（西安市地下铁道有限责任公司，陕西，西安，710016）
【摘 要】由于浅埋暗挖法施工过程中不可避免的会对地层产生扰动，必然会引起地表发生不同程度的沉降，从而对施工区域周边管线、道路及建筑物的安全性产生不利影响。因此，科学合理的设计及施工组织管理，对减少和控制地表沉降产生的不利影响是十分必要的。
【关键词】地铁隧道；地表沉降；原因分析；控制措施
区间浅埋暗挖隧道施工影响下的地层变形规律及控制措施是近年来工程界关注度比较高的话题，隧道施工引起的地表沉降，受地质条件、跨度、埋深、开挖方法、支护时间与刚度，以及施工管理技术水平等诸多方面因素的影响。然而，大量的工程实践表明，隧道施工影响下的地表沉降是有规可循的。以西安地铁三号线区间隧道施工为例，简要分析地表沉降的原因及控制措施。
1．地表沉降的原因分析
1.1 降水对地表沉降的影响
浅埋暗挖隧道施工中一般要采取降低水位的措施来达到作业面无水作业的目的。由于降水会产生土体固结沉降，采用井点降水引起的地表沉降，涉及到井点降水的漏斗曲面范围，其沉降量和沉降时间与土的空隙比及渗透系数有关，在渗透系数小的粘土层中，固结时间较长，沉降较慢。反之，在空隙比与渗透系数较大的砂土层中，固结时间较短，沉降较快。
1.2 施工速度对地表沉降的影响
地表沉降发展规律随着开挖面所处位置的移动过程改变而变化，表现出明显的时空效应。时间与空间的交叉相互作用反应了隧道施工引起地表沉降的一般规律。
1.2.1 地表沉降的时间效应。浅埋暗挖隧道开挖后引起的地表沉降是逐渐累加起来的。根据现场监控量测数据显示，单个地表点的沉降过程经历三个阶段：前期沉降、施工沉降和后续沉降。前期沉降是由于掌子面土压力失衡、支护力不足，以及降水而产生的。施工沉降是由于在掌子面开挖后，会对周围土体扰动，围岩周边应力重新分布，周围土体向隧道中心线移动，同时由于初期支护封闭成环时间滞后、强度和刚度不足，再加之锚喷混凝土不密实，造成地层出现局部空隙等原因，地表沉降过大，且沉降速率也较大，这一阶段为施工沉降，通常持续时间为1-2个月。后续沉降是指由于地层次固结和蠕变等作用引起的残余沉降，该阶段沉降为第三阶段沉降。隧道开挖地表沉降随时间变化曲线如图1所示
图3：地表沉降纵向变化规律示意图
微小变形区是指掌子面前方1-1.5倍洞径的区域范围。该段沉降量约占总沉降量的10%-20%。主要原因是掌子面开挖后，导致前方地层应力释放及地层的失水固结造成的地表沉降。急剧增大区是指掌子面开挖前方1倍洞径和后方3倍洞径区域范围。该段区域地表沉降变形速率较大，累计变形量大，此阶段沉降量约占总沉降量的50%-60%。该阶段变形主要原因是随着掌子面的开挖，周边围岩扰动较大，引起围岩应力场重新分布。缓慢变形区是指掌子面后方3-5倍洞径区域范围，该区域范围沉降速率逐渐减缓，变形量增加缓慢，沉降曲线开始收敛，此阶段的沉降量约占总沉降量的10%-15%。稳定变形区是指掌子面后方5倍洞径以外的区域范围。该区域沉降增长缓慢，地层逐渐趋于稳定状态。由此可见，施工速度越快，隧道开挖面暴露的时间越短，产生沉降的时间也短，由于时空效应，因而产生的地表沉降量也就会越小。
1.3沉降槽对地表沉降的影响
