地铁盾构施工风险监控及沉降规律分析
［摘 要］郑州地铁 1 号线一期工程出入线段盾构区间隧道埋深较浅，需下穿京珠高速和东四环等风险源，施工风险较大。风险监控采取现场监测和巡视相结合的方式，将监测数据和巡视结果及时反馈。通过调整盾构施工参数、采取有效措施来控制风险，确保了盾构施工的安全。通过对监测数据的分析，提出了浅埋盾构区间地表沉降存在
的一些规律。
［关键词］隧道工程; 地铁; 盾构; 风险; 沉降; 施工参数; 监测
1 工程概况
郑州地铁 1 号线一期工程出入线段盾构区间单线长 1 840m，隧道埋深 6 ～ 10m。盾构区间从京珠高速东侧马楼的始发井开始，向西先后穿越京珠高速、东四环路后到达位于体育中心站北侧的接收井。区间需下穿京珠高速和东四环等高风险地段，施工风险较大。近年来盾构法以其高度自动化、快速、高效、环保等优势逐步成为隧道施工的首选。但盾构施工掘进会引起地层应力损失，隧道周边地层受到扰动或剪切破坏的再固结，会使周边的建( 构) 筑物、管线和道路产生一定的变形。这就需要在盾构施工过程中加强对受盾构施工影响的周边环境的监测及安全巡视工作，为施工、风险管控及时反馈相关信息，确保盾构施工安全。
2 地铁盾构施工沉降影响因素分析
盾构法( shield method) 是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，其基本原理是通过盾构外壳和管片支撑四周围岩，防止隧道内的土体坍塌，同时在开挖面前方用切削装置进行土体开挖，通过出土机械将土和泥浆运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构。地铁盾构法施工中会造成地层应力的损失，引起地表变形。变形按时间先后可分为 5 个阶段［1］: ①盾构到达前的地表变形; ②盾构到达时的地表变形; ③盾构刚通过时的地表变形; ④管片脱出盾尾时的地表变形; ⑤后期固结时的地表变形。地铁盾构施工在上述 5 个阶段的沉降影响因素分析如表 1 所示。
3 施工中风险监测的实施情况
现场监测包含建( 构) 筑物沉降、管线沉降、地表沉降等。监测均采用高精度 Leica TCA1201 + 全站仪和 Trimble DiNi12 电子水准仪( 1km 往返测高程中误差≤0. 3mm) 进行变形量观测。监测频率为掘进前后 H( H 为隧道埋深) 范围内测点 1 次 /3d，掘进前后 2H ～ 3H 范围的测点 1 次 /周，掘进前后 3H范围外测点 1 次 /2 周。此外，每天都开展现场安全巡视工作。
郑州地铁 1 号线一期工程出入线段盾构区间采用德国海瑞克土压平衡盾构机，隧道埋深仅 6 ～10m，一般情况为 6m 左右，下穿京珠高速时约 10m。区间盾构主要穿越地层为粉砂层和细砂层。
风险监控采取现场监测和巡视相结合的方式，在监测数据异常或巡视过程中发现问题时，及时反馈业主、监理、设计及施工等相关单位，通过调整盾构施工参数、采取有效措施来控制风险，确保施工安全。
4 盾构施工中 5 个阶段的沉降规律分析
根据郑州地铁 1 号线一期工程出入线段盾构区间盾构掘进过程中的监测数据，对盾构施工中的 5个阶段进行了沉降变形情况分析，并针对盾构施工沉降变形较大的阶段，采取了相应的施工加固措施。具体的沉降变形情况如图 1 所示，监测过程每15m 一个断面，每个断面 7 个测点。
1) 盾构施工沉降分析［3］。从图 1 可以看出第 1阶段，盾构刀盘到达之前，盾构推进对前方土体产生挤压，在距离刀盘 10m 左右位置多发生微微隆起现象，隆起变形值在 － 0. 7 ～ 1. 3mm。
2) 第 2，3 阶段的变形主要发生在刀盘到达和刚通过阶段，盾构推进过程中外壳与土层之间形成剪切滑动面，剪切应力引起地表变形，推进速度越快，产生的剪切应力越大，地表变形也越大，根据现场监测数据，该阶段的地表沉降量占到最终累计沉降量的 20% ～ 28% 。
3) 第 4 阶段的变形发生在管片脱出盾构机盾尾阶段，该阶段产生的阶段沉降量最大，占到最终累计沉降量的 65% ～ 70% 。盾构盾尾刚脱出时，管片和土体之间的空隙导致沉降产生，此时同步注浆的及时性、同步注浆量、注浆压力和浆液的凝结时间是关键。
4) 第 5 阶段的变形主要由盾构推进过后受到前期扰动后的土层蠕变固结引起，该阶段变形占到最终累计沉降量比例较小。当管片拼装和同步注浆施工结束后，沉降能很快趋于稳定。
