1、隧道盾构对周边土体结构的影响【摘要】地铁建设是解决城市交通拥堵问题的有效途径，近年来，伴随着地下空间的空前开发和利用，盾构工法在城市地铁隧道修建过程中得到了广泛应用，相应的也出现了众多的环境土工安全问题，盾构隧道始发段掘进作为盾构工法的主要环节之一，是盾构施工过程中的事故多发阶段。本文探讨了各种施工因素对周边土体的影响，以确保在隧道盾构正常施工的同时，尽量减小施工对邻近建筑物或构筑物的不利影响。【关键词】过江通道；地面测点；沉降监测；砂土层；数据检验 引言 随着我国经济的飞速发展和人口的聚集增长，城市的交通问题面临着空前的压力，而城市地表可利用空间日渐减少，迫切需要开发城市地下空间资源以满足安
2、全、舒适、快捷的交通需求。地铁具有对环境污染小，不影响城市景观等优点，已成为我国城市轨道交通的重要组成部分，对缓解交通拥堵、提高城市效率、提升城市现代化水平发挥着巨大的作用。 1.研究现状 盾构法隧道施工是在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，其靠千斤顶在后部加压顶进，通过盾构外壳和管片支承四周围岩防止发生坍塌，同时在开挖面前方用切削装置开挖土体，通过出土机械将土体运出洞外，并拼装预制混凝土管片，形成隧道结构，是地下空间开发的一种最佳选择。盾构设备和技术经历了不断的完善和发展，其机械化程度和地层适应性不断提高，盾构机种类也发生了巨大变化。盾构隧道为主的地下交通网络正日益成为国内提升城市交通和进一步
3、拓展发展空间的新形式。盾构法隧道施工中，隧道设计、所处地质条件、盾构选型、施工掘进参数设定等均会影响隧道周围土体变形。盾构掘进引起的周围土体扰动主要是地表以下土体竖向和水平向的位移和变形，在地表变现为地表沉降或隆起。国内外虽然针对始发段的研究很少，但对隧道盾构法施工引起的周围土体扰动问题进行了大量的研究，得到了许多有意义的结论。 2.盾构技术的优缺点 2.1 盾构技术的优点： （1）开挖与衬砌在盾构结构的保护下进行，具有很好的安全性； （2）掘进速度较高，盾构的掘进、运土、管片拼装等全过程可实现机械化和自动化作业，施工劳动强度显著降低； （3）施工时不会影响地面交通及设施，穿越河流时不会影响河
4、道正常航运； （4）施工不受季节、大风、雨雪等恶劣气候条件的影响； （5）施工中周围环境基本不受振动与噪声等的干扰和影响； （6）在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道时在经济上有着良好的优越性。 2.2 盾构技术的缺点： （1）盾构是一种价格较昂贵、针对性强的专用施工机械。对每一座采用盾构法施工的隧道，均应根据工程地质、水文地质条件、衬砌结构面尺寸的大小进行专门制造、运送、拼装与拆卸等，且设备较复杂； （2）当覆土较浅时，?挖面稳定较为困难； （3）对于短于 750m 的隧道?用盾构被认为是不经济的； （4）对于隧道曲线半径过小或险道埋深较浅时，施工难度大； （5）在饱和含水地层里，防水要求高
5、； （6）目前还不能完全防止隧道施工区的地表沉降，只能采取严密措施把沉降控制在最小限度。 3.盾构扰动机理 采用盾构法在软土地层中开挖隧道，不可避免的会改变地层原始地层应力状态，导致不同程度地层扰动、地面沉降。即便采用当前最先进的盾构法及其他施工技术，都难以完全避免该地层扰动。盾构法施工引起隧道周围土体松动和沉陷，即产生地表沉降；若引起隧道周围土体紧缩和上拱，即产生地表隆起。当盾构施工引起地层扰动达到一定程度时，隧道附近的基础构筑物将会产生变形、沉降或隆起，将会影响周围建筑物、地下设施等的正常使用，还可能使构筑物机能遭受破损或破坏。 4.盾构扰动影响因素 引起地层扰动的主要因素可以归结为盾构法
