1）砂卵石土物理力学特性对地层沉降影响

砂卵石地层主要依靠卵石间点对点进行接触和传力，卵石之间填充细小颗粒和水分，因此颗粒之间存在咬合力。卵石之间咬合力很容易受外界因素干扰而发生较大的变化，在极端的状况下变成完全的松散体，产生颗粒流动现象，因此这种土层在受力上很不稳定，是力学特性不稳定的土层。当盾构机刀盘旋转切削时，刀盘与卵石层接触压力不等，刀头旋转振动切削，引起周围地层产生强烈的扰动和变形，由于砂卵石土无黏聚力，卵石颗粒产生松动并发生脱落现象，开挖面周围的砂卵石土层力学性能迅速下降，因此开挖面容易产生整体失稳或局部失稳。

开挖面稳定性控制难度较大，开挖面失稳后容易超出土而形成空洞。在砂卵石层中经常夹杂软弱砂层，由于盾构施工开挖面属于卸载作用，在地下水和地层压力的作用下，容易形成流砂而涌入土舱，造成大量超出土，这也是导致地层内部空洞的直接原因。

砂卵石地层特性造成超出土的因素主要有：

①土体成拱作用对超出土的影响。

在强烈扰动的区域，土体颗粒力学性能明显降低，颗粒流动现象明显，该区域能够形成一定范围的空洞。过渡区和未被扰动的区域由于颗粒移动和应力调整，能够形成具有一定承载能力的土拱，土拱可暂时承受上部地层的土压力而不发生垮塌。砂卵石地层土拱作用明显，在支护力较小时，盾构开挖面容易超挖形成空洞，从而产生较大的地层损失，在土拱的支护下，上部土体位移较小，变形不会立即反映到地面。在开挖面失稳超出土和土拱的联合作用下，砂卵石地层损失的特点表现为土层内部形成范围较大的空洞，空洞形状在横向剖面上表现为中间高度大、两端范围小。这决定了砂卵石地层中地层损失的形状与其他情况不同，主要集中在拱顶，这也是引发地面塌陷的重要原因。

②大粒径卵石对超出土的影响。

在盾构掘进过程中，大颗粒漂石不能顺利进入土舱，由于强度和硬度都很高，也不会被轻易挤碎，因此随着盾构掘进，大漂石始终位于开挖面前方。当施工中遇到大粒径卵石时，需要加大推力才能使盾构推进，但当盾构掘进速度缓慢时，盾构对周围土层的扰动增大，开挖面支撑力主要由大粒径卵石承受，开挖地层形成应力集中现象，容易导致开挖面坍塌，因此这种情况很容易产生超挖。

③浆液易向地层渗透流失。

砂卵石地层的孔隙率大，地层的渗透系数较大，由于同步注浆通常为单液浆，而单液浆的固结时间长，同时，由于渗透和重力作用，同步浆液容易向地层渗透，导致同步注浆的浆液流失，降低了补偿地层损失措施的效果，从而也进一步加大了地层的损失。

2）施工措施对地层损失影响

①注浆压力不合理，注浆量不足。

盾构施工中普遍采用同步注浆及二次注浆方法来减小地层损失，控制地表沉降。在注浆时，应选择合理的注浆压力，当注浆压力大于地层劈裂压力时，浆液可浸入地层，扰动地层，从而加大地表沉降；而过小的注浆压力则不能保证所有空隙被填满。考虑到浆液固结时会有一定量的水分析出并渗入到周围土层中，导致实际充填浆液的体积会小于实际注浆量，故在注浆时，其实际注浆量应大于盾尾建筑空隙体积。当注浆压力不合理或注浆量较小时，会导致地层损失加大。

②盾构设备及工序原因。(www.daowen.com)

开挖面失稳在盾构顶部产生空洞后，由于盾构壳体长度原因，同步注浆尚需要一定时间间隔才能向盾构顶部空洞注浆，在此时段由于时间效应，空洞可能已经向上方地层坍塌和移动，因此对于这种情况单纯依靠同步注浆已经不能起到填补地层损失的作用，这也是空洞没有被及时注浆的重要原因。

