1、1试论隧道盾构掘进引起的地表沉降摘要：现阶段，随着经济的发展，我国城市掀起了修建地铁的高潮，而盾构施工技术以其本身的优点已被广泛采用。本文主要论述了盾构施工引起的地表变形机理以及地表变形影响因素，以期为广大同行提供借鉴。 关键词：盾构隧道、地表变形、影响因素 中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号： 一、前言 近年来，我国城市掀起了修建地铁的高潮，由于盾构施工技术具有较好的施工效果及先进性被广泛应用于城市建设中。受地质条件及施工工艺的限制，盾构推进过程中不可避免地会扰动洞室周围岩土体，使其失去原有的平衡，而转向新的平衡，在这个转化过程中伴随着地表沉降或隆起；当这种变形超过一定程度，势必会
2、对道路、邻近建筑物及管道造成不利影响。如何预测盾构施工所引起的地层沉降，确保已有建（构）筑物正常使用和盾构的顺利掘进，是盾构隧道设计与施工中非常关键的问题。 二、盾构施工引起的地表变形机理 2地面沉降的基本原因是盾构掘进所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。地层损失引起的地面沉降,大都在施工期间呈现出来。而再固结引起的地面沉降, 在砂性土中呈现较快, 但在粘性土中则要延续较长时间。盾构推进过程中产生的地面变形由以下五个阶段的变形组成: 1、盾构到达前的地面变形(1)。盾构推进对前方土体产生挤压变形,1 主要是由于土体受挤压其有效应力增加而引起的。 2、盾构到达时的地面变形(
3、2)。2 是由于盾构推进引起土体应力状态改变而产生的变形。 3、盾构通过时的地面变形(3)。盾构外壳与土层之间会形成剪切滑动面,剪切滑动面附近的土层内产生剪切应力,剪切应力引起地表变形 3。推进速度越快,剪切应力越大,地表位移 3 也越大。 4、盾构通过后的瞬时地表变形(4)。主要是由建筑空隙造成,建筑空隙是由于管片拼装后与盾构外壳之间形成空隙以及盾构偏移隧道轴线引起的空隙总和。如果土体不产生压缩和松弛,建筑空隙的体积即等于地面沉降槽的体积,适时注浆能有效地减小建筑空隙,因而减小地面变形 4。注浆的填充率等于注浆体积与建筑空隙之比。 5、地表后期固结变形(5)。5 是由于盾构推进对周围土体扰动
4、引起的,前面四种变形可以通过选择机械和施工参数加以控制,但无论什么样的机械和施工参数,盾构推进总会在一定程度上扰动土体,因此,后期固结变形 5会或多或少地存在,是无法消除的。地面后期固结变形多数只占地面总变形量的较小部分,大约占总变形量的 5%30%。地面后期固结沉降与地面即3时变形量有很好的对应关系,地面即时变形越大,周围土体的扰动程度越大,地面后期固结变形也越大。 三、地表沉降影响因素分析 下面笔者结合郑州地铁一号线进行阐述，针对郑州粉土地区地层土质的一般特征，并结合郑州地铁一号线地质勘查报告建立模型，体现的是郑州地铁盾构区间的一般性。但是郑州地区的地层又具有其复杂性，地铁施工各区间又具有
5、其独特性，所以有必要对影响地表沉降量的因素进行分析。 1、地铁隧道轴线埋深的影响 为了反映郑州地铁一号线的实际情况并全面考虑隧道覆土深度对地表沉降的影响，取盾构外径为 6m，分别对隧道轴线埋深在8m、10m、12m、14m、16m、18m、20m、22m 时进行建模计算分析，由图 1可以看出，在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，当隧道轴线埋深在 16m 以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在 16m 以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。 图 1 地表最大沉降与隧道轴线埋深的关系图 2、注浆作用的影响 注浆是否及时对地表的最终沉降会产生影响。在