6、施工所引起的地层损失和盾构隧道周围经扰动后重塑土的再固结。 4.1 固结沉降 固结沉降分为主固结沉降和次固结沉降。盾构法施工过程中，由于盾构机与周围土体的挤压作用及盾尾同步注浆作用，隧道附近范围内将形成超孔隙水压力区，盾构机通过后，随着时间的推移，土体表面的应力逐渐得到释放，引起超孔隙水压力下降，土体产生排水固结变形，为主固结沉降。次固结沉降是指土中孔隙水已经消散，有效应力增长基本不变之后变形随时间缓慢增长所引起的沉降。这种变形既包括剪应变，又包括体积变化，并与孔隙水排出无关，而是取决于土骨架本身的蠕变性质，施工过程中受到扰动的土体，将产生长时间的持续压缩变形，为次固结变形。 4.2 地层损失
7、 地层损失一般可以分为三类：第一类是不可避免的由施工地区的地质和盾构施工方法的选择等客观条件引起，采取措施能够控制在一定的限度内，属于正常的地层损失，引起的施工沉降槽体积与地层损失相等，均质地层中沉降较均匀；第二类是由施工参数设置不合理引起如开挖面超挖，注浆不及时等操作失误造成，属于本可以避免的不正常的地层损失，引起局部的地面沉降；第三类是由于遇到水压大、透水性高德透镜体或贮水洞穴等局部土体强度降低过多造成盾构开挖面急剧性流动或暴发性崩塌，属于很少见的灾害性的地层损失。 5.盾构扰动的主要影响因素 5.1 开挖面泥水压力设置不合理 设定合理的泥水压力对维持开挖面的稳定有着重要作用。与开挖面前方
8、原始侧向土压力相比，开挖面泥水压力过大或过小，均会引起土体扰动，过小引起土体沉降，过大引起土体隆起。 5.2 盾构推进过程中的姿态纠偏 盾构实际推进线路与设计的线路产生偏差，盾构“抬头”和“磕头” ，均会造成实际开挖断面面积增大，引起地层扰动。 5.3 盾构严重超挖 通常，盾构刀盘外径需大于盾壳的外径，以减小盾壳与周围土体的摩擦剪切作用，使盾构机能够顺利通行，因而，盾壳与周围土体之间会产生一定厚度的间隙，在自重的作用下，盾构机将下沉到底部，形成超挖间隙，土体处于临空面，将产生向隧道内的位移。 5.4 盾构推进过程中的姿态纠偏 盾构实际推进线路与设计的线路产生偏差，盾构“抬头”和“磕头” ，均会
9、造成实际开挖断面面积增大，引起地层扰动。 5.5 注浆压力不足或注浆不及时 盾尾脱离之后，注浆压力不足或注浆不及时等，临空面无法维持平衡，致使土体向盾尾建筑空隙中移动，形成地层损失。注浆材料自身体积收缩，也会使周围土体产生一定的位移。 5.6 土压力作用 盾构通过后，由于土压力的作用造成隧道衬砌变形，或自重下的隧道自身沉降，会引起少量的土体扰动。 5.7 建筑空隙 为减小盾壳与周围土体的摩擦剪切作用，刀盘外径通常大于盾构外径，使得具有一定的间隙，而盾尾离开后，盾壳外径大于管片外径造成盾尾建筑空隙，尽管采用了同步注浆填充，但仍不可避免会产生土体位移。盾构的选择，会直接影响该建筑空隙的大小。 6.
10、结束语 本文对盾构法施工引起周围土体扰动的机理进行了探讨，着重分析了引起土体扰动的两个主要因素，盾构法施工引起的地层损失和盾构隧道周围经扰动后的重塑土的再固结，研究盾构通过过程中各阶段的地表沉降和影响因素。 参考文献 1土木学会.盾构标准规范（盾构篇）及解说Z.北京：中国建筑工业出版社，2001. 2刘忠玉.土力学M.中国电力出版社，2007 年 2 月. 3易宏伟.盾构施工对土体扰动与地层移动影响的研究D，上海：同济大学地下建筑与工程系，1999. 4敖日汗，张义同.盾构施工引起的固结沉降分析J.岩土力学，2011 年 07 期. 5徐永福.盾构推进引起地面变形的分析J.地下工程与隧道.2000（1）：21-25.
