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摘要：近年来，随着我国经济的发展，不少城市快速成长。城市地下空间的开发与利用已受到广泛重视，地下工程的兴建也已然成为一种趋势。修建地铁成为解决城市交通拥挤问题的重要途径。而在地铁工程的施工中，地表沉陷事故发生的概率很高，随之可能引发严重的安全及社会问题。因此，无论从工程进度、费用控制还是从工程质量安全来考虑，都要对地表沉陷控制有足够的重视，要从各个方面着手，来控制沉陷的发生。
关键词：地铁；地表沉陷；控制；新奥法；盾构法
Abstract: in recent years, with the development of our national economy, many urban rapid growth. Urban underground space development and utilization of the already has been paid attention to, the construction of the underground project also has become a trend. Built to solve the urban traffic congestion in the important way. And in the subway engineering construction, the surface subsidence accident the probability of occurrence in a very high, then could cause serious security and social issues. Therefore, whether from the project schedule, cost control or from the quality and safety of project to consider, all of the surface subsidence control enough attention, from all aspects, to control the occurrence of subsidence.
Key words: the subway; The surface subsidence; Control; The new Austrian law; Shield law
中圖分类号：TU71文献标识码：A 文章编号：
在发达国家，地下空间早已是城市的重要资源，在我国以地铁等为代表的城市地下工程的兴建也已成为一种趋势。就地铁来说，1965年我国开始修建地下铁路，至今已有北京、上海、天津、广州、南京、深圳等各大城市建成地铁，武汉等其他城市也即将或已在修建地铁，中国的地铁建设已步入惊人的发展阶段。地铁的隧道穿梭来往于各种建筑物之下，在隧道施工中，可能会引起地表沉陷，这势必对建筑物和地下管网产生不利影响, 严重时甚至将危及公众的安全。例如，深圳地铁一号线的建设过程中，在施工的工期内，地面沉陷事故竟占到了总事故的25%。因此，掌握地下铁路隧道施工所引起地表沉陷的原因、规律及其控制方法, 是地铁建设者必须要关注的重要问题。
1、地铁施工中地表沉陷的原因分析
1.1 地表沉陷发生的机理分析
在自然状态下，地铁工程以上，地面的岩层或土层一般是处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工当中，会通过人力、机械或爆破等等方式对土石方进行开挖。移除土石方、排出土石层孔隙里的水，都必然会影响到土石地层的应力状态，使土石层处于非平衡状态。这种非平衡状态可能在短时间内就能显现出来，也可能经过较长的时间之后，产生效应变化，导致坍塌、变形、损毁等现象，进而致使地面沉陷。
