盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制

盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制

摘要:本文首先分析了盾构法隧道引起的地面沉降规律和沉降影响范围,总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形,并对地铁施工中的地面沉降安全判断标准和控制原则进行了探讨,为城市地铁工程建设提供有益的参考。

关键词:盾构隧道地铁工程地面沉降沉降控制

盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响小、适应复杂地质条件、施工速度快等众多优点而在地铁工程建设中广泛应用。但盾构法隧道工程是在岩土体内部进行的,无论其埋深大小,开挖施工都不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降(或隆起),危机邻近建筑物或地下管道等设施的安全[1]。因此,施工能产生多大的沉降或隆起,会不会影响相邻建筑物的安全,是地铁隧道盾构施工中最关键的问题[2]。要在地铁工程施工前对工程可能引起的地面沉降问题有所估计,就首先需要了解盾构法施工引起的地面沉降的一般规律和机理,进而提出相应的安全判别标准和控制原则,达到事先防控的目的。

1 盾构隧道地面沉降规律

地面沉降规律是反映盾构掘进时,沿掘进轴线方向对地层的影响,同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用,

包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。根据地面沉降发生的时序,一般将盾构施工沿隧道纵向的地面沉降划分为五个阶段[3]。

1.1 盾构到达前的地层沉降,即先行沉降

盾构到达前,地表已经产生变形,影响范围约在10m～15m以内。主要是由盾构推进土压力的波动所引起,还有地下水位下移使土层有效应力增加而引起的固结沉降。

1.2 盾构到达时的地层沉降,开挖面前的沉降或隆起

自开挖面距观测点约3m～10m时起,直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡,多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。

1.3 盾构机通过时的沉降

盾构切口达到测点起至后尾离开测点期间发生的地表沉降。这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中,盾构机外壳与周围土层之间形成剪切滑动面,土体被扰动所致,盾构通过时的地表沉降约占总沉降的35%～40%。

1.4 盾尾间隙沉降

盾尾通过测点后产生的地表沉降,影响范围约在后尾通过测点后

0～20m范围。由于盾构外径大于管片外径,管片外壁与周围土体间存在空隙,往往因注浆不及时和注浆量不足,管片周围土体向空隙涌入,造成土层应力释放而引起地表变形,这一期间的地表沉降约占总沉降的40%～45%。

1.5 后续沉降

后期沉降是由盾尾脱出一周后的地表沉降,是由前面地层扰动引起的固结沉降和蠕变残余沉降,反映了地层沉降的时间效应。这一期间的地表沉降一般不超过总沉降的10%。

总体而言,盾构法施工过程中,1.2和1.4阶段的地面沉降量和沉降速率较大,控制沉降也最为关键。1.2阶段的变形控制要素是土仓内压力,而1.4阶段的控制要素是盾尾间隙的注浆及时性和充盈率。

2 地面沉降的影响范围

盾构在推进过程中,地表沉降以盾构为中心呈三维扩散分布,且分布随着盾构机的推进而产生同步移动。地面沉降的影响范围可借助Peck公式进行预测。Peck公式的理论基础是:盾构掘进过程中产生一定的地层损失,相当于挖去一块土体,从而导致上部的土体移动,不考虑土体排水固结和蠕变,认为地层移动为一个随机过程,在盾构掘进后在地表形成的横向沉降槽为一近似正态分布曲线[4]。韩煊、李宁等

[5～6]结合JLE工程观测数据库,对我国8个地区30多组观测数据进行对比研究,分析评价了Peck公式预测方法在我国的适用性。盾构隧道施工引起地面沉降沿纵向影响范围,在盾构前方约范围内(D为盾构直径,H为地表至盾构底的深度)。粘性地层中,纵向影响范围为一夹角为斜直线;砂性土中则为一鼻形曲线,深层土体的范围与粘性土相同,表层土体的范围要小于粘性土。横向影响范围对粘性土地层而言,为隧道轴线两侧范围内,砂性地层影响范围要小,约为。

3 盾构隧道的地面沉降机理

盾构隧道施工产生地面沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形[7]。隧道施工所引起的地面沉降,主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降,支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降,管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降,可称为开挖地面沉降。盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成,而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结,是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因[8～9]。

4 盾构隧道施工的地面沉降影响因素

地层沉降大小的影响因素有内因和外因之分,但归纳起来主要有[10]以下几点。

4.1 地质条件的影响

实测和实验研究均表明,隧道埋深对地表沉降的影响因地层情况各异。T.Ito等[11]曾指出,盾构法施工地表沉降槽的宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的特性。

4.2 土体性质的影响

土体的非均质性、各向异性、弹塑性和粘塑性使得盾构隧道施工引起的地层沉降进行准确预测是十分困难的,正因为此,说明土体的性质对地层沉降有着很大的影响。

4.3 覆土厚度H和盾构外径D的影响

盾构外径越大,由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大,在相同地面沉降槽宽度下,最大地面沉降也随着增大;而隧道覆土厚度越大,则最大地面沉降值就会越小,但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度H与盾构外径D的比值即H/D的增大而减小。

4.4 地下水位变化的影响

盾构隧道施工中往往要采取降低地下水位的措施,降水使地层产

生固结沉降。此外,施工过程中地层中水位的变化,也会引起地层变形,导致地面沉降。

4.5 盾构施工姿态调整的影响

盾构施工过程中的纠偏、仰头、叩头和曲线推进以及后退等姿态调整均会引起多余的地层损失,导致地层沉降。另外,盾构推进过程中,土压舱压力过大或压力过小,也会引起地层变形。

4.6 注浆的影响

由于盾构壳具有一定的厚度,且盾壳外径大于管片外径,盾壳与管片之间会留有一定的空隙。工程中普遍采用同步注浆或二次注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失。若压浆不及时,或因注浆量不足,或因注浆压力不适当,将会使盾尾后部隧道周边的土体失去平衡,向盾尾空隙塌陷,致使地层沉降。同时,若注浆压力过大,浆液浸入地层,扰动地层,也会加大地面沉降。

4.7 管片变形的影响

土压力作用下,隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失,导致地面沉降。

4.8 受扰动土体变形的影响

盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后,形成超孔隙水压力区,