盾构沉降规律及参数优化

课题研究报告

一、前言

近年来，随着我国经济的迅速增长，我国的地下铁道建设开始进入大发展时期。目前中国有约20多个大城市正在建设和筹建自己的轨道交通。其中，北京、上海、广州、沈阳、天津、西安、成都、深圳、南京正在建设地铁网络。此外，大连、青岛、长春等城市也在兴建和拟建地铁和轻轨交通。

修建地铁等城市地下工程，有明(盖)挖法、暗挖法、盾构法等，各种方法都有其优缺点和适用条件，而盾构法却以其诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。盾构法是一种施工过程中依靠自身刚性支护不断地在前方开挖土体，在盾尾进行管片拼装和壁后注浆的隧道施工方法。该法可在大范围的工程地质和水文地质条件下使用，具有机械化程度高和施工速度快等优点。但是在城市地下开挖隧道，由于地表建筑和地下管线密集，施工时不可避免的会对土体产生扰动，引起的土体变形和位移可能影响到既有地面建筑和地下管线等市政设施。如果在隧道掘进过程中，不能对周围地层的特性做出精确的预测，不能获得隧道周围土体的变形特征，那么施工将可能对隧道周围的地下管线以及地表结构物造成巨大破坏。因此，预测并监控在盾构掘进过程中土体受施工扰动的变形位移和地表沉降，研究各地表建筑物与地下管线等的安全承受标准，进而对盾构掘进主要参数进行有效控制，制定一套完善的措施，确保施工区域既有结构物和地下管线等重要设施的安全是非常重要的，而且具有现实意义。

二、研究目的

本课题以沈阳地铁一号线第五标段启工街站～重工街站盾构区间工程作为研究项目，预测盾构掘进过程中土体受施工扰动的变形位移和地表沉降，并对区间地表建筑物与地下管线等安全承受标准进行研究，进而对盾构掘进主要参数进行分析与研究控制，制定一套完善的措施。为盾构施工提供安全保证和技术支持。

三、课题研究人员组成及职责

课题研究人员组成及职责表

关于盾构施工对土体扰动问题的研究，目前大多集中于探讨地层变形和地表沉降对邻近建(构)筑物和地下管线的影响，这些方面的研究已取得了小少成果。美国R. B. Peck (1969)通过对隧道地表沉降的实测数据分析，提出了地表沉降曲线近似呈概率正态分布曲线的概念，认为施工引起的地表沉降是在不排水的条件下由地层损失所引起，地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。并提出地面沉降横向分布估算的公式为:

式中:Sx-隧道两侧横向上距隧道中心x处的地面沉降量(m) ;

     X——隧道两侧横向卜距隧道中心的距离(m)

     V1——盾构隧道单位长度的地层损失量(m3/m) ;

     Smax——隧道中心处的最大沉降量(m) ;

     i——曲线反弯点离隧道中心的距离(m)，亦称沉降槽宽度系数。

英国是世界上最早修建地下铁道的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降问题研究较多。它们的大部分下作是由TRRL (Transport and Road Research Laboratory)所进行的。Clough & Schmidt(1974)在其关于粘土隧道工程的著作中，提出了饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数i由如下公式求取:

   i /R= (7/2R) 0.8

式中:Z—地面至隧道中心深度((m);

    R—隧道半径(m)。

欧洲其它许多国家和美国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表沉降问题进行了许多研究，他们大都采用Peck公式或基于英国学者所提出的以经验公式为主的方法进行预计。

刘建航(1975)总结了我国在上海等地区软土隧道工程的经验，根据Peck公式的基本原理，推导出盾构正常施工引起地面沉降的纵向分布计算公式。

同济大学侯学渊等(1987)对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行计算分析，并与现场测试结果对比，提出了考虑到固结因素的Pcck修正公式。

五、盾构隧道施工控制标准分析

5.1地表沉降与变形对结构的影响分析

隧道施工引起的地表沉降和变形对结构物的影响因素很多，除地层特征以外，结构物遭受损害的程度与结构物的基础与结构型式、结构物所处的位置，以及地表的变形性质和大小有关。

隧道开挖施工引起的对于地表以及建筑设施的损害可以分为直接开挖损害和间接开挖损害两种情况。位于主要影响范围的对象(结构物、管线、道路等)所受的损害称为直接开挖损害。但是在个别情况下，在主要影响范围以外比较远的地方，也可以发现开挖影响的存在，这种影响也与隧道开挖施工有关，称为间接开挖损害，如开挖引起的大范围的地下水的变化对环境的影响等。常见的开挖损害可以下列形式表现出来。

1、地表沉降损害

地表的均匀沉降使结构物产生整体下沉。一般说来，这种均匀下沉对于结构物的稳定性和使用条件不会产生太大的影响，但是过量的地表下沉，即使是均匀的，也有可能从另一方面带来严重的问题，如下沉较大，地下水位较浅时，会造成地面积水，不但影响结构物的使用，而且使地基土长期浸水，强度减低。对于市政道路或铁路线路，沉降会使得整个线路方向产生不平顺。

