盾构施工地面沉降的控制技术现在对环境控制的要求越来越高，对盾构穿过城市中心重要建筑时的影响要求极为严格(如上海,广州的多座地铁隧道的建设.一般要求施工时地面沉降控制在+10mm~－30mm 之内) 。
盾构施工不可避免地干扰原土层的平衡状态，虽从理论上可实现无沉降施工，但限于目前工艺和施工手段、操作质量，几乎无法做到地面无沉降或隆起。
目前，国内外许多学者从事这一方面的研究，内容包括盾构施工引起的地表沉降、地层沉降以及盾构施工对邻近建筑物(桩基及已建隧道等)的影响等。
研究的方法主要有经验公式法、离心模型试验和有限元法等。
第一节盾构施工引起的沉降理论和基本规律1、盾构施工引起的沉降理论盾构施工必然扰动地层土体,引发地层损失、隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结,这是构成地面沉降的根本原因.在软土地层中用盾构法施工隧道,因地层损失和土体扰动,必然引起地表变形.表现在盾构机掘进的前方和顶部会产生微量的隆起,盾构机部分通过地表开始下沉, 盾尾脱离后地表下沉加快,并形成一定宽度的沉降槽地带,下沉的速率随时间而逐渐衰减,且与盾构经过的地质,施工工况和地表荷载等有密切的关系,并表现出相当大的差异性。
土体的扰动或扰动土多是针对原状土而言，大体是指由于外界机械作用造成的土的应力释放，体积、含水量或孔隙水压力的变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化(如填土路基等)[2]。
图5-1-1 盾构施工对土体的扰动盾构前进过程中需要克服盾构外壳与周围土体的摩擦力F1、切口切入土层阻力F2、盾构机和配套车架设备产生的摩擦力F3、管片与盾尾间的摩擦力F4、开挖面的主动土压力F5，当千斤顶推力T≥F1＋F2＋F3＋F4＋F5 时，盾构前方土体经历加载阶段，产生如图5-1-1 所示的挤压扰动区①，开挖面受挤压作用引起土体压缩并使土体前移和隆起，盾构机工作正常时为此状况；当T＜F1＋F2＋F3＋F4＋F5 时，盾构机处于静止状态，该状态对应于千斤顶漏油失控，土体严重超控，盾构机前方土体则要经历卸载阶段，产生土体向内临空面移动，地表出现下沉．为减少开挖面土体的扰动，应尽量保持密封舱内压力Pi 稍大于主动侧压力Ph 和水压力Pw 之和,开挖面正前方区域内土体由于刀盘的挤压搅削作用，将受到强烈的扰动而发生破坏，含水量降低，其力学参数将发生很大的变化。
盾构推进过程中盾壳与周围土体之间产生摩擦阻力，该力作用的结果则在盾壳周围土体中产生剪切扰动区②，该区的特点是范围较其它区小。
在剪切扰动区②以外，由于盾尾建筑间隙的存在，土体向间隙内移动，引起土体松动、塌落而导致地表下沉,盾构上方土体由于自重和地面超载(当有地面超载时)往下移动而形成卸荷扰动区③，该区内土体力学参数先降低,而后随土体的固结将有所增加，而盾构下方土体可能出现微量隆起，但由于衬砌、盾构机的重力压载作用，其移动大小可能表现不出来，该区则称为卸荷扰动区④，同样随着时间的延长，土体强度将有所回升。
盾构施工对土体的扰动主要表现为盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降等所引起的土性的变异、地表隆起与下沉等,是引起地表沉降的基本原因。
2、盾构施工引起地表沉降的基本规律2.1.国内外学者从多个角度对地表沉降进行了大量的分析和研究1969 年P.B.Peck 第一次提出地层损失的概念，并建议用Gauss 分布函数，即Peck 公式来描述盾构法施工引起的地表沉降。
在离心模型试验方面，日本作了大量卓有成效的工作。
