地下空間作為城市的重要資源，在發(fā)達國家得到了多方面的應用，隨著我國經濟的快速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用已經受到廣泛重視，城市地下工程的興建已經成為一種趨勢。就地下鐵路來看，我國從1965年開始修建地下鐵道，至今已有北京、天津、上海、廣州、深圳、南京等大城市建成部分地鐵，武漢等其它城市也即將或將要修建地鐵，我國的地鐵建設已步人快速發(fā)展階段。
然而，在地鐵工程的施工中，地表沉降事故發(fā)生的概率很高。以深圳地鐵一號線的建設為例，在施工工期內，地面沉降事故占總事故的25％。事故發(fā)生地位于深圳市區(qū)繁華地段，對工程周圍的建筑物以及地下管線產生了一定的影響，同時也影響了工程的進度增加了工程的費用。
所以，不論從工程進度、費用的控制方面考慮還是從工程質量安全方面來考慮，都要對地表沉降控制有足夠的重視，從各個方面著手，來控制沉降的發(fā)生。
地表沉降的主要危害有：
(1)沿海地區(qū)沉降使地面低于海面，受海水侵襲；
(2)一些港口城市，由于碼頭、堤岸的沉降而喪失或降低了港灣設施的能力；
(3)橋墩下沉，橋梁凈空減小，影響水上交通；
(4)在一些地面沉降強烈的地區(qū)，伴隨地面垂直沉陷而發(fā)生的較大水平位移，往往會對許多地面和地下構筑物造成巨大危害；
(5)在地面沉降區(qū)還有一些較為常見的現(xiàn)象，如深井管上升、井臺破壞，高擺脫空，橋墩的不均勻下沉等，這些現(xiàn)象雖然不致于造成大的危害，但也會給市政建設的各方面帶來一定影響。
針對地鐵工程而言，進行沉降控制的重要性體現(xiàn)在兩個方面：
（1）城市地鐵工程一般位于城市的繁華地段，周圍建筑物密集、各種地下管線縱橫復雜交錯，一旦沉降事故發(fā)生，將可能造成建筑物開裂、傾斜，地下管線斷裂等事故。影響市民正常生活，造成各種糾紛，進而影響工程施工的進度，增加工程的費用。
（2）沉降事故在地鐵工程的施工中屬于多發(fā)事故。同時其發(fā)生的直接表現(xiàn)為地下隧道拱頂?shù)南鲁粱蛱@種塌陷的發(fā)生又多由圍巖涌水、涌泥，支護失效，工程爆破等原因引起。這些原因的存在和發(fā)生，可以導致施工現(xiàn)場的人員傷亡、設備損壞，進而影響工程進度、增加工程費用，造成嚴重的后果。
可以看出，事故的多發(fā)性和事故后果的嚴重性，使沉降事故成為地鐵施工中的重大風險因素，在施工過程中進行沉降控制技術的研究和應用使十分必要的。
3.1地面沉降發(fā)生的機理分析
地鐵工程以上地面的巖層或土層在自然狀態(tài)下，一般處于應力平衡的穩(wěn)定狀態(tài)。在地下工程施工中，要通過人工、機械或者爆破等方式進行土石方開挖。土石方的移除、土石層孔隙水的排出，必然會改變土石地層的應力狀態(tài)，使之處于非平衡狀態(tài)。這種狀態(tài)可以在短時間內或者經過較長的時間效應變化之后顯現(xiàn)出來，出現(xiàn)坍塌、變形等現(xiàn)象，進而導致地面沉降。
3.2 地面沉降發(fā)生的原因分析
3.2.1 土層的沉降原因分析
