1 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降的構(gòu)成及機(jī)理研究
1.1 盾構(gòu)到達(dá)前的前期地表沉降
盾構(gòu)過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)地面在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前會(huì)發(fā)生不同程度地沉降，這就是前期地表沉降。對(duì)于前期地表沉降的產(chǎn)生原理，有兩種說(shuō)法。一說(shuō)法認(rèn)為這是由施工導(dǎo)致水位變化，水位下降一定程度上增加了有效應(yīng)力，使得地表在盾構(gòu)到達(dá)前就產(chǎn)生了沉降。另一種說(shuō)法認(rèn)為隧道開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致土體重分布及應(yīng)力釋放，這是引起地表沉降的主要原因。隨著研究的深入，第二種方法更獲認(rèn)可。
1.2 盾構(gòu)施工擾動(dòng)的地表沉降
盾構(gòu)掌子面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)下方直至盾尾通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)下方時(shí)段內(nèi)的地表沉降，并含盾尾空隙引起的沉降量，被稱(chēng)之為盾構(gòu)施工擾動(dòng)引起的地表沉降。造成該部分沉降的基本原理是開(kāi)挖過(guò)程造成土體擾動(dòng)，破壞原有土體平衡及補(bǔ)壓漿不及時(shí)造成盾尾空隙，從而引起地表沉降。
1.3 后期固結(jié)地表沉降
盾構(gòu)過(guò)斷面后，土體會(huì)固結(jié)或者次固結(jié)，這也會(huì)引起地表沉降，這種沉降稱(chēng)之為后期固結(jié)地表沉降。此階段的沉降會(huì)隨著時(shí)間而改變。原理為盾構(gòu)施工引起地下水位改變，致使土體應(yīng)力失衡，從而出現(xiàn)沉降來(lái)恢復(fù)平衡。后期固結(jié)地表沉降約為總沉降的5%~30%，導(dǎo)致后期地表沉降的因素有以下一些：
?。?）施工工藝、地質(zhì)條件以及管理水平土體力學(xué)性質(zhì)以及土體被擾動(dòng)后導(dǎo)致孔隙水壓力改變是產(chǎn)生后期固結(jié)地表沉降的根本原因?？紫端畨毫ψ兓目炻c采用的工藝、地質(zhì)條件、管理等因素相關(guān)。地質(zhì)條件和工藝的改變會(huì)導(dǎo)致沉降槽形狀變化和地表沉降值變化。（2）襯砌變形襯砌變形也會(huì)引起后期固結(jié)地表沉降，鑒于襯砌的大剛度，可以忽略這部分影響。
2 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降主要影響因素
2.1 環(huán)境因素
最重要的影響因素就是環(huán)境因素。環(huán)境因素主要包含地層變形狀況、巖性地質(zhì)和地下水情況以及土體性質(zhì)。展開(kāi)來(lái)說(shuō)，包含地層空洞、土層變化大、勘察資料不全、土層參數(shù)變化(壓縮模量、摩擦角、內(nèi)黏聚力)等因素。
2.2 施工因素
?。?）盾構(gòu)掘進(jìn)方面①盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定不合適；推進(jìn)速度、總推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)扭矩等對(duì)地面沉降的影響很大；②出土量過(guò)大；③盾構(gòu)過(guò)程中出現(xiàn)超挖、欠挖、糾偏、后退等問(wèn)題；④盾尾密封失效、監(jiān)控量測(cè)反饋信息反饋不及時(shí)等會(huì)導(dǎo)致地面沉降；⑤采取合理措施可以一定程度地預(yù)防地面沉降，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，應(yīng)采取合理措施來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)；反之，未采取合理措施會(huì)導(dǎo)致地面沉降的加劇。
?。?）管片拼裝方面①管片拼裝不合格。包含橢圓形拼裝，錯(cuò)臺(tái)、破損等情況，這些情況會(huì)導(dǎo)致地面沉降；②管片螺栓未擰緊。管片之間的螺栓未擰緊會(huì)導(dǎo)致接縫張開(kāi)過(guò)大、以及薄弱部位質(zhì)量差等情況的發(fā)生，從而導(dǎo)致地面沉降；③管片相關(guān)構(gòu)件銹蝕。包含螺栓銹蝕和外側(cè)金屬構(gòu)件銹蝕兩種。
2.3 人員因素
人員是工程建設(shè)最重要的要素；人材機(jī)法環(huán)五種要素中，人進(jìn)行工程勘察獲取地質(zhì)資料，人掌握機(jī)械調(diào)度以及機(jī)械使用，人決定施工方法，人選取材料并進(jìn)行材料調(diào)度；從這里可以看出人員的重要性，當(dāng)施工人員經(jīng)驗(yàn)不足時(shí)，進(jìn)而影響后續(xù)工作而導(dǎo)致地面沉降的可能性是有的。
3 地鐵盾構(gòu)工程地面沉降控制
3.1 盾構(gòu)施工地面沉降監(jiān)測(cè)方法
盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中頂面沉降監(jiān)測(cè)是最主要的檢測(cè)項(xiàng)目，其中監(jiān)測(cè)技術(shù)方法包含以下幾種:液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量方法、分層沉降儀測(cè)定法、幾何水準(zhǔn)測(cè)量方法和側(cè)斜儀測(cè)定方法。
檢測(cè)基準(zhǔn)傳感器點(diǎn)的布設(shè)原則:布設(shè)位置要求距最近盾構(gòu)掘進(jìn)軸線垂直距離大于25m，采用防日照和干擾的措施，其位置穩(wěn)定可靠。監(jiān)測(cè)傳感器的布設(shè)原則:布設(shè)要求建在建筑物較敏感位置，施工擾動(dòng)最大危害位置，橫向沉降槽2/3徑向區(qū)間。
3.2 地面沉降的安全控制
地面沉降控制的總原則是，采取各種措施保持隧道周?chē)鷰r土體穩(wěn)定，防止水土流失，進(jìn)而控制地面沉降。針對(duì)不同工程的具體情況，結(jié)合地面沉降的不同階段，盾構(gòu)法隧道施工應(yīng)采用施工前預(yù)防地面沉降的處理措施和施工過(guò)程中的補(bǔ)救加固措施，包括注漿、錨桿、鋼板樁、旋噴樁、攪拌樁加固，采用凍結(jié)法施工或素混凝土墻等，對(duì)盾構(gòu)隧道上覆和兩側(cè)地層進(jìn)行加固，有效預(yù)防和控制盾構(gòu)法施工引起的地面變形與發(fā)展。盾構(gòu)法隧道的地面沉降控制，要綜合考慮地表建(構(gòu))筑物、地下管線及地層和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等因素，分別確定其允許的地表沉降值，并取最小值作為控制基準(zhǔn)值。具體施工過(guò)程中，可設(shè)置預(yù)警值、報(bào)警值和極限值來(lái)進(jìn)行分級(jí)控制。預(yù)警值一般為極限值的60%，當(dāng)?shù)乇沓两颠_(dá)到該值時(shí)，應(yīng)采取必要的控制措施并密切監(jiān)控沉降的進(jìn)一步發(fā)展;報(bào)警值一般為極限值的80%，達(dá)到該值時(shí)，要立即采取有效措施和手段對(duì)地表沉降進(jìn)行控制;極限值則是地表沉降允許的最大值，超過(guò)該值將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞等嚴(yán)重工程事故，這在工程中是絕對(duì)不允許的。
3.3 施工控制措施
1）在施工現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，從橫向、縱向?qū)Φ孛娴某两颠M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)有瞬時(shí)變形超過(guò)或都及時(shí)尋找原因及時(shí)解決問(wèn)題。在盾構(gòu)機(jī)經(jīng)過(guò)時(shí)，地表變形只要接近沉降控制的預(yù)警值，就必須對(duì)盾構(gòu)機(jī)的出土量、速度進(jìn)行調(diào)整，找到最佳施工參數(shù)。采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行匯總比較，及時(shí)反饋沉降信息給盾構(gòu)司機(jī)，對(duì)地面的沉降進(jìn)行全面的控制。
2）盾構(gòu)幵始掘進(jìn)后，同步注獎(jiǎng)過(guò)程不均勻，推進(jìn)過(guò)程中有時(shí)注架壓力大，注菜量不足，有時(shí)注裝量少，甚至出現(xiàn)不注聚情況，造成對(duì)土體結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)破壞，引起地層變形量過(guò)大。施工中首先根據(jù)地面變形情況及時(shí)調(diào)整注菜量、注楽部位，在沉降大的部位采用補(bǔ)壓梁進(jìn)行控制，同時(shí)更換損壞的盾尾，或采用在盾構(gòu)機(jī)尾部?jī)?nèi)墊海綿對(duì)盾構(gòu)機(jī)尾部進(jìn)行堵漏。
3）管片拼裝時(shí)，同環(huán)相鄰的管片相互位置容易發(fā)生變動(dòng)，造成縱縫出現(xiàn)前后口八、內(nèi)外張角、內(nèi)弧面產(chǎn)生踏步、縱縫過(guò)寬、兩塊管片相對(duì)旋轉(zhuǎn)等質(zhì)量問(wèn)題。施工中在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)開(kāi)啟騎縫的千斤頂，來(lái)控制環(huán)面平整。在管片脫出盾尾時(shí)，環(huán)向螺栓在進(jìn)行一次復(fù)緊，因?yàn)楣芷恢車(chē)馏w包裹以后橢圓度會(huì)相對(duì)地減小，縱縫壓實(shí)密集程度提高，局部加貼楔子，改善縱縫質(zhì)量保證注裝效果來(lái)減小地面沉降。
3.4 加強(qiáng)人員的控制
在施工期間要將地質(zhì)條件不佳的路段進(jìn)行沉降觀測(cè)并了解具體的地面沉降情況，選擇有經(jīng)驗(yàn)的人員以及施工單位可以較為精準(zhǔn)得出地面沉降的大致規(guī)律以及變化的主要趨勢(shì)。所以綜合看來(lái)，這種地面沉降的控制方法可行性還是比較高的。同時(shí)需要定期進(jìn)行人員培訓(xùn)，從而能夠更好的提高人員的專(zhuān)業(yè)水平，確保工程的有效開(kāi)展。