1.2地表沉陷发生的原因分析
1.2.1 土层沉陷的原因分析
（1）整体而言，天然土体是由矿物质颗粒构成骨架体，气体填充骨架体和孔隙水组成的三相体系。饱和土体由水和土颗粒组成，胶结物存在于土颗粒之间，有的没有粘结。它们都能够传递荷载，从而形成土骨架。作用在土体上的外载荷，一部分是孔隙水压力，另一部分是由土骨架承担的有效应力。土体变形是颗粒重新排列、孔隙流气体体积减小、骨架体错动和颗粒间距缩短的结果。因粘性土有一定厚度，水总是先于土层透水面排出，孔隙压力就降低后向传向土层内部。孔压力的降低，一是由于土的渗透性，二是由于在土中的位置。土体受到外力后，孔隙和土粒中的流体都会发生位移。若建筑物将压力传递给地基，或土层下部失去支承，应力变形就会发生，从而引起地表下沉。
（2）选择施工方案：要预防沉陷发生，必须进行可靠的、正确的支护。如果支护方法不对或者失效，土层就难以处于稳定的状态，失去稳定性后进而发生地层沉陷。
1.2.2岩石层沉陷的原因分析
（1）岩石层的地质特点直接影响了岩石层的沉陷：在长期地质演变中，岩石产生裂隙、断层、褶皱等构造。褶皱的岩层核部发生裂隙，岩层背斜顶部易塌落，向斜核部为储水丰富地段，建设地铁隧道引发岩层的涌水、漏水及塌落。地铁隧道跟褶皱走向一致，就易发生岩层顺势滑动。岩石沿着断裂面发生的位移叫断层，一般有几米至几十米。修建地铁时，若隧道通过断裂带，容易引发坍塌，地上建筑物会发生不均匀沉陷。
（2）选择施工方案：正确选择支护、防排水等施工方式以及有效的方案都能影响到控制岩层沉陷的效果。若方案失效，可能会发生地表沉陷。
2、地表沉陷的控制方法
2.1 沉陷控制的机理
在施工过程中，会造成地层原始应力状态变化、地层损失、土体蠕和变土体固结，同时还伴有支护结构变形等。因此，控制地层沉陷的出发点是保持并加强原本地层的稳定，保持平衡的应力状态。
2.2 沉陷控制的技术
资料显示，地表沉陷的厉害程度主要是由地层地下水条件、隧道埋深和直径以及施工方法决定，而施工方法的作用最明显。在地质条件与设计相同的情况下，施工方法不同，引发地表沉陷的差异会很大。所以，建设者必须对比分析隧道的施工方法。
地铁施工主要有3种方法：明挖法、新奥法和盾构法。由于明挖法干扰地面交通严重，敞开作业污染周围环境，现在很少用到。新奥法与盾构法对环境影响小，是主要的施工方法。下面根据地表沉陷的发生和控制概述这两种施工方法。
2.2.1 新奥法
新奥法是在施工中，充分发挥围岩的自承能力。洞室开挖后，发挥围岩自稳能力、及时进行初期支护，使它与密贴围岩，提高自承能力，缩小围岩松动，将围岩与支护共同受力、联合作用。新奥法的主要施工方法有：①台阶开挖法；②侧壁导坑环型开挖法；③全断面开挖法。采用此法施工，初期支护、开挖方法和永久支护时间即强度决定地表沉陷程度，防止地面下沉的方法如下：①改进施工方法：缩短开挖进尺；采用环型开挖法。②稳定掌子面：对于土砂围岩，要选用辅助施工方法。
超前支护开挖面是于开挖面前方的围岩里插入钢管、钢板和钢筋作为辅助的支护构件，用来防护开挖面和拱部以及阻止围岩松弛。应尽可能缩小插入的角度，来减小超挖量。应尽早向开挖面喷射混凝土，若是土砂围岩，要防止开挖面的局部塌落，常常会喷射3cm的混凝土。
特殊施工法：挡墙施工法、管棚法、冻结法、从地表打锚杆法、注浆法和特殊钢板施工法(麦塞尔插板法)等。挡墙施工法，是于隧道两侧或一侧设立挡墙，在隧道开挖时，控制产生的松动范围。具体有钢管、混凝土连续墙法、钢插板和H型钢等挡墙施工法。管棚法，是在开挖断面外先钻孔，然后向管子的内外注浆，以此来加固开挖的断面。这种管棚法可以加固断层破碎带和堆积层等的不稳定围岩，可以有效防止开挖围岩的松动。但这种方法需要大量设备。从地表打锚杆法，是先于隧道开挖之前，从地表尽量垂直地注入锚杆，再在四周用砂浆等固结起来，从地表打锚杆法可以有效防止地表下沉。特殊钢插板施工法，又叫麦塞尔插板法，此法能加固开挖面前方的围岩，阻止围岩松动。特殊钢插板施工法采用的钢插板是经过特殊加工的，利用千斤顶把钢插板顶进围岩里。此法在泥岩和砂岩中效果显著，但是岩层里夹着鹅卵石时，会使施工困难，。
