地铁与轻轨论文

中国矿业大学力学与建筑工程学院2012~2013学年度第二学期《地铁与轻轨》课程报告

学号02100578

班级土木城市地下10-1班

姓名姚建斌

力学与建筑工程学院教学管理办公室

软土地区地铁盾构隧道施工引起的地表沉降分析

（中国矿业大学力学与建筑工程学院地下10-2班姚建斌）

摘要：盾构法作为在软土地区修建地铁隧道的一种重要手段，较其它施工方法有许多优点，但仍不可避免地会对周围土体及邻近建筑物产生一定影响。本文针对盾构施工对周围土体扰动机理展开论述，分析了盾构法对周围土体扰动的成因，讨论了盾构施工对周围土体引起地面沉降的因素，并总结了国内外盾构施工引起土体变形研究方法，提出了盾构施工附近建筑物沉降保护措施。

关键词：软土地区；盾构隧道；邻近建筑物；沉降分析

1 引言

我国自20世纪50年代起，伴随着我国地下铁路的迅猛发展，盾构法施工也因具有地面作业少、适宜建造深埋隧道、对周围环境影响小、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快等优点，盾构施工方法以其独特的施工工艺特点和较高的技术经济优越性，越来越受到建设和施工单位的重视。城市地铁盾构隧道工程是在岩石土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道开挖的各种施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化，故而引起地表沉降和变形。同时在软土地层中采用盾构法施工，会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移。因此有必要对盾构法施工引起地层移动的规律进行深入的研究，尽量准确地预测盾构施工引起的地面沉降和对邻近建筑物的影响程度，以便于在设计和施工中采取必要的减少地层移动的措施，选择最合理的施工技术，制定出完善的施工措施，确保施工对邻近楼房、建筑物与地下管线等的影响降到最低。

2 盾构施工对地层及周边建筑影响原因分析

盾构施工引起周围地层地表沉降，邻近建筑物受其影响将产生变形、沉降或变位，从而影响建筑物的使用。由于邻近建筑物变形是由地层变形所引起的，因此只有控制好了地层的沉降和变形才能更好的控制对邻近建筑物的影响。

2. 1 地层变位产生的原因

盾构机在掘进过程中，将会对引起周围的土体的移动，这些移动是无法完全防止的。盾构掘进引发的地基变形的发生原因主要分为以下几点:

(1)开挖面土水压力不平衡导致开挖面失稳；

(2)盾构掘进对围岩的扰动；

(3)盾尾空隙和壁后注浆的不足；

(4)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降；

(5)衬砌管片的变形和变位。当衬砌管片从盾尾脱出后，会受到围岩荷载作用而发生一些变形或变位，造成地基沉降，但这个沉降值一般比较小。

2. 2 地层沉降的机理

形成地面沉降的两个最主要因素是：第一，由盾构法施工引起的地层损失；第二，经扰动后的土颗粒再固结。地层损失是施工的原因引起的，而地层固结沉降是因为孔隙水压力变化产生的。

(1)地层损失

地层损失为盾构施工中实际挖除的土体体积与理论排土体积之差。隧道的挖掘土量常常大于根据隧道断面面积计算的理论值。这是由超挖或盾构与衬砌间的间隙等问题产生的，这些空隙在软粘土中会被周围土壤及时填满，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。施工沉降的产生过程为：压力——应变——变形——位移——地面沉降。地层损失可分为以下三类：①正常地层损失。地层损失完全由施工现场的客观条件造成。这种地面沉降是在实际施工中采用何种类型的盾构都无法避免的。在均质的地层中这种损失引起的地面沉降也比较均匀。正常地层沉降一般可以控制到一定限度，由此而引起的地层损失量与地面沉降槽体积也是相等的。②非正常地层损失。指的是由于盾构施工过程中操作失误引起的地层损失。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特点，一般可以认为非正常地层损失是正常的。③灾害性地层损失。当盾构施工中遇到水压大、地层中的贮水或者透水性强的颗粒状土的透镜体时，盾构开挖面可能发生突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，从而引起灾害性的地面沉降。

