地铁施工中地表沉降控制技术综述
简介： 地表沉降在地铁工程施工中属于多发事故。沉降事故的发生与工程的地质条件、施工方案的选择等很多因素有关。在城市地铁工程施工中，由于工程所处地段的特殊性，一旦发生沉降事故，影响将十分严重。所以，在城市地铁工程的施工中进行沉降控制是十分必要的。本文将从沉降发生的原因、控制技术和应急处置这三个方面出发进行讨论和总结。关键字：地铁工程 施工技术 地表沉降控制
1.前言
地下空间作为城市的重要资源，在发达国家得到了多方面的应用，随着我国经济的快速发展，城市地下空间的开发利用已经受到广泛重视，城市地下工程的兴建已经成为一种趋势。就地下铁路来看，我国从1965年开始修建地下铁道，至今已有北京、天津、上海、广州、深圳、南京等大城市建成部分地铁，武汉等其它城市也即将或将要修建地铁，我国的地铁建设已步人快速发展阶段。
然而，在地铁工程的施工中，地表沉降事故发生的概率很高。以深圳地铁一号线的建设为例，在施工工期内，地面沉降事故占总事故的25％。事故发生地位于深圳市区繁华地段，对工程周围的建筑物以及地下管线产生了一定的影响，同时也影响了工程的进度增加了工程的费用。
所以，不论从工程进度、费用的控制方面考虑还是从工程质量安全方面来考虑，都要对地表沉降控制有足够的重视，从各个方面着手，来控制沉降的发生。
2.地铁工程沉降控制的重要性地表沉降的主要危害有：
（1）沿海地区沉降使地面低于海面，受海水侵袭；
（2）一些港口城市，由于码头、堤岸的沉降而丧失或降低了港湾设施的能力；
（3）桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上交通；
（4）在一些地面沉降强烈的地区，伴随地面垂直沉陷而发生的较大水平位移，往往会对许多地面和地下构筑物造成巨大危害；
（5）在地面沉降区还有一些较为常见的现象，如深井管上升、井台破坏，高摆脱空，桥墩的不均匀下沉等，这些现象虽然不致于造成大的危害，但也会给市政建设的各方面带来一定影响。
针对地铁工程而言，进行沉降控制的重要性体现在两个方面：
（1）城市地铁工程一般位于城市的繁华地段，周围建筑物密集、各种地下管线纵横复杂交错，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地下管线断裂等事故。影响市民正常生活，造成各种纠纷，进而影响工程施工的进度，增加工程的费用。
（2）沉降事故在地铁工程的施工中属于多发事故。同时其发生的直接表现为地下隧道拱顶的下沉或坍塌，而这种塌陷的发生又多由围岩涌水、涌泥，支护失效，工程爆破等原因引起。这些原因的存在和发生，可以导致施工现场的人员伤亡、设备损坏，进而影响工程进度、增加工程费用，造成严重的后果。
可以看出，事故的多发性和事故后果的严重性，使沉降事故成为地铁施工中的重大风险因素，在施工过程中进行沉降控制技术的研究和应用使十分必要的。
3.地铁工程沉降控制技术3.1地面沉降发生的机理分析
地铁工程以上地面的岩层或土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工中，要通过人工、机械或者爆破等方式进行土石方开挖。土石方的移除、土石层孔隙水的排出，必然会改变土石地层的应力状态，使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来，出现坍塌、变形等现象，进而导致地面沉降。
3.2 地面沉降发生的原因分析
3.2.1 土层的沉降原因分析
（1）土层自身的特点：天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。孔隙水压力可以分成两部分，一个是静水压力，在荷载施加之前就存在，一个是超孔隙水压力，由外载荷引起。土体的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。粘性土有一定的厚度，水总是在土层透水面先排出，使孔隙压力降低然后向土层内部传递。这种孔压力降低的过程，一方面取决于土的渗透性，另一方面取决于在土中的位置。软粘土的渗透系数很低，固结过程很长。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移。当建筑物通过基础将压力传递给地基后或者土层下部通过土石方开挖而失去支承，土体内部将发生应力变形。从而引起地基下沉或地表下沉。
（2）施工方案的选择：预防沉降的发生，进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候，难以使土层处于稳定状态，土层将失去稳定性，进而会导致地层沉降。
3.2.2 岩石层的沉降原因分析
（1）岩石层的沉降与岩石层的地质特点有直接关系：岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。褶皱岩层核部产生许多裂隙，而背斜顶部岩层易塌落，向斜核部是储水丰富的地段，地铁隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。地铁隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂，一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。地铁隧道工程通过断裂带时易发生坍塌，车站建筑物易发生不均匀沉降等。
（2）施工方案的选择：防排水、支护等施工方式的正确选择以及方案的有效性都会影响到岩层沉降控制的效果。当方案失效的时候，可能会导致生沉降的发生。
3.3 沉降控制技术的机理
施工中会造成地层的地层损失、原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变，同时还可能发生支护结构的变形等情况的发生。所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性，维持其稳定的应力平衡状态。
3.4 沉降控制技术
资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：
（1）地层和地下水条件；
（2）隧道埋深和直径；
（3）施工方法。
