从大量的工程实践中可知，盾构施工引起的地层变形仍不可避免，而较大的地层变形必然会危及地面建筑物和地下管线等各类设施的安全，因此必须严格控制盾构掘进过程中地表的沉降量。一般来讲，引起地层位移的直接原因是在施工过程中引起的地层损失、地层原始应力状态的改变、土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等。本节以三号线工程罗村站—佛山西站盾构区间为例，基于整个盾构施工过程中地表沉降监测数据的变化情况，结合周边环境因素及施工因素，分析发生地表沉降变形的原因，并提出控制地表沉降变形的建议。

一、工程概况

罗村站至佛山西站盾构区间采用外径为6 m的盾构管片，隧道设计均为双线圆形隧道，右线总长2 023.170 m，左线总长2 042.961 m（图8.35）。区间从罗村站出发，沿着规划的机场路西沿线敷设，首先需穿越一段有9.26 m高差的陡坡，侧穿罗村彭建村7座民房，然后经过一片农田，下穿、侧穿一片芦塘村民房，再下穿一片芦塘村厂房，最后到达佛山西站。罗村站、佛山西站均为地下两层站，区间自罗村站至佛山西站的线路纵断面呈“V”字形形式，线路出罗村站后以先下坡后上坡走向到佛山西站，线路轨面埋深6.11～25.03 m，隧道现状覆土埋深1.29～20.21 m。隧道穿越土层主要为＜7-2＞泥质粉砂岩强风化带、＜8-2＞泥质粉砂岩中风化带、＜6＞全风化碎屑岩，局部地区穿越＜5N-2＞残积粉质黏土、＜3-2＞中粗砂层、＜4-2B＞淤泥质土。本区间盾构机选用土压平衡式盾构机。

本区间场地地貌属残丘地貌，线路地面标高在0.87～18.25 m，总体地貌稍起伏。场地西部为堆土场，大量土方堆积于此，场地东部为鱼塘，标高为1.55～10.00 m。地表土层为堆土及素填土，下伏基岩为泥质粉砂层。场地内岩土层分为人工填土层、粉质黏土、淤泥、淤泥质土、中粗砂层、全风化碎屑岩、强风化泥质粉砂岩、中风化粗砂岩等，详见图8.36、表8.10。

图8.35　罗村站—佛山西站区间线路平面图

图8.36　罗村站—佛山西站区间地质纵断面图

表8.10　罗村站—佛山西站区间土层分层及物理特性

续表

本区间需下穿河涌，河涌水深一般0.50～1.50 m，线路下穿池塘，地表水体流量受季节影响较大，丰水季节流量较大，枯水季节则水量较小。线路范围内地表水稍发育，河涌底下多为黏性土或软土，与地下水水力联系较小。场地属于残丘地貌，地势稍有起伏，地下水位有一定波动。地下水初见水位埋深为0.00～4.30 m（标高-1.45～8.57 m），稳定水位埋深为0.00～4.60 m（标高-1.65～8.47 m）。场地地下水动态变化具有季节性，主要受降雨季节支配，每年4—10月份雨季期间，大气降水丰沛，是地下水的补给期，其水位会明显上升，而11月—次年3月为地下水的消耗期，地下水位随之下降，年变化幅度一般为2.50～3.00 m。

二、监测点布设

图8.37为盾构区间地表监测点布设横断面示意图。

（1）纵向沿隧道轴线上方地表设置地表监测点，由始发井开始，始发和到达井100 m范围内测点间距10 m，其他范围每20 m设1个测点。

（2）横向断面布置在距始发井、到达井50～100 m，联络通道位置处、其余位置间隔约100 m。一般在地铁结构两侧30 m范围内布设，每个横断面布置11个测点，依据近密远疏的原则布置。

图8.37　盾构区间地表监测点布设横断面示意图

三、地表沉降数据分析

（一）纵向地表沉降分析

罗—佛区间右线盾构于2019年10月12日始发，左线盾构于2019年12月6日始发，盾构掘进过程中各区域轴线上方地表沉降曲线如图8.38、图8.39所示。

图8.38　罗—佛区间右线隧道轴线地表隆沉曲线图

图中：

1—始发端，表层为盾构始发之前重新回填的人工填土，层厚最大处约8 m，盾构机位于淤泥质地层及粉质黏土层。

2—上层覆土多为粉质黏土及全风化泥岩、砂岩，盾构机位于岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩。

