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【摘 要】近些年，我国地铁建设规模飞速增长，常用的地铁修建方法主要是明挖法、浅埋暗挖法和盾构法，与其前二种方法相比，盾构法由于其机械化程度高、土层适用广、施工进度快、施工安全、不影响地面交通与设施且其施工不受天气影响等优势而被广泛使用，但盾构施工却有地下工程、周边环境复杂、自身风险大的特点，施工中易出现地面沉降和变形的事故，因此，通过分析盾构施工中引起软土土层扰动及地表沉降机理、地表沉降的规律原因， 提出控制地表沉降的措施和保护周围环境的处理方法。
【关键词】地铁修建方法；盾构施工；软土地层；地表沉降；控制措施
【中图分类号】U455.4
【文献标志码】A
【Abstract】Rapid growth in recent years， the scale of the subway construction in China， the commonly used method of subway construction is mainly excavation method， shallow tunnel excavation method and shield tunneling method， compared with the former two methods， shield method applied widely due to its high degree of mechanization， soil， fast construction progress and construction safety， does not affect the ground traffic and facilities and its construction is not affected by the weather and other advantages and is widely used， but have underground engineering of shield construction， the characteristics of the complex peripheral environment and their own risk， construction accident of ground subsidence and deformation， which were liable to occur as a result， through the analysis of shield construction in soft soil and soil disturbance caused by the surface subsidence mechanism， the rule of surface subsidence reasons， proposes measures to control the surface subsidence and protect the surrounding environment.
【Key words】Method of subway construction，Shield construction，Soft soil layer，Surface subsidence，Control measures
【CLC number】U455.4
【Document code】A
盾構法在城市地铁施工中，引起的地层变形不可避免 ，其主要表现施工过程地层发生位移，即地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等。隧道开挖造成地层原始应力状态的改变，从而引起地层位移，因建筑物空隙以及超、欠挖或其他土层流失；盾构的推进，引起的土体孔隙水压力变化，或因降水引起地下水位下降，引起土体的股结沉降；管片结构变形及土体的次固结和流变。这些都会严重影响地面交通和隧道安全，缩短隧道的使用寿命，因此盾构施工所引起地表沉降的危害是相当严重的。
1. 地表沉降的原因分析
国内外实践表明，盾构法施工都会扰动地层而引起地表沉降，导致地表沉降的原因很多，主要有以下几个原因。
1.1 地层原始应力的变化。
当采用敞胸式盾构，在盾构掘进时，开挖面应力处于释放状态，开挖面土体受到水平支护应力小于原始侧向应力，则开挖面上方土体失去平衡向盾构内侧移动，引起盾构上方地表的沉降。盾构推进时，如作用于土体正面推应力大于原始侧向应力，则正面土体受到盾构挤压作用，使其向上、向前滑动，造成欠挖引起盾构前方土体隆起。对于闭胸式挤压盾构，由于出土过多或过少，或工作面上土压力或泥浆压力不稳定时，都会对工作面土体造成松弛或挤压，，使工作面土体原始应力状态发生改变而导致地表下沉或隆起。此外，盾构为修正蛇行和曲线上推进而进行超挖，也会使周围土体松弛范围扩大从而助长了地表下沉。有时，由于盾构千斤顶漏油回缩可能引起盾构后退，开挖面土体失去支撑造成土体塌落或松动，也会引起地表沉降。