不均匀沉降引起结构物产生结构破坏裂缝，会严重影响工程质量。在砖混结构中，不均匀沉降产生的裂缝较为常见。对于框架结构，结构物的不均匀沉降将使框架产生附加轴力，框架梁产生附加剪力和弯矩。对于运营的既有铁路线路，不均匀沉降产生轨道差异沉降，可能引起列车的倾倒，还可能产生轨向变化，引起列车脱轨事故。

2、地表隆起损害

盾构机掘进时，当千斤顶推力大于静止侧压力、机身与地层间的摩擦力之和时，前方土体受到挤压，引起地表隆起。地表的隆起，使坐落在地基上面的结构物产生倾斜和弯曲，危及结构的安全。

3、地表倾斜损害

虽然地层沉降本身对结构物不至于产生严重的损害，但是地层不均匀的沉降所导致的地表倾斜改变了地面的原始坡度，将可能对结构物产生危害。地表倾斜对于高度大而底面积小的高耸结构物，如烟囱、水塔、高压线塔等的影啊较大。它使高耸结构物的重心发生偏斜，引起附加应力重新分布，结构物的均匀荷重将变成非均匀荷重，导致结构物结构内应力发生变化而引起破坏。对于普通楼房，即使不丧失稳定性，过量倾斜会使结构物的使用条件恶化。

4、地表水平变形损害

地表水平变形有拉伸和压缩两种，它对结构物的破坏作用很大，尤其是拉伸变形的影响，结构物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲，屋顶鼓起。

由于结构物对于地表拉伸变形非常敏感，位于地表拉伸区的结构物，其基础底面受有来自地基的外向摩擦力，基础侧面受有来自地基的外向水平推力的作用，而一般结构物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸变形足以使结构物开裂。

5.2结构物的保护等级和变形标准

任何地面及地下结构物均有一定的结构强度，有一定的安全系数，即有一定抵抗地面位移和变形的能力，结构物的容许变形系指结构物在地表变形值的范围内并不影响正常使用，为结构物所容许的数值。各种不同类型的结构物，因其基础形式和上部结构型式不同，它们抵抗变形的能力也各异。

我国规定结构物的容许变形值为:拉伸2mm/m、倾斜3mm/m、曲率半径5km。为了保证结构物的安全，《建筑地基基础设计规范》规定结构物的地基变形允许值:当地基为高压缩性土时，单层排架结构(柱距为6m)柱基的沉降量为200mm ;高耸结构基础的沉降量，当结构物的高度小于100～250m时，地基变形允许值为400～200mm 。

对于在既有地铁车站结构下面施下隧道，施下前需对既有结构状态进行调查检测与评价。然后应根据地铁运营安全要求和相关规范规程的要求，结合既有线的实际情况进行警戒值的确定。铁道部《铁路线路维修规则》中对线路的要求如下:对到发线静态轨距的容许偏差规定为+8～-4mm;对到发线静态水平的容许偏差规定为6mm;对到发线静态高低的容许偏差规定为6mm;对到发线静态轨向的容许偏差规定为6mm;对行驶速度v≤1OOkm/h按保养标准的动态轨距容许偏差规定为+12mm和－8mm;对v≤1OOkm/h按保养标准的动态水平容许偏差规定为≥12mm;对v≤1OOkm/h按保养标准的动态高低容许偏差规定为12mm;对v≤1OOkm/h按保养标准的动态轨向容许偏差规定为l0mm。

因此，对于盾构穿越既有结构物的保护问题，要根据结构物本身的结构功能、运营功能等来进行确定。

5.3地表沉降的控制基准分析

在实际工程施工中，由于工程的地质条件不同，施工方法和技术、管理等不同，为了保护地面结构物的安全以及围岩和结构的稳定，还应当针对每一个具体工程提出一个地表下沉控制基准值作为施工监测指标。我国目前盾构法施工时提出的施工控制标准为:施工期隆起量+1Omm，沉降量－30mm。

在本工程中，沉降对既有结构的危害主要表现在地面不均匀沉降引发的结构物倾斜。我国和国外的规范给出了各种结构物的允许倾斜，譬如砌体承重结构基础之局部倾斜在2～3％以内，多层及高层建筑物控制在1.5～4％以内。根据给出的允许倾斜度和实测某种条件下的沉陷宽度，就可以反推出该种条件下的地表最大下沉允许值。

地下工程在施工时产生沉降，在其影响范围之内将对上部结构物产生不良影响。根据以往工程施工的经验，横向地表沉降规律可以采用Peck曲线描述。这里不考虑结构物偏距的影响，以结构物在隧道正上方进行考虑。

1、结构物相邻柱基间距小于或等于沉降槽拐点i时

由基础产生的倾斜值不大于相应结构物允许倾斜值可知:

