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隧道施工的防沉降探讨
中铁隧道集团三处有限公司周成丰 400014
摘要：众所周知在地铁隧道的施工中 ,沉降事故发生的机率很高。地表沉降容易对工程周围的建筑物以及地下管线产生负面影响 , 同时也影响了工程的进度增加了工程的费用, 同时也影响了工程质量、安全。而杭州地铁事故的发生，让我们要对地表沉降有足够的重视 , 要从各个方面着手来控制沉降的发生。
关键词：地铁工程; 沉降控制; 施工方法
1.地铁工程防沉降的重要性，地表沉降的主要危害有：
（1）一些沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；
（2）一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力；
（3）桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通；
（4）在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害；
（5）在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。
针对地铁工程而言，进行沉降控制的重要性体现在两个方面：
（1）城市地铁工程一般位于城市的繁华地段，周围建筑物密集、各种地下管线纵横复杂交错，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等事故。
（2）沉降事故在地铁工程的施工中属于多发事故。同时其发生的直接表现为地下隧道拱顶的下沉或坍塌，而这种塌陷的发生又多由围岩涌水、涌泥，支护失效，工程爆破等原因引起。这些原因的存在和发生，可以导致施工现场的人员伤亡、设备损坏，进而影响工程进度、增加工程费用，造成严重的后果。
2.地铁工程防沉降技术
2.1地面沉降发生的机理分析
　　地铁工程以上地面的岩层或土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工中，要通过人工、机械或者爆破等方式进行土石方开挖。土石方的移除、土石层孔隙水的排出，必然会改变土石地层的应力状态，使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来，出现坍塌、变形等现象，进而导致地面沉降。
2.2　地表沉降发生的原因分析
2.2.1　土层的沉降原因分析
（1）土层自身的特点：天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。孔隙水压力可以分成两部分，一个是静水压力，在荷载施加之前就存在，一个是超孔隙水压力，由外载荷引起。土体的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。粘性土有一定的厚度，水总是在土层透水面先排出，使孔隙压力降低然后向土层内部传递。这种孔压力降低的过程，一方面取决于土的渗透性，另一方面取决于在土中的位置。软粘土的渗透系数很低，固结过程很长。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移。当建筑物通过基础将压力传递给地基后或者土层下部通过土石方开挖而失去支承，土体内部将发生应力变形。从而引起地基下沉或地表下沉。
（2）施工方案的选择：预防沉降的发生，进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候，难以使土层处于稳定状态，土层将失去稳定性，进而会导致地层沉降。
2.2.2　岩石层的沉降原因分析
（1）岩石层的沉降与岩石层的地质特点有直接关系：岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。褶皱岩层核部产生许多裂隙，而背斜顶部岩层易塌落，向斜核部是储水丰富的地段，地铁隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。地铁隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂，一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。地铁隧道工程通过断裂带时易发生坍塌，车站建筑物易发生不均匀沉降等。
（2）施工方案的选择：防排水、支护等施工方式的正确选择以及方案的有效性都会影响到岩层沉降控制的效果。当方案失效的时候，可能会导致生沉降的发生。
2.3　沉降控制技术的机理
　　施工中会造成地层的地层损失、原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变，同时还可能发生支护结构的变形等情况的发生。所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性，维持其稳定的应力平衡状态。
2.4　沉降控制技术
资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：
（1）地层和地下水条件；
（2）隧道埋深和直径；
（3）施工方法。
　　其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。因此，对地铁的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。
　　地铁的施工方法主要有3种：明挖法、新奥法和盾构法。明挖法现在已经较少使用。新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。
　　2.4.1　新奥法
　　所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。
采用新奥法时主要的施工方法有：
（1）全断面开挖法，原则上是一次完成设计开挖断面，是在稳定的围岩中采用的方法；
（2）台阶开挖法；
（3）侧壁导坑环型开挖法，这是当地质条件特别差时所采用的一种方法，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。
采用新奥法施工时，地面沉陷主要取决于开挖的方法、初期支护及永久支护的时间和强度，有以下防止地面下沉的措施：
（1）改变施工方法：缩短开挖进尺，如计划1个循环1.5m，可缩短为1m或0.8m；不用全断面开挖方法，而用环型开挖方法．
（2）稳定掌子面法：掌子面的稳定是施工的前提条件，对于粘聚力小的土砂围岩，应选用辅助施工方法，如超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。
　　开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、钢管和钢板作为辅助性支护构件，用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。插入的角度应尽可能地小，以减少超挖量。开挖面喷射混凝土应尽早进行，对于土砂围岩，一般喷射3cm厚的混凝土就能防止开挖面的局部塌落。
（3）特殊施工法：有管棚法，挡墙施工法、从地表打锚杆法、特殊钢板施工法（麦塞尔插板法）、注浆法和冻结法等。
　　管棚法，是先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。这种方法，可以加固堆积层和断层破碎带等不稳定围岩，能有效防止开挖的围岩松动。但此法需要大量的设备。
　　挡墙施工法，是在隧道的两侧（或一侧）设置挡墙，控制隧道开挖时产生的松动范围。有混凝土连续墙法和钢管、H型钢和钢插板等挡墙施工法。
　　从地表打锚杆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入锚杆，四周用砂浆固结起来，这种方法能有效地防止地表下沉。
　　特殊钢插板施工法又称麦塞尔插板法，可以加固开挖面前方的围岩，防止围岩松动。这种施工方法是采用特殊加工的钢插板，用千斤顶将其顶入围岩中。但岩层中夹有鹅卵石时，施工困难，在砂岩和泥岩中效果显著。
（4）动态施工力学法，这种方法强调勘察、设计、施工、科研各环节的紧密配合，能有效减少围岩的松动区，抑制地表沉降量。
2.4.2 盾构法
盾构法是在地下暗挖隧道的一种有效方法。施工中，先在隧道的某一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向着另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受的阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具，它是一个既能支承地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构。在钢筒结构的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳状体，在盾尾可以拼装1～2环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装l环衬砌，并及时地向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。
盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。
引起地层损失的施工及其他因素是：
（1）开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。
（2）盾构后退。在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。
（3）土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。
（4）改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。
（5）盾构移动对地层的摩擦和剪切。
（6）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。
（一）地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。
（二）受扰动土的固结盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区（正值或负值）。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35％以上。
　　从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。
　　
3.结语
　　地铁隧道施工阶段及施工后期诱发的地表沉降是造成各种建、构筑物产生外观及功能上损害的主要原因,因此,控制好施工引起的地表沉降问题具有重要意义。