第６卷第４期 ２０１０年８月 中全生产科学技术 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０１．６ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１０ 文章编号：１６７３—１９３Ｘ（２０１０）一ｏ４—００８１—０４ 基于某地铁盾构隧道施工地表沉降的分析研究 冯国冠 （广州市地下铁道总公司，广州５１０３８０） 摘要：盾构法施工技术以其特有的智能、安全、快捷、地层适用性广等特点与优势，在我国城市地 铁建设中越来越多的得到推广和应用，但此法受工程地质条件、掘进过程人为控制等因素的影响， 可能引起地表沉降。本文从盾构掘进对土体扰动而导致其平衡状态变化的角度讨论了地表沉降 的机理，对盾构施工地表沉降的发展过程进行了详细的分析，最后利用轨道交通工程某号线盾构 工程实际监测数据分析了地表沉降的一般规律，并提出防止地表沉降的控制措施，以期为类似工 程施工提供有益的参考和帮助。 关键词：地铁建设；盾构施工；地表沉降 中图分类号：Ｘ９２４．２ 文献标识码：Ａ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｂｗａｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ＦＥＮＧ Ｇｕｏ—ｇｕａｎ （Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｍｅｔｒｏ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５ １０３８０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｉｔｈ ｉｔｓ ｕｎｉｑｕｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｓａｆｅ，ｆａｓｔ，ａｎｄ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｃｉｔｉｅｓ ａｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｂｅｉｎｇ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｍｏｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｓ ｌａｗ，ｂｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆａｃ－ ｔｏｒｓ，ｍａｙ ｃａｕｓｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎ ｉｔｓ ｂａｌ— ａｎｃｅ．Ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｅｒｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｔｅｓｔ ｄａｔａ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｌａｗｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ａｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂ－ ｓｉｄｅｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｍｅｔｒｏ Ｓｈｉｅｌｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ ｕｓｅｆｕｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ Ｓｈｉｅｌｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ ｉｎｇ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ ｈｅｌｐｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｂｗａｙ；ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ 小等独特优点而在隧道施工领域独树一帜。我国盾 １ 引言 自１８２５年马克・布鲁诺第一次在英国伦敦泰 晤士河下用一个断面高６．８ｍ、宽１１．４ｍ的矩形盾 构的开发和应用始于１９５３年，东北阜新煤矿用手掘 式盾构修建了疏水巷道，上海地铁于１９９０年引进了 ７台直径６．３４ｍ的盾构机修建了１８ｋｍ的隧道Ｌ】“』。 随着盾构技术的快速普及，其在地铁建设中尤为突 构修建了第一条盾构法隧道以来，至今已有近１８０ 多年的历史，盾构法因其具有对周围环境的影响较 收稿日期：２０１０－０６—２０ 出，盾构法施工技术以其特有的智能、安全、快捷、地 层适用性广等特点，越来越多地得到应用。虽然盾 构法技术成绩斐然，但此法受工程地质条件、掘进过 程人为控制等因素的影响，可能引起地表沉降。