式中：L－结构物相邻柱基础间距；

[f]－结构物的允许倾斜；

△s－差异沉降值。

由沉降槽曲线可知，在拐点i处曲线斜率最大，以此极限条件下的坡度值不大于相应结构物允许倾斜值作为条件。此时，差异沉降达到最大。从而获得容许最大沉降差为：

在peck曲线中，当X＝i时，地表下沉的最大斜率为；

取极限条件； 

所以； 

假定结构物最大容许倾斜与相等，此时地表最大容许沉降量为；

2、结构物相邻柱基间距大于或等于2i时

沉降对结构物的影响除倾斜外还含有基础的挠曲变形，图1表示了结构物基础受弯的最不利位置，当沉降过大时，有可能导致结构物基础的断裂及上部结构压性裂缝的产生。由于不同结构物基础的受力条件、荷载分布、建筑等级等不尽相同，难以准确地加以描述，这里以建筑基础的允许应变作为计算控制基准的极限条件。即: 

式中；［S］地表容许沉降量

－基础的极限抗拉强度；

E－基础弹性模量。

图1 隧道施工对结构物影响示意图

六、盾构隧道施工监测及结果分析

6.1工程概况

重工街—启工街区间起点设计里程为DK6+052.818，终点设计里程为DK6+828.040，区间长度为775.222m。区间隧道为单洞单线圆形断面，盾构法施工，线间距分别为13m。区间隧道结构底最大埋深19.723m（覆土厚度13.723m），

最小埋深13.86m（覆土厚度7.86m）。

启工街—保工街区间起点设计里程为DK7+997.240，终点设计里程为DK7+946.098，区间长度为948.858m。区间隧道为单洞单线圆形断面，盾构法施工，线间距分别为13m。

隧道结构底最大埋深22.03m（覆土厚度16.03m），最小平均埋深15.093m（覆土厚度9.093m）。

6.2工程地质、水文地质概况

根据勘探揭示，深度范围内可分为第四系全新统（Q4）人工堆积层（Q4ml）、浑河高漫滩冲积层（Q42al）及浑河新扇冲洪积层（Q41al+pl）；第四系上更新统（Q3）为浑河老扇冲洪积层（Q32al+pl）；第三系（N）砂砾岩。

浑河高漫滩、浑河新扇、浑河老扇地层，分别由一套从细粒逐渐变粗沉积层组成，一般为粘性土、粉土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土，粉砂、细砂少见，局部地段部分地层缺失。 

区间见两层地下水，第四系浑河新扇冲洪积粉质粘土（-1）为隔水层，层厚0.20～6.50m。上层地下水赋存于全新统浑河高漫滩冲积中、粗砂（-3）、砾砂层（-4）中，属孔隙潜水含水层，初见水位埋深为4.00～11.00m，稳定水位埋深为6.50～10.34m；下层地下水主要赋存于第四系浑河新扇和上更新统浑河老扇冲洪积中、粗砂（-3、-3、-5-3、-4-3）、砾砂层（-4、-4）、圆砾层（-3-5、-5、-5、-4-5）中，属孔隙承压水，承压水头埋深为11.335m，水头标高为29.112m（SA-40-1孔，2003年9月24日）。

渗透系数一般在50～100m/d之间，水力坡度约1‰左右。

6.3监测的目的

在地铁施工期间对地铁施工沿线周围重要的地下、地面建筑物构筑物、管线、地面及道路的位移实施监测，为业主提供及时、可靠的信息用以评定地铁施工对周围环境的影响，并对可能发生的危及环境安全的隐患或事故及时、准确地预报让有关各方有时间作出反应，避免事故的发生。监测的目的具体包括：

1、通过监测了解个施工阶段地层与支护结构的动态变化，把握施工过程中结构所处的安全状态。

2、通过对监测数据的处理、分析，采取工程措施来控制地表下沉，确保地面交通顺畅和地面建筑物的正常使用。

3、用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，以确保建筑物（构筑物）及作业人员和居民的安全。

4、通过监测对工程施工可能产生的环境影响进行全面的监控。

6.4监测依据

沈阳市地铁一号线一期工程重工街站～启工街站区间、启工街站～保工街站区间施工设计图纸；

沈阳市地铁一号线一期工程第五合同段招标文件；   

中华人民共和国国家标准《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》GB50308-1999；

中华人民共和国国家标准《地下铁道工程施工及验收规范》GB50299-1999；

《建筑变形测量规程》JGJ/T8-97。

6.5监测项目及方法

1、监测内容 

（1）环境安全（施工对邻近地面、建筑物、地下管线的影响）；

（2）区间盾构施工过程中，拱顶的沉降和隧道上浮。

（3）区间盾构施工过程中，隧道周边收敛。

2、监测项目

                        监 测 项 目 表                       表 1

3、监测频率和测点布设

       测 点 布 设 原 则                        表2

采用《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》(TBJ108-92)的Ⅲ级监测管理并配合位移速率作为监测管理基准，即将允许值的四分之三作为警告值，允许值的三分之一作为基准值，将警告值和允许值之间称为警告范围，实测值落在此范围，应提出警告，说明需商讨和采取施工对策，预防最终位移值超限，警告值和基准值之间称为注意监测的Ⅲ级管理见下表。