3—表层为盾构始发之前重新回填的人工填土，层厚最大处约5 m，中部覆土多为粉质黏土及淤泥，盾构机位于淤泥质地层、残积粉质黏土、砂层及全风化带。

4—上层覆土多为淤泥层，盾构机位于砂层、岩石全风化带及强风化泥质粉砂岩。

5—上层覆土多为粉质黏土、全风化及强风化带，盾构机位于岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩及中风化粗砂岩。

6—上层覆土多为淤泥，盾构机位于强风化泥质粉砂岩及中风化粗砂岩。

7—上层覆土多为粉质黏土、全风化及强风化带，盾构机位于强风化带。

8—上层覆土存在淤泥层，盾构机位于岩石强风化带。

9—上层覆土多为粉质黏土、全风化及强风化带，盾构机位于强风化及中风化带。

10—接近到达端，下穿河涌，上覆厚实淤泥层，盾构机位于淤泥层。

图8.39　罗—佛区间左线隧道轴线地表隆沉曲线图

图中：

1—始发端，表层为盾构始发之前重新回填的人工填土，层厚最大处约8 m；盾构机位于粉质黏土层、淤泥层及砂层中。

2—上层覆土多为厚实淤泥，盾构机位于砂层、粉质黏土层及少许强风化带。

3—上层覆土多为粉质黏土、全风化带及强风化带，盾构机位于岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩及中风化粗砂岩。

4—上层覆土存在淤泥层，盾构机位于岩石强风化带。

5—上层覆土多为粉质黏土、全风化及强风化带，盾构机位于强风化及中风化带。

6—接近到达端，下穿河涌，上覆厚实淤泥层，盾构机位于淤泥层。

对以上实测沉降曲线分析可以得出：

（1）罗—佛区间盾构掘进时，在图8.38中2、5、7、9区域与图8.39中3、5区域，即当盾构机穿越岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩时，若上层覆土主要以粉质黏土、全风化及强风化带，在上层覆土不存在淤泥层、砂层及未压实的人工回填土的情况下，地表沉降控制效果较好，绝大多数沉降基本控制-20 mm以内，其中右线地表最大沉降-16.1 mm，位于YDK64+ 913处，左线地表最大沉降-18.2 mm，位于ZDK65+554处。

（2）盾构始发端和到达端地表沉降较大，尤其是在盾构始发前施工单位重新进行回填的区域地表沉降尤为明显，如图8.38中1、3、10区域与图8.39中1、6区域所示。右线始发区域在盾构机穿越上覆回填土时，右线地表最大沉降达-88.9 mm，位于YDK65+077处；左线地表最大沉降达-238 mm，位于ZDK65+098处。对于该区域地表沉降变形的原因初步分析有以下几点：

① 盾构在始发和到达时，上层原状土变薄，上层覆土主要以回填土以及淤泥为主，且盾构机穿越的区域又为粉质黏土层、淤泥层及砂层，回填土的压实度不足以及淤泥质土的高流塑性使得在盾构掘进过程中极易产生地层的损失，引起地表沉降。

② 盾构始发到达阶段，土仓压力处于不断调整阶段，始发时土压在逐渐增大，到达时土压则减小。在土压调整过程中，未能建立真正意义上的土压平衡，因而引起部分地层损失，使地面沉降较大。尤其是右线盾构始发掘进时尚处于摸索阶段，掘进参数设置不尽合理易引起一定的地层沉降。在正常掘进段，盾构掘进时基本建立了土压平衡，盾构其他掘进参数在监测的反馈指导下设置较好，地面沉降得以有效控制。

③ 端头土体加固对控制地表沉降变形影响较明显。土体加固方案、加固范围、效果等对始发和到达端的地层沉降影响大，本区间在始发端及到达端10 m范围内采用一排800@600双管旋喷桩+直径800@600单轴搅拌桩进行了加固。从监测结果看，位于加固区域的第一个及最后一个地表监测点沉降控制较好，由于地层经加固处理后，地层强度、止水性、均匀性、整体稳定性都有改善，使得盾构掘进时其加固区内的沉降较小，沉降量控制在-4.7～-19.3 mm，变形远小于非加固区域。