1.2 地下水位的变化。
盾构隧道施工中往往要采用降低地下水位的措施。由于降水会产生固结沉降，采用井点降水引起的地表沉降将涉及井点降水的漏斗曲面范围，其沉降量和沉降时间与土的孔隙比及渗透系数有关，在渗透系数较小的黏性土中，固结时间较长，因而沉降较慢。
1.3 盾尾空隙充填压浆不足。
盾尾后面隧道外围建筑空隙必须及时充填压浆，充填压浆不及时，或压浆量不足，压浆压力不适当时，，会使盾尾后周土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中滑动，造成地层损失特别是对含水不稳定地层，盾尾空隙充填压浆不足造成的地层损失很容易导致地表沉降。
1.4 衬砌变形。 隧道衬砌脱离盾尾后，作用于衬砌上的土压力和水压力使衬砌产生变形，也会导致地表生少量的沉降。
1.5 受挠动土体的固结。
盾构隧道周围土体受到盾构施工的挠动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区，在盾构离开后的地层中，由于土体表面的应力释放，隧道周围的超孔隙水压力便下降，孔隙水出引起地层移动和地表沉降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等工因素，使周围地层形成超孔隙水压力区，超孔隙水压力在盾构施工后的一段时间内消散原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地表沉降，即主固结沉降。土体受到挠动后，体骨架还会发生持续时间很长的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地表沉降为次固结降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所的总沉降量比例可高达35%以上。
2. 地表沉降的规律与预测
2.1 地表沉降的规律。
在软土地层中采用盾构法施工时，在隧道纵轴线上产生的地表变形一般可分三个阶段，即盾构前方地表隆起或沉降，施工沉降和固结沉降。通常，当盾构前方土体受到挤压时，盾构前方的地表有微量隆起；但当开挖面土体因力不足时，盾构前方土体发生向下、向后移动，从而使地表下沉。当盾构推进时，盾构两侧土体向外移动，在隧道衬砌脱离盾尾时，由于衬砌外壁与土壁之间有建筑空隙，地表会有一个较大的下沉，且沉降速率也较大，同时隧道两侧土体向隧道中线移动，这一阶段沉降为施降，常在1～2个月内完成。由于施工过程中对周围土体的扰动，土中孔隙水压力上升，随孔隙水压力的消散，地层会发生主固结沉降；在孔隙水压力趋于稳定后土体的骨架仍会即次固结，地层还会产生次固结沉降。主固结与次固结沉降为第三阶段沉降，即固结沉降地面沉降是与施工条件和地质条件密切相关的。施工条件的差异往往会引起地面沉降差异。如盾构正面支撑与开挖面密贴程度、支撑是否及时，向盾尾空隙中压浆是否及时等会引起地面沉降的差异。但在一定的施工条件下由于地质条件的不同而引起地面沉降的差异往往是在施工前无法改变的，可以认为地质条件是形成地表沉降的内因。
2.2 地表沉降的预测。
地表沉降量的预测可以分为设计过程预测和施工过程预测。
（1）设计过程预测
在设计阶段的预测方法主要有有限元法和边界元法，以及根据实测数据的统计方法。其中主要有Peck公式及一系列修正的Peck公式。Peck横向布置公式为：
（2）施工阶段预测。
关于盾构施工引起纵向低保沉降研究的一个重要成果是将其分成几个不同的阶段，有分为四个阶段，也有分为五个阶段，多数倾向于后者，施工阶段的地表沉降大致分为五个阶段：盾构到达前的地表沉降、盾构到达时的地表沉降、盾构通过时的地表沉降、盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固结沉降。各个阶段沉降占总地表沉降的比例关系见表1。
3. 地表沉降及隧道变形的控制
3.1 减少对开挖面地层的挠动。
（1）施工中采取灵活合理的正面支撑或适当的土压值来防止土体坍塌，保持开挖面土体的布条件许可时，尽可能采用泥水加压式盾构、土压平衡盾构等技术先进的基本上不改变下水位的施工方法，以减少由于地下水位的变化而引起的土体挠动。
（2）在盾构掘进时，严格控制开挖面的出土量，防止超挖对地层产生较大的局部挤压。体只要严格控制其出土量，仍有可能控制地表变形。根据上海地下铁道盾构法在软土中的施工经验，当采用挤压式盾构，其出土量控制在理论土方量的80%～90%时，地表可不发生均隆起现象。
