1）盾构施工开挖面失稳

盾构掘进开挖面失稳主要是由支护压力不足而引起，合理的开挖面支护压力主要受地质情况、盾构埋深、盾构直径、地下水位等因素影响。当开挖面的支护压力小于极限支护压力时，开挖面前方土体将形成一定范围的滑动区域，开挖面也随之产生失稳。根据对地层影响范围的大小，开挖面失稳主要分为整体失稳和局部失稳两种情况。当盾构前方土体松散且埋深较浅时，开挖面上方土体很难形成具有承载作用的土拱，因此开挖面失稳的影响范围将延伸到地面，宏观上表现为开挖面整体失稳，如图8-27（a）所示。当盾构埋深较深时，深部地层土体内摩擦角变大，颗粒之间的接触更加紧密，力学参数大幅提高，因此地层的稳定性得到提高。当支护压力不足时，开挖面前方的土体由于水平方向的卸载作用，发生向开挖面的水平位移，出现一定范围的拉剪破坏，破坏区域内土体的孔隙率变大、力学性质也降低。该区域是开挖面失稳区，而盾构开挖面上方的区域土体产生向下的位移，因此上方将产生一定范围的滑移土体，随着开挖面上方滑移土体范围的增大，上部颗粒由于运动而发生一定的挤密效应，宏观上能够形成一定承载能力的土拱，土拱上方的土体未被扰动，开挖面表现出局部失稳状态，如图8-27（b）所示。

图8-27　盾构开挖面失稳模式

成都地铁6号线盾构在砂卵石地层中掘进过程中，造成土体扰动的情况主要有：

①出渣量未得到有效控制，发生超挖。

②推进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力（土压平衡盾构）、注浆压力和盾构总推力等参数的设定不合理。

③盾构到达和始发端头处于基坑开挖降水范围，由于降水造成的土体损失及盾构始发到达施工的不连续性，往往会导致较强的土体扰动，因此，该部位滞后沉降导致地表塌陷发生的频率极高。

④盾构长时间停机更换刀具，盾构刀盘上方发生土体坍塌，造成土体扰动。

⑤在推进过程中，盾构“姿态”纠偏时产生“仰头”或“磕头”现象，这就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然造成土体超挖及对土体造成扰动。

⑥在一些不良地质中（上部泥岩下部砂卵石地层、泥夹石地层、局部透镜体沙层等）盾构掘进易发生糊刀、堵舱，导致掘进缓慢，引起出渣量超限，发生超挖。

2）开挖面失稳后形成空洞

成都地铁6号线3标盾构施工设备主要采用复合式土压平衡盾构施工，为了保持土舱内土体具有良好的流动性，经常需要向土舱内注入水和泡沫剂以增加土体的流动性。盾构满舱掘进容易造成压力舱土体闭塞和产生排土困难现象，通常在实际施工中盾构机土舱总是非满舱掘进，土舱中上部基本处于无土状态，因此总体上表现出“欠压状态”，开挖面土体失稳后通常从开挖面上部涌入土舱。

开挖面上部土体的稳定性控制是施工中的薄弱环节，也是造成超出土的根本原因。当开挖面前方土体失稳时，土体在重力作用下总的趋势是向下运动，由于土舱内下部充满土体，因此失稳的土体基本上是从开挖面上部涌入土舱，由此造成大量超出土。由于砂卵石地层具有很强的成拱作用，土拱将上部地层荷载传递到两侧土层，因此开挖面失稳形式是局部失稳。局部失稳的结果是盾构施工造成超出土，从而在盾构上方形成空洞，这和实际调查情况相符合。

当盾构因超出土而形成土层内部空洞后，主要有以下原因可能导致地层内部空洞不能被注浆回填：

①同步注浆浆液由于盾构构造方面原因从开挖面进入土舱而流失。(www.daowen.com)

②未进行及时有效的二次补注浆或地面注浆。

③浆液离析和向地层中渗透。

④空洞形成后离同步注浆和二次注浆有较长的时间间隔，在此时间段空洞已向上坍塌移动至上部地层。

3）空洞向上移动诱发突发地表沉降

综上分析，盾构施工产生的空洞主要集中在开挖面上部，由于砂卵石具有一定的成拱作用，因此在盾构上部形成相对稳定的空洞。由于地下水位变化、地面荷载影响和土体强度逐渐减弱等作用，在重力作用下空洞顶部土体不断脱落下坠，空洞逐渐向上发展到地表，最终造成盾构掘进后的滞后突发地面塌陷。

成都地铁6号线砂卵石地层形成半球形穹顶自稳后，由于受到诸如季节性的地下水位提升、地表动荷载等因素影响，容易形成自稳的砂卵石层穹顶表层逐渐剥落向地表发展，最终地面贯穿，形成塌孔。

在成都特有的富水、富含大漂石砂卵石地层中，滞后沉降的发生机理及最终导致地表塌陷的发展过程如下（图8-28）：

a.盾构掘进发生超挖或长时间停机造成土体扰动（砂卵石地层中盾构掘进极易发生超挖）。

b.砂卵石层形成半球形穹顶自稳。

图8-28　滞后沉降形成过程

c.由于受到地下水位提升、地表动荷载等因素影响，形成自稳的砂卵石层穹顶表层逐渐剥落向地表发展。

d.最终地面贯穿，形成塌孔。

根据实际施工记录，第一次沉降（即时沉降）后到后期再次沉降（滞后沉降）前，地面不再发生沉降，路面等车辆通行不受影响。可见掘进后如无外界诸如强降雨、外部荷载（机动车等）等诱发因素，地面将长期保持平稳、安全。