                          监测管理表                           表 4

                      监控量测允许值Un                       表5

（1）监测目的

监测和掌握盾构施工过程中地面点的垂直位移变化情况和垂直于盾构轴线方向量测断面土体沉降的特点。

（2）监测仪器

监测仪器：徕卡DNA03电子水准仪，变形观测专用铟钢尺。

水准仪精度：±0.3mm/km。

拓普康自动安平水准仪，精度：±0.4mm/km

（3）测点布设

图2  盾构区间地面沉降测点横断面布置图

盾构始发、吊出段100米范围内，每20米设一断面，其余地段每50米设一

断面，每断面横向设置10个观测点。具体位置见图2。

路面厚度

地面沉降观测点应穿越表面坚硬土层和道路结构层，设置在天然土体上。测点的形式见图3。

Ф16钢筋

水泥砂浆填实

图3   地面沉降监测点

（4）监测方法

利用水准仪观测测点高程的方法，掌握地表垂直位移变化情况。量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相较，差值即为累计沉降值。

做到固定人员、固定仪器、固定路线、固定时间四固定以确保测量数据的准确性。

盾构掘进前进行地表沉降点初始值的采集，初始值的采集应不小于三次。量测时间应固定在同一时间段内完成，以消除外界变化对量测结果的影响。施工开挖过程中，根据施工进度对各点的数值进行采集。

（5）数据分析与处理

绘制地表变形-时间变化曲线图、地表变形-开挖深度变化曲线、位移变化速率曲线等。结合开挖进度进行相关的分析，形成阶段性报告。

6、建筑物沉降监测

（1）监测目的

建筑物监测目的是确保建筑物的安全。对基坑周边30米范围内的建筑物施工过程中的沉降和变形进行监测，获得监测数据，及时反馈给掘进值班工程师保证施工的安全性，以便尽早发现问题，合理安排施工，提前对薄弱环节进行支护。

（2）监测仪器

监测仪器：徕卡DNA03电子水准仪，变形观测专用铟钢尺。

水准仪精度：±0.3mm/km。

拓普康自动安平水准仪，精度：±0.4mm/km。

（3）测点布设

布设原则：

a.建筑物的四角处

b.高低层或新旧建筑物连接处两侧，纵横墙交接处

c.建筑物沉降缝、施工缝两侧

d.不同的基坑形式交接部的两侧

根据上述原则对建筑物上的监测点进行布设。同时平时还应对建筑物进行目测巡检，发现异常情况时，一方面跟踪监测，一方面分析原因，及时上报，以便及时采取有效措施。

测点埋设先用冲击钻在建筑物墙体上钻孔，然后放入沉降测点，测点一般采用长200～300 mm膨胀螺栓制成，螺栓顶端配有特制圆头螺帽。测点四周用水泥砂浆填实。待测点完全稳定后，即可开始测量。

（4）监测方法

利用水准仪观测测点高程的方法掌握建筑物垂直位移变化情况。量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相较，差值即为累计沉降值。

建筑物的水平位移监测主要利用建筑物的垂直边（如楼房侧墙、立柱等）使用经纬仪进行观测。

重要建筑物或者离隧道15米以内的建筑物，采用事先拍照的方法以记录建筑物的现状及其裂缝发展的过程。

（5）数据分析与处理

绘制建筑物的沉降－时间曲线，沉降速率曲线，计算建筑物沉降差，分析建筑物的倾斜和局部倾斜特点。提供阶段性的分析和总结报告。发现异常值及时反映给相关的技术负责人。

7、地下管线沉降监测

（1）监测目的

目的是确保盾构施工过程中管线的安全。 重工街－启工街区间沿地铁线路及两侧有数条地下电缆、通讯电缆、上水管道等，沿肇工北街有数条地下管线、排污管道等，在辽宁金帝路桥建设有限公司东侧地下2.40米处有一2.4×1.80m砼排污管道（结构底高程为36.65m）斜穿本场地，之后在距居民楼约16.0m处与地铁线路并行。

启工街—保工街区间地下管线复杂且多。

 本次监测重点在于按规定的频率进行管线沉降的监测，及时反馈数据，进行分析和预测，确保施工过程中上述管线的安全。发现管线变形量有继续发展趋势，应提前采取措施，避免事故的发生。

（2）监测仪器

监测仪器：徕卡DNA03电子水准仪，精度：±0.3mm/km；变形观测专用

铟钢尺。拓普康自动安平水准仪    精度：±0.4mm/km

（3）测点布设

图5. 地下管线观测点Ⅱ

图4.地下管线观测点Ⅰ

地下管线测点重点布设在煤气管线、给水管线、污水管线、大型的雨水管及电力方沟上。测点布置时要考虑地下管线与隧道的相对位置关系。有检查井的管线应打开井盖直接将监测点布设到管线上或管线承载体上；无检查井但有开挖条件的管线应开挖暴露管线，将观测点直接布到管线上；无检查井也无开挖条件的管线可在对应的地表埋设间接观测点。