（1）土層自身的特點：天然土體一般是由礦物顆粒構成骨架體，孔隙水和氣體填充骨架體而組成的三相體系。飽和土由土顆粒和水組成，土顆粒之間存在膠結物，有些沒有粘結。但是它們都能傳遞荷載，從而形成傳力骨架，叫做土骨架。外載荷作用在土體上，一部分由孔隙水承擔，叫做孔隙水壓力，另一部分則由土骨架承擔，就是有效應力，對引起壓縮和產生強度有效。孔隙水壓力可以分成兩部分，一個是靜水壓力，在荷載施加之前就存在，一個是超孔隙水壓力，由外載荷引起。土體的變形是孔隙流體及氣體體積減小、顆粒重新排列、顆粒間距離縮短和骨架體發(fā)生錯動的結果。粘性土有一定的厚度，水總是在土層透水面先排出，使孔隙壓力降低然后向土層內部傳遞。這種孔壓力降低的過程，一方面取決于土的滲透性，另一方面取決于在土中的位置。軟粘土的滲透系數(shù)很低，固結過程很長。土體受外力后，土粒和孔隙中的流體均將發(fā)生位移。當建筑物通過基礎將壓力傳遞給地基后或者土層下部通過土石方開挖而失去支承，土體內部將發(fā)生應力變形。從而引起地基下沉或地表下沉。
（2）施工方案的選擇：預防沉降的發(fā)生，進行正確的、可靠的支護是十分重要的。當支護方法不當或者失效的時候，難以使土層處于穩(wěn)定狀態(tài)，土層將失去穩(wěn)定性，進而會導致地層沉降。
3.2.2 巖石層的沉降原因分析
（1）巖石層的沉降與巖石層的地質特點有直接關系：巖石在長期的地質演變中產生出褶皺、裂隙、斷層等地質構造。褶皺是巖石在構造中受力形成的連續(xù)彎曲變形。巖石中沿斷裂面沒有位移的斷裂為裂隙。褶皺巖層核部產生許多裂隙，而背斜頂部巖層易塌落，向斜核部是儲水豐富的地段，地鐵隧道中易發(fā)生巖層的塌落、漏水及涌水。地鐵隧道與褶皺走向一致時建筑中易發(fā)生巖層順層滑動。斷層是兩盤巖石沿斷裂面發(fā)生位移的斷裂，一般伴有幾米到幾十米的巖石破碎帶。地鐵隧道工程通過斷裂帶時易發(fā)生坍塌，車站建筑物易發(fā)生不均勻沉降等。
（2）施工方案的選擇：防排水、支護等施工方式的正確選擇以及方案的有效性都會影響到巖層沉降控制的效果。當方案失效的時候，可能會導致生沉降的發(fā)生。
3.3 沉降控制技術的機理
施工中會造成地層的地層損失、原始應力狀態(tài)變化、土體固結、土體的蠕變，同時還可能發(fā)生支護結構的變形等情況的發(fā)生。所以，進行地層沉降控制，其出發(fā)點是保持或者加強原有地層的穩(wěn)定性，維持其穩(wěn)定的應力平衡狀態(tài)。
3.4 沉降控制技術
資料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取決于：
(1)地層和地下水條件；
(2)隧道埋深和直徑；
(3)施工方法。
其中，施工方法的影響更為明顯。同樣的地質條件和設計，不同的施工方法引起的地表沉陷會有很大的差異。因此，對地鐵的施工方法進行對比分析是建設者必須首先論證的問題。
地鐵的施工方法主要有3種：明挖法、新奧法和盾構法。明挖法由于對地面交通干擾大，且因敞開作業(yè)對周圍環(huán)境千擾、污染嚴重，現(xiàn)在已經較少使用。新奧法和盾構法對環(huán)境干擾小，是主要的施工方法。下面結合地表沉陷的產生與控制措施對這2種施工方法進行概述。
3.4.1 新奧法
所謂新奧法就是施工過程中充分發(fā)揮圍巖本身具有的自承能力，即洞室開挖后，利用圍巖的自穩(wěn)能力及時進行以噴錨為主的初期支護，使之與圍巖密貼，減小圍巖松動范圍，提高自承能力，使支護與圍巖聯(lián)合受力共同作用。
采用新奧法時主要的施工方法有：
（1）全斷面開挖法，原則上是一次完成設計開挖斷面，是在穩(wěn)定的圍巖中采用的方法；
（2）臺階開挖法；
（3）側壁導坑環(huán)型開挖法，這是當?shù)刭|條件特別差時所采用的一種方法，也是城市隧道抑制下沉時常用的方法。
