地鐵隧道盾構(gòu)法施工中的地面沉降問題探究范文
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摘要：當(dāng)前盾構(gòu)法施工已經(jīng)開始逐漸的應(yīng)用在我國的地鐵隧道施工中，通過盾構(gòu)法的使用，能夠有效的提升工程的質(zhì)量和進(jìn)度。同時我國也在盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用中取得了一定的成功。但是不可否認(rèn)的是，在具體的應(yīng)用中還存在很多的問題沒有得到有效的解決，比如盾構(gòu)法地鐵隧道施工過程中引起的地面沉降問題。我們需要找到盾構(gòu)法引起地面沉降的原因，并針對具體的原因采取針對性的措施。文章主要對地鐵隧道盾構(gòu)法中地面沉降的機(jī)理、原因以及具體的觀測方式等進(jìn)行分析，以期能夠為沉降問題的解決提供一些參考。
關(guān)鍵詞：地鐵隧道；盾構(gòu)法；地面沉降
地鐵交通當(dāng)前已經(jīng)成為了各大城市中非常重要的交通工具，隨著地鐵交通的發(fā)展，地鐵工程也在不斷的增加，在地鐵隧道施工中盾構(gòu)技術(shù)的先進(jìn)性和安全性使得其應(yīng)用的范圍越來越廣泛。地鐵的修建一般都是在城市的中心，地下的管線以及地面的建筑都比較多，在隧道的開挖中勢必會影響到地層穩(wěn)定，造成地表的沉降。盾構(gòu)施工中引起的地面沉降情況會更加嚴(yán)重，甚至直接威脅到地面上的建筑結(jié)構(gòu)安全。為了解決地鐵隧道盾構(gòu)法造成的地面沉降問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，并建立了沉降計算模型，以期能夠更好的解決地鐵隧道盾構(gòu)法造成的地面沉降問題。
1盾構(gòu)法引起的地面沉降原理
地鐵隧道施工中必然會引起隧道周邊土層的擾動，進(jìn)而引發(fā)地面沉降問題。軟土地隧道開挖的過程中，受到地層損失以及隧道周圍環(huán)境的干擾等因素都可能會引起地面沉降。
1.1隧道開挖使得地層損失
地層損失主要是由于盾構(gòu)施工中開挖體積與隧道的實際體積間存在體積差，隧道竣工體積包括隧道外圍包裹的壓入漿體積。如果在彌補(bǔ)地層中出現(xiàn)了地層的移動，將引起地面的沉降，而地層損失的主要因素為：①開挖面的土體出現(xiàn)移動的現(xiàn)象。在盾構(gòu)挖掘的過程中，開挖面土體的水平支護(hù)應(yīng)力如果小于原始側(cè)向應(yīng)力，那么將會引起開挖面土體的移動，從而造成地層損失，進(jìn)而引起正面土體的向上、向前移動，從而造成地層損失的土體隆起；②盾構(gòu)后退。在盾構(gòu)技術(shù)的推進(jìn)中，如果出現(xiàn)暫停，那么有可能會因為千斤頂漏油或回縮造成盾構(gòu)后退，進(jìn)而導(dǎo)致開挖面土體松動，形成地層損失；③土體被擠入盾尾的空隙中。如果在隧道外周空隙的壓漿過程，壓漿量不足，壓力不適或者壓漿的時間不及時，都可能會使盾尾坑道的土體失去平衡，進(jìn)而出現(xiàn)土體移動形成地層損失。尤其是在含水不穩(wěn)定的地層中，更容易引發(fā)地層損失現(xiàn)象；④推進(jìn)方向的改變。盾構(gòu)的過程中有些地點需要進(jìn)行曲線、抬頭以及糾偏推進(jìn)，這樣開挖斷面就是橢圓形，因此造成地層損失。盾構(gòu)軸線與隧道軸線的角度偏差越大，其引起的地層損失也會更大；⑤盾構(gòu)的推進(jìn)會使其正面的障礙物不斷的移動，進(jìn)而產(chǎn)生空隙，但是在推進(jìn)的過程中無法進(jìn)行有效的填充，從而引起地層損失；⑥同時隧道在土壓下以及盾構(gòu)管片拼裝的過程中也可能會因為變形而造成地層損失。