管线沉降观测点的设置根据需监测管线的材质不同采用不同的埋设方法。当管线材料为铸铁管道或者表面有铁箍等，采用直接将顶端磨圆的钢筋焊接在管道顶端，将管道变形引至地表进行测量的方式埋设测点，如图5左侧所示。当管道为PVC、PPR、混凝土等材质时，采用抱箍式，布设时抱箍中部连接筋延长至地表附近，将管线沉降点引至地面，抱箍两端用螺栓拧紧，如图4右图所示。当现场条件无法对管线进行挖掘暴露时，可用通过测量管底土体的沉降间接评价管线沉降。间接测点见图4右侧。

    测量的过程中，对于每次的监测结果根据沉降换算出管线的曲率，对施工起指导作用。

（4）监测方法

沉降：利用水准仪观测测点高程的方法掌握地表垂直位移变化情况。量测各测点与基准点之间的相对高程差，本次所测高差与上次所测高差相比较，差值即为本次沉降值，本次所测高差与初始高差相比较，差值即为累计沉降值。

水平位移：测边角法。 利用徕卡TCRA1201R300全站仪，以观测点为测站测出对应基准线端点的边长与角度，求得偏差值。角度观测测回数与长度的丈量精度要求，应根据要求的偏差值观测中误差确定。

（5）数据分析和处理

    绘制各条管线水平位移－时间曲线，沉降值－时间曲线，水平位移－沉降关系曲线。结合施工进程，提交阶段性分析报告。

6.6监测结果分析

1、横向地表沉降

本文从重启区间右线选取了4个监测断面的横向地表沉降数据进行分析。这四个监测断面分别为DK6+538.120断面、DK6+565.290断面、DK6+590.295断面和DK6+608.680断面。根据盾构施工过程，采取连续测量，对这四个监测断面从盾构距离该断面30米开始测量，直到盾构通过该断面40米后并且该断面地表沉降趋于稳定才停止监测。这四个监测断面的地表横向沉降槽如图6～图9所示。实测形成的最终地表横向沉降槽曲线表明沉降槽的形状与正态分布函数的图形基本一致。

图 6 DK6+538.120断面横向地表沉降历程图

图 7 DK6+565.290断面横向地表沉降历程图

图 8 DK6+590.295断面横向地表沉降历程图

图 9 DK6+608.680断面横向地表沉降历程图

根据地表沉降槽曲线，可以看出:

(1)地表横断面的沉降槽类似于正态分布曲线，当盾构机在地势平坦且无地面荷载的情况下最大沉降量发生在隧道中心，如DK6+590.295断面;当地势不平坦或者存在地面荷载情况下最大沉降量发生在隧道中心附近，最大沉降量偏离隧道中心的距离要视地面荷载和覆土厚度决定。

(2)盾构施工引起的地表沉降的可以分为五个阶段:

①盾构到达前地表沉降，此时盾构机距离观测断面-30～10m左右，在本阶段，地表沉降值较小，为1～2mm，是最大沉降值的5%～10%。

②盾构到达时的地表沉降，此时盾构机距离观测断面为-15～0m，如果土仓土压力较高，这个阶段可能引起的地表隆起，如DK6+608.680断面。从普遍数据来看，这个阶段沉降为2～4mm，为最大沉降值的10%～20%。

③盾构通过时的地表沉降，此时盾构机距离观测断面为0～10m，由于盾构与土层之间的摩擦剪切力，以及盾构“抬头”和“叩头”等引起砂性土体内的应力变化，这个阶段的沉降一般会有突然变化，为5～8mm，为最大沉降值的30%～50%。

④盾构通过后管片脱出盾尾时的地表沉降，此时盾构机距离观测断面为10～40m，主要由于“盾尾间隙”和应力释放引起的，这个阶段沉降很大，为5～8mm，占最大沉降值的30%～50% 。

⑤盾构通过后长期固结沉降，是由于土体受盾构掘进扰动，土体再固结引起的，在盾构后方40m以外，这个阶段的沉降值不大，一般占最大沉降值的10%以内。

(3)地表沉降横向影响范围大约在30米内，盾构施工主要影响区在隧道轴线左右5米范围内，四个监测断面的地表沉降拐点都位于盾构隧道轴线中心左右5米之内，在这一区域，沉降槽体积占总体积的60%～70%，其沉降的平均值占最大沉降值的60%～80%。

(4)施工因素对地表沉降有着较大的影响。开挖时的土压力大小、同步注浆的压力、注浆量、二次注浆等因素对地表沉降有着重要影响。

(5)推进时同步注浆多少对地表最终沉降有较大影响，比较四个监测断面的沉降，在DK6+538.120断面，由于注浆量大，使得其最终沉降相对于其他断面小得多。因此，在盾构施工时，应加强监测和信息反馈，及时调整施工参数。

2、纵向地表沉降

纵向地表沉降能分析出盾构施工时一对前后方土体影响范围与大小。本文选取四个监测断面，根据盾构距离该断面30米左右直到离开该断面40米处测点的地表沉降数值绘成图10～图13。

