中铁十四局集团隧道工程有限公司
摘要：根据北京地铁六号线区间穿越过街天桥沉降控制措施，总结在地铁施工中，沉降控制的重要性、机理分析、控制技术等；以本工程为成功范例介绍在工程中控制沉降的具体做法。
关键词：地铁工程暗挖穿越城市过街天桥沉降控制
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、成都、沈阳、西安、武汉等大城市建成部分地铁，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。以北京京广桥三环塌陷、北京3.28苏州街站出入口塌陷、上海地铁塌陷等事故为例，在施工工期内，地面沉降事故频发。事故发生地位多位于市区繁华地段，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）沿河地区沉降使地面低于河面，受河水侵袭；
（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）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；
（4）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）加强监控量测的工作，监控量测是指导施工的眼睛，通过切实有效的量测，以数据分析地层的活动情况，及时发现情况并做出反应，改变施工方法，加强支护，避免沉降。
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0.75m，可缩短为0.5m或密排；不用全断面开挖方法，而用导洞开挖方法．
（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，及时封闭掌子面，一般喷射5cm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、从地表打设导管注浆法、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。
从地表打设导管注浆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入导管，注浆使地下土体固结起来，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开挖坑道周边与衬砌环外周之间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。盾构移动对地层的摩擦和剪切。
（5）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。
4沉降控制案例：
4.1工程概况
我中铁十四局北京地铁六号线项目部所承建平安里至北海北区间工程。本段区间全部采用暗挖法施工，线路沿大街呈南北走向。区间里程K19+574.80～K20+383.863，右线总长为809.063m。本段区间包括区间隧道结构、区间人防段、区间施工竖井及施工通道等。线路间距在15m~17m之间，区间线路在竖向为单向坡，自平安里站至北海北站整个区间呈下降趋势，线路埋深在14.94m~21.81m之间。大部分隧道全断面在圆砾石土层中及砂层中通过，洞顶覆土厚度为7.4m～16.2m。
区间右线于K20＋167处和区间左线于K20＋165.63处穿过平安大街的7＃人行天桥，本桥位于白颐路交点以南约70m处。该桥为工形钢结构天桥，上部结构为三跨简支结合梁，三跨为10m+25.5m+10m，桥面宽度为4m，主墩、梯墩基础均为桩基础，桩直径为1000mm，主墩桩底标高为39.28m，梯墩桩底标高为39.25m。该桥的一根桥桩位于区间右线隧道顶部，距离隧道顶部的距离为1485mm。区间左线中心距离左侧的桥桩中心7.89m，区间左线开挖面距离桥桩最近距离为4.28m。需要处理的桥桩为区间右线拱顶上方的桥桩，该桥桩为杯壁型基础，其下为桩基础。附近管线情况为：1、上水S30φ600，管外顶标高50.15；2、电信74X78（X11，管外顶标高50.13）。
该处区间断面为标准断面，隧道拱部埋深13.865m，隧道所处地质情况从通道开挖和地质剖面图均反映出：开挖断面上台阶处于砂卵石地层，下台阶处于粉质粘土地层。
桥桩与隧道关系详见“区间隧道与桥桩关系图”。
区间隧道与桥桩关系图
4.2．控制目标及指标
区间通过白颐路7＃过街天桥后，保证天桥的使用安全，地表及桩基沉降变形控制在15mm范围以内。
4.3区间右线过过街天桥专项技术方案
4.3.1原设计方案
原设计中对穿越7#过街天桥所做的专向技术方案为：对桥桩杯状基础底土体进行旋喷法注浆加固，洞内过桥桩前后10m范围内格栅间距调整为50cm，地面采取支撑桥面，在天桥设置临时支架。但后我技术人员研讨发现原设计方案存在以下问题：
1、采用旋喷法加固杯状基础土体，首先存在交通疏导方面的操作困难。7#天桥所处的中关村大街车流量很大，在此处打设旋喷桩必定给地面交通带来不便。2、隧道所处地质情况从通道开挖和地质剖面图均反映出杯状基础底土体为粉质粘土地层，该地层注水泥浆加固效果并不是很理想。3、过桥桩段拱部处于砂卵石地层，极易坍塌，加之拱顶距桥桩底部仅为1485mm，仅将洞内过桥桩前后10m范围内格栅间距调整为50cm，而其他支护参数不作调整，很难保证过桥桩段的安全。所以根据以上情况，最终没有采用原设计方案。
4.3.2初步技术方案
在原设计方案的基础上，我技术人员制定了以下初步技术方案：1、不再采用旋喷法对杯状型土体注浆加固的方案。2、加强洞内穿越桥桩段的支护参数，具体如下：洞内过桥桩前后10m范围内格栅间距调整为50cm。标准段区间在过桥桩前后10m范围内不再采用台阶法施工，改为中隔壁法（CID法）施工。在距离桥桩前后10m的范围内，超前小导管支护改为每榀格栅拱架打设一次。地面采取支撑桥面，在天桥设置临时支架。