采用新奧法施工時，地面沉陷主要取決于開挖的方法、初期支護及永久支護的時間和強度，有以下防止地面下沉的措施：
（1）改變施工方法：縮短開挖進尺，如計劃1個循環(huán)1.5m，可縮短為1m或0.8m；不用全斷面開挖方法，而用環(huán)型開挖方法．
（2）穩(wěn)定掌子面法：掌子面的穩(wěn)定是施工的前提條件，對于粘聚力小的土砂圍巖，應選用輔助施工方法，如超前支護、開挖面噴射混凝土和安設錨桿等。
開挖面超前支護是在開挖面前方的圍巖內插入鋼筋、鋼管和鋼板作為輔助性支護構件，用以防護開挖面及拱部以及防止圍巖松弛。插入的角度應盡可能地小，以減少超挖量。開挖面噴射混凝土應盡早進行，對于土砂圍巖，一般噴射3cm厚的混凝土就能防止開挖面的局部塌落。
（3）特殊施工法：有管棚法，擋墻施工法、從地表打錨桿法、特殊鋼板施工法(麥塞爾插板法)、注漿法和凍結法等。
管棚法，是先在開挖斷面外鉆孔，然后在管子的內外注漿，以加固開挖斷面。這種方法，可以加固堆積層和斷層破碎帶等不穩(wěn)定圍巖，能有效防止開挖的圍巖松動。但此法需要大量的設備。
擋墻施工法，是在隧道的兩側(或一側)設置擋墻，控制隧道開挖時產生的松動范圍。有混凝土連續(xù)墻法和鋼管、H型鋼和鋼插板等擋墻施工法。
從地表打錨桿法，是在隧道開挖之前，先從地表大致垂直地打入錨桿，四周用砂漿固結起來，這種方法能有效地防止地表下沉。
特殊鋼插板施工法又稱麥塞爾插板法，可以加固開挖面前方的圍巖，防止圍巖松動。這種施工方法是采用特殊加工的鋼插板，用千斤頂將其頂入圍巖中。但巖層中夾有鵝卵石時，施工困難，在砂巖和泥巖中效果顯著。
(4)動態(tài)施工力學法，這種方法是由朱維申教授總結完善的，這種方法強調勘察、設計、施工、科研各環(huán)節(jié)的緊密配合，能有效減少圍巖的松動區(qū)，抑制地表沉降量。
3.4.2 盾構法
盾構法是在地下暗挖隧道的一種有效方法。施工中，先在隧道的某一端建造豎井或基坑，以供盾構安裝就位。盾構從豎井或基坑的墻壁開孔處出發(fā)，在地層中沿著設計軸線，向著另一豎井或基坑的設計孔洞推進。盾構推進中所受的阻力，通過盾構千斤頂傳至盾構尾部已拼裝的預制隧道襯砌結構，再傳到豎井或基坑的后靠壁上。盾構是這種施工方法中最主要的獨特的施工機具，它是一個既能支承地層壓力又能在地層中推進的圓形或矩形或馬蹄形等特殊形狀的鋼筒結構。在鋼筒結構的前面設置各種類型的支撐和開挖土體的裝置，在鋼筒中段周圈內面安裝頂進所需的千斤頂，鋼筒尾部是具有一定空間的殼狀體，在盾尾可以拼裝1～2環(huán)預制的隧道襯砌環(huán)。盾構每推進一環(huán)距離，就在盾尾支護下拼裝l環(huán)襯砌，并及時地向緊靠盾尾后面的開挖坑道周邊與襯砌環(huán)外周之間的空隙中壓注足夠的漿體，以防止隧道及地面下沉。
盾構施工中引起的地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是地面沉降的基本原因。
（一）地層損失
地層損失是盾構施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差。周圍土體在彌補地層損失中發(fā)生地層移動，引起地面沉降。
引起地層損失的施工及其他因素是：
（1）開挖面土體移動。當盾構掘進時，開挖面土體受到的水平支護應力小于原始側向力，開挖土體向盾構內移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降；當盾構推進時，如作用在正面的土體的推力大于原始側向力，則正向土體向上、向前移動，引起地層損失(欠挖)而導致盾構前上方土體隆起。