动态施工力学法，是朱维申教授来总结并完善的。动态施工力学法强调设计、科研、施工、勘察等各个环节紧密配合，可有效减小围岩的松动区，控制地表的沉陷量。
2.2.2 盾构法
盾构法在地下暗挖隧道中，极为有效。在施工中，首先于隧道的其中一端建立基坑或竖井，用以为盾构安装就位。从基坑或竖井的墙壁开孔地出发建立盾构，在地层中顺着设计好的轴线，向另一个基坑或竖井的设计孔洞推进。在推进中盾构所受到的阻力，通过千斤顶传到盾构的尾部，这里有已拼装的隧道衬砌结构，然后再传到基坑或竖井的后面靠壁上。盾构是盾构法中最主要且独特的施工机具，盾构是一个既能在地层中推进又能支承地层压力的矩形或马蹄形或圆形等形状的特殊钢筒结构。钢筒结构的前面，设置有不同类型的开挖和支撑土体的装置，在钢筒周圈中段内面安装有顶进所用的千斤顶，尾部是具有些许空间的壳状体，盾尾可以安装1～2环隧道衬砌环。每推进一环的距离，盾构就在盾尾的支护下装l环衬砌，并及时向盾尾后面的开挖坑道周围和衬砌环外围间的空隙中压注足量的浆体，防止隧道和地面下沉。盾构法施工时可能会引起地层损失，盾构隧道周围也会受扰动或受剪切，从而导致破坏的重塑土又固结，这是地表沉陷的基本原因。
（一）地层损失
引发地层损失的因素是：
①开挖面的土体移动。在盾构推进时，开挖面土体所受水平支护应力少于原始侧向力，开挖面土体向盾构里移动，引发地层损失继而导致盾构上方的地面沉陷；如果正面土体所受作用力多于原始的侧向力，那正向土体向前、向上移动，会引起地层损失从而导致盾构前上方土体隆起。
②盾构的后退。盾构暂停推进时，因为盾构推进、千斤顶漏油回缩，可能会引起盾构的后退，开挖面土体会松动或坍落，造成地层损害。
③土体挤进盾尾空隙。因为在盾尾后面隧道外周，压浆数量不足或压浆压力不合适，都会使土体失去原始的平衡状态，而向空隙中游移，造成地层损失。
④改变推进的方向。盾构在曲线抬头推进、叩头或纠偏推进过程中，实际的开挖面不是圆形而是椭圆，造成地层损失。
⑤盾构移动时，对地层的剪切和摩擦。
⑥土压力作用使得隧道衬砌的变形，会造成少量地层损失。
（二）受扰动土固结
盾构法中，隧道土体会受到盾构施工的扰动，在盾构隧道周围可以形成超孔隙的水压力区(负值或正值)。在盾构离开该地层后，土体表面的压力释放，该处隧道周围孔隙水的压力下降。当超孔隙的水压力释放时，孔隙水排出来，引发地层移动与地面下降。另外，盾构推进中挤压作用与盾尾后压浆作用等施工因素的存在，让土体周围地层形成正值超孔隙的水压区。超孔隙水壓力在盾构隧道施工一段时间后复原，其间地层排水固结变形，会造成地面沉陷。土体受到扰动，土体的骨架的压缩变形会持续很长时间，其间发生地面沉陷称之为次固结沉陷。
结合以上盾构法施工中造成地面沉陷的原由可以看出，控制盾构施工的参数（推速、推力、同步注浆量、正面土压）可以有效地控制地面沉陷。
3、结束语
在当今，城市地铁一般都会选在交通压力比较大的繁华地段建设，由于地下工程施工过程中经常造成地表沉陷的事故。另一方面，到目前为止，地表沉陷的机理还没有形成定论，本论文中相关沉陷机理的分析只是当下比较时兴的理论，随着理论与技术的不断完善、进步，地层沉陷理论必然也会渐渐清晰，那时相关沉陷控制技术与应急处理措施也会逐渐地完善。
参考文献：
[1] 刘启深, 邵根大.北京地铁建设中采用的浅埋暗挖法[J].铁道建筑,1998(12): 2-6.
[2] 王梦恕.北京地铁浅埋暗挖施工法[J].岩石力学与工程学报,19998(1): 52-62.
[3] 吴荣樵. 隧洞的各种施工方法和新奥法闭[J].隧道译丛,1991(l0)：l-9.