其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。因此，对地铁的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。
地铁的施工方法主要有3种：明挖法、新奥法和盾构法。明挖法由于对地面交通干扰大，且因敞开作业对周围环境千扰、污染严重，现在已经较少使用。新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。
3.4.1 新奥法
所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。
采用新奥法时主要的施工方法有：
（1）全断面开挖法，原则上是一次完成设计开挖断面，是在稳定的围岩中采用的方法；
（2）台阶开挖法；
（3）侧壁导坑环型开挖法，这是当地质条件特别差时所采用的一种方法，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。
采用新奥法施工时，地面沉陷主要取决于开挖的方法、初期支护及永久支护的时间和强度，有以下防止地面下沉的措施：
（1）改变施工方法：缩短开挖进尺，如计划1个循环1.5m，可缩短为1m或0.8m；不用全断面开挖方法，而用环型开挖方法．
（2）稳定掌子面法：掌子面的稳定是施工的前提条件，对于粘聚力小的土砂围岩，应选用辅助施工方法，如超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。
开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、钢管和钢板作为辅助性支护构件，用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。插入的角度应尽可能地小，以减少超挖量。开挖面喷射混凝土应尽早进行，对于土砂围岩，一般喷射3cm厚的混凝土就能防止开挖面的局部塌落。
（3）特殊施工法：有管棚法，挡墙施工法、从地表打锚杆法、特殊钢板施工法（麦塞尔插板法）、注浆法和冻结法等。
管棚法，是先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。这种方法，可以加固堆积层和断层破碎带等不稳定围岩，能有效防止开挖的围岩松动。但此法需要大量的设备。
挡墙施工法，是在隧道的两侧（或一侧）设置挡墙，控制隧道开挖时产生的松动范围。有混凝土连续墙法和钢管、H型钢和钢插板等挡墙施工法。
从地表打锚杆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入锚杆，四周用砂浆固结起来，这种方法能有效地防止地表下沉。
特殊钢插板施工法又称麦塞尔插板法，可以加固开挖面前方的围岩，防止围岩松动。这种施工方法是采用特殊加工的钢插板，用千斤顶将其顶入围岩中。但岩层中夹有鹅卵石时，施工困难，在砂岩和泥岩中效果显著。
（4）动态施工力学法，这种方法是由朱维申教授总结完善的，这种方法强调勘察、设计、施工、科研各环节的紧密配合，能有效减少围岩的松动区，抑制地表沉降量。
3.4.2 盾构法
盾构法是在地下暗挖隧道的一种有效方法。施工中，先在隧道的某一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向着另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受的阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具，它是一个既能支承地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构。在钢筒结构的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳状体，在盾尾可以拼装1～2环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装l环衬砌，并及时地向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。
盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。
（一）地层损失地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地面沉降。
引起地层损失的施工及其他因素是：
（1）开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。
（2）盾构后退。在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。
（3）土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。
（4）改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。
（5）盾构移动对地层的摩擦和剪切。
（6）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。
（二）受扰动土的固结盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区（正值或负值）。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35％以上。
从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。
3．5 沉降控制案例：
深南路～红岭路人行地道工程深南路～红岭路人行地道位于深南中路与红岭路相交十字路口，西南角建有红岭大厦，西北角建有“邓小平画像”，东北角为大剧院下沉广场，东南角有金融中心。
该路口深南中路宽50米，红岭路宽40米，人行地道设计为互通式，十字路四角方向均布有出入口。
深南路～红岭路人行地道工程施工地层由上向下依次为：
1、人工填土层（Qml）：上部为路面及路基块石；下部褐黄、灰黄、褐红等色，由粘性土混30～40 %的碎石、块石组成，底部由粘性土混少量植物根须组成。堆填时间10年以上已基本完成自重固结，结构稍密～中密。场地内各钻孔均见该层，层厚2.0～5.8m.
