地鐵施工中地表沉降控制技術綜述
發布時間：2010-01-14 共2頁
簡介： 地表沉降在地鐵工程施工中屬于多發事故。沉降事故的發生與工程的地質條件、施工方案的選擇等很多因素有關。在城市地鐵工程施工中，由于工程所處地段的特殊性，一旦發生沉降事故，影響將十分嚴重。所以，在城市地鐵工程的施工中進行沉降控制是十分必要的。本文將從沉降發生的原因、控制技術和應急處置這三個方面出發進行討論和總結。
關鍵字：地鐵工程 施工技術 地表沉降控制
1.前言
地下空間作為城市的重要資源，在發達國家得到了多方面的應用，隨著我國經濟的快速發展，城市地下空間的開發利用已經受到廣泛重視，城市地下工程的興建已經成為一種趨勢。就地下鐵路來看，我國從1965年開始修建地下鐵道，至今已有北京、天津、上海、廣州、深圳、南京等大城市建成部分地鐵，武漢等其它城市也即將或將要修建地鐵，我國的地鐵建設已步人快速發展階段。
然而，在地鐵工程的施工中，地表沉降事故發生的概率很高。以深圳地鐵一號線的建設為例，在施工工期內，地面沉降事故占總事故的25％。事故發生地位于深圳市區繁華地段，對工程周圍的建筑物以及地下管線產生了一定的影響，同時也影響了工程的進度增加了工程的費用。
所以，不論從工程進度、費用的控制方面考慮還是從工程質量安全方面來考慮，都要對地表沉降控制有足夠的重視，從各個方面著手，來控制沉降的發生。
2.地鐵工程沉降控制的重要性地表沉降的主要危害有：
?。?）沿海地區沉降使地面低于海面，受海水侵襲；
（2）一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設施的能力；
（3）橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通；
（4）在一些地面沉降強烈的地區，伴隨地面垂直沉陷而發生的較大水平位移，往往會對許多地面和地下構筑物造成巨大危害；
?。?）在地面沉降區還有一些較為常見的現象，如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現象雖然不致于造成大的危害，但也會給市政建設的各方面帶來一定影響。
針對地鐵工程而言，進行沉降控制的重要性體現在兩個方面：
?。?）城市地鐵工程一般位于城市的繁華地段，周圍建筑物密集、各種地下管線縱橫復雜交錯，一旦沉降事故發生，將可能造成建筑物開裂、傾斜，地下管線斷裂等事故。影響市民正常生活，造成各種糾紛，進而影響工程施工的進度，增加工程的費用。
?。?）沉降事故在地鐵工程的施工中屬于多發事故。同時其發生的直接表現為地下隧道拱頂的下沉或坍塌，而這種塌陷的發生又多由圍巖涌水、涌泥，支護失效，工程爆破等原因引起。這些原因的存在和發生，可以導致施工現場的人員傷亡、設備損壞，進而影響工程進度、增加工程費用，造成嚴重的后果。
可以看出，事故的多發性和事故后果的嚴重性，使沉降事故成為地鐵施工中的重大風險因素，在施工過程中進行沉降控制技術的研究和應用使十分必要的。
3.地鐵工程沉降控制技術
3.1地面沉降發生的機理分析
地鐵工程以上地面的巖層或土層在自然狀態下，一般處于應力平衡的穩定狀態。在地下工程施工中，要通過人工、機械或者爆破等方式進行土石方開挖。土石方的移除、土石層孔隙水的排出，必然會改變土石地層的應力狀態，使之處于非平衡狀態。這種狀態可以在短時間內或者經過較長的時間效應變化之后顯現出來，出現坍塌、變形等現象，進而導致地面沉降。
3.2 地面沉降發生的原因分析
3.2.1 土層的沉降原因分析
?。?）土層自身的特點：天然土體一般是由礦物顆粒構成骨架體，孔隙水和氣體填充骨架體而組成的三相體系。飽和土由土顆粒和水組成，土顆粒之間存在膠結物，有些沒有粘結。但是它們都能傳遞荷載，從而形成傳力骨架，叫做土骨架。外載荷作用在土體上，一部分由孔隙水承擔，叫做孔隙水壓力，另一部分則由土骨架承擔，就是有效應力，對引起壓縮和產生強度有效。孔隙水壓力可以分成兩部分，一個是靜水壓力，在荷載施加之前就存在，一個是超孔隙水壓力，由外載荷引起。土體的變形是孔隙流體及氣體體積減小、顆粒重新排列、顆粒間距離縮短和骨架體發生錯動的結果。粘性土有一定的厚度，水總是在土層透水面先排出，使孔隙壓力降低然后向土層內部傳遞。這種孔壓力降低的過程，一方面取決于土的滲透性，另一方面取決于在土中的位置。軟粘土的滲透系數很低，固結過程很長。土體受外力后，土粒和孔隙中的流體均將發生位移。當建筑物通過基礎將壓力傳遞給地基后或者土層下部通過土石方開挖而失去支承，土體內部將發生應力變形。從而引起地基下沉或地表下沉。
?。?）施工方案的選擇：預防沉降的發生，進行正確的、可靠的支護是十分重要的。當支護方法不當或者失效的時候，難以使土層處于穩定狀態，土層將失去穩定性，進而會導致地層沉降。
3.2.2 巖石層的沉降原因分析