TOSHI NOMOTO[4]等人用离心模型试验对砂性土中盾构施工过程中土压力、纵横向地表沉降等进行了研究，发现衬砌周围的土压力与盾尾建筑空隙有关，间隙越大土压力越大，横向沉降槽可用Peck 公式，纵向沉降槽则可用与盾层建筑空隙有关的多项式描述。
J.Kuwano 等人利用离心模型研究了土钉加强粘土中的隧道施工引起的土体变形。
利用有限元方法研究盾构施工引起的土体变形方面，取得了显著成果，O.Y.EzzeIdine 在开罗地铁隧道建设前，开发了三维数值模型，能够考虑盾构施工过程，隧道周围的土体采用非线性本构模型，得出了地表最大位移和沉降槽的分布规律， G. Swoboda 等人开发了三维有限元程序，研究了盾构施工引起的周围土体超孔隙水压力的分布规律及随时间的消散过程，并且发现泥水压力与注浆压力对超孔隙水压力影响很大，这对优化盾构施工参数提供了依据。
国内许多学者曾致力于这一方面的研究，做了大量卓有成效的工作使其不断完善和发展。
同济大学在大量工程现场监测数据的基础上，考虑到土体扰动后固结沉降的变化规律，对计算横向沉降的Peck 公式进行了修正；刘建航院士提出了负地层损失的概念，并将地层损失分成开挖面和盾尾后的地层损失两部分，对计算纵向沉降的Peck 公式提出了自己的修正. 还有一些学者从施工扰动的角度研究盾构施工对周围环境的影响。
徐永福将盾构施工对土体的影响区分为应力扰动和应变扰动，并给出了施工影响度的定义以及盾构施工对土体的影响范围，结合上海观光隧道对其进行了研究，张孟喜用P—q—e 平面上的施工扰动度对盾构施工引起的土体特性的变异进行了研究。
2.2.沉降的基本规律国内外许多学者通过建立不同的分析模型,并结合大量的工程实测资料,从多个角度对地表沉降进行了分析和研究；根据盾构施工引起纵向地表沉降时间先后,按地表沉降变形曲线的形态,将纵向地表沉降划分为五个阶段(也有的按四个阶段划分)：即盾构到达前地表沉降、盾构到达时的地表沉降、盾构通过时的地表沉降、盾尾建筑空隙引起的沉降及后期地表固结沉降。
⑴盾构到达前地表沉降：盾构开挖面尚未到达测点以前的沉降或隆起，主要是由密封仓压力波动引起,当密封仓压力偏低时造成盾构开挖面应力释放,引起地面沉降；反之,开挖面土体挤压, 引起地面隆起。
⑵盾构到达时的地表沉降：开挖面到达测点,周围土体因开挖卸荷(应力释放)导致弹性或塑性变形发生, 引起地面沉降；如开挖面设定压力过大时,产生隆起。
⑶盾构通过时的地表沉降：开挖面到达测点至盾尾离开测点期间发生的沉降或隆起.主要是由于盾壳向前移动过程中盾壳对地层的摩擦和剪切作用所引起，盾壳外壳表面在施工过程中被粘附上一层黏土或浆液,是盾壳体外周尺寸实际增大,从而增大了盾构建筑空隙,亦增加了地表变形。
⑷盾尾建筑空隙引起的沉降：盾尾离开测点后发生的沉降。
由于盾构机外径大于管片外径, 盾尾离开测点后,在地层中遗留下来的建筑空隙就需要填充,以控制地表变形.但往往因盾尾壁后注浆不及时或注浆量,注浆压力,注浆部位,浆液配比和材料方面不适当,使建筑空隙未能及时填充形成支撑,盾尾脱出后,无支撑能力的软土不能自立,自行填充建筑空隙,造成地层应力释放。
另外,盾构在平面或高程纠偏过程中所引起的单侧土体附加应力在盾尾脱出后亦发生应力释放,最后反映到地表沉降变形上来。
⑸后期地表固结沉降：盾尾脱出约一周后的地表沉降。
主要由底土蠕变而产生的塑性变形，包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降和土体骨架蠕变引起的次固结沉降。
国内外不同文献对地表沉降各个阶段的称谓不同,图表对比如下:图5-1-2 盾构推进中沿隧道纵向的地面沉降组成盾构施工引起地表沉降发展阶段对比表表5-1-1项目阶段产生沉降原因百分比(%)应力扰动变形机理发生时空段不同称谓1 先期沉降开控面前方滑裂面以远土体因地下水位下降而导致土体固结沉降。