2、第四系全新统海陆交互沉积层（Q4ml）：中砂（含淤泥质）（Z/S），灰～灰黑、褐灰等色，成分为石英质，混少量淤泥及有机质，局部夹淤泥质土团块。饱和，松散。厚薄不均，层厚1.6～4.7m.
3、四系晚更新统冲积层（Q3al+pl）：
粘性：褐黄、灰白、灰黄等色，湿，可~硬塑。含少量粉细砂。光滑，摇振反应无，干强高度，韧性高。该层主要分布于场地南侧，层厚1.2～3.3m.砾砂：褐黄、灰白、灰黄等色，成分为石英质，不均匀混少量粘土，局部夹团状粘性土。饱和稍密～中密。场地范围内孔20外，其于钻孔均可见，层厚1.0～5.4m.
4、四系中更新统残积层（Qel）
砾质粘土：灰白、褐黄、灰黄等色，由粗粒花岗岩风化残积而成，原岩结构尚可辩。无摇反应，稍有光滑，干强度中等，韧性中等。很湿~湿，可~硬塑状态。该土遇水极易软化。层厚不详。
地下水丰富，属孔隙型潜水，略具承压性质。稳定水位埋深0.3~4.1m，地下水主要赋存于第四系全新系统海陆交互沉积中砂和晚更新冲洪积砾砂层中，地下水主要靠大气降水补给。场地地下水在强透水砂层中对混凝土具弱碳酸型腐蚀型。
地铁区间隧道施工造成深南中路和红岭路交叉路口较大范围地表沉降，且沉降值达50 cm以上；沿深南中路、红岭路两侧各有现状铸铁给水管，因地表沉降以对给水工程造成一定程度的影响及破坏；深南中路和红岭路交叉路口，发现有“囊状风化带”等不良情况，并且出现了坍塌现象；A通道暗通过地铁隧道上方地段；该地道工程埋深浅且邻近地下管线。施工条件差。
深南中路红岭地下通道的人行地道包括A、B、C三段暗挖通道和7段明挖梯道。暗挖通道总长为188.26m，明挖梯道总长为262.75m.暗挖通道按“新奥法”原理进行支护结构设计，“浅埋暗挖法”进行设计和施工。结构采用复合式衬砌结构，初期支护采用格栅钢架、网、喷砼联合支护形式，辅以临时支撑、小导管超前支护及预注浆加固地层。二次衬砌为模注钢筋砼结构，初期支护与二次衬砌间设防水层防水。明挖梯道采用直壁开挖，砂浆锚杆、型钢网喷混凝土支护。辅以临时支撑、小导管预注浆加固地层。二次衬砌为模注钢筋砼结构，初期支护与二次衬砌间设防水层防水。在施工过程中，每开挖循环进尺50cm就开始支护，并严格进行地表沉降数据的及时监测、及时分析，有效控制了沉降事故的发生。
4. 地铁工程沉降事故的应急处置地铁工程中地表沉降事故的发生，一般由地下空间的塌方、爆破、支护不当或者失效等事故直接引起，容易造成人员伤亡和财产损失。所以，针对地铁施工中沉降事故的发生，制定和实施一套健全的应急预案是相当重要的。
应急预案是指未来加强对重大事故的处理能力，防止事故扩大，使事故损失降到最低限度，而根据实际情况制定的事故应急救援对策。通过制定应急预案并进行必要的演练，事故发生时采取正确的应对措施，一方面可以控制事故的影响范围，降低人员伤害呵财产损失，另一方面可以避免人为措施的失当造成的事故扩大。
应急预案从表面上看，是一套应急响应程序。而实际上，一套完善的预案是有其支撑平台的。这个平台就是：
（1）人才资源的合理配置及有效组合。
（2）相关设备、物料的配备和合理有效地管理、运用。
（3）对危险有害因素的全面辨识和分析评估。应急处置程序运行在这个基础上，才能真正算的上一套完善的应急预案。
（一）制定应急预案的一般程序和内容
1.一般程序：
（1）突发事故及其危险性分析
（2）应急计划对象区域划定：根据应急救援救援力量来源的范围一般分为区域应急救援和单位应急救援。
（3）编制应急救援计划：包括技术措施和组织协调措施两个方面。
（4）应急救援资源配置：包括人才资源和设备、物料的配置两个方面。