在地铁工程设计与施工阶段，受地质条件影响较大。沉降槽作为一种地质灾害，对地表沉降也有一定影响。根据陕西省国土资源厅发布的数据，西安地面沉降发生于20世纪50年代末，自1959年水准测量以来，累计沉降量超过200mm的面积达到150 k㎡。如西安地铁二号线南延段会展中心～杜陵路段地表沉降总体形态为凹槽状。凹槽中心位置大致为南绕城高速北侧～军警路口。凹槽中心位置沉降量较大，边缘部位较小。根据西安地铁二号线南延段勘察设计单位数据显示，2008年9月至2010年4月凹槽中心最大累计沉降量为225.7mm，年平均沉降量为142.55mm，月平均沉降量为11.88mm。所以地表沉降同样受地质原因影响。
1.4隧道埋深对地表沉降的影响
隧道结构拱顶上部覆盖的土层厚度与隧道结构的跨度之比，成为覆跨比，这个比值对地表沉降影响较大。通过现场监测数据显示，在隧道埋深小于隧道直径时，地表沉降相对于埋深大于隧道直径的沉降量大。由此可见隧道埋深对地表沉降影响较大。
1.5相临小间距隧道施工对地表沉降的影响
对未衬砌隧道而言，当两隧道的中心线距为5D（D为隧道宽度）时，可不考虑相互作用；当中心线距≦3D时，则需考虑相互作用。若是两小间距平行隧道，同时开挖时对地层的扰动要大于单线隧道，结果会造成地层的突然松弛，出现较大和持续不断的沉降变形。两隧道开挖后的相互作用会使地表沉降有叠加作用。
1.6施工方法及开挖进尺也对地表沉降有一定的影响
浅埋暗挖法隧道施工时，应根据工程特点、围岩情况、环境要求以及地质条件选择适宜的开挖方法。开挖进尺的大小实质上是工作面无支护空间的大小，开挖进尺的大小不仅决定着地表沉降、拱顶沉降及收敛变形，同时还影响掌子面的稳定性。法国的研究表明，如果工作面无支护距离小于0.2D时，对稳定掌子面开挖的支撑力无特殊要求，否则，掌子面就会失稳。对软弱地层、浅埋暗挖法施工的地铁隧道，开挖进尺的控制尤为重要。
1.7衬砌的时间对地表沉降的影响
根据现场施工经验及监测数据，初期支护完成后地表沉降还需要很长时间才能达到稳定，而在二次衬砌完成后，地面沉降即趋于稳定，分析原因是二次衬砌起到防水作用，减少了地层持续失水，从而使地面沉降趋于稳定，所以二次衬砌应在初期支护完成后及时施作。
2．地表沉降的控制措施
通过西安地铁三号线太白南路站～吉祥村站～小寨站区间浅埋暗挖隧道施工中总结的经验，施工中可采取以下控制措施：
2.1根据工程地质与水文地质条件，制定科学合理的施工降水方案
降水方案既要保证掌子面开挖尽量做到无水作业，又不宜将水位降的过低，地下水位降至隧道结构底以下0.5～1米范围即可。疏干隧道开挖范围内土体中的地下水，合理确定降水时间。
2.1.1确保降水方案实用的原则。采取一定的的降水措施，尽量确保隧道外水位平稳下降，使降水引起的地表沉降和差异沉降最小，确保降水期间周边建筑物和地下管线处于安全状态，在满足隧道正常作业的条件下，使抽水量最少。
2.1.2 确保降水科学原则。须严格按照设计规定的控制水位分阶段降水，当降到阶段水位时，及时对周边建筑物及地表沉降、地下管线进行观测。
2.1.3 严格控制降水周期。降水作业应在进入水下作业工点位置提前15天开始，降水作业完成时间应在该段二衬施工完成，且混凝土强度达到规范要求后，分阶段停止降水。
2.2为有效控制和减小地表沉降，施工中应严格遵守“十八字”方针
“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”。这“十八字”充分体现了浅埋暗挖隧道施工的精髓，应结合不同地质的实际情况灵活运用。
2.2.1施工中应及时核对管线、地质等设计资料。加强洞内超前地质预报、施工区域周边管线及洞内、地表、周边建筑物的监测工作。