(2)盾構后退。在盾構暫停推進中，由于盾構推進千斤頂漏油回縮而可能引起盾構后退，使開挖面土體坍落或松動，造成地層損失。
(3)土體擠入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中壓漿不及時，壓漿量不足，壓漿壓力不恰當，使盾尾后周邊土體失去原始三維平衡狀態(tài)，而向盾尾空隙中移動，引起地層損失。
(4)改變推進方向。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭推進或叩頭推進過程中，實際開挖面不是圓形而是橢圓，因此引起地層損失。
(5)盾構移動對地層的摩擦和剪切。
(6)在土壓力作用下，隧道襯砌產生的變形也會引起少量的地層損失。
（二）受擾動土的固結
盾構隧道土體受到盾構施工的擾動后，便在盾構隧道的周圍形成超孔隙水壓力區(qū)(正值或負值)。當盾構離開該處地層后，由于土體表面壓力釋放，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在超孔隙水壓力釋放過程中，孔隙水排出，引起地層移動和地面下降。此外，由于盾構推進中的擠壓作用和盾尾后的壓漿作用的施工因素，使周圍地層形成正值的超孔隙水壓區(qū)。其超孔隙水壓力，在盾構隧道施工后的一段時間內復原，在此過程中地層發(fā)生排水固結變形，引起地面沉降。土體受擾動后，土體骨架還會有持續(xù)很長時間的壓縮變形，在此過程中發(fā)生的地面沉降稱為次固結沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性粘土中，次固結沉降往往要持續(xù)幾年以上，它所占的沉降量比例可高達35％以上。
從盾構法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾構施工參數(shù)如推力、推速、正面土壓、同步注漿量和壓力等，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～紅嶺路人行地道工程
深南路～紅嶺路人行地道位于深南中路與紅嶺路相交十字路口，西南角建有紅嶺大廈，西北角建有“鄧小平畫像”，東北角為大劇院下沉廣場，東南角有金融中心。
該路口深南中路寬50米，紅嶺路寬40米，人行地道設計為互通式，十字路四角方向均布有出入口。
深南路～紅嶺路人行地道工程施工地層由上向下依次為：
1、人工填土層（Qml）：上部為路面及路基塊石；下部褐黃、灰黃、褐紅等色，由粘性土混30～40 %的碎石、塊石組成，底部由粘性土混少量植物根須組成。堆填時間10年以上已基本完成自重固結，結構稍密～中密。場地內各鉆孔均見該層，層厚2.0～5.8m。
2、第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積層（Q4ml）：中砂（含淤泥質）（Z/S），灰～灰黑、褐灰等色，成分為石英質，混少量淤泥及有機質，局部夾淤泥質土團塊。飽和，松散。厚薄不均，層厚1.6～4.7m.
3、四系晚更新統(tǒng)沖積層（Q3al+pl）：
粘性：褐黃、灰白、灰黃等色，濕，可~硬塑。含少量粉細砂。光滑，搖振反應無，干強高度，韌性高。該層主要分布于場地南側，層厚1.2～3.3m。
礫砂：褐黃、灰白、灰黃等色，成分為石英質，不均勻混少量粘土，局部夾團狀粘性土。飽和稍密～中密。場地范圍內孔20外，其于鉆孔均可見，層厚1.0～5.4m.