1.2土體受擾動后固結(jié)性降低
隧道盾構(gòu)施工的過程中，會使得周圍的土體受到擾動，進(jìn)而在隧道的周圍造成超孔隙水壓力。盾構(gòu)推進(jìn)后，土體的表面應(yīng)力得到了有效的釋放，從而使得隧道周圍的孔隙水壓力逐漸的降低，使得孔隙的水被擠壓出來，進(jìn)而造成地面沉降。同時，在盾構(gòu)施工的過程中，由于擠壓以及壓漿等作用使得地層周圍形成正值超空隙水壓力區(qū)，在施工后的一段時間又會自動復(fù)原，進(jìn)而使得地層排水出現(xiàn)固結(jié)變形，造成地面沉降。這種沉降也被稱為主固結(jié)沉降。在隧道周圍的土體受到擾動后，土體的骨架還會保持一段時間的壓縮變形，在這個過程中地面出現(xiàn)次固結(jié)沉降。
2地鐵隧道盾構(gòu)施工引起地面沉降主要影響因素分析
隧道工程盾構(gòu)法施工造成的地面沉降影響分析所應(yīng)用的方式一般都是應(yīng)用美國科學(xué)家P.B.Peck所推出的估算方法。為了能夠分析地面沉降因素的具體影響，需要采用數(shù)學(xué)模擬以及數(shù)值計算的方法，分析出盾構(gòu)施工中主要的影響因素地層損失率、盾構(gòu)半徑、盾構(gòu)埋深以及盾構(gòu)穿越土層性質(zhì)等引起的地面沉降效應(yīng)。
2.1盾構(gòu)深埋因素分析
盾構(gòu)埋深是引起地面沉降比較顯著的因素。在軟土隧道開挖的過程中，埋深的深度一般為6～22m，對盾構(gòu)施工中的沉降槽進(jìn)行計算，通過計算得到相關(guān)系數(shù)為0.976。數(shù)值計算中經(jīng)常采用的參數(shù)一般選擇的盾構(gòu)半徑為3.2m，地層損失率為2%，而穿越的土層為黏土層（淤泥質(zhì)）。同時通過計算后發(fā)現(xiàn)，寬度系數(shù)會隨著盾構(gòu)埋深的深度而增加，這也導(dǎo)致地面沉降影響的范圍不斷的擴(kuò)大。
2.2地層損失率通過對地層損失的分析
可知，地層損失率對地面沉降也有很明顯的影響。同時有專家認(rèn)為，如果地層損失率比較大，那么其在施工計算中將不再適用于P.B.Peck理論和公式。所以通過結(jié)合工程的實際，可以設(shè)定地層損失率分別為：1%、2%、3%、4%以及5%。設(shè)盾構(gòu)埋深為10m，穿越土層不變，盾構(gòu)半徑也為3.2m。經(jīng)過計算分析得出，地層損失率影響著寬度系數(shù)，寬度系數(shù)會隨著地層損失率的增加也減小。隨著地層損失率的增加，沉降量也越來越快。
2.3盾構(gòu)穿越土層性質(zhì)
在軟土層的隧道開挖中，主要的土層性質(zhì)有砂土層、砂質(zhì)粉土以及淤泥質(zhì)粘性土，在不同的土層穿越中對地面沉降也有不同的影響。在保持其他工藝條件都不變的情況下，穿越砂土層相對于黏土層來說，其沉降槽寬度的系數(shù)也更小，因此沉降量也是最大的。設(shè)地層損失率為2%，盾構(gòu)埋深為10m，盾構(gòu)半徑為3.2m，計算分析穿越不同土層的寬度系數(shù)與沉降量的關(guān)系。通過計算分析后可知，在穿越不同土質(zhì)時地面沉降效應(yīng)也不同，穿越黏土?xí)r的沉降槽寬系數(shù)最大，對地面沉降影響的范圍也最大，穿越砂質(zhì)粉土層，寬度系數(shù)比黏土層小，沉降量顯著，在穿越砂土地面時沉降量最大。