（3）控制盾构推进一环的纠偏量，以减少盾构在地层中的摆动和对土體的挠动。同时尽量成少纠偏需要的开挖面局部超挖。（4）提高施工速度和连续性。实践证明，盾构停止推进时，会因正面土压力的作用而产生后退。因此提高隧道施工速度和连续性，避免盾构停搁，对减少地表变形非常有利。若盾构要中途检修或由于其他原因必须暂停推进时，务必做好防止盾构后退的措施，正面及盾尾要严密封闭，以尽量减少搁置时间对地表沉降的影响。
3.2 做好盾尾建筑空隙的充填压浆。
盾尾注浆装置如图1所示。
（1）确保压注工作的及时性，尽可能缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，以防止地层坍塌。（2）确保压浆数量，控制注浆压力。注浆材料会产生收缩，因此压浆量必须超过理论建筑空隙体积，一般超过10%左右，但是过量的压浆会引起地表隆起及局部跑浆现象，对管片受力状态也有不利影响。（3）改进压浆材料的性能。施工时，地面搅拌站要严格控制压浆浆液的配合比，对其凝结时间、强度、收缩量要通过试验不断改进，提高注浆材料的抗渗性，这样有利于隧道防水，相应也会减少地表沉降。
4. 结束语
盾构施工期间由于上述各种原因引起的地表沉降对周围环境具有一定的不良影响，为了保护周围环必须进行施工监测，在监测的基础上提出控制表沉降的措施和保护周围环境的处理方法。盾构法施工中做不到完全防止地表沉降，但可曲线以减少地表变形，及时使地表下沉得到控制。方能保证隧道施工顺利完成，使道路地面沉降得到有效控制。
参考文献
[1] 曹振. 西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术[D].西安科技大学，2013.
[2] 赵星. 盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[D].河北工程大学，2017.
[3] 姜忻良，崔奕，赵保建.盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[J].天津大学学报，2008（06）：725-730.
[4] 吴向州.盾构隧道施工建（构）筑物的保护技术[J].隧道建设，2006（S2）：30-32.
[5] 李刚.盾构穿越建、构筑物施工的新技术[J].城市道桥与防洪，2010（08）：121-124+268.
[文章编号]1619-2737（2018）03-05-707
[作者简介] 房海勃（1989-），籍贯：陕西西安人，汉，职称：助教，主要从事隧道与城市地下工程施工技术的研究工作。
【关键词】地铁修建方法；盾构施工；软土地层；地表沉降；控制措施
【中图分类号】U455.4
【文献标志码】A
【Abstract】Rapid growth in recent years， the scale of the subway construction in China， the commonly used method of subway construction is mainly excavation method， shallow tunnel excavation method and shield tunneling method， compared with the former two methods， shield method applied widely due to its high degree of mechanization， soil， fast construction progress and construction safety， does not affect the ground traffic and facilities and its construction is not affected by the weather and other advantages and is widely used， but have underground engineering of shield construction， the characteristics of the complex peripheral environment and their own risk， construction accident of ground subsidence and deformation， which were liable to occur as a result， through the analysis of shield construction in soft soil and soil disturbance caused by the surface subsidence mechanism， the rule of surface subsidence reasons， proposes measures to control the surface subsidence and protect the surrounding environment.
