广州地铁二号线“越～三”区间盾构工程地表沉降原因分析 云南大理地图全图刘洪震 赵运臣
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摘要主要论述了采用复合式盾构施工，引起的地表沉降的主要因素、沉降范围。结合实测资料分析了沉降量及沉降范围与开挖模式、地层性质、土压仓压力及注浆方式、注浆量之间的关系。 关键词复合式盾构地表沉降地层损失注浆填充率
1 概述
广州地铁二号线“越~三”盾构区间工程由越秀公园站至广州火车站站、广州火车站站至三元里站两个区间双孔隧道组成。该区间水文地质状况和复杂周边环境，采用二台Herrenknecht制造的复合式盾构开挖，盾构外径6.3m，可以根据实际地质条件和地下水压力等因素选用敞开模式、气压模式、土压平衡模式三种掘进模式中的一种。以适应硬岩地层、含水软岩以及软硬混合地层的掘进。配合可靠的同步注浆系统，必要的二次补充注浆，以及后期地层注浆加固技术等辅助工法，将地表隆陷控制在规定的范围之内，从而确保安全通过桩基、广州火车站站场、广从断裂等特殊区段。
由已完成的隧道地段的地表沉降实测沉降数据分析，在开挖模式合理及采用同步注浆或即时注浆、二次补强注浆等施工工艺情况下，地表沉降基本控制在+10mm~-30mm范围内。但由于经验不足在开挖模式选择及模式转换过程中掘进参数设置不合理等因素的影响，有些地段地表沉降超出允许范围，因此有效控制地表沉降对复合盾构开挖隧道来说是必须认真研究的主要问题之一。手机北京时间毫秒表对时器
2 影响地表沉降的主要因素
影响盾构隧道地表沉降因素有开挖模式、碴土仓压力、覆土厚度、地层性质、盾尾注浆开始时间、注浆量和注浆压力、出土量及盾构推进速度等，地表沉降是这些因素综合影响的结果。为了便于定性分析各因素对地表沉降的影响，将其分别论述。
２.１ 开挖面碴土仓压力大小对地表沉降的影响 盾构法开挖隧道引起地表沉降的主要原因是土体的初始应力状态受到扰动。原地层受挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径，平衡状态受到破坏。盾构开挖面主动土压力、水压力和碴土仓土压力应始终满足公式（1），土体在开挖过程中才能保持稳定。
P z+P w≤P i（1）
式中：P z为地层压力；P w为地下水压力；P i为碴土仓压力。
在开挖面能自稳，且地下水小于1Bar时，采用敞开模式开挖，一般情况下式（1）中P i<0.1MP a；当
开挖面基本能自稳，或地下水压力在0.1MPa~0.15 MPa时，采用气压模式开挖；当开挖面不能自稳，或地下水压力大于0.15 MPa，采用土压平衡模式。
但是盾构在开挖过程中如果开挖模式不合适，或掘进参数设置不合理，造成开挖面土体松动和坍塌，特别是地下水位变化，会引起地层原始应力状态的调整和土体极限平衡状态的破坏，从而引起地表下沉。
图1为隧道左线引起纵向地表沉降与碴土仓压力关系曲线图。由图分析：隧道施工过程中，当穿过地层为微风化⑨地层和中风化⑧地层时，采用敞开模式开挖，地表下沉一般小于5mm；但地层由中风化⑧地层变为强风化⑦地层和全风化⑥地层，但开挖模式没能及时由敞开模式改为气压平衡模式或土压平衡模式，地表沉降显著增大，部分地段地表沉降接近-30mm，如图1中405环处上方地表L27沉降测点沉降值达-30.2mm；特别是在强风化⑦地层和全风化⑥地层施工时，且地下水压力较大的情况下，由于没能建立土压平衡，造成地下水大量流失，引起地表水位下降，地层中有效应力增加，使地层产生很大的固结沉降；地下水流动，使土体细颗粒产生运动，填充土体间隙，产生压密沉降。图中265环~285环处地表测点
沉降量很大，主要为地下水下降很大所致，而且沉降范围大。对周围环境和沉降敏感结构物造成一定程度
的损害。
-8
-6
-4
-2
24
环数
沉降量/碴土仓压力（c m /B a r ）
图1 左线隧道纵向地表沉降与碴土仓压力关系曲线图
２.２ 地层损失对地表沉降的影响
目前关于盾构施工对地表变形这一岩土环境问题的研究，已取得大量的成果。美国R.B.Peck （1969）首先提出地表沉降槽似正态分布的概念，地层移动由地层损失引起，并认为在不排水条件下，施工引起地面沉降量的横向分布估算公式如下：
)2exp(222
1
)(i x i
V S x −=π （2）
i
V
i V S 5.2211max ≈=π （3）
式中：Ｓ（ｘ）为沉降量；Ｖ１为地层损失；Ｘ为距隧道中线的距离；Ｓｍａｘ为隧道中线处的最大沉降量；ｉ为沉降槽宽度系数。
由经验公式可知，地表沉降与地层损失成正比，因此为了有效控制地表沉降，施工过程中必须尽可能减少地层损失．
地层损失的体积受许多因素影响。据Muir Wood 1970年提出的地层损失的选取方法：正面土体的地层损失占总体积的极限比例1%；切割边缘后面的地层损失占0.1%~0.5%。盾尾后的地层损失占0~4%。