如 何减少施工造成对地面及周边建（构）筑物的影响， 作者简介：冯国冠（１９６４一），高级工程师。 ・８２・ 中全生产科学技术 第６卷 是盾构技术人员有待解决的课题。 道管片外周环形空隙会有较大的增加，如不相应增 加压浆量，地层损失必然增加；在土压力作用下，隧 道管片产生的变形也会引起少量的地层损失；隧道 ２地表沉降的发展过程 ２．１ 地表沉降的原因 管片衬砌沉降较大时，会引起不可忽略的地层损失； 受扰动土体的固结沉降 。 ２．２地表沉降发展过程 盾构推进引起的地层损失和盾构隧道受到扰动 或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基 盾构在不同地层掘进时引起的地表变形可分为 本原因。引起地层沉降的施工及其他因素主要有： 开挖面土体移动；盾构后退；土体挤入盾构空隙；改 变推进方向；当盾构外周黏附一层黏土时，盾尾后隧 先期沉降、开挖面前沉降或隆起、盾构通过时沉降、 盾构空隙沉降、后期沉降５个阶段 ，其产生的原因 与机理如表１所示。 表１ 盾构施工引起变形的原因与机理 沉降类型 先期沉降 主要原Ｉ天ｌ 地下水位降低 应力扰动 变形机理 孔隙水眶力减少，同岩行效应力增加Ｊ 缩卡¨ 密、下沉 圈岩应力释放、扰动负荷土Ｊ蕞力 扰动 应力释放 开挖面前沉降或隆起 工作面处施加压：过大时隆起，过小时沉降 通过时沉降 施工扰动，盾构与围岩（土体）问剪切锚动，｝Ｉｊ淹 弹 惟变形 缩 弹 附：变形 盾构空隙沉降 后期沉降 围岩（土体）失去支撑，管片背后注浆不及时 结构变形、地层扰动、空隙水压下降等 土体 结 缩不１Ｊ蠕动下沉 横向沉陷测点按５０ｍ问距埋设。沿区间隧道施工 ３地表监测及沉降控制 ３．１监测基准值 影响范围内（距隧道边线约１５ｍ）的主要地下管线 上方地表纵向每隔３０ｍ布置…一个测点。 （２）地面建筑物监测 在区问隧道两侧距隧道边线约１５ｍ，特别是对 隧道两侧ｌＯｒｅ范围内地面建筑物进行监测，测点主 依据经验、工程类比、结构计算及管线状况、材 质，有关规范、规程和设计要求，制定了监控量测基 准值 ｍ 。如表２所示。在本文只讨论地表沉降 问题。 表２监控量测管理基准值 要布置在建筑物基础或承重柱上。 ３．３沉降控制措施 控制地表沉降的措施主要包括以下几个 方面 ”～Ｊ ２］： （１）地层状况及沿线建（构）筑物调查。若要在 施工过程中达到有效控制地面沉降的日的，首要的 地面隆陷 ＋１０／一３０ ＋３／一３ 上海地铁技术标准 先决条件就是在盾构隧道掘进之前对隧道施工影响 范围内的地层状况及沿线建（构）筑物进行调查。 （２）土仓压力的设定。在隧道掘进过程中，土 建筑物沉降一 盏沉＋ｓ 地下管线安全监测 ＋１０／一３０ 隧道沉降与收敛＋３０／一３。＋３／一３ ＋５／－５ 有笑规范 仓压力的设定是一个非常关键的参数，土压设定值 如偏小则导致地面下沉量增大，土压设定值如偏大 则会导致地面发生隆起现象。 （３）盾尾同步注浆参数的设定。盾构掘进过程 中，以适当的注浆压力和浆最、合理配比的注浆材料 ３．２测点布置 （１）地表沉降和地下管线安全监测 地表沉降点沿隧道轴线按５ｍ间距埋设，地表 等，在脱出盾尾的衬砌背面环形建筑 隙进行同步 第４期 中全生产科学技术 ・８３・ 注浆，这是控制或减小地表沉降或隆起的关键措施。 （４）隧道掘进过程测量的管理。测量数据能最 直接反映出地表沉降的过程，测量数据能够用于指 导施工，对沉降量较大的点，应加大控制测量的频 率，调整盾构参数，以达到控制沉降的目的。 ４工程实例分析 本工程实例引用于轨道交通工程某号线盾构施 工标段，工程主要有一组双线单圆盾构区间隧道组 成，隧道分为上行线和下行线，区间隧道采用两台德 国海瑞克公司制造的土压平衡盾构机施工。两条隧 道分别由不同建筑单位施工，由于施工经验和技术 力量存在差别，因此对施工过程控制地表沉降差异 也参差不同，具体分析过程如下。 ４．１ 工程实例地质条件和隧道监测 隧道掘进范围内主要为灰色淤泥质黏土层④层 和灰色黏性土⑤一１—１层为主，土性均匀；土质呈 饱和一软流塑状，具有高压性，低透水性，是盾构掘 进的良好地层，但由于其高含水量，大孔隙比和强度 低等特点，又极易产生流变。土层的黏粒含量均大 于１０％，施工中不存在液化现象，但由于其高黏粒 含量的特点，又极易产生流变。 隧道掘进过程中的监测主要可分为坑内监测和 坑外监测，对工程地质条件较差或周边建（构）物、 地下管线较多的点，将加大监测频率，通过监测数据 来调整盾构参数。图１为测量人员在进行地表 临测。 图１测量人员监测地表沉降 ４．２上行线盾构掘进监测 图２是上行线隧道开挖时地表沉降值，其中０ ～２００ｍ表示的是隧道的长度。 ３Ｏ ｌ５ ｇ ０ ： ． ． ． 戥 。 ．４５ ．６０ ． —７５ ＾ 图２上行线盾构掘进地表沉降曲线 从图２可以看到隧道开挖对地表沉降的影响有 以下几个特点： （１）盾构主要在灰色淤泥黏土中掘进，如图２ 所示，整个区间隧道地表沉降控制在＋１７～一 ６５ｍｍ问（其中正号表示地面隆起，负号表示地面 沉降，本文未全部表示出），整个隧道区间轴线正 上方多数沉降稳定在一３０ｍｍ左右，符合规范设计 的要求。 （２）隧道开挖地表沉降最大值发生在隧道口， 即隧道端头处，其沉降最大主要原因是有，其一盾 构进站时调整盾构姿态的需要，导致了地表的沉 降过大；其二是由于附近给水管线的施工导致沉 降过大；其三地质勘探孔的冒浆导致地层损失。 （３）除盾构端头处地表沉降较大外，在盾构施 工过程中，由该地段的地质情况较差，多为流塑性状 黏土，流变性强，受扰动后沉降也较大。 ４．３ 下行线开挖至不同进深地表沉降的影响分析 图３、图４是下行线开挖至不同进深时地表的 沉降值，图中的沉降值取自隧道中轴线正上方的地 表沉降，３～５７ｍ表示的是隧道的长度。 ． 重 ～＼ ． ．一 ｂ 。 ３ ９ ｌ５ ２ｌ ２７ ３３ ３９ ４５ ５ｌ ５ ＋开挖６ｍ ＋开挖１２ｍ ＋开挖１８ｍ 图３下行线开挖至不同进深地表沉降 ・８４・ 中全生产科学技术 第６卷 Ｉ＼ 髅 勰 如 ０ 距离隧道口距离／ｍ ＋开挖２４ｍ＋开挖３０ｍ＋开挖３６ｍ 图４下行线开挖至不同进深地表沉降 从图３、图４可以看到隧道开挖到不同进深对 地表沉降的影响有以下几个特点： （１）随隧道逐级开挖，隧道口对应的地表最大 沉降也在逐级增大。 （２）隧道开挖对地表沉降的影响区域基本贯通 全长，其中每开挖一段，其地表沉降影响区域向隧道 开挖方向约为６倍的隧道直径，在６倍隧道直径以 外地表有微小的隆起，作用不大，可以忽略不计。 ５ 结论 经过工程实践，提出如下措施，是减少盾构掘进 对地表沉降影响的重要手段，并且实践证明也是有 效的。 （１）做好信息化施工。就是及时将监测所获取 的数据反映给盾构机操作人员，可以及时调整盾构 机掘进参数，来控制地表的沉降或隆起。 （２）隧道开挖导致的地表最大沉降一般发生在 隧道开挖的起始处，对于长隧道，其最大地表沉降应 该发生在隧道的前面段，隧道的起始段应该密切 监测。 （３）隧道开挖中，在盾构推进的过程中会影响 其推进方向一定范围内土体的隆起，当其线路上方 有重要管线及建筑物时应尤为注意。 参考文献 ［１］钟茂华，史聪灵，符泰然．我国的地铁安全科技保障体系建设 ［Ｊ］．劳动保护，２００６，（１１）：７８～８１ ＺＨＯＮＧ Ｍａｏ—ｈｕａ，ＳＨＩ Ｃｏｎｇ－ｌｉｎｇ，ＦＵ Ｔａｉ－ｒａｎ．Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｐｒｏｔｅｃｔ ｏｕｒ ｃｏｕｎｔｒｙ’Ｓ Ｍｅｔｒｏ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｌａｂｏｒ Ｐｒｏｔｅ＇ｃｔｉｏｎ，２００６， 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ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｅｉｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，４（１）：５３～５８ ［８］侯建增．基坑工程安全控制探讨［Ｊ］．中全生产科学技术， ２００９，４（５）：１８１～１８３ ＨＯＵ Ｊｉａｎ—ｚｅｎｇ．Ｄｉｓｕｓｓｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｃｏｕｔｍｌ ｉｎ ｇｒｏｕｎｄ ｐｉｔ ｅｎｇｉｎｅｅｒ－ ｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，４（５７： ｌ８ｌ～ｌ８３ ［９］ 石杰红，钟茂华，何理，史聪灵，符泰然．双线盾构地铁隧道施 工地表沉降数值分析［Ｊ］．中全生产科学技术，２００６，２ （３）：５３～５７ ＳＨＩ Ｊｉｅ—ｈｏｎｇ，ＺＨＯＮＧ Ｍａｏ—ｈｕａ，ＨＥ Ｌｉ，ＳＨＩ Ｃｏｎｇ—ｌｉｎｇ，ＦＵ Ｔａｉ— ｒａｎ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄｏｕｂｌｅ—ｔｕｂｅ ｐａｒａｌｌｅｌ ｔｕｎｎｅｌｓ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｃｏｎｓｔｕｒｃｔｅｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓａｆｅｔｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６，２（３）：５３—５７ ［１Ｏ］ 赵保建，姜忻良，王涛．盾构法地铁施工地表变形分析及 值 模拟［Ｊ］．现代隧道技术，２００７，４４（２）：５８～６３ ＺＨＡＯ Ｂａｏ－ｊｉａｎ，ＪＩＡＮＧ Ｘｉ－ｌｉａｎｇ，ＷＡＮＧ Ｔａｏ．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｇｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔｏ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｎｄ ３Ｄ—ＦＥ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｍ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，４４（２）：５８ ～６３ ［１１］地髓［学会著．牛清山，陈风英、徐华译．盾构法的调查・没 计・施：ｒ＝［Ｍ］．北京：『『１国建筑出版社，２００８ ［１２］钟茂华，王金安，史聪灵，等，地铁施工围岩稳定性数值分析 ［Ｍ］，北京：科学出版社，２００６