图 10 DK6+538.120断面轴线处地表沉降与开挖面距离关系

图 11 DK6+565.290断面轴线处地表沉降与开挖面距离关系

图 12 DK6+590.295断面轴线处地表沉降与开挖面距离关系

图13 DK6+608.680断面轴线处地表沉降与开挖面距离关系

纵向地表沉降表明:

(1)盾构推进对前方土体影响范围大约在30m范围内。从图上可知，对于前方土体的沉降量，一般不超过5mm。但是持续的时间较长，沉降是在一个缓慢的过程中完成的，并且有发生地表隆起的现象。

(2)盾构推进对后方土体扰动沉降的影响范围主要在0～10m范围内，在改范围内砂性地层同粘土地层不同。砂性土体抗剪强度及粘聚力很弱，土体受到扰动后很快产生边形沉降，无粘性土体的延时效应。所以本阶段沉降一般会有突然变化，且变化速率最大，为5～8mm，为最大沉降值的30%～50%。

(3)盾构通过和盾尾脱出阶段地表沉降同样较大，是地表最大沉降值的30%～50%。因此，盾构通过和盾尾脱出阶段是沉降的主要阶段。要控制最大地表沉降，必须从以上两个阶段着手。

(4)二次注浆对地表最终沉降有着较大的影响，通过二次注浆，可以使地表最大沉降值减小，如DK6+538.120断面，在后期进行注浆，不仅使后期沉降大大减小，而且使地面有所回升。

七、掘进参数优化

盾构掘进主要由十个参数控制，即土仓压力、千斤顶顶力及分布、推进速度、盾构坡度、纠偏方向与纠偏量、浆液配式、数量、压力等。掘进过程中，必须视隧道上覆土厚度、地质条件、地面荷载、设计坡度及转弯半径、轴线偏差情况及盾构现状姿态、地表监测情况等，进行合理设定。推进中参数优化组合的首要表现就是地表变形的控制，同时必须配以相应的监测手段，将实测的各类数据与监测的地表沉降值整理分析、优化组合，指导下一步的掘进，实行信息化施工。

1、土仓压力

本区间使用的是日本制造的土压平衡式盾构，其施工方法是盾构推进过程中，前部刀盘开挖下来的土体停留在土仓内，通过螺旋输送机的转速和推进速度调整土仓内土压力，使土仓内压力与刀盘前水土压力平衡，从而保持开挖面的稳定。所以，土仓压力的确定，显得非常重要。土仓压力应随盾构覆土厚度的变化而变化。如果盾构刀盘面提供的压力和原静止土压力相当，则刀盘前土体受到的扰动很小，地层不会出现大位移，地而也不会出现很大沉降。如果盾构刀盘面提供的压力超过原静止土压力，则前方土体处于被动压力状态，土体单元的水平应力大于垂直应力，则前方土体受到水平方向的强烈挤压而发生前移，因竖直方向的泊松效应致使土体出现向上位移，发生地面隆起。而当盾构刀盘面提供的压力小于原静止土压力，开挖面土体处于主动土压力状态，土体单元的水平应力小于垂直应力，则开挖面土体受到较小的支撑力而向后方位移，如果出土速度过快，开挖面前上方土体还会塌落，导致地面沉降。

土仓压力应随隧道上覆土厚度的变化而变化，但如单凭理论土压来设定前仓压力显然是不合适的。另外，因土层的复杂性，如地面超载作用力的大小及建筑物基础结构的不确定性，造成了土压力设定值P的计算结果不可能十分准确。再则，盾构机内部的土压传感器存在系统误差，所以在掘进中有必要将土压力设定值进行调整。根据实际施工经验，盾构机刀盘前方1.5D+H（D为盾构机外径，H为盾构中心至地面高度)范围内地面的沉降情况与土压力设定值密切相关，所以盾构前方地面沉降监测结果可直接反映土压力设定值与自然土压力的吻合程度。在实际的施工中，应将盾构机前的地面沉降量在沉降(隆起0～2mm)，当盾构机通过重要建筑物或管线等沉降要求严格地段，应该控制盾构机刀盘前方的土体隆起0～2mm，有利于沉降的控制。

2、掘进速度

掘进速度的设定是控制土压的主要手段。当在无结构物下面正常推进，速度可控制在20～40mm/min之间。盾构纠偏时，应取较小速度。同样，不同的地质条件，推进速度亦应小同。合理设定土压力控制值的同时应推进速度，如推进速度过快，螺旋输送机转速相应值达到极限，密封仓内土体来不及排出，会造成土压力设定失控。所以应根据螺旋输送机转速(相应极限值)控制最高掘进速度。由于推进速度和排土量的变化，土仓压力也会在地层压力值附近波动，施工中应特别注意调整推进速度和排土量，使压力波动控制在最小幅度。

考虑盾构机设计掘进速度、地质状况、并参考以往盾构施工经验，盾构通过重要建筑物等的掘进速度应控制在10～20mm/min，相对正常条件下掘进速度减缓不少，确保盾构比较匀速地穿越建筑物，同时保证刀盘对土体进行充分切割，以减少开挖扰动。