④ 盾构上方若为富水软弱地层，例如软流塑淤泥质土，则盾构掘进引起的地表沉降量较明显。如图8.38中4、6、8区域与图8.39中2、4区域，上述区域盾构上方均存在软流塑淤泥质，在盾构掘进过程中对地层的扰动相对较大，且该地层后期固结沉降稳定时间长。其中：右线地表最大沉降达-42.0 mm，位于YDK66+157处；左线地表最大沉降达-111.2 mm，位于ZDK65+158处。

（二）地表沉降发展过程分析

将盾构机下穿不同地层时引起的地表变形分为5个阶段，分别是先行沉降、开挖面前的隆沉、通过沉降、盾尾空隙沉降、后期沉降，如图8.40所示。

图8.40　盾构隧道施工地层变位规律图(www.daowen.com)

（图中1、3、4、8、10表示的地层情况与图8.38中相同编号地层一致）

（1）先行沉降，指自开挖面距地表监测点还有一定距离（约30 m）时，直到开挖面到达监测点之前所产生的沉降，是随着盾构掘进因地下水水位降低而产生的，是由地基有效上覆土厚度增加而产生的压缩、固结沉降。本区间先行沉降不明显，沉降变形在-10 mm以内。

（2）开挖面前的隆沉，指自开挖面接近地表监测点时起直至开挖面位于监测点正下方之间所产生的隆沉现象，多由于开挖面的崩塌、盾构机的推力过大等所引起的开挖面土压力失衡所致，是由土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的地基塑性变形。隆沉大小主要与盾构正面压力平衡状态有关。盾构土仓内压力小于土体正面压力时，盾构开挖产生地层损失，盾构上方地面会出现沉降；相反，当土仓内压力高于土体正面压力，则盾构上方地面会出现升隆现象。由图8.40可见，当盾构机到达地表监测点位置下方时极易产生较为明显的沉降，最大沉降值可达-20 mm。

（3）通过沉降。由图8.40可见，在开挖面到达监测点的正下方之后直到盾构机尾部通过监测点期间地表沉降变形在进一步加剧，分析原因主要是土的扰动和由盾构掘进直径与盾构直径差引起土体应力释放所致。

（4）盾尾空隙沉降，指盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的沉降。是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形，沉降大小与盾尾同步注浆压力、浆液充填率密切相关，充填较理想时，沉降就小，反之就大。

（5）后期沉降，指固结和蠕变残余变形，主要是地基扰动所致。

由图8.40可知，在盾构上方以淤泥层及回填土为主的区域自盾构机到达开始，其开挖面的隆沉、通过沉降、盾尾空隙沉降以及后期沉降均不可避免，自盾构机达到开始地表即发生较为明显的沉降变形，同时在右线先行通过后，待左线盾构机再次侧穿该区域时仍然会引起较为明显的地表沉降变形。各阶段沉降除与地层有重要关联外，盾构掘进参数对其有重要影响，关键需控制开挖面的隆沉、通过沉降、盾尾空隙这三个阶段，要做好土仓内的压力控制以及盾尾间隙注浆的及时性和充填率。

（三）地表沉降的横向沉陷槽和影响范围分析

不同地层中盾构掘进时地面隆沉横向沉陷槽和影响范围见图8.41。

图8.41　不同地层的地表横向沉降槽曲线图

（图中1、5、8、10表示的地层情况与图8.4中相同编号地层一致）

实测地表沉降槽曲线表明：

（1）地层条件是判断盾构掘进对地层影响程度的关键，在自稳性好的地层中，盾构掘进对地表影响小，反之则相反。图8.41中，各沉降槽相对深度和曲线曲率从大到小依次为未压实回填土、淤泥质土、粉质黏土。

（2）对于非未压实回填土区域，盾构掘进主要影响区域在隧道轴线两侧3 m范围内，沉降槽曲线基本沿隧道轴线点呈典型的正态分布，在轴线处以及轴线3 m以内（即洞径范围以内）的沉降值最大，淤泥质土层、粉质黏土层分别为-165.4 mm、-62.6 mm、-5.5 mm；但对于未压实回填土的区域主要影响区单侧范围已超过30 m，30 m处仍可达到-36.5 mm的变形量。对于非回填区域，轴线3～13 m为次要沉降区，距轴线13 m处的沉降依次为-21 mm、0.1 mm，未超过最大沉降量的34%；距轴线23 m外的-18 mm、-0.3 mm，可见在上覆淤泥质及未压实回填土区域，盾构掘进对地层变形的影响范围已超过盾构外边线30 m，上覆粉质黏土层区域影响范围在30 m之内即可得到控制。