砂卵石地层超出土后，管片上方会出现暂时稳定的空洞。由于目前盾构设备构造方面无法阻止同步注浆浆液由盾构顶部土体空腔流入开挖面，从而使同步注浆浆液由土舱排出。因此单纯依靠同步注浆无法解决盾构顶部的超出土空洞，未采取及时的二次壁后注浆和地面注浆也是产生过大地层损失的原因。

砂卵石地层盾构施工引起地面沉降具有时间效应，盾构推进速度快，则意味着各施工工序时间缩短，减少了隧道开挖面的裸露时间，利于控制地层沉降。当然，盾构推进速度应该由地层条件和盾构出土设备能力共同确定。

③进出洞门段很难保证土舱压力。

首先，盾构进出洞的端头部位土体在围护结构施工时已经被扰动；其次，端头井内的土体被挖除，因此减小了开挖土体的支撑作用，降低了纵向土拱作用；最后，盾构进出洞时，土舱容易漏气，因此气压保证很困难。综合这三个因素，盾构进出洞时超出土现象突出。

④盾构土舱内的土体和易性较差。

在目前砂卵石地层中，主要采用土压平衡系盾构施工，为了保持土舱内土体具有比较好的流动性使土体顺利排出，经常需要向土舱内注入水、膨润土和泡沫剂增加土体的流动性。由于砂卵石颗粒粒径较大，因此砂卵石的流动性经常得不到保证，土舱内的大粒径卵石过多地累积到土舱底部而导致排土不畅，甚至不能排土，这是造成超出土的主要原因。

3）软弱砂层对地层沉降影响

成都砂卵石地层是由河流冲积堆积而形成的，砂卵石地层中的土层分布很不均匀，经常有力学性质较低的砂层和透镜体砂层，砂层厚度为1～2 m甚至更厚。由于地铁工程中对线路进行勘察时，通常勘探点间距为50 m，因此有时很难通过勘察的方法来全面掌握砂层和透镜体分布范围。

砂卵石地层通常富含地下水，盾构通过含有砂层或透镜体段的地层时，由于盾构开挖属于卸载型的开挖，砂层力学性能较低，因此开挖面上部土体是呈受拉趋势的。另外地下水会由地层向盾构开挖渗透而形成一定的渗透力。综合两方面的因素，盾构穿越砂层时将产生开挖面失稳现象，砂层会随着地下水渗流而形成流沙，因此开挖面遇到砂层时便很难避免开挖面土体崩塌滑落，以至于造成土体超挖的问题。

4）盾构埋深对地层沉降影响

盾构覆土深度是影响地层移动和地面塌陷的重要因素，相同地层损失数量在不同埋深下对地表的影响是不同的，随着盾构埋深的增加，相同地层损失数量对地面变形的影响会逐渐减小。

原状砂卵石地层相对比较密实，开挖土体经过扰动后产生体积膨胀，其松散系数大致在1.2～1.3。在盾构施工产生顶部地层的空洞后，空洞顶部的土体掉落后堆积在其底部，与此相同反复发展，而掉落底部的土体因体积膨胀致使向地面移动的空洞体积逐渐减小。当盾构埋深较大、空洞体积较小时，空洞便在向地面发展的途中消失。而松散的土体会对四周及顶部的土体产生一定的支护力，从而整个地层达到一种应力平衡状态，因此当盾构埋深较大、空洞体积较小时，其只会影响地层移动而不会造成地面塌陷，这种现象和矿山开采的冒落岩块碎胀充填论的结论是一致的。冒落岩块碎胀充填论认为开采空间引起了覆岩冒落，冒落的岩体破碎后孔隙度加大，膨胀起来充填采空区，从而限制了冒落的发展，使之趋于稳定。因此，这也是超出土量比较少，空洞只能扰动地层而不能发展到地面的原因。