因此在施工过程中，地层不能自稳时，及时建立土压平衡，碴土仓与开挖面土体的主动土压力相对平衡，保持开挖稳定，减小开挖面地层损失影响；盾尾后地层损失可变性很大，主要受注浆量影响，在施工过程中，根据地层条件选择合适的注浆方式和确定合理注浆量是减小该项地层损失的关键。 ２.３ 建筑间隙填充率对地表沉降的影响
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由于盾尾壳板和便于管片盾尾内安装及盾构纠偏需要，在盾尾内面与管片外径之间要留一定的空隙，而盾构外径比管片外径大0.3m。在盾尾脱出管片后,
管片与地层之间空隙称为建筑间隙。
环数
沉降量（c m ）/注浆填充率
图2 隧道中线地表沉降与注浆填充率关系曲线图
由图2分析，盾尾建筑间隙如不及时注浆，必然被周围土体填充，增大了地层损失，使地表沉降增大。隧道洞口段施工时，由于注浆操作不熟练，造成注浆不足，没有有效填充建筑间隙，地表沉降较大；在全风化⑥地层和强风化⑦地层中，地层自稳能力差，隧道开挖速度很快，采用即时注浆造成注浆困难，注浆量不足，注浆填充率只有1.0左右，是该段地表沉降较大的主要原因之一。此外注浆材料的性质影响地表沉降值及沉降速度。一般注浆填充率在130%~200%，根据地层情况和实际地层损失调整。
注浆方式可采用同步注浆或即时注浆。在能自稳的地层中，注浆方式对填充率影响不大，但在不能自稳的地层中，必须采用同步注浆，才能在正常的注浆压力下，保证注浆量，填充建筑间隙，防止地层向隧道方向移动，减小地层损失，控制地表沉降。 2.4 地下水位下降对地表沉降的影响
盾构隧道施工不可避免地对地下水产生扰动。特别是在丰含水地段，采用敞开模式开挖，可能引起地下水位大幅下降，使地层中土体有效应力增加，从而
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导致地层发生较大的固结沉降。如果遇隧道覆土有较厚的软弱地层，固结沉降占总沉降量的比重很大，而且由此引起的地表下沉范围很大，往往对周围环境产生灾害性影响。图1、图2中地表沉降较大地段，其沉降较大的原因主要是由于施工引起地下水大幅下降所致。
２.5 其它因素对地表沉降的影响
盾构施工中，盾构纠偏、盾构停机、出土量变化、管片变形等因素都对地表沉降有影响。
３ 沉降历程分析
3.1 敞开模式开挖引起的地表沉降的过程分析
图3中R1地表沉降测点典型沉降-历程曲线所示，在敞开模式下开挖，盾构施工引起的前期沉降可分为二个阶段：
①盾构通过时其上方地表略有下沉，约占总沉降的15%~30%。
②盾构通过后，由建筑间隙引起的沉降，约占总沉降的
85%~70%。
-4.5
-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.5
贵州旅游十大景点排名千户苗寨00.5沉降量（m m ）
图3 R1沉降-历程曲线图
3.2 土压平衡模式引起的地表沉降的过程分析
图4中R39测点沉降-历程曲线所示，采用土压
平衡模施工，盾构施工引起的前期沉降可分为三个阶
段：
-12
-10-8-6-4-202沉降量（m m ）
图4 R39沉降-历程曲线图
①盾构前方土体受到挤压，向前向上移动，引起地表微量隆起。
②盾构通过时其上方地表略有下沉，约占总沉降的15%~40%。
③盾构通过后，由建筑间隙引起的沉降，约占总沉降的85%~60%。
4 结论
a．复合式盾构开挖隧道引起地表沉降的因素很多，如开挖模式、注浆量、注浆开始时间、土压仓压力等，施工过程中必须综合考虑这些因素，根据地层情况，制定合适的施工方案，精心施工，把地表沉降控制在规定范围内是完全可能的。
b．地下水位下降对地表沉降影响很大，因此在施工过程中必须严格控制地下水流失，在地下水丰富，水压力比较大的地段最好采用土压平衡模式。
c．在软弱地层中，盾尾脱出管片后沉降速度很大。主要是由于没有采用同步注浆，注浆开始时间距管片脱出盾尾时间过长，造成地层坍塌，浆液不能顺利注入，注浆不足所致。所以在不能自稳的软弱地层中，盾构隧道施工只有采用土压平衡模式和有效的同步注浆才能有效控制地表沉降。
d．盾构施工中地表沉降是多种因素综合影响的结果。人为将其分开，只是便于定性分析各因素对地表沉降的影响。如刀盘压力小，可能引起地下水流失和增大地层损失。因此，控制地表沉降的关键是掘进模式和注浆方式及材料的选择。
参考文献
1 侯学渊，钱达仁，杨林德主编 软土工程施工新技术.安徽科技出版社,1999.7
2 尹旅超，朱振宏，李玉珍，袁少军等编译，日本隧道盾构新技术. 华中理工大学出版社,1999.7
作者简介：刘洪震，男,1978年6月生，大学本科，学士学位，助理工程师。
(收稿日期：2001年12月)