?。?）巖石層的沉降與巖石層的地質特點有直接關系：巖石在長期的地質演變中產生出褶皺、裂隙、斷層等地質構造。褶皺是巖石在構造中受力形成的連續彎曲變形。巖石中沿斷裂面沒有位移的斷裂為裂隙。褶皺巖層核部產生許多裂隙，而背斜頂部巖層易塌落，向斜核部是儲水豐富的地段，地鐵隧道中易發生巖層的塌落、漏水及涌水。地鐵隧道與褶皺走向一致時建筑中易發生巖層順層滑動。斷層是兩盤巖石沿斷裂面發生位移的斷裂，一般伴有幾米到幾十米的巖石破碎帶。地鐵隧道工程通過斷裂帶時易發生坍塌，車站建筑物易發生不均勻沉降等。
?。?）施工方案的選擇：防排水、支護等施工方式的正確選擇以及方案的有效性都會影響到巖層沉降控制的效果。當方案失效的時候，可能會導致生沉降的發生。
3.3 沉降控制技術的機理
施工中會造成地層的地層損失、原始應力狀態變化、土體固結、土體的蠕變，同時還可能發生支護結構的變形等情況的發生。所以，進行地層沉降控制，其出發點是保持或者加強原有地層的穩定性，維持其穩定的應力平衡狀態。
3.4 沉降控制技術
資料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取決于：
?。?）地層和地下水條件；
（2）隧道埋深和直徑；
（3）施工方法。
其中，施工方法的影響更為明顯。同樣的地質條件和設計，不同的施工方法引起的地表沉陷會有很大的差異。因此，對地鐵的施工方法進行對比分析是建設者必須首先論證的問題。
地鐵的施工方法主要有3種：明挖法、新奧法和盾構法。明挖法由于對地面交通干擾大，且因敞開作業對周圍環境千擾、污染嚴重，現在已經較少使用。新奧法和盾構法對環境干擾小，是主要的施工方法。下面結合地表沉陷的產生與控制措施對這2種施工方法進行概述。
3.4.1 新奧法
所謂新奧法就是施工過程中充分發揮圍巖本身具有的自承能力，即洞室開挖后，利用圍巖的自穩能力及時進行以噴錨為主的初期支護，使之與圍巖密貼，減小圍巖松動范圍，提高自承能力，使支護與圍巖聯合受力共同作用。
采用新奧法時主要的施工方法有：
?。?）全斷面開挖法，原則上是一次完成設計開挖斷面，是在穩定的圍巖中采用的方法；
?。?）臺階開挖法；
?。?）側壁導坑環型開挖法，這是當地質條件特別差時所采用的一種方法，也是城市隧道抑制下沉時常用的方法。
采用新奧法施工時，地面沉陷主要取決于開挖的方法、初期支護及永久支護的時間和強度，有以下防止地面下沉的措施：
?。?）改變施工方法：縮短開挖進尺，如計劃1個循環1.5m，可縮短為1m或0.8m；不用全斷面開挖方法，而用環型開挖方法．
?。?）穩定掌子面法：掌子面的穩定是施工的前提條件，對于粘聚力小的土砂圍巖，應選用輔助施工方法，如超前支護、開挖面噴射混凝土和安設錨桿等。
開挖面超前支護是在開挖面前方的圍巖內插入鋼筋、鋼管和鋼板作為輔助性支護構件，用以防護開挖面及拱部以及防止圍巖松弛。插入的角度應盡可能地小，以減少超挖量。開挖面噴射混凝土應盡早進行，對于土砂圍巖，一般噴射3cm厚的混凝土就能防止開挖面的局部塌落。
（3）特殊施工法：有管棚法，擋墻施工法、從地表打錨桿法、特殊鋼板施工法（麥塞爾插板法）、注漿法和凍結法等。
管棚法，是先在開挖斷面外鉆孔，然后在管子的內外注漿，以加固開挖斷面。這種方法，可以加固堆積層和斷層破碎帶等不穩定圍巖，能有效防止開挖的圍巖松動。但此法需要大量的設備。
擋墻施工法，是在隧道的兩側（或一側）設置擋墻，控制隧道開挖時產生的松動范圍。有混凝土連續墻法和鋼管、H型鋼和鋼插板等擋墻施工法。
從地表打錨桿法，是在隧道開挖之前，先從地表大致垂直地打入錨桿，四周用砂漿固結起來，這種方法能有效地防止地表下沉。
特殊鋼插板施工法又稱麥塞爾插板法，可以加固開挖面前方的圍巖，防止圍巖松動。這種施工方法是采用特殊加工的鋼插板，用千斤頂將其頂入圍巖中。但巖層中夾有鵝卵石時，施工困難，在砂巖和泥巖中效果顯著。
?。?）動態施工力學法，這種方法是由朱維申教授總結完善的，這種方法強調勘察、設計、施工、科研各環節的緊密配合，能有效減少圍巖的松動區，抑制地表沉降量。
3.4.2 盾構法
盾構法是在地下暗挖隧道的一種有效方法。施工中，先在隧道的某一端建造豎井或基坑，以供盾構安裝就位。盾構從豎井或基坑的墻壁開孔處出發，在地層中沿著設計軸線，向著另一豎井或基坑的設計孔洞推進。盾構推進中所受的阻力，通過盾構千斤頂傳至盾構尾部已拼裝的預制隧道襯砌結構，再傳到豎井或基坑的后靠壁上。盾構是這種施工方法中最主要的獨特的施工機具，它是一個既能支承地層壓力又能在地層中推進的圓形或矩形或馬蹄形等特殊形狀的鋼筒結構。在鋼筒結構的前面設置各種類型的支撐和開挖土體的裝置，在鋼筒中段周圈內面安裝頂進所需的千斤頂，鋼筒尾部是具有一定空間的殼狀體，在盾尾可以拼裝1～2環預制的隧道襯砌環。盾構每推進一環距離，就在盾尾支護下拼裝l環襯砌，并及時地向緊靠盾尾后面的開挖坑道周邊與襯砌環外周之間的空隙中壓注足夠的漿體，以防止隧道及地面下沉。