（5）应急救援预案演练：一方面是对各方面因素的协调性的演练，一方面是发现不足实现改进的手段。
（6）应急预案效果评价与改进：应急救援方式会随着社会环境、技术条件等因素的变化而变化，所以要持续改进以适应各方面的环境因素变化，从而能够发挥预案应有的效能。
2.一般内容：核心是制定所采取的技术和组织措施。
（1）组织机构及其职责。包括：应急预案制定、日常协调和指挥的机构；相关部门在应急救援中的职责和分工。
（2）危险源识别与风险评价。
（3）通告程序与报警系统：确定由哪一级组织启动应急预警系统。
（4）应急设备设、物料的配置。
（5）应急能力与资源配置的评价。
（6）事故应急救援针对性措施程序的制定。
（7）信息发布与公众教育。
（8）事故后恢复程序。
（9）培训与演练。
（10）应急预案的维护。
（二）沉降事故处置应急预案的编制过程
（1）成立预案编制小组 ：沉降事故应急预案编制小组应该由施工单位、施工监理单位和业主三方面的人员参加，由质量与安全方面的第一负责人、专业技术人员、辅助人员（包括财务、物资供应人员等）构成。
（2）风险分析与评估 ：由专业技术人员针对沉降事故进行各个方面的风险分析与评价。
（3）编制应急预案 ：以风险分析与评价结果为基础编制沉降事故应急预案。
（4）应急预案的评审与发布 ：由总工程师组织相关技术人员对应急预案的准确性、有效性进行审核，提出改进建议，从而使预案趋于完善。在修改完善之后，把预案通报给全体施工人员、生产质量安全管理人员、建设监理人员及业主，并组织对预案的学习。
（5）应急预案的实施：在实践中检验预案的有效性。
（6）应急预案的持续改进：沉降事故的发生具有共性，但是在实际生产中可能会发生未预想到的情况。所以在生产中要做到对应急预案的持续改进。
（三）沉降事故应急处置的资源配置
1.人员配置及组织管理
应急处置所需的人员有三个方面：指挥人员、沉降事故处理技术人员、应急处置辅助人员（包括医疗救护、设备物料运送、其他人员）。
人员的组织管理要建立起一个完善的组织体系，实行明确的分工，拥有高效的协调机制。
2.应急处置所需设备、物料的储备与管理
应急所需设备和物料是进行应急处置的基础，所需设备、物料的配备和使用管理关系到应急响应能否有效进行。一方面设备、物料的全面配备要有严格的组织程序保障，另一方面对所配备设备、物料的严格保养、检验也要写进组织程序。这样才能保证设备物料的有效性。
（四）风险因素的辨识和评估
沉降事故的发生原因、可能结果等因素是编制事故应急处置技术措施的基础。
（五）沉降事故应急响应程序的制定
事故发生在时间上具有突发性，应急预案的启动必须在短时间内完成。那么，如何使应急预案在短时间内全面协调地运作起来就成为事故处置效果的关键影响因素。应急预案的启动在短时间内的启动是一个系统工程，需要调动起人员、设备、物料等多方面因素。这需要有快捷的通讯联络技术、指挥者扎实的知识基础和敏捷的处理能力、有效的人员协调机制。
5．结语
城市地铁工程一般建设在城市内交通压力大的繁华地段，而地下工程的施工常常造成地表下沉的事故发生。但是，地表下沉的机理到目前为止还未形成定论，本文中有关的沉降机理分析只是目前比较流行的理论，随着理论和技术的不断进步、完善，地层沉降理论也将会逐渐清晰，届时有关的沉降控制技术和应急处理技术也会逐渐完善。
『参考文献』
（1）李铀、李小强、彭意中南大学土木建筑学院《地铁施工中的地表沉陷控制方法与工程实例》
（2）周键、王亚飞、池永、廖熊华 人民交通出版社《现代城市建设工程风险与保险》
（3）黎忠文 《深圳地铁施工突发事故应急预案编制》
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