盾构施工地面沉降的控制技术

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。