随着现代社会的不断发展进步,城市地面交通变得越来越拥挤,相应的地铁的建设成为了目前城市地下空间开发的重点。 在如今日益繁杂的情形下修建地铁，对施工工艺要求较严格，而盾构法以其特有的机械化、智能化的操作方式很快得到了广泛的推广及应用，并取得了斐然的成绩 ，但是以盾构正上方为中心的地表沉降仍不能够得到完全的控制，一旦沉降达到一定的限值就会影响到地面建筑物及其它相关设施的安全使用，严重时可导致建筑物倾斜甚至倒塌。 所以目前就如何控制地表沉降成为了盾构施工人员非常关心的问题之一。

 

      在盾构施工过程中,影响地表沉降的因素有很多也很复杂，除与地层条件密切相关外,还与盾构掘进时的土仓压力、推进速度、出土速度、压力、注浆量、浆液的配比等有关。概括起来其主要原因是盾构在施工过程中对土体产生扰动，打破了土体原有的平衡状态,而被扰动的土体在外力消失后又逐渐建立新的平衡,这个过程导致了地面及地面建筑物的沉降，现对相关因素进行详细说明。

      随着盾构施工技术的日益发展,适合盾构施工的地层也越来越多, 由此在不同的地层中掘进造成地层损失也不一样，相应的，造成的地表沉降也不一样。 经分析，隧道沉降槽的形状近似概率论中正态分布曲线如图1 所示。

 

      由盾构施工引起的地层损失分为正常地层损失和非正常地层损失，正常地层损失是一种理想化的状态，假设施工操作过程完全合乎规程，无任何差错，此情形下，地层损失引起的地面沉降比较均匀。而非正常地层损失则是指在盾构施工过程中由于操作失误而引起的地层损失,如盾构施工过程中各类参数设置错误、超挖、同步注浆不及时、不饱满等。

      在盾构上方覆土深度相同的情况下，地面沉降随着盾构机直径的增大而增大，呈现一种线性关系。 主要是因为在上方覆土深度相同时地面沉降槽的宽度不变,盾构机外径越大相应的引起的地层损失也就越大,在地面沉降槽宽度不变的情况下地面的最大沉降就会越大。 在盾构机直径不变的情况下，上方覆土深度越大 ，地面沉降槽宽度也就越大 ，在相同地层损失的情况下，地面最大沉降也就越小。

      土压平衡盾构在掘进过程中由于开挖量和排土量不等的原因，导致开挖面水压力 、土压力与压力舱压力不平衡而致使开挖面失去平衡,当开挖面压力小于压力舱压力时会引起地面下沉，而大于压力舱压力时则会引起地面的隆起。这是由于开挖时的应力释放、附加应力等引起的弹塑性变形造成的。

      由于施工需要,所以盾构机直径要大于衬砌环的直径,这样就会存在一个“建筑空隙”，如果不能及时填充，就会引起周围土体的塌落而引起地面沉降,所以要通过同步注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失，从而减小地面沉降。同步注浆是影响地面沉降的主要因素之一，它跟注浆压力、注浆时机、注浆量、浆液配比等情况密切相关。

 

      目前较为常见的是把沉降划分为5 个阶段，如果在施工时能够选择合适的盾构形式，进行合理的掘进管理，各个阶段的变形均可以控制在最小限度内。

      在盾构尚未到达某区域时发生的沉降,对于砂质土,可能是由于其含水率较大,在盾构掘进时造成地下水位下降而引起的。对于软黏性土，则沉降可能是由于开挖面过量取土而引起的。

      在开挖面即将到达之前发生的沉降，表现为地表下沉或隆起,主要是由于盾构对开挖面土层压力过大或过小致使开挖面失去平衡而引起的,所以在实际中一定要让保持在合理的区域内。

      这个阶段是从盾构到达开挖面正下方直至盾尾即将脱离该点为止发生的沉降或隆起,产生的原因主要是盾壳对土体的摩擦力破坏了土体的结构强度, 另外也与每环土的排量、盾构机的推进姿态有关。

      本阶段是自盾尾间隙形成至注浆结束那段时间内发生的沉降，管片从盾尾脱离之前 ，盾壳对土体有约束力 ，方向指向土体，一旦盾尾脱离 ，盾壳与土体之间产生空隙 ，如果在盾尾脱离后未能够及时注浆或者注浆量不饱满,则空洞断面就会向内缩小，引起应力释放，使地面产生沉降。

      管片壁后注浆结束后，土体所受外力消失，由平衡状态像不平衡状态过渡，这时壁后注浆的固结 ，受扰动土体本身的变形仍然存在，这种沉降在软土地层中尤为明显。

 

      郑州市地铁1 号线为郑州市东西向交通大动脉,它贯穿郑州市城市东西向发展主轴, 衔接郑州市老城区与郑东新区，均为地下线路。 其中，博学路站～体育中心站区间采用盾构法施工，隧道结构采用钢筋混凝土单层管片衬砌。

      工程地质条件:拟建场地地形基本平坦 ，地貌单元属于黄河冲洪积泛滥平原，结构主要位于粉质黏土和粉土层中。水文地质条件:地下水静止水位最高约 1.0 m，历史最高水位0.5 m。 区间主要穿越细砂层。

      本工程盾构区间隧道施工需长距离穿越砂层,刀盘易磨损, 综合各种因素采用 Φ6250 mm 海瑞克土压平衡型盾构机，并采用开孔率较大的辐条式刀盘，共有6 根辐臂 ，开口均匀，刀盘可以双向旋转。 刀盘形式见图 2。

 

      为平衡开挖面的水土压力,土仓切削下的土体需保持一定的压力，本标段初推时土压设定值为:上部 0.6～1.0 bar, 下部1.2～1.4 bar。

      为了及时填充盾尾间隙,盾构同步注浆系统设 4 根注浆管，注浆材料选用粉煤灰 、砂 、膨润土 ，并根据现场试验确定其最佳配比，初凝时间控制在 8～10 小时间，注浆量约为 6～7m³/环。 注浆压控制在 1.8～2.2 bar 之间。

      本区间地面监测点断面每隔30 m 布设一组 ，每组共设10 个监测点，点间距为 5 m。监测频率:

      ①距工作面 1 倍洞径， 或变形速率﹥5 mm/d 时，2 次/天；

      ②距工作面 1～2 倍洞径， 或变形速率 1～5 mm/d 时，1次/天；

      ③距工作面 2～5 倍洞径， 或变形速率 0.5～1 mm/d 时，1次/2 天；

      ④距工作面﹥5 倍洞径， 或变形速率﹤0.5 mm/d 时，1次/7 天；

      ⑤数据分析确定变形基本稳定后，1 次/周。

      若监测数据达到警戒值，则加密监测频率跟踪监测。

      始发阶段地面布点情况详见图3。

 

      在始发阶段，地面监测点布置见上图，为了能够准确的了解地面沉降情况,我们选择 2^#断面的监测数据进行分析，因为此点位于盾构施工现场内、点位布置规范、不易受到外界因素的影响，能够客观的反应沉降情况。 2^#断面地面情况详见图4。

 

      2^#断面位于始发井的南端50 m 左右处 ，隧道覆土深度约为10.4 m，地层为细砂 （16 层 ）及粉质黏土 （16-1 层 ），详见图5、图 6。

      在2^#断面中共选取了三个点（1^#、2^#、3^#点）进行分析 ，监测盾构在通过前、通过时及通过后的地面沉降情况。具体沉降情况详见图7。