(2)固结沉降

固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。盾构掘进时会对地层产生扰动，从而使盾构隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，超孔隙水压力消散会引起的土层压密，从而出现主固结沉降。主固结沉降与土层厚度有系。当土层越厚时，主固结沉降在总沉降的中占比例越大。所以在深埋隧道施工过程中，施工沉降可能很小，但主固结沉降的值可能较大。次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降持续时间一般比较长。次固结沉降占总沉降的比例可达35%以上。

盾构法施工引起隧道周围地表总沉降为施工沉降、主固结沉降和次固结沉降之和。当不考虑次固结沉降时，地表沉降应为地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的固结沉降之和。

3 地层沉降的发展过程分析

盾构施工引起的地基变位的表现方式与地基类型、盾构机类型及施工状况有很大的关系。对于盾构上方某一点的位移变化，变位历时曲线可分为五个阶段：

(1)先行沉降；

(2)开挖面沉降或隆起；

(3)盾构通过时沉降；

(4)尾部空隙沉降；

(5)后期沉降。

一般情况下，以上五个阶段的沉降值分别占总沉降值的(0~4.5)%、(0~44)%、(15~20)%、(20~30)%和(5~30)%。

综述，地层沉降的产生原因、机理及发展过程三者有着紧密的联系，地层沉降机理

是地层沉降原因的微观解释；而地层沉降的发展过程则是前两者的宏观表现。它们之间的相互关系如表1-1所示。

表1-1地基变形研究表

4 国内外盾构施工引起土体变形研究方法总结

当前国内外对盾构隧道施工引起的地表变形以及对既有结构的影响的研究方法主要有经验法、模型试验法、现场实测法、数值计算法等。这些方法各有优缺点，更多场合是将这些手段结合起来应用。这些方法在研究盾构隧道施工对地表变形以及对既有建(构)筑物的影响方面取得了很多的研究成果，但还是存在一些问题。主要的方法有：

(1)经验公式法。经验公式方法简单，只要确定了公式的参数就可以得到地面沉降数值。这种方法在一定的程度上直观地反映了土的性质、隧道的特点对地层沉降的影响，对于一些土质较好的，施工技术、施工设备比较完善，有类似工程实测资料的情况，现场量测结果与计算结果相比比较接近。但是，经验公式只是粗略给出了预测地面沉降的计算公式或范围，当衬砌形式、刚度不同以及施工条件和地层条件复杂时，它们的应用受到限制，难以较好的反映隧道工程条件和施工参数的影响，在一定的程度上与实际有较大的差别。例如：R.B.Peck(1969)通过对大量地表沉降数据和有关工程资料的分析以后，提出了地表沉降槽呈似正态分布的概念

(2)模型试验法。模型试验法对于了解盾构隧道施工引起的地层位移的机理，揭示各个施工因素对地面沉降的影响具有重要意义。足尺模型不经济，耗费大量人力、物力、财力；缩尺模型试验方法复杂、费用昂贵，模型难以精确模拟实际工程地质条件和施工参数，且得到的信息有限。

(3)解析法。解析法得到的是理论解，计算量小，但是解的范围有限，只有少数简单边界条件下得到解析解。对于复杂的实际工程来说，利用这些简单化处理会导致计算结果与实际情况相差甚远。

(4)数值法。数值法目前主要有有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、数值流行法。数值分析模型存在下列问题；对盾构施工考虑的因素较少，大多数只考虑了开挖卸荷、盾构脱空、千斤顶推进、盾构尾注浆的影响，对于盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、竖向荷载和结构与土之间的接触等问题涉及较少。盾构推进过程中，开挖面土体向盾构内移动，引起隧道外围土体向隧道内移动，产生地层损失。相当于从地层中挖去一块土体，形成一个空缺，上部土体在自重作用下弥补这个空缺时产生了地层移动，引