[4] 王建宇.隧道工程的技术进步l月[J].岩石力学与工程学报,2009(18): 784-788.
[5] 刘建航, 侯学渊.盾构法隧道[M].北京: 中国铁道出版社,2001.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地铁；地表沉陷；控制；新奥法；盾构法
Abstract: in recent years, with the development of our national economy, many urban rapid growth. Urban underground space development and utilization of the already has been paid attention to, the construction of the underground project also has become a trend. Built to solve the urban traffic congestion in the important way. And in the subway engineering construction, the surface subsidence accident the probability of occurrence in a very high, then could cause serious security and social issues. Therefore, whether from the project schedule, cost control or from the quality and safety of project to consider, all of the surface subsidence control enough attention, from all aspects, to control the occurrence of subsidence.
Key words: the subway; The surface subsidence; Control; The new Austrian law; Shield law
中圖分类号：TU71文献标识码：A 文章编号：
在发达国家，地下空间早已是城市的重要资源，在我国以地铁等为代表的城市地下工程的兴建也已成为一种趋势。就地铁来说，1965年我国开始修建地下铁路，至今已有北京、上海、天津、广州、南京、深圳等各大城市建成地铁，武汉等其他城市也即将或已在修建地铁，中国的地铁建设已步入惊人的发展阶段。地铁的隧道穿梭来往于各种建筑物之下，在隧道施工中，可能会引起地表沉陷，这势必对建筑物和地下管网产生不利影响, 严重时甚至将危及公众的安全。例如，深圳地铁一号线的建设过程中，在施工的工期内，地面沉陷事故竟占到了总事故的25%。因此，掌握地下铁路隧道施工所引起地表沉陷的原因、规律及其控制方法, 是地铁建设者必须要关注的重要问题。
1、地铁施工中地表沉陷的原因分析
1.1 地表沉陷发生的机理分析
在自然状态下，地铁工程以上，地面的岩层或土层一般是处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工当中，会通过人力、机械或爆破等等方式对土石方进行开挖。移除土石方、排出土石层孔隙里的水，都必然会影响到土石地层的应力状态，使土石层处于非平衡状态。这种非平衡状态可能在短时间内就能显现出来，也可能经过较长的时间之后，产生效应变化，导致坍塌、变形、损毁等现象，进而致使地面沉陷。
1.2地表沉陷发生的原因分析
1.2.1 土层沉陷的原因分析