（四）地表沉降与掘进参数的关系

优化盾构掘进参数是控制地层沉降变形的关键因素之一，配置合适的土压力、掘进速度、同步注浆量及注浆压力、出渣量等掘进参数都是控制地层沉降的重要手段。随着盾构的推进，在盾壳外径与管片外径之间会产生建筑空隙，建筑空隙的充分充填和及时充填是减少地表沉降的关键环节，需要通过及时对建筑空隙进行同步注浆，并控制好注浆压力与注浆量。而保持渣土的排出量与掘进的挖掘量相匹配，以此获得稳定而合适的支撑压力值是使盾构机处于最佳状态的重要手段。由于本次未能收集每一环管片拼装时真实有效的同步注浆量、注浆压力以及出渣量，因此不对上述参数进行比对分析。

在盾构掘进中，保持土仓压力与作业面压力平衡是防止地表沉降、保证建筑物安全的一个很重要的因素，土仓压力应能与地层土压力和静水压力相抗衡。土仓压力的调整需根据掘进过程中地质、埋深及地表沉降监测信息，通过维持开挖土量与排土量的平衡来实现。可通过设定掘进速度、调整排土量或设定排土量、调整掘进速度等方式来进行土仓压力调整。罗佛区间隧道轴线地表沉降和盾构土仓上部压力的关系见图8.42、图8.43所示。隧道轴线地表沉降和盾构掘进速度的关系见图8.44、图8.45所示。罗佛区间隧道轴线地表隆沉与推力关系见图8.46、图8.47所示。

通过对比地表沉降和盾构土仓压力以及掘进速度的关系得，罗佛区间在整个盾构掘进过程中，土压力调整量并不明显，说明地表的沉降变形主要仍然受地层影响所致，未能通过适当的调整土压力及掘进速度等掘进参数更好地控制地表沉降变形。但当盾构上方覆土多为粉质黏土、全风化带及强风化带为主的情况下，且盾构机穿越岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩及中风化粗砂岩时，更大的推力对控制地表沉降起到了更好的效果。

图8.42　罗—佛区间隧道右线轴线地表隆沉与土仓压力关系曲线图

图8.43　罗—佛区间隧道左线轴线地表隆沉与土仓压力关系曲线图

图8.44　罗—佛区间隧道右线轴线地表隆沉与掘进速度关系曲线图

图8.45　罗—佛区间隧道左线轴线地表隆沉与掘进速度关系曲线图

图8.46　罗—佛区间隧道右线轴线地表隆沉与推力关系曲线图

图8.47　罗—佛区间隧道左线轴线地表隆沉与推力关系曲线图

四、地表沉降的影响因素

地表沉降变形的直接原因为盾构掘进引起地层损失以及盾构隧道受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结。将影响地面沉降的因素分为环境因素及施工因素两部分，其中：

（1）环境因素包括隧道介质种类、隧道埋深、隧道上部荷载、土体性质等，盾构法施工地面沉陷槽宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的状况，如果隧道完全位于地下水位下，那么紧挨隧道上方的承压水土层对沉陷槽有重大影响。隧道埋深、隧道上方的竖直压力以及土体的压缩性、强度性质对地层位移均有重大影响。由于盾构在始发端和达到端掘进时隧道埋深较浅，通过监测数据可得盾构在穿越隧道浅埋区域以及上方覆土含未压实回填土、淤泥质及砂层时，地表沉降变形均较为明显。

（2）盾构施工因素则包括：开挖面土压是否不平衡，盾构推力及掘进速度是否合适，盾构机姿态控制是否良好，盾构尾部空隙控制效果，回填注浆是否充足、及时，衬砌管片拼装质量是否完善等。上述因素如未能控制好极有可能发生以下几种不良情况：

① 开挖面土体移动。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应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降。当盾构推进时，如作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移动，引起负地层损失而导致盾构上方地面隆起。

② 盾构后退。在盾构暂停推进时，由于盾构推进千斤顶漏油回缩可能引起盾构后退，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。由于向盾尾后面隧道空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不适当，使盾尾后隧道周边土体失去原始平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失，尤其是在含水层不稳定地层中尤为明显。

