可知，动态地表移动的主断面形式为盆地型，如图2所示。
图2地表动态沉降主断面形式
据此得到盆地主断面移动变形计算式：
式（1）中，β为主要影响角；H为开挖深度，m；C一般的计算公式为C=1-；r为主要影响半径，一般取H/tanβ，m；d为拐点偏移距，m；Cd为动态下沉盆地系数，r/（r+d）；m为开挖直径，m；η为下沉系数；v为开挖速度，m/a；c时间参数，一般条件下1.0≤c≤3.0；x为观测点距原点的距离，mm；t为下沉变形时间，（0≤t≤+∞），a；ω（x，t）表示地表下沉值。对式（1）进行积分变换得：
利用概率积分法预计地表下沉值时，要根据实测资料，在详细分析施工区条件、广泛参考相近地质开挖条件下的观测数据的基础上，进行综合分析并依据规程按照开采覆岩的性质来确定充分采动下沉系数、主要影响角正切值、拐点偏移距等经验参数。
2.3地表沉陷预测参数选取：开挖沉陷预测结果的精度主要取决于预计模型与实际地表移动变形规律的一致程度，而对于概率积分法预计模型预计精度则主要取决于参数的可靠性。概率积分法中所涉及的主要预计参数有5个，即下沉系数η、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距d、动态下沉盆地系数Cd、影响传播角β。参数的影响因素复杂，如何选取参数是实践中的难题。概率积分法预计参数一般是利用地表移动观测站数据通过最小二乘法曲线拟合确定，最小二乘法对于实际情况的复杂性导致的观测站数据中包含异值或粗差的影响非常敏感，可能会使拟合参数估值产生偏差，导致预计结果失真。抗差估计求参技术可以较好地克服模型偏差和异值点造成的失真性。
3.盾构隧道施工监测内容
在盾构法隧道施工期间，首先应根据隧道主体的埋置深度、工程地质条件等选择变形监测的内容。盾构法隧道施工监测主要对象及其项目见表1。
表1 监测项目表
1.1沉降监测观测点布设：对建（构）筑物进行沉降监测，首先必须在施工场地影响范围外，选取稳定可用的沉降基准点，建立水准控制网及固定观测路线，获得准确可靠的监测起算数据。具体要求：1）地表沉降监测点：利用钻孔机械在地面钻孔至规定深度，并在孔中埋设预制钢筋，通过填充细沙等材料进行夯实，防止设置好的监测点位移动变形。2）建筑物沉降监测的标志应选用专业机械进行加工，立尺部位需有较明显的突出点，也可加工成半球形以便立尺，最后涂刷防腐材料进行防腐处理。3）地下管线监测点布设：地下管线如设置有检查井，则可直接把监测点布设在井下管线上或管线承载体上；由于地质等其他外界条件的影响，没有设置检查井且无法开挖的管线，应在地表埋设间接的沉降观测点。4）仪器使用经国家批准的计量 检定部门检定并取得合格证书的仪器。
3.2隧道管片隆沉监测：采用盾构法进行隧道施工时，盾构机影响范围为始发端前及到达端后的30～40m内，按照每隔20m布设变形监测的断面；其他影响区域则是每隔50m设置。通过在每个监测断面布设管片隆起沉降监测点，可获得管片隆沉的数据。
3.3裂缝监测：建（构）筑物上出现裂缝是一种较常见的安全隐患，各种裂缝由于形成的原因不同，产生的危害也不一致。多数裂缝发展初期主要是对建（构）筑物的整体性有一定影响，随着施工的加载，裂缝也将不断加大，此时的裂缝能引起建（构）筑物的结构性破坏。因此，为保证建（构）筑物施工期间及投入运营后的安全，应对裂缝的现状及发展状况进行实时监测。