（1）整体而言，天然土体是由矿物质颗粒构成骨架体，气体填充骨架体和孔隙水组成的三相体系。饱和土体由水和土颗粒组成，胶结物存在于土颗粒之间，有的没有粘结。它们都能够传递荷载，从而形成土骨架。作用在土体上的外载荷，一部分是孔隙水压力，另一部分是由土骨架承担的有效应力。土体变形是颗粒重新排列、孔隙流气体体积减小、骨架体错动和颗粒间距缩短的结果。因粘性土有一定厚度，水总是先于土层透水面排出，孔隙压力就降低后向传向土层内部。孔压力的降低，一是由于土的渗透性，二是由于在土中的位置。土体受到外力后，孔隙和土粒中的流体都会发生位移。若建筑物将压力传递给地基，或土层下部失去支承，应力变形就会发生，从而引起地表下沉。
（2）选择施工方案：要预防沉陷发生，必须进行可靠的、正确的支护。如果支护方法不对或者失效，土层就难以处于稳定的状态，失去稳定性后进而发生地层沉陷。
1.2.2岩石层沉陷的原因分析
（1）岩石层的地质特点直接影响了岩石层的沉陷：在长期地质演变中，岩石产生裂隙、断层、褶皱等构造。褶皱的岩层核部发生裂隙，岩层背斜顶部易塌落，向斜核部为储水丰富地段，建设地铁隧道引发岩层的涌水、漏水及塌落。地铁隧道跟褶皱走向一致，就易发生岩层顺势滑动。岩石沿着断裂面发生的位移叫断层，一般有几米至几十米。修建地铁时，若隧道通过断裂带，容易引发坍塌，地上建筑物会发生不均匀沉陷。
（2）选择施工方案：正确选择支护、防排水等施工方式以及有效的方案都能影响到控制岩层沉陷的效果。若方案失效，可能会发生地表沉陷。
2、地表沉陷的控制方法
2.1 沉陷控制的机理
在施工过程中，会造成地层原始应力状态变化、地层损失、土体蠕和变土体固结，同时还伴有支护结构变形等。因此，控制地层沉陷的出发点是保持并加强原本地层的稳定，保持平衡的应力状态。
2.2 沉陷控制的技术
资料显示，地表沉陷的厉害程度主要是由地层地下水条件、隧道埋深和直径以及施工方法决定，而施工方法的作用最明显。在地质条件与设计相同的情况下，施工方法不同，引发地表沉陷的差异会很大。所以，建设者必须对比分析隧道的施工方法。
地铁施工主要有3种方法：明挖法、新奥法和盾构法。由于明挖法干扰地面交通严重，敞开作业污染周围环境，现在很少用到。新奥法与盾构法对环境影响小，是主要的施工方法。下面根据地表沉陷的发生和控制概述这两种施工方法。
2.2.1 新奥法
新奥法是在施工中，充分发挥围岩的自承能力。洞室开挖后，发挥围岩自稳能力、及时进行初期支护，使它与密贴围岩，提高自承能力，缩小围岩松动，将围岩与支护共同受力、联合作用。新奥法的主要施工方法有：①台阶开挖法；②侧壁导坑环型开挖法；③全断面开挖法。采用此法施工，初期支护、开挖方法和永久支护时间即强度决定地表沉陷程度，防止地面下沉的方法如下：①改进施工方法：缩短开挖进尺；采用环型开挖法。②稳定掌子面：对于土砂围岩，要选用辅助施工方法。
超前支护开挖面是于开挖面前方的围岩里插入钢管、钢板和钢筋作为辅助的支护构件，用来防护开挖面和拱部以及阻止围岩松弛。应尽可能缩小插入的角度，来减小超挖量。应尽早向开挖面喷射混凝土，若是土砂围岩，要防止开挖面的局部塌落，常常会喷射3cm的混凝土。
特殊施工法：挡墙施工法、管棚法、冻结法、从地表打锚杆法、注浆法和特殊钢板施工法(麦塞尔插板法)等。挡墙施工法，是于隧道两侧或一侧设立挡墙，在隧道开挖时，控制产生的松动范围。具体有钢管、混凝土连续墙法、钢插板和H型钢等挡墙施工法。管棚法，是在开挖断面外先钻孔，然后向管子的内外注浆，以此来加固开挖的断面。这种管棚法可以加固断层破碎带和堆积层等的不稳定围岩，可以有效防止开挖围岩的松动。但这种方法需要大量设备。从地表打锚杆法，是先于隧道开挖之前，从地表尽量垂直地注入锚杆，再在四周用砂浆等固结起来，从地表打锚杆法可以有效防止地表下沉。特殊钢插板施工法，又叫麦塞尔插板法，此法能加固开挖面前方的围岩，阻止围岩松动。特殊钢插板施工法采用的钢插板是经过特殊加工的，利用千斤顶把钢插板顶进围岩里。此法在泥岩和砂岩中效果显著，但是岩层里夹着鹅卵石时，会使施工困难，。