【Key words】Method of subway construction，Shield construction，Soft soil layer，Surface subsidence，Control measures
【CLC number】U455.4
【Document code】A
盾構法在城市地铁施工中，引起的地层变形不可避免 ，其主要表现施工过程地层发生位移，即地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等。隧道开挖造成地层原始应力状态的改变，从而引起地层位移，因建筑物空隙以及超、欠挖或其他土层流失；盾构的推进，引起的土体孔隙水压力变化，或因降水引起地下水位下降，引起土体的股结沉降；管片结构变形及土体的次固结和流变。这些都会严重影响地面交通和隧道安全，缩短隧道的使用寿命，因此盾构施工所引起地表沉降的危害是相当严重的。
1. 地表沉降的原因分析
国内外实践表明，盾构法施工都会扰动地层而引起地表沉降，导致地表沉降的原因很多，主要有以下几个原因。
1.1 地层原始应力的变化。
当采用敞胸式盾构，在盾构掘进时，开挖面应力处于释放状态，开挖面土体受到水平支护应力小于原始侧向应力，则开挖面上方土体失去平衡向盾构内侧移动，引起盾构上方地表的沉降。盾构推进时，如作用于土体正面推应力大于原始侧向应力，则正面土体受到盾构挤压作用，使其向上、向前滑动，造成欠挖引起盾构前方土体隆起。对于闭胸式挤压盾构，由于出土过多或过少，或工作面上土压力或泥浆压力不稳定时，都会对工作面土体造成松弛或挤压，，使工作面土体原始应力状态发生改变而导致地表下沉或隆起。此外，盾构为修正蛇行和曲线上推进而进行超挖，也会使周围土体松弛范围扩大从而助长了地表下沉。有时，由于盾构千斤顶漏油回缩可能引起盾构后退，开挖面土体失去支撑造成土体塌落或松动，也会引起地表沉降。
1.2 地下水位的变化。
盾构隧道施工中往往要采用降低地下水位的措施。由于降水会产生固结沉降，采用井点降水引起的地表沉降将涉及井点降水的漏斗曲面范围，其沉降量和沉降时间与土的孔隙比及渗透系数有关，在渗透系数较小的黏性土中，固结时间较长，因而沉降较慢。
1.3 盾尾空隙充填压浆不足。
盾尾后面隧道外围建筑空隙必须及时充填压浆，充填压浆不及时，或压浆量不足，压浆压力不适当时，，会使盾尾后周土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中滑动，造成地层损失特别是对含水不稳定地层，盾尾空隙充填压浆不足造成的地层损失很容易导致地表沉降。
1.4 衬砌变形。 隧道衬砌脱离盾尾后，作用于衬砌上的土压力和水压力使衬砌产生变形，也会导致地表生少量的沉降。
1.5 受挠动土体的固结。
盾构隧道周围土体受到盾构施工的挠动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区，在盾构离开后的地层中，由于土体表面的应力释放，隧道周围的超孔隙水压力便下降，孔隙水出引起地层移动和地表沉降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等工因素，使周围地层形成超孔隙水压力区，超孔隙水压力在盾构施工后的一段时间内消散原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地表沉降，即主固结沉降。土体受到挠动后，体骨架还会发生持续时间很长的压缩变形。在此土体蠕变过程中产生的地表沉降为次固结降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所的总沉降量比例可高达35%以上。
2. 地表沉降的规律与预测
2.1 地表沉降的规律。
在软土地层中采用盾构法施工时，在隧道纵轴线上产生的地表变形一般可分三个阶段，即盾构前方地表隆起或沉降，施工沉降和固结沉降。通常，当盾构前方土体受到挤压时，盾构前方的地表有微量隆起；但当开挖面土体因力不足时，盾构前方土体发生向下、向后移动，从而使地表下沉。当盾构推进时，盾构两侧土体向外移动，在隧道衬砌脱离盾尾时，由于衬砌外壁与土壁之间有建筑空隙，地表会有一个较大的下沉，且沉降速率也较大，同时隧道两侧土体向隧道中线移动，这一阶段沉降为施降，常在1～2个月内完成。由于施工过程中对周围土体的扰动，土中孔隙水压力上升，随孔隙水压力的消散，地层会发生主固结沉降；在孔隙水压力趋于稳定后土体的骨架仍会即次固结，地层还会产生次固结沉降。主固结与次固结沉降为第三阶段沉降，即固结沉降地面沉降是与施工条件和地质条件密切相关的。施工条件的差异往往会引起地面沉降差异。如盾构正面支撑与开挖面密贴程度、支撑是否及时，向盾尾空隙中压浆是否及时等会引起地面沉降的差异。但在一定的施工条件下由于地质条件的不同而引起地面沉降的差异往往是在施工前无法改变的，可以认为地质条件是形成地表沉降的内因。