3、出土量控制

盾构排土量多少直接影响到盾构开挖面稳定盾构正面土压力，控制排土量是控制地表变形的重要措施。它以土压力为控制目标，通过实测土压力值P1与设定的推进压力P0相比较，依此压力差进行相应的排土管理，其控制流程如下。

图 14 土压力控制流程

在主动破坏和被动破坏限界之间的开挖面稳定区间内，压力差和排土量大致成比例关系。盾构掘进每环的理论排土量为:

出土量应控制在理论值的95%左右，即V=38m3/环（实方），保证盾构前方土体能微量隆起，以减小土体的后期沉降量。

4、同步注浆

注浆对改良地层性状，有效降低地面沉降可起到积极的控制作用。盾尾同步注浆是利用同步注浆系统，对随着盾构机向前推进、管片衬砌逐渐脱出盾尾所产生的间隙进行及时充填的过程。在盾构工法中注浆施工是一个必不可少的重要施工环节，把握好该环节与其它施工环节的配合是盾构施工的关键之一。

①浆液类型选择

在本项目施工过程中，分别试验了水泥浆、双液浆以及惰性浆液注入。由于土质为砂层，掘进过程中砂土很容易进入到盾尾最后端一层的密封刷，采用水泥浆和双液浆注入，浆液与沙土混合并凝固，最后一层盾尾密封刷往往失去密封效果，漏浆非常严重。因此选用惰性浆液比较合理安全，同时采用二次补浆来防止地表沉降。

②浆液配比

惰性浆液由沙子、粉煤灰、膨润土、水按一定比例混合搅拌，根据运输方式及运输距离的远近，浆液的稀稠度需要做一定调整。但为了更好的满足填充效果浆液在满足泵送的条件下越稠越好。本项目浆液水灰比控制在0.65～0.75之间取得了较好效果。

③注浆压力

为了使浆液很好的充填于管片的外侧间隙，必须以一定的压力压送浆液。注浆压力，在理论上只须使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和，即能使建筑空隙得以充盈。但压浆压力不能太大，否则会使周围土层产生劈裂，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及影响盾构隧道管片的稳定性。

掘进阶段，可按1.2γoh(γo为土容重，h为隧道上覆土厚度)确定注浆压力。如实践下来与理论计算有较大差距，原因可能有二:一是浆液管道造成压力损失，二是实际注入量大于理论注浆量，超体积的浆液必须有高得多的压力方能压入建筑空隙。通过建筑物时应根据地层土质条件及地面荷载提高注浆压力。

④注浆量的确定

盾构推进的理论建筑总孔隙GP:

式中L为环宽，R为盾构外半径，r为管片外半径。

理论上讲，浆液只须100%充填建筑总空隙即口丁。但尚须考虑下述因素:

a、浆体的失水收缩固结，有效注入量小于实际注入量。

b、部分浆液会劈裂到周围地层中。

c、曲线推进、纠偏或盾构抬、叩头，实际开挖断面成椭圆。

d、操作不慎，盾构走蛇形。

e、盾构推进时，壳体外周带土，使开挖断面大于盾构外径。

因此，合适的注浆量应比理论注浆量要大。小松盾构机（TM625PMX）外壳开挖面的最大直径为6.25m，管片外侧最大直径为6m，管片长度为1.2m,盾构机推进一环的空隙量为2.88m3，施工过程中，在不超挖前提下，注入率选用120%～150%，即注入量在3.5 m3～4.3 m3之间。在盾构推进时同步注浆的浆液填补建筑空隙后，还存在地面沉降的隐患，可根据实际情况，相应增大同步注浆的压浆量。如监测数据证实地面沉降接近或达到报警值时，用壁后补注浆或者地面跟踪注浆进行补救。

注浆速度

同步注浆的一个要的就是要建立注浆速度与盾构推进的关系。如果注浆速度大于盾构推进的速度，则会发生跑浆现象，甚至会穿过后尾进入盾构机内，污染拼装的工作面;如果注浆速度小于盾构前进的速度，则会在盾尾脱出的部位造成大幅度的沉降。按盾构掘进速度20～40mm/min，注浆速度约为72～144L/min。

5、二次注浆

从一些地铁盾构施工的地面沉降观测资料可知，盾构施工后期沉降发展速度虽然较慢，但其累计值还是相当可观的。后期沉降主要由土体的固结沉降造成。对于地面有较重要的建筑物来说，利用二次补注浆的方法来控制后期沉降，是一种效果良好且必须的手段。

通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，补充一次注浆未填充部分和体积减少部分，从而减少盾构机过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力。同时对盾构推力导致的，在管片、注浆材料、围岩之间产生的剥离状态进行填充并使其一体化，提高止水效果。二次注浆采用后方注浆方式，即从3环后注浆孔进行壁后注浆。注浆孔的位置选择对注浆效果起重要作用，从便于施工和注浆效果两方面综合考虑。注浆顺序为:两侧注浆－管片顶注浆－管片底注浆。

6、纠偏

盾构在土层中向前推进，由于受地层土质、千斤顶顶力分布、盾构自身的制作误差、衬砌在盾尾中的相对位置、测量的误差等因素的影响，不可避免地会使盾构姿态发生变化，产生偏移、偏转和俯仰。