2.4盾構(gòu)半徑
盾構(gòu)半徑在不同的地鐵隧道中也存在差異，比較常見的盾構(gòu)半徑有單圓土壓平衡盾構(gòu)、穿越江海盾構(gòu)以及雙圓土壓平衡盾構(gòu)等。其中單圓和雙圓土壓平衡盾構(gòu)直徑一般都在6～6.5m左右，但如果是越江或者越海的工程，其對泥水平衡盾構(gòu)的半徑要求更大，一般在7～15m。設(shè)單圓盾構(gòu)半徑為3.17m，雙圓盾構(gòu)半徑為4.5m，穿江盾構(gòu)半徑為7.5m；地層損失率為2%，盾構(gòu)埋深為10m，穿越土層為淤泥質(zhì)黏土層。通過計算分析發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)半徑對寬度系數(shù)具有較為明顯的影響，橫向沉降槽的寬度系數(shù)隨著盾構(gòu)半徑的增大而變大，地面沉降范圍也不斷的增大。
3地面沉降觀測方法
3.1觀測儀器以及觀測要求
在地面沉降觀測中，主要使用的儀器有精密水準(zhǔn)儀、鋼卷尺以及銦鋼水準(zhǔn)尺。線路沿線以及建筑物的地表沉降的數(shù)值與國家規(guī)定的誤差要控制在2mm左右，相鄰點高度誤差控制在1mm左右。
3.2沉降觀測點的布設(shè)
一般情況下，沿隧道中線上方的地面布設(shè)點距離需要控制在5m，并隔四個布設(shè)點設(shè)置一個檢測橫斷面，每個斷面上要設(shè)置5個觀測點。在隧道的中線上設(shè)置一個點，然后在其左右隔5m設(shè)置一個點。在軟土層或者埋深較淺的區(qū)域需要根據(jù)隧道的埋深深度以及圍巖地質(zhì)的條件對監(jiān)測點和斷面進(jìn)行加密。如果隧道上方的路面為混凝土，在沉降觀測點的布設(shè)中主要采用兩種方式。①混凝土路面觀測點布置，在路面部分沿著中線每隔20m布設(shè)一個觀測斷面，觀測點要布設(shè)在路面上，從而測量路面的沉降量；②路面以下土層觀測點布設(shè)，為了能夠有效的防止路面硬殼層的沉降測量誤差，造成路面虛空，需要通過混凝土路面在地層中打短鋼筋的方式來布設(shè)觀測點，從而實現(xiàn)對地層沉降的監(jiān)測。
3.3沉降觀測頻率
為了能夠更好的控制地面沉降，需要合理安排盾構(gòu)過程中沉降觀測的頻率，一般需要在盾構(gòu)機(jī)頭前10m的位置或者后20m的范圍每天的早、晚觀察各觀測一次，同時根據(jù)施工的進(jìn)度不斷的增加觀測的次數(shù)。在這個范圍內(nèi)的監(jiān)測點則需要每周進(jìn)行觀察一次，直到保證周圍的土層穩(wěn)定為止。如果沉降或者隆起超過規(guī)定的限差，或者出現(xiàn)異常的變動情況，則需要加大觀測的范圍和頻率。
4結(jié)束語
綜上所述，隨著地鐵交通的建設(shè)，盾構(gòu)施工法逐漸在隧道的開挖中得到廣泛的應(yīng)用，提升了地鐵隧道開挖的效率和質(zhì)量。但是在盾構(gòu)施工的過程中，不可避免的會出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象，不僅影響地面的美觀，更可能會造成嚴(yán)重的安全事故。因此我們需要加強(qiáng)對盾構(gòu)施工中引起的地面沉降的機(jī)理以及原因的研究，同時保證地面沉降的觀測，進(jìn)而及時、有效的預(yù)防地面沉降現(xiàn)象的出現(xiàn)，降低地面沉降帶來的危害。
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作者：賈文愷 單位：中交隧道工程局有限公司