3.4隧道管片水平收敛监测：在盾构隧道施工监测时，应每隔10m设置一个监测断面，对隧道管片的水平收敛情况进行监测。一般情况下，每个断面布置3个收敛观测点，且在监测主断面处需增设2个。
4.地表沉降变形规律
盾构曲线施工沉降变形的5个阶段为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
第Ⅰ阶段：前期沉降。盾构刀盘到达前，前方土体的沉降（隆起）变形，阶段隆沉变形D∈[1.0，-3.1]mm。随着刀盘切削前方土体，开挖面原地层应力逐步释放。当密封舱压力小于开挖面水、土压力时，地基产生沉降变形；当密封舱压力大于开挖面水压力时，地基将产生隆起变形。第Ⅱ阶段：盾尾脱出后沉降。盾尾脱出后，监测断面沉降曲线表现为非正态分布形式。最大沉降产生于曲线内侧、距盾构中线8.0～13.0m，且表现为瞬时沉降，阶段沉降量大，单日最大沉降量可达-19.9mm，占最终沉降值的70%～85%。第Ⅲ阶段：注浆隆起。盾构掘进的同时，需要及时进行同步注浆，充填管片脱离盾尾后产生的空隙及局部空洞。受同步注浆施工影响，周边土体产生较大的隆起变形，最大隆起位于曲线内侧，距盾构中线8.0m，单日最大的隆起变形可达+10.1mm，甚至使地表产生隆起变形。第Ⅳ阶段：稳定沉降。隆起变形达峰值后，沉降变形曲线逐步回落，部分曲线可回落至注浆施工前的沉降水平。注浆施工结束后7～9d，地表沉降逐渐趋于稳定。注浆施工产生超孔隙水压力，随同步注浆压力逐渐减小至停止注浆，超孔隙水压力逐步消散，周边土体在自重作用下产生固结沉降。第Ⅴ阶段：后期沉降。隆沉变形趋于稳定后，周边土体将以蠕变变形与固结变形为主产生沉降。可占最终沉降值的10%～15%。
5.控制地表沉降的有效对策
对地表沉降进行控制的对策包括以下四点：其一，针对土仓压力的科学设定。在掘进地铁隧道的过程中，针对土仓压力的设定作为重要的参数之一，所设定的土仓压力值过小则会造成地表沉降量的加大；土仓压力值过大则会造成地面出现隆起问题。其二，针对地层实际情况以及沿线建筑物的调查。假设在实际的施工过程中能够实现控制地面沉降的最终目的，最基本的条件是在掘进地铁盾构隧道前，对地铁隧道施工影响范围内沿线建筑物以及地层的实际情况进行调查分析。其三，合理设定盾尾同步的注浆参数。在掘进盾构的过程中，需要利用适度的浆量与注浆压力、科学配比的注浆材料等，在脱出盾尾衬砌背部的环形建筑空隙中进行注浆处理。这也是控制和减少施工地表沉降的核心对策之一。其四，在掘进地铁隧道的过程中，对测量阶段继续科学的管理。所测量到的数据资料能够直接反映地表沉降的具体发展过程。
结束语：在进行地铁盾构法施工的过程中，由于受到客观环境或者是主管技术等的影响，会造成地表的沉降，对周围环境产生不利的影响，所以，要加强施工的监测，从而提高施工的安全性。
参考文献：
[1]郭建，李集，施烨辉，程荷兰.地铁隧道盾构法施工安全风险评估研究综述[J].浙江建筑，2014，07：53-57.
[2]王志良，申林方，魏纲.盾构隧道施工引起周围土体超孔隙水压力的分析[J].现代隧道技术，2014，04：67-72+80.
[3]郝鲜玲.盾构工程施工对坝体沉降影响的研究[D].北方工业大学，2014.
