城市地鐵工程施工沉降控制技術綜述
發布時間：2010-01-14 共3頁
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
（1）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。
（2）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
（1）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。
（2）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，地鐵隧道施工引起地表沉陷的程度主要取決于：
（1）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：
（1）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；
（2）臺階開挖法；
（3）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：
（1）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．
（2）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。
（4)）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。
盾構施工中引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是地面沉降的基本原因。
（一）地層損失
地層損失是盾構施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。周圍土體在彌補地層損失中發生地層移動，引起地面沉降。
引起地層損失的施工及其他因素是：
（1）開挖面土體移動。當盾構掘進時，開挖面土體受到的水平支護應力小于原始側向力，開挖土體向盾構內移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降；當盾構推進時，如作用在正面的土體的推力大于原始側向力，則正向土體向上、向前移動，引起地層損失(欠挖)而導致盾構前上方土體隆起。
（2）盾構后退。在盾構暫停推進中，由于盾構推進千斤頂漏油回縮而可能引起盾構后退，使開挖面土體坍落或松動，造成地層損失。
（3）土體擠入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中壓漿不及時，壓漿量不足，壓漿壓力不恰當，使盾尾后周邊土體失去原始三維平衡狀態，而向盾尾空隙中移動，引起地層損失。
（4）改變推進方向。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭推進或叩頭推進過程中，實際開挖面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。
（5）盾構移動對地層的摩擦和剪切。
（6）在土壓力作用下，隧道襯砌產生的變形也會引起少量的地層損失。
（二）受擾動土的固結
盾構隧道土體受到盾構施工的擾動后，便在盾構隧道的周圍形成超孔隙水壓力區(正值或負值)。當盾構離開該處地層后，由于土體表面壓力釋放，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在超孔隙水壓力釋放過程中，孔隙水排出，引起地層移動和地面下降。此外，由于盾構推進中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作用的施工因素，使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區。其超孔隙水壓力，在盾構隧道施工后的一段時間內復原，在此過程中地層發生排水固結變形，引起地面沉降。土體受擾動后，土體骨架還會有持續很長時間的壓縮變形，在此過程中發生的地面沉降稱為次固結沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性粘土中，次固結沉降往往要持續幾年以上，它所占的沉降量比例可高達35％以上。
從盾構法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾構施工參數如推力、推速、正面土壓、同步注漿量和壓力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。
3．5沉降控制案例：深南路～紅嶺路人行地道工程
深南路～紅嶺路人行地道位于深南中路與紅嶺路相交十字路口，西南角建有紅嶺大廈，西北角建有“鄧小平畫像”，東北角為大劇院下沉廣場，東南角有金融中心。