4、四系中更新統(tǒng)殘積層（Qel）
礫質粘土：灰白、褐黃、灰黃等色，由粗粒花崗巖風化殘積而成，原巖結構尚可辯。無搖反應，稍有光滑，干強度中等，韌性中等。很濕~濕，可~硬塑狀態(tài)。該土遇水極易軟化。層厚不詳。
地下水豐富，屬孔隙型潛水，略具承壓性質。穩(wěn)定水位埋深0.3~4.1m，地下水主要賦存于第四系全新系統(tǒng)海陸交互沉積中砂和晚更新沖洪積礫砂層中，地下水主要靠大氣降水補給。場地地下水在強透水砂層中對混凝土具弱碳酸型腐蝕型。
地鐵區(qū)間隧道施工造成深南中路和紅嶺路交叉路口較大范圍地表沉降，且沉降值達50 cm以上；沿深南中路、紅嶺路兩側各有現(xiàn)狀鑄鐵給水管，因地表沉降以對給水工程造成一定程度的影響及破壞；深南中路和紅嶺路交叉路口，發(fā)現(xiàn)有“囊狀風化帶”等不良情況，并且出現(xiàn)了坍塌現(xiàn)象；A通道暗通過地鐵隧道上方地段；該地道工程埋深淺且鄰近地下管線。施工條件差。
深南中路紅嶺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。暗挖通道總長為188.26m，明挖梯道總長為262.75m。暗挖通道按“新奧法”原理進行支護結構設計，“淺埋暗挖法”進行設計和施工。結構采用復合式襯砌結構，初期支護采用格柵鋼架、網、噴砼聯(lián)合支護形式，輔以臨時支撐、小導管超前支護及預注漿加固地層。二次襯砌為模注鋼筋砼結構，初期支護與二次襯砌間設防水層防水。明挖梯道采用直壁開挖，砂漿錨桿、型鋼網噴混凝土支護。輔以臨時支撐、小導管預注漿加固地層。二次襯砌為模注鋼筋砼結構，初期支護與二次襯砌間設防水層防水。在施工過程中，每開挖循環(huán)進尺50cm就開始支護，并嚴格進行地表沉降數(shù)據(jù)的及時監(jiān)測、及時分析，有效控制了沉降事故的發(fā)生。
4. 地鐵工程沉降事故的應急處置 地鐵工程中地表沉降事故的發(fā)生，一般由地下空間的塌方、爆破、支護不當或者失效等事故直接引起，容易造成人員傷亡和財產損失。所以，針對地鐵施工中沉降事故的發(fā)生，制定和實施一套健全的應急預案是相當重要的。
應急預案是指未來加強對重大事故的處理能力，防止事故擴大，使事故損失降到最低限度，而根據(jù)實際情況制定的事故應急救援對策。通過制定應急預案并進行必要的演練，事故發(fā)生時采取正確的應對措施，一方面可以控制事故的影響范圍，降低人員傷害呵財產損失，另一方面可以避免人為措施的失當造成的事故擴大。
應急預案從表面上看，是一套應急響應程序。而實際上，一套完善的預案是有其支撐平臺的。這個平臺就是：（1）人才資源的合理配置及有效組合。（2）相關設備、物料的配備和合理有效地管理、運用。（3）對危險有害因素的全面辨識和分析評估。應急處置程序運行在這個基礎上，才能真正算的上一套完善的應急預案。
（一）制定應急預案的一般程序和內容
1.一般程序：
（1）突發(fā)事故及其危險性分析
（2）應急計劃對象區(qū)域劃定：根據(jù)應急救援救援力量來源的范圍一般分為區(qū)域應急救援和單位應急救援。
（3）編制應急救援計劃：包括技術措施和組織協(xié)調措施兩個方面。
（4）應急救援資源配置：包括人才資源和設備、物料的配置兩個方面。
（5）應急救援預案演練：一方面是對各方面因素的協(xié)調性的演練，一方面是發(fā)現(xiàn)不足實現(xiàn)改進的手段。
（6）應急預案效果評價與改進：應急救援方式會隨著社會環(huán)境、技術條件等因素的變化而變化，所以要持續(xù)改進以適應各方面的環(huán)境因素變化，從而能夠發(fā)揮預案應有的效能。