6、此将利用软件中的4荷载释放系数命令对注浆的不及时进行模拟。当注浆不及时时，以不加盾构管片并设定荷载释放系数为 30%，让土体自由释放应力，然后在下一施工阶段激活盾构管片并设定荷载释放系数 40%，剩下的 30%荷载释放系数留到下一施工阶段释放。从图 2 可以看出，注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大。注浆及时情况下地表的最大沉降为仅 11.3mm，注浆不及时的情况下地表的最大沉降为 16.6mm，比及时情况下大 46.9%。所以施工中应该注意及时壁后注浆，并做好养护工作，尽可能降低由施工引起的地层沉降。 图 2 注浆及时和不及时地表沉降对比曲线 3、盾构顶推力的影响 郑州地铁一号线盾构机在轴线
7、埋深 17m 时一般设置的盾构顶推力是0.3MPa。为了研究盾构顶推力对地表最大沉降的影响，下面笔者将分别在 F=0.2MPa、0.3MPa 和 0.4MPa 的情况下，对地表历时位移进行数值分析，得到监测点的位移曲线如图 3 所示。从图 3 可以看出，当盾构顶推力小于平衡力时，地表未出现隆起的现象，地表一直处于下沉的状态，在盾构到达前沉降较平缓，盾构到达后沉降明显变大，盾构通过后沉降趋势又有所减缓。当盾构顶推力大于平衡力时，地表在开挖面前出现明显的隆起现象，随着盾构的掘进，在开挖面前不远处地表与原来地面线重合，而后继续下沉。从图中还可以看出，无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都
8、有所增加。因此，在盾构施工中应尽量使5盾构顶推力与原始土压力保持一致。 图 3 不同盾构顶推力下地表沉降历程图 4、土体弹性模量的影响 本文选用的弹性模量是在地质勘探报告的基础上汇总出来的，具有一定的代表性，经验证也是合理的，但是对于个别地段总会出现较大的差异。为了研究隧道周围土层土体的弹性模量强度对地面最大沉降的影响，分别以弹性模量 8、12、16、20、25、30、35、40、45MPa 进行有限元数值分析，得到地面最大沉降与取值的关系曲线如图 4 所示。由图 4可以看出，地表沉降随着土层弹性模量增大而逐渐减小。当土层弹性模量较小时地表最大沉降值随弹性模量变化明显，当土层模量较大时地表最大
9、沉降变化不明显。 图 4 地基弹性模量与地表最大沉降关系图 四、结语 通过以上分析可以得出以下结论： 1、注浆及时与不及时对地表沉降的影响很大，在施工中应做到及时注浆和浆体的养护工作。 2、在相同盾构直径下地表最大沉降随隧道轴线埋深的增加逐渐减小，6当隧道轴线埋深在 16m 以上时，改变隧道埋深对地表的最大沉降影响较小，当隧道轴线埋深在 16m 以下时，地表最大沉降受隧道埋深的影响较大。 3、无论是盾构顶推力大于或小于平衡力，最终的地表沉降都有所增加。在实际的盾构施工过程中应尽量使盾构顶推力与原始土压力保持一致。 4、地表沉降随着土体弹性模量增大而减小，且当土体弹性模量较小时这种影响较明显，当土体模量较大时影响不明显。 参考文献： 1 李庆 杨璐 王场：地铁隧道盾构施工引起地表沉降分析 ，企业技术开发 ， 2011 年 05 期 2 方江华 刘海燕 姜玉松：盾构掘进法开挖隧道对地表沉降影响的预估 ， 安徽理工大学学报(自然科学版) ， 2004 年 24 期 3 黄宏伟 张冬梅：盾构隧道施工引起的地表沉降及现场监控， 岩石力学与工程学报 ， 2001 年 S1 期 4 杜建华 王玉林 沈仁强：浅谈盾构隧道施工引起的地表沉降 ， 山西建筑 ， 2006 年 06 期 5 李建旺 王晓振：隧道盾构掘进引起的地表沉降研究 ， 中国铁路 ， 2011 年 12 期