此外，因盾构左、右线中心间距为 13m 左右，因此前期右线对右线上方地表扰动后，当左线通过时会造成二次扰动，不仅使左线上方地表有明显沉降，还会使右线上方有少量沉降( 占到最终累计沉降量的 10% ～ 15% ) ，如图 2 所示。
5 盾构施工中变形成因分析及控制
5. 1 盾尾同步注浆
同步注浆是盾构施工时控制地表沉降最关键的因素，用适当的浆液在管片脱出盾尾时对管片与土层间的空隙进行填充，以控制地层沉降。如果同步注浆不及时，地层沉降发生之后，再采取二次补浆措施也基本上无法使地层上浮至初始状态。若强行进行抬升，对地层的扰动会更大，对周边环境的影响也越大。因此，盾构施工中，保证同步注浆的及时性是关键。
同步注浆［4］时要注意浆液类型、注浆压力和注浆量。采用双液浆比单液浆在凝固时间上有所缩短，强度越早形成，对控制沉降越有益，但水玻璃也会自身降解，又会影响部分强度，因此要采用合理配合比。注浆压力和注浆量过大有可能会造成地表隆起或跑浆等现象，造成浪费。实际注浆量应为理论注浆量的1. 5 倍左右，郑州地铁管片宽为1. 5m，每环的理论注浆量约 4m3，则实际注浆量应为 6m3左右。
5. 2 盾构开挖的出土量
通过出土量及松散系数等条件判断盾构是否出现超挖现象。每环( 环宽 1. 5m) 理论出土量应为47m3左右，如果出土量高于理论值，则盾构存在超挖情况，地层肯定有多余损失，周边环境会受影响。应根据实际情况制订必要的应急方案，出土量高于5m3或 10m3及更多时，应采取相应措施。
5. 3 盾构掘进中的其他因素
1) 工程地质条件及隧道埋深因素。 盾构穿越的地层主要分为 6 类: ①黏土、粉土复合地层; ②砂层; ③砾石、卵石层; ④土与砂的复合地层; ⑤ 土、砂、砾石、卵石层的复合地层; ⑥土岩混合地层。
在地铁盾构施工时，隧道埋深越深，盾构施工产生的沉降槽宽度就会越大，相同地层损失的情况下，地层产生最大沉降会越小。
2) 驾驶员是盾构施工的关键因素之一，在盾构施工的前 100m 调整好施工参数。土压平衡盾构理想的推力是静止土压力，使土仓内建立的压力和开挖面前方的土压处于平衡状态，最大限度地减小地层扰动。当地层发生较大变化时，驾驶员要及时作出参数调整，且通过出碴土的干稀情况，对膨润土的配合比和用量作调整。
盾构掘进过程中驾驶员不应为了抢工期而使盾构推进速度过快，这样会使盾构与土体间产生的剪切应力增大，继而对土体的扰动加大，地表沉降也随之加大。应保持盾构匀速推进，这样同步注浆量和时间都能较好控制，地面沉降变小。另外，盾构的水平姿态和高程姿态都需要严格控制。
6 结语
1) 地铁出入线段一般采用明挖法施工，采用盾构法施工的情况较少，因为覆土太浅［5］，盾构施工难度较大，且该区间地表上方地层的填土主要为郑开大道修建时的废渣等，未夯实，因此地表沉降较大，一般累计沉降量在 60 ～ 70mm。当同步注浆不及时，最大沉降量达到 90mm。
2) 盾构施工时，最大沉降发生在隧道中心线上，沿垂直隧道方向往两边沉降成逐渐减小的趋势，沉降影响范围在盾构外侧 10 ～ 20m。在管片脱出盾尾后 3d 左右，地表沉降基本趋于稳定。
3) 根据盾构施工过程中变形特征以及对监测变形预警，可有效预防盾构隧道失稳和地面坍塌灾
害的发生，确保工程安全、顺利开展。数据的分析进行综合预测，及时提出盾构施工异常变形预警，可有效预防盾构隧道失稳和地面坍塌灾害的发生，确保工程安全、顺利开展。
参考文献:
［1］ 田金山． 盾构施工地面沉降监测技术及沉降规律分析［J］．天津建设科技，2008( 1) : 39-41．
［2］ 吴张中，李丽平，陈少华． 地铁隧道盾构施工地表沉降的预测分析［J］． 路基工程，2007( 4) : 46-48．
［3］ 李大勇，王晖，武亚军． 盾构掘进对周围环境的影响分析［J］．地下空间与工程学报，2005( S1) : 84-86．
［4］ 曾晓清，张庆贺． 土压平衡盾构同步注浆浆液性能试验研究［J］． 中国市政工程，1995( 1) : 46-50．
［5 ］ 于哲，郭全国，刘双全． 亦庄线盾构浅覆土小间距施工方法［J］． 市政技术，2010( S2) : 137-139，143．
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