2.2 地表沉降的预测。
地表沉降量的预测可以分为设计过程预测和施工过程预测。
（1）设计过程预测
在设计阶段的预测方法主要有有限元法和边界元法，以及根据实测数据的统计方法。其中主要有Peck公式及一系列修正的Peck公式。Peck横向布置公式为：
（2）施工阶段预测。
关于盾构施工引起纵向低保沉降研究的一个重要成果是将其分成几个不同的阶段，有分为四个阶段，也有分为五个阶段，多数倾向于后者，施工阶段的地表沉降大致分为五个阶段：盾构到达前的地表沉降、盾构到达时的地表沉降、盾构通过时的地表沉降、盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固结沉降。各个阶段沉降占总地表沉降的比例关系见表1。
3. 地表沉降及隧道变形的控制
3.1 减少对开挖面地层的挠动。
（1）施工中采取灵活合理的正面支撑或适当的土压值来防止土体坍塌，保持开挖面土体的布条件许可时，尽可能采用泥水加压式盾构、土压平衡盾构等技术先进的基本上不改变下水位的施工方法，以减少由于地下水位的变化而引起的土体挠动。
（2）在盾构掘进时，严格控制开挖面的出土量，防止超挖对地层产生较大的局部挤压。体只要严格控制其出土量，仍有可能控制地表变形。根据上海地下铁道盾构法在软土中的施工经验，当采用挤压式盾构，其出土量控制在理论土方量的80%～90%时，地表可不发生均隆起现象。
（3）控制盾构推进一环的纠偏量，以减少盾构在地层中的摆动和对土體的挠动。同时尽量成少纠偏需要的开挖面局部超挖。（4）提高施工速度和连续性。实践证明，盾构停止推进时，会因正面土压力的作用而产生后退。因此提高隧道施工速度和连续性，避免盾构停搁，对减少地表变形非常有利。若盾构要中途检修或由于其他原因必须暂停推进时，务必做好防止盾构后退的措施，正面及盾尾要严密封闭，以尽量减少搁置时间对地表沉降的影响。
3.2 做好盾尾建筑空隙的充填压浆。
盾尾注浆装置如图1所示。
（1）确保压注工作的及时性，尽可能缩短衬砌脱出盾尾的暴露时间，以防止地层坍塌。（2）确保压浆数量，控制注浆压力。注浆材料会产生收缩，因此压浆量必须超过理论建筑空隙体积，一般超过10%左右，但是过量的压浆会引起地表隆起及局部跑浆现象，对管片受力状态也有不利影响。（3）改进压浆材料的性能。施工时，地面搅拌站要严格控制压浆浆液的配合比，对其凝结时间、强度、收缩量要通过试验不断改进，提高注浆材料的抗渗性，这样有利于隧道防水，相应也会减少地表沉降。
4. 结束语
盾构施工期间由于上述各种原因引起的地表沉降对周围环境具有一定的不良影响，为了保护周围环必须进行施工监测，在监测的基础上提出控制表沉降的措施和保护周围环境的处理方法。盾构法施工中做不到完全防止地表沉降，但可曲线以减少地表变形，及时使地表下沉得到控制。方能保证隧道施工顺利完成，使道路地面沉降得到有效控制。
参考文献
[1] 曹振. 西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术[D].西安科技大学，2013.
[2] 赵星. 盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[D].河北工程大学，2017.
[3] 姜忻良，崔奕，赵保建.盾构隧道施工对邻近建筑物的影响[J].天津大学学报，2008（06）：725-730.
[4] 吴向州.盾构隧道施工建（构）筑物的保护技术[J].隧道建设，2006（S2）：30-32.
[5] 李刚.盾构穿越建、构筑物施工的新技术[J].城市道桥与防洪，2010（08）：121-124+268.
[文章编号]1619-2737（2018）03-05-707
[作者简介] 房海勃（1989-），籍贯：陕西西安人，汉，职称：助教，主要从事隧道与城市地下工程施工技术的研究工作。