2.2.2 根据设计要求严格控制超前预注浆施工质量，控制好注浆压力及注浆量，确保达到理想的土体加固效果。
2.2.3 严格控制每循环的开挖进尺长度0.75米，不允许大于1米。隧道左右线对于掌子面的施工纵向错距不应小于30米。
2.2.4 根据地层条件选择开挖方法。为有效控制地表沉降，分台阶开挖时，台阶断面开挖均预留核心土，以发挥掌子面的三维支撑作用，确保掌子面稳定。台阶长度不宜过长，以3-5米为宜，特别注意上下台阶分部开挖进度需协调，严禁冒进。防止喷射混凝土背后空洞、积水（尤其是拱脚部位），同时避免上半断面格栅钢架拱脚位置悬空，严格按设计要求施作锁脚锚管。设置临时仰拱的断面，每个开挖分块都应及时封闭。在开挖下半断面时严禁碰撞格栅钢架，以避免对围岩的二次扰动；应用最短时间使初期支护尽快封闭成环。严格控制初支及二衬背后回填注浆施工质量，尤其是初支背后回填注浆应紧跟掌子面施工，且距离掌子面不宜大于5米，以填充结构物之间的空隙，保证结构受力均匀，注浆结束后应检查其效果，不合格者应补注。注浆浆液达到设计强度后方可开挖。
2.2.5 在浅埋暗挖法施工中将现场监控量测作为一道工序来做，应使现场每时每刻均处于监控之中。施工过程中，应加强对地表、周边建筑物、洞内拱顶下沉、净空收敛、格栅钢架内力等项目的监测工作，及时反馈信息以指导施工。确保施工安全及控制沉降变形。
2.2.6 提高施工效率。各工序的施工时间缩短后，初期支护封闭成环时间也随着缩短，从而减少了掌子面的暴露时间，有利于控制地表沉降。
2.2.7 加强初期支护。初期支护施作后，其本身有一个徐变过程。对于超前支护，一般采用大管棚或超前小导管注浆的方式进行超前土体加固，加固时可采取增大小导管直径，减小小导管间距、扩大注浆范围和控制注浆压力等措施来进行加强。对于格栅钢架来说，可以缩小格栅钢架间距，或在间距一定时，增大主筋直径，起到增大初支刚度，控制地表沉降的目的。
2.2.8 及时施作二次衬砌。地层孔隙水产生的附加应力有一个较长的递增过程，对软弱富水地层来说，伴随着渗排水，地表会出现不同程度的沉降，初支刚度与地层的相互作用会愈来愈强。因此对软土隧道来说，为了尽快恢复地层稳定，应及时施作二次衬砌。
3．结束语
地表沉降是多种因素综合作用产生的，但在地质、地层条件、周边环境等条件一定的情况下，合理的设计及科学的施工组织管理是控制地表沉降的关键。施工组织不当及管理缺失、工人操作失误等原因均会引起地表沉降不同程度的增大。因此，强化施工组织，加强过程监管是避免地表沉降发生的关键。从预防其发生角度归纳起来主要有以下几点措施:
（1）根据地层地质、水文地质情况进行科学合理的设计，同时结合现场监控量测数据，合理调整设计方案，做到信息化动态施工。
（2）加强施工技术交底及班前安全质量讲话工作；同时应召开相关专题会，使所有从事施工管理及一线工人都能熟知并掌握施工技术参数及工艺要求。
（3）按照谁施工、谁负责的原则，定岗定责，责任落实到位，使所有施工人员做到懂技术、重质量、抓细节，保安全，从而有效预防和减小地表的沉降。
参考文献：
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论文作者:罗小怡
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
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