【关键词】地铁隧道；盾构法；地表沉降
1.工程概况
1.1工程背景：该地铁区间采用盾构法施工，线路自南向北，全长3147.82m，采用一台直径Ф10.0m土压平衡式盾构机的单洞双线隧道形式。选用曲率半径R=350m和R=354m曲线施工段为监测对象，详细平面情况如图1所示。
图1区间平面
1.2工程地质条件：区间沿隧道纵向地层变化较均匀，地层自上而下为①粉土填土、①1杂填土、③粉土、③1粉质黏土、③2黏土、③3粉细砂、④粉质黏土、④2粉土、④3粉细砂、④4中粗砂、⑥粉质黏土、⑥1黏土、⑥2粉土、⑥3粉细砂、⑦1中粗砂、⑦2粉细砂、⑦4粉质黏土、⑨圆砾卵石、⑨1中粗砂、⑩粉质黏土、⑩2粉土。
2.地表沉陷预测模型
2.1基本原理：岩体作为开挖沉陷的研究主体可以用两种完全不同的介质模型来模拟，一种是连续介质模型；另一种是非连续介质模型。由于岩体中有一系列原生的和开挖引起的裂隙面和其他非连续面，开挖沉陷问题属于非连续介质模型，开挖引起的岩层和地表移动的规律与作为随机介质的颗粒体介质模型所描述的规律在宏观上相似。概率积分法应用时应注意几种假设：岩体是各项同性、均质的、不连续介质，即地表移动与方向无关，也称为等影响原理；岩层水平成层，承认线性叠加原理；盆地内岩体体积不随深度变化，只产生形变。我国通用的概率积分法主要适用于水平和倾斜地层半无限开采条件下的地表移动变形计算。所以应用概率积分法来研究开挖沉陷引起的地表移动变形问题是适当的。
2.2地表沉陷预测模型：由概率积分法理论可知，动态地表移动的主断面形式为盆地型，如图2所示。
图2地表动态沉降主断面形式
据此得到盆地主断面移动变形计算式：
式（1）中，β为主要影响角；H为开挖深度，m；C一般的计算公式为C=1-；r为主要影响半径，一般取H/tanβ，m；d为拐点偏移距，m；Cd为动态下沉盆地系数，r/（r+d）；m为开挖直径，m；η为下沉系数；v为开挖速度，m/a；c时间参数，一般条件下1.0≤c≤3.0；x为观测点距原点的距离，mm；t为下沉变形时间，（0≤t≤+∞），a；ω（x，t）表示地表下沉值。对式（1）进行积分变换得：
利用概率积分法预计地表下沉值时，要根据实测资料，在详细分析施工区条件、广泛参考相近地质开挖条件下的观测数据的基础上，进行综合分析并依据规程按照开采覆岩的性质来确定充分采动下沉系数、主要影响角正切值、拐点偏移距等经验参数。
2.3地表沉陷预测参数选取：开挖沉陷预测结果的精度主要取决于预计模型与实际地表移动变形规律的一致程度，而对于概率积分法预计模型预计精度则主要取决于参数的可靠性。概率积分法中所涉及的主要预计参数有5个，即下沉系数η、主要影响角正切tanβ、拐点偏移距d、动态下沉盆地系数Cd、影响传播角β。参数的影响因素复杂，如何选取参数是实践中的难题。概率积分法预计参数一般是利用地表移动观测站数据通过最小二乘法曲线拟合确定，最小二乘法对于实际情况的复杂性导致的观测站数据中包含异值或粗差的影响非常敏感，可能会使拟合参数估值产生偏差，导致预计结果失真。抗差估计求参技术可以较好地克服模型偏差和异值点造成的失真性。
3.盾构隧道施工监测内容
在盾构法隧道施工期间，首先应根据隧道主体的埋置深度、工程地质条件等选择变形监测的内容。盾构法隧道施工监测主要对象及其项目见表1。
表1 监测项目表
1.1沉降监测观测点布设：对建（构）筑物进行沉降监测，首先必须在施工场地影响范围外，选取稳定可用的沉降基准点，建立水准控制网及固定观测路线，获得准确可靠的监测起算数据。具体要求：1）地表沉降监测点：利用钻孔机械在地面钻孔至规定深度，并在孔中埋设预制钢筋，通过填充细沙等材料进行夯实，防止设置好的监测点位移动变形。2）建筑物沉降监测的标志应选用专业机械进行加工，立尺部位需有较明显的突出点，也可加工成半球形以便立尺，最后涂刷防腐材料进行防腐处理。3）地下管线监测点布设：地下管线如设置有检查井，则可直接把监测点布设在井下管线上或管线承载体上；由于地质等其他外界条件的影响，没有设置检查井且无法开挖的管线，应在地表埋设间接的沉降观测点。4）仪器使用经国家批准的计量 检定部门检定并取得合格证书的仪器。