正前方土体受压致密，孔压消散，土体压缩模量增大。
0.0～4.5超孔压产生，有效应力降低土体压缩产生弹塑性变形盾构刀盘到达切口前3 ～12m初期沉降盾构到达前沉降开挖面前方土体隆起2盾构到达达时沉降周围土体因开挖卸荷[应力释放)导致弹性或塑性变形发生。
开挖面设定压力过大时产生隆起0.0～44.0孔隙水压力消散，有效应力增大孔隙比随小，土体固结刀口前3m～切口后1m挖面沉降，切口前向方沉降或隆起，初始沉降3盾构通过对沉降推进时盾壳和土层间的摩擦剪切力导致土体向盾尾空隙后移、仰头或叩头时纠偏。
此时周边土体超孔隙水压力达到最大，推进速度和管背注浆对其也有影响0.0～38.0(15～20)土体应力释放弹塑性变形盾尾通过切口后1m～盾尾脱出尾部沉降4 盾后空隙沉降后部空隙增加且沉陷、底土扰动20.0～100(20～30)土体应力释放弹塑性变形盾尾通过后〔盾尾脱出至继续推进4m)建筑空隙引起的沉降／／尾部空隙沉降／／通过后瞬时沉降5 长期延续沉降底土蠕变而产生的塑性变形，包括超孔隙水压消散引起的主固结沉降和土体骨架蠕变引起蛇次固结沉降4.0～32.0(5～30)( ＞50 )土体应力松弛蠕变压缩盾尾通过后约100 小时产生的沉降滞后沉降，土体次固结沉降，地表后期固结变形注：a. 表中第四栏的百分比表示该阶段沉降占总沉降的比值,这一数字仅为参考数据,与实际有一定出入,有时相差很大；b. 关于长期延续沉降历占最终沉降量的百分比在参阅文献中变化较大，表中列出了部分情况。
第二节盾构施工引起的沉降原因分析无论是在施工阶段还是在基本营运阶段，隧道都会有发生沉降，而且由于地质条件和施工条件沿隧道线路的变化，隧道沉降又往往是不均匀的，其对地铁或交通隧道的长期正常工作的影响是不利的。
从理论上讲,盾构施工引起的隧道周围地表沉降是指主固结沉降,次固结沉降和施工沉降(也称瞬时沉降)三者之和。
主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密，次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降，施工沉降(也称瞬时沉降)主要指盾后空隙沉降。
影响盾构隧道地表沉降因素很多,盾构施工时影响地表沉降的因素涉及土层基本条件(分布形式、地下水位分布、土的工程特性等)、设计基本要素(轴线线型、埋藏深度等)、盾构型式(土压/水压/气压式)及规格尺寸、盾构施工的操作控制质量等诸多因素。
具体来说，主要有地层性质、覆土厚度、开挖模式、压力仓(渣土仓,泥水仓等)压力、出土量及盾构推进速度、掘进中的地层损失、盾尾注桨开始时间、注浆量和注浆压力、隧道衬砌在土压力作用下产生变形及沉降引起少量的地层损失，受扰土体的固结等，地表沉降是这些因素综合影响的结果 ,分别阐述如下:1.地层性质在岩土甚至一些软岩非挤压地层的隧道中，沿隧道纵向发生的不均匀变形很小，对隧道还未发现能构成大的危害；但在含水松软地层(粘土,软粘土)中,特别是在饱和含水、灵敏度较高的软土地区，施工阶段对土的扰动及使用阶段沿线新建工程的影响，使得隧道的不均匀沉降不容忽视；并且,地层分布越不均匀对隧道的纵向沉降不均匀性的影响越大。
盾构施工过程中,不可避免的会扰动地下原状土,改变地下水位的分布,地下水位的改变,引起土的固结沉降。
这在饱和含水、灵敏度较高的软土地区施工中应密切注意。
2.覆土厚度在含水松软地层(粘土,软粘土)中,特别是在饱和含水、灵敏度较高的软土地区，覆土过浅地层变形较小,且对盾构掘进的安全不利；覆土厚度较大时,掘进时地面沉降较小,但是随着时间的地层蠕变较大,地层的沉降不可忽视。