盾构偏移的主要因素：

盾构始发阶段，基座安装定位不理想，容易引起盾构机“扎头”或左右偏移量大。

控制土压的设定值:一般在纠偏时,土压力的设定值比较大,这样有利于土体对机头的反作用力将机头托起或横移。

土质变化:盾构在粘土层掘进时,盾构姿态较易控制;在砂土层时往往容易造成盾构机“扎头”。

地下水含量的变化:地下水含量丰富时,造成土体松软,盾构往往偏向松软土体或地下水丰富的河道的一边。

同步注浆位置的改变:如果注浆位置在左侧,可使该管环位置右移,换之则相反。

转弯环管片的合理使用:盾构在曲线上掘进时,随着盾构掘进,盾构千斤顶产生一定的行程差，通过使用楔形管片数量调整相临管环之间的转角拟合出一条光滑曲线, 尽量使其与盾构掘进半径相同,保证必要的盾尾间隙量。否则管片与盾尾相制约,摩 擦阻力增大,极不利于盾构姿态的控制，而且容易使管片破损。

施工连续性:施工中途停止时,一旦遇上土质比较松软,会造成盾构机下沉,因而影响盾构掘进姿态。

测量误差:由于后背管片的位移或人的操作等问题,易引起测量误差,操作管理人员应根据前后环的测量数据进行推断判定。

盾构机操作人员调整不当。

盾构正常掘进轴线控制措施：

调整区域油压。

在确认管片实际超前量与设计轴线基本一致的前提下，首先考虑通过调整区域油压来进行盾构纠偏。调整左右区域油压来进行平面纠偏，调整上下区域油压改变盾构纵坡来进行高程纠偏。

一般在进行直线段顶进过程中，应尽量使盾构机切口的位置保持在施工轴线的±20mm范围之间，在进行转弯或变坡段顶进的过程中，应提前对切口偏移位置进行预测算，并在推进的过程中适当调整各区推进千斤顶的推进压力差，以保证盾构机切口在推进的过程中始终保持在施工轴线的允许偏差范围内。

由于盾构机在土体内是处于悬浮状态，而成型的隧道则处于相对稳定的状态，盾构机的盾尾直接与成型隧道的末端接触，后几环管片的位置状态直接了盾尾的位置状态，所以调整好管片的姿态对盾尾的位置控制及整个隧道的整体质量都起着至关重要的作用，只要把管片拼装的位置控制在设计范围内，则盾尾的位置也必然能够满足后续掘进的设计要求。

楔子制作。施工过程中应经常对成环管片的实际超前量（水平、垂直）进行计算和测量，超前量的不正确可能会造成拼装困难、管片碎裂、轴线偏差大、纠偏困难等，影响施工质量。超前量问题一般通过制作楔子解决。

铰接。一般来讲，如果切口和盾尾的位置状态控制的好的情况下，则铰接的位置状态也会比较理想，如果铰接位置偏离施工轴线较小，则不需要做刻意的调整，只需要使切口保持在施工轴线附近进行推进，再控制好盾尾的姿态，则铰接也可以回到施工轴线的附近，但如果铰接偏离施工轴线比较大，则需要通过调整推进方法进行调整。

八、结论

本文以沈阳市地铁一号线启工街站～重工界站盾构区间工程为背景，通过对大量的现场监测数据分析，对盾构施工引起的地表沉降规律进行了系统的研究。分析了盾构穿越既有结构物时结构的沉降和变形规律，对盾构施工的有关参数分析，对具体的工程提出了施工的技术措施和参数优化。综合全文，根据以上分析得出主要结论如下:

1、在无结构物情况下，地表沉降横向影响范围大约在30米内，盾构施工主要影响区在隧道轴线左右5米范围内，大致为两倍隧道直径。在这一区域，沉降槽体积占总体积的60%，其沉降的平均值占最大沉降值的60%～80%。盾构机在无地面荷载的情况下，地表横断面的沉降槽类似于正态分布曲线，最大沉降量发生在隧道中心。

2、在无结构物情况下，盾构推进对前方土体影响范围大约在30m范围内。对于前方土体的沉降量，一般不超过5mm。盾构推进对后方土体扰动沉降的影响范围主要在0～10m范围内，在改范围内砂性地层同粘土地层不同。砂性土体抗剪强度及粘聚力很弱，土体受到扰动后很快产生边形沉降，无粘性土体的延时效应。所以本阶段沉降一般会有突然变化，且变化速率最大，为5～8mm，为最大沉降值的30%～50%。盾构通过后管片脱出盾尾时的地表沉降，盾构机距离观测断面为10～40m，主要由于“盾尾间隙”和应力释放引起的，这个阶段沉降很大，为5～8mm，占最大沉降值的30%～50% 。

3、施工因素对地表沉降有着较大的影响。开挖时的土压力大小、同步注浆的压力、注浆量、二次注浆等因素对地表沉降有着重要影响。因此，在盾构施工时应加强监测和信息反馈，及时调整施工参数。