3.2隧道管片隆沉监测：采用盾构法进行隧道施工时，盾构机影响范围为始发端前及到达端后的30～40m内，按照每隔20m布设变形监测的断面；其他影响区域则是每隔50m设置。通过在每个监测断面布设管片隆起沉降监测点，可获得管片隆沉的数据。
3.3裂缝监测：建（构）筑物上出现裂缝是一种较常见的安全隐患，各种裂缝由于形成的原因不同，产生的危害也不一致。多数裂缝发展初期主要是对建（构）筑物的整体性有一定影响，随着施工的加载，裂缝也将不断加大，此时的裂缝能引起建（构）筑物的结构性破坏。因此，为保证建（构）筑物施工期间及投入运营后的安全，应对裂缝的现状及发展状况进行实时监测。
3.4隧道管片水平收敛监测：在盾构隧道施工监测时，应每隔10m设置一个监测断面，对隧道管片的水平收敛情况进行监测。一般情况下，每个断面布置3个收敛观测点，且在监测主断面处需增设2个。
4.地表沉降变形规律
盾构曲线施工沉降变形的5个阶段为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ。
第Ⅰ阶段：前期沉降。盾构刀盘到达前，前方土体的沉降（隆起）变形，阶段隆沉变形D∈[1.0，-3.1]mm。随着刀盘切削前方土体，开挖面原地层应力逐步释放。当密封舱压力小于开挖面水、土压力时，地基产生沉降变形；当密封舱压力大于开挖面水压力时，地基将产生隆起变形。第Ⅱ阶段：盾尾脱出后沉降。盾尾脱出后，监测断面沉降曲线表现为非正态分布形式。最大沉降产生于曲线内侧、距盾构中线8.0～13.0m，且表现为瞬时沉降，阶段沉降量大，单日最大沉降量可达-19.9mm，占最终沉降值的70%～85%。第Ⅲ阶段：注浆隆起。盾构掘进的同时，需要及时进行同步注浆，充填管片脱离盾尾后产生的空隙及局部空洞。受同步注浆施工影响，周边土体产生较大的隆起变形，最大隆起位于曲线内侧，距盾构中线8.0m，单日最大的隆起变形可达+10.1mm，甚至使地表产生隆起变形。第Ⅳ阶段：稳定沉降。隆起变形达峰值后，沉降变形曲线逐步回落，部分曲线可回落至注浆施工前的沉降水平。注浆施工结束后7～9d，地表沉降逐渐趋于稳定。注浆施工产生超孔隙水压力，随同步注浆压力逐渐减小至停止注浆，超孔隙水压力逐步消散，周边土体在自重作用下产生固结沉降。第Ⅴ阶段：后期沉降。隆沉变形趋于稳定后，周边土体将以蠕变变形与固结变形为主产生沉降。可占最终沉降值的10%～15%。
5.控制地表沉降的有效对策
对地表沉降进行控制的对策包括以下四点：其一，针对土仓压力的科学设定。在掘进地铁隧道的过程中，针对土仓压力的设定作为重要的参数之一，所设定的土仓压力值过小则会造成地表沉降量的加大；土仓压力值过大则会造成地面出现隆起问题。其二，针对地层实际情况以及沿线建筑物的调查。假设在实际的施工过程中能够实现控制地面沉降的最终目的，最基本的条件是在掘进地铁盾构隧道前，对地铁隧道施工影响范围内沿线建筑物以及地层的实际情况进行调查分析。其三，合理设定盾尾同步的注浆参数。在掘进盾构的过程中，需要利用适度的浆量与注浆压力、科学配比的注浆材料等，在脱出盾尾衬砌背部的环形建筑空隙中进行注浆处理。这也是控制和减少施工地表沉降的核心对策之一。其四，在掘进地铁隧道的过程中，对测量阶段继续科学的管理。所测量到的数据资料能够直接反映地表沉降的具体发展过程。
结束语：在进行地铁盾构法施工的过程中，由于受到客观环境或者是主管技术等的影响，会造成地表的沉降，对周围环境产生不利的影响，所以，要加强施工的监测，从而提高施工的安全性。
参考文献：
[1]郭建，李集，施烨辉，程荷兰.地铁隧道盾构法施工安全风险评估研究综述[J].浙江建筑，2014，07：53-57.
[2]王志良，申林方，魏纲.盾构隧道施工引起周围土体超孔隙水压力的分析[J].现代隧道技术，2014，04：67-72+80.
[3]郝鲜玲.盾构工程施工对坝体沉降影响的研究[D].北方工业大学，2014.