2.一般內容：核心是制定所采取的技術和組織措施。
（1）組織機構及其職責。包括：應急預案制定、日常協(xié)調和指揮的機構；相關部門在應急救援中的職責和分工。
（2）危險源識別與風險評價。
（3）通告程序與報警系統(tǒng)：確定由哪一級組織啟動應急預警系統(tǒng)。
（4）應急設備設、物料的配置。
（5）應急能力與資源配置的評價。
（6）事故應急救援針對性措施程序的制定。
（7）信息發(fā)布與公眾教育。
（8）事故后恢復程序。
（9）培訓與演練。
（10）應急預案的維護。
（二）沉降事故處置應急預案的編制過程
（1）成立預案編制小組 ：沉降事故應急預案編制小組應該由施工單位、施工監(jiān)理單位和業(yè)主三方面的人員參加，由質量與安全方面的第一負責人、專業(yè)技術人員、輔助人員（包括財務、物資供應人員等）構成。
（2）風險分析與評估 ：由專業(yè)技術人員針對沉降事故進行各個方面的風險分析與評價。
（3）編制應急預案 ：以風險分析與評價結果為基礎編制沉降事故應急預案。
（4）應急預案的評審與發(fā)布 ：由總工程師組織相關技術人員對應急預案的準確性、有效性進行審核，提出改進建議，從而使預案趨于完善。在修改完善之后，把預案通報給全體施工人員、生產質量安全管理人員、建設監(jiān)理人員及業(yè)主，并組織對預案的學習。
（5）應急預案的實施：在實踐中檢驗預案的有效性。
（6）應急預案的持續(xù)改進：沉降事故的發(fā)生具有共性，但是在實際生產中可能會發(fā)生未預想到的情況。所以在生產中要做到對應急預案的持續(xù)改進。
（三）沉降事故應急處置的資源配置
1.人員配置及組織管理
應急處置所需的人員有三個方面：指揮人員、沉降事故處理技術人員、應急處置輔助人員（包括醫(yī)療救護、設備物料運送、其他人員）。
人員的組織管理要建立起一個完善的組織體系，實行明確的分工，擁有高效的協(xié)調機制。
2.應急處置所需設備、物料的儲備與管理
應急所需設備和物料是進行應急處置的基礎，所需設備、物料的配備和使用管理關系到應急響應能否有效進行。一方面設備、物料的全面配備要有嚴格的組織程序保障，另一方面對所配備設備、物料的嚴格保養(yǎng)、檢驗也要寫進組織程序。這樣才能保證設備物料的有效性。
（四）風險因素的辨識和評估
沉降事故的發(fā)生原因、可能結果等因素是編制事故應急處置技術措施的基礎。
（五）沉降事故應急響應程序的制定
事故發(fā)生在時間上具有突發(fā)性，應急預案的啟動必須在短時間內完成。那么，如何使應急預案在短時間內全面協(xié)調地運作起來就成為事故處置效果的關鍵影響因素。應急預案的啟動在短時間內的啟動是一個系統(tǒng)工程，需要調動起人員、設備、物料等多方面因素。這需要有快捷的通訊聯(lián)絡技術、指揮者扎實的知識基礎和敏捷的處理能力、有效的人員協(xié)調機制。
5．結語城市地鐵工程一般建設在城市內交通壓力大的繁華地段，而地下工程的施工常常造成地表下沉的事故發(fā)生。但是，地表下沉的機理到目前為止還未形成定論，本文中有關的沉降機理分析只是目前比較流行的理論，隨著理論和技術的不斷進步、完善，地層沉降理論也將會逐漸清晰，屆時有關的沉降控制技術和應急處理技術也會逐漸完善。
『參考文獻』
（1）李鈾、李小強、彭意中南大學土木建筑學院《地鐵施工中的地表沉陷控制方法與工程實例》
（2）周鍵、王亞飛、池永、廖熊華 人民交通出版社《現(xiàn)代城市建設工程風險與保險》
（3）黎忠文 《深圳地鐵施工突發(fā)事故應急預案編制》