④ 改变推进方向，盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。

⑤ 如推进的盾构外周粘附一层黏土时，盾尾后隧道外周环形空隙会有较大量的增加，如不相应增加压浆量，地层损失必然大量增加。

⑥ 在土压力作用下，隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失。

五、小 结

通过对罗佛区间地表沉降监测数据分析可得：

（1）本区间在盾构掘进过程中，在始发端与到达端地表沉降控制效果较差，原因系始发端表层为盾构始发之前重新回填的人工填土，压实度不足；同时盾构机穿越粉质黏土层、淤泥层及砂层中，导致地层损失较大进而发生明显地表沉降变形；而到达端盾构穿越淤泥层且上方覆土同样为淤泥层，因此易发生明显地表沉降。当盾构穿越上方为粉质黏土、全风化带及强风化带区域时，地表沉降控制效果较好，说明地层条件是影响盾构掘进过程中地层变形的关键。在自稳性好的地层中，盾构掘进对地表影响小。因此为了减小盾构施工时由于地表沉降而对周边建构筑物发生扰动，建议对于压实度不足、淤泥层及砂层区域存在重要建构筑物的情况下进行一定的地层加固处理。

（2）在淤泥层及回填土区域，开挖面的隆沉、通过沉降、盾尾空隙沉降较为明显，因此在盾构掘进过程中需重点控制该阶段的地表沉降变形，做好掘进参数的优化调整，确保同步注浆及二次注浆的效果。

（3）盾构施工引起的地表横向沉陷槽呈正态曲线分布，各沉降槽相对深度和曲线曲率从大到小依次为未压实回填土、淤泥质土、粉质黏土。对于粉质黏土层等自稳性较好的区域，盾构掘进影响区域在隧道轴线两侧13 m范围内，但对于上覆淤泥质及未压实回填土区域，盾构掘进对地层变形的影响范围已超过盾构外边线30 m。

（4）优化盾构掘进参数是控制地层沉降变形的关键，盾构掘进过程中需要配置合适的土压力、掘进速度、同步注浆量及注浆压力、出渣量等掘进参数以达到对地层沉降的良好控制效果。通过对比地表沉降和盾构土仓压力以及掘进速度的关系得，罗佛区间在整个盾构掘进过程中，土压力调整量并不明显，地表的沉降变形主要仍然受地层影响所致。但当盾构上方覆土多为粉质黏土、全风化带及强风化带为主，盾构机穿越岩石全风化带、强风化泥质粉砂岩及中风化粗砂岩时，更大的推力对控制地表沉降起到了更好的效果。

控制地表沉降变形建议措施：

（1）需要重点控制盾构穿越或穿越区域上方存在自稳性较差地层的地表沉降，如淤泥质土、砂层、压实度不足的回填土等，对于区域内存在重要建构筑物或重要管线的情况，可进行一定的地层加固。

（2）同步注浆时，注浆压力过大会引起地表有害隆起或破坏管片衬砌，注浆压力过小又达不到良好的注浆效果，因此合适的注浆压力是保证注浆效果的前提。同时应根据地质条件、地表沉降等及时调整、确定与推进速度相匹配的注浆速度，确保充填效果，以达到控制沉降的目的。

（3）必须设定合理的盾构掘进参数，建立起有效土压平衡，包括土仓压力、推进速度、推力、盾构姿态和同步注浆参数等。掘进参数的设定应根据不同地层、埋深及现场监测数据分析反馈的基础上确定，应确保同步注浆的浆液注入率和注浆的及时性，并及时跟进二次注浆。盾构施工过程中，尤其应注重控制开挖面前沉降、通过沉降、盾尾空隙沉降三阶段，通过优化掘进参数达到良好控制效果。

（4）需重点关注盾构始发及达到端地表沉降变形，良好的端头加固效果可有效控制端头区域的地表沉降，但实际作业中端头加固范围通常是有限的，例如罗佛区间仅加固端头前10 m范围。因此需要重点控制未加固区域的地表沉降，尤其是回填土区域必须进行良好的压实，在盾构始发前保证回填土具备足够的压实度以及先行自然沉降。

（5）做好外勤工作，保证注浆材料储备充足、渣土及时外运等，同时提高盾构掘进速度，快速掘进、防止人为机械设备故障、保持施工的均匀性和连续性，做好短期停等施工技术措施，以进一步控制地层沉降，确保重点、难点地段的安全。盾构短期停期间尽可能地采取保压措施，防止开挖面由于土压衰减而出现坍塌。