但后我技术人员研讨发现此施工方案也存在以下问题：1、对桥桩基不作注浆加固处理，虽然对洞内支护参数作了适当加强，但仍显薄弱。2、采用CID法施工，虽然从拱部支护强度上有了提高，但标准断面净空本来就很有限，在分成四部开挖，操作空间不利于实际施工。3、另外，CID法施工步序繁琐，全断面进尺最少需要分4个步骤进行，对初支的迅速封闭成环要求很难保证。4、此段过桥桩区间位于砂卵石地层中，地层自稳能力较差，极易坍塌。加之我穿越桥桩拱顶距桥桩基础底部仅1485mm，如采用CID法施工，拱部开挖要分成两个步骤方能完成，加重了对拱顶土层的扰动，一旦出现坍塌，极易使桩基外露、下沉，给洞内施工、地面天桥及行人，以及天桥下方通行车辆等都带来极大安全隐患。所以根据以上情况，最终没有采用此设计方案。
4.3.3最终专项技术方案
区间右线过白颐路7＃过街天桥施工中主要采取以下措施：
1在区间隧道右线通过白颐路7＃过街天桥桩基之前（在区间隧道施工至K20+172之前），在桥面下设置碗扣型脚手架，南北向间距0.6m，东西向间距0.25m，对桥桩中心东西侧各2.5m范围内进行支撑，同时做好交通导流措施，保证交通安全。
解释说明：此项方案是预防一旦洞内过桥桩段出现坍塌，桥桩出现下沉时，地面临时支撑能够代替桥桩起到对天桥的支撑作用，减缓天桥的下沉，给应急抢险预留足够的时间。
2在区间隧道右线通过白颐路7＃过街天桥桩基之前（在区间隧道施工至K20+172之前），对白颐路7＃过街天桥采取封闭措施，禁止人员从天桥上方通过。
解释说明：此项方案是一旦桥桩下沉，尽可能的避免对过街行人安全的危害。
3在距离桥桩前后各10m的范围内（K20＋157～K20＋177），格栅钢架间距为400mm，喷射砼的厚度相应调整为300mm，采用台阶法施工，临时仰拱采用I20a工字钢+钢筋网（φ6、150*150mm）+喷砼（30cm厚）及时封闭。
解释说明：此项方案放弃了原CID法施工，改为台阶法，遵循新奥法施工18字方针中“快封闭”的原则，采用台阶法快施工，快封闭，同时加强洞内支护参数，在开挖还未对天桥造成影响时，迅速通过。
4在距离桥桩前后15m的范围，超前小导管支护改为每榀格栅拱架打设一次，小导管间距由原设计300mm变化为200mm，同时小导管长度由原设计的3.0m变化为2.0m。布设范围由原来的拱部150度设置变化为拱部及拱脚以下边墙设置，同时采用改性水玻璃注浆加固。
解释说明：此方案是针对过桥桩段处于砂卵石地层，必须严防拱部坍塌。适当的加强超前支护的参数很有必要。因为桥桩处于拱顶正上方，且距离较近，地面天桥自重也加大了隧道上方的荷载，在边墙也打设导管并注浆加固，也能够起到预防隧道沉降收敛的作用。
5距离桥桩前后各5米的范围内，每榀拱架增加设置一排大角度的ф32小导管对周边地层进行注浆加固，导管间距200mm，打设角度30-60度，打设范围为拱部150度范围，导管长度3.0米，注改性水玻璃对天桥桩底地层进行加固。
解释说明：此项方案是在每榀都采取超前支护的前提下，有对拱顶及前方土体进行了二次超前支护，一来可以预防一旦第一次超前支护效果不佳，可以通过二次支护来弥补。二来，采取大仰角打设，根据3m的导管长度，完全可以加固拱顶1-2米的土体，而此部分土体正是桥桩所在的位置，即可提高土体的自身承载力以防止桥桩沉降，又可加固土体预防拱顶坍塌。三来，也起到了探明桥桩基底位置及前方地质情况的作用。
6在隧道开挖时，每隔3-5m预留一环背后回填注浆管，下台阶封闭成后及时进行背后回填注浆，注浆采用水泥砂浆。
解释说明：在砂卵石地层中通过桥桩，开挖中难免造成拱部的坍塌及超挖，预留背后回填注浆管并及时进行背后回填注水泥砂浆，能够及时的解决通过桥桩后，前期坍塌及超挖对桥桩的影响。
7加密监测频率，区间隧道在过桥桩前后各5m（K20＋162～K20＋172）施工过程中，监测频率为2次/天，如沉降偏大应继续增大监测频率并及时反馈停止施工，如沉降不大且区间隧道施工通过该段（K20＋162～K20＋172）后，监测频率可变为1次/天。
解释说明：监控量测是浅埋暗挖法信息化设计与施工的重要手段，通过监控量测，了解过桥桩段施工对地层及自身支护的影响和变化，用现场实测的结果弥补理论分析的不足，并及时的调整施工工艺、开挖步序、修正支护参数，避免出现施工事故。同时，通过现场实测的结果，可以积累资料及施工经验，了解该工程客观条件下所表现出的施工规律和特点，为今后类似工程或该工法本身的发展提供借鉴。
4.3.4、现场监测、信息、报告、预警与报警
在信息化施工中，监测后应及时对各种数据进行整理分析，判断天桥桩基的稳定性，并及时反馈到施工中去指导施工。计划建立Ⅲ级管理标准。
管理标准表
表中：U。—实测位移值
Un—允许位移值
Un的取值为15mm，也就是监测控制标准。根据上述监测管理基准，可选择监测频率：一般在Ⅲ级管理阶段监测频率适当放大一些；在Ⅱ级管理阶段则注意加密监测次数；在I级管理阶则密切关注，加强监测，监测频率可达到1-2次／天或更多。
切实做好监控量测工作，及时有效地对现场及施工可能影响到的地方进行监测，并且及时地分析并反馈量测结果，上报各个部门；当量测结果显示的沉降或偏移速度有明显增大时，提出警告，加强支护并且减缓施工进度；当沉降或偏移接近或达到极限值时，暂停施工，启动应急预案。
5．结束语
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。我们只有不断吸取以往事故的教训，总结经验，严格按照设计规范施工，提高施工质量安全意识，才能够避免因施工而带来的沉降事故，建设更好更多的“让百姓满意，让政府放心”的地铁工程。