动态施工力学法，是朱维申教授来总结并完善的。动态施工力学法强调设计、科研、施工、勘察等各个环节紧密配合，可有效减小围岩的松动区，控制地表的沉陷量。
2.2.2 盾构法
盾构法在地下暗挖隧道中，极为有效。在施工中，首先于隧道的其中一端建立基坑或竖井，用以为盾构安装就位。从基坑或竖井的墙壁开孔地出发建立盾构，在地层中顺着设计好的轴线，向另一个基坑或竖井的设计孔洞推进。在推进中盾构所受到的阻力，通过千斤顶传到盾构的尾部，这里有已拼装的隧道衬砌结构，然后再传到基坑或竖井的后面靠壁上。盾构是盾构法中最主要且独特的施工机具，盾构是一个既能在地层中推进又能支承地层压力的矩形或马蹄形或圆形等形状的特殊钢筒结构。钢筒结构的前面，设置有不同类型的开挖和支撑土体的装置，在钢筒周圈中段内面安装有顶进所用的千斤顶，尾部是具有些许空间的壳状体，盾尾可以安装1～2环隧道衬砌环。每推进一环的距离，盾构就在盾尾的支护下装l环衬砌，并及时向盾尾后面的开挖坑道周围和衬砌环外围间的空隙中压注足量的浆体，防止隧道和地面下沉。盾构法施工时可能会引起地层损失，盾构隧道周围也会受扰动或受剪切，从而导致破坏的重塑土又固结，这是地表沉陷的基本原因。
（一）地层损失
引发地层损失的因素是：
①开挖面的土体移动。在盾构推进时，开挖面土体所受水平支护应力少于原始侧向力，开挖面土体向盾构里移动，引发地层损失继而导致盾构上方的地面沉陷；如果正面土体所受作用力多于原始的侧向力，那正向土体向前、向上移动，会引起地层损失从而导致盾构前上方土体隆起。
②盾构的后退。盾构暂停推进时，因为盾构推进、千斤顶漏油回缩，可能会引起盾构的后退，开挖面土体会松动或坍落，造成地层损害。
③土体挤进盾尾空隙。因为在盾尾后面隧道外周，压浆数量不足或压浆压力不合适，都会使土体失去原始的平衡状态，而向空隙中游移，造成地层损失。
④改变推进的方向。盾构在曲线抬头推进、叩头或纠偏推进过程中，实际的开挖面不是圆形而是椭圆，造成地层损失。
⑤盾构移动时，对地层的剪切和摩擦。
⑥土压力作用使得隧道衬砌的变形，会造成少量地层损失。
（二）受扰动土固结
盾构法中，隧道土体会受到盾构施工的扰动，在盾构隧道周围可以形成超孔隙的水压力区(负值或正值)。在盾构离开该地层后，土体表面的压力释放，该处隧道周围孔隙水的压力下降。当超孔隙的水压力释放时，孔隙水排出来，引发地层移动与地面下降。另外，盾构推进中挤压作用与盾尾后压浆作用等施工因素的存在，让土体周围地层形成正值超孔隙的水压区。超孔隙水壓力在盾构隧道施工一段时间后复原，其间地层排水固结变形，会造成地面沉陷。土体受到扰动，土体的骨架的压缩变形会持续很长时间，其间发生地面沉陷称之为次固结沉陷。
结合以上盾构法施工中造成地面沉陷的原由可以看出，控制盾构施工的参数（推速、推力、同步注浆量、正面土压）可以有效地控制地面沉陷。
3、结束语
在当今，城市地铁一般都会选在交通压力比较大的繁华地段建设，由于地下工程施工过程中经常造成地表沉陷的事故。另一方面，到目前为止，地表沉陷的机理还没有形成定论，本论文中相关沉陷机理的分析只是当下比较时兴的理论，随着理论与技术的不断完善、进步，地层沉陷理论必然也会渐渐清晰，那时相关沉陷控制技术与应急处理措施也会逐渐地完善。
参考文献：
[1] 刘启深, 邵根大.北京地铁建设中采用的浅埋暗挖法[J].铁道建筑,1998(12): 2-6.
[2] 王梦恕.北京地铁浅埋暗挖施工法[J].岩石力学与工程学报,19998(1): 52-62.
[3] 吴荣樵. 隧洞的各种施工方法和新奥法闭[J].隧道译丛,1991(l0)：l-9.
[4] 王建宇.隧道工程的技术进步l月[J].岩石力学与工程学报,2009(18): 784-788.
[5] 刘建航, 侯学渊.盾构法隧道[M].北京: 中国铁道出版社,2001.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。