地鐵的發展及其盾構施工環境巖土工程問題

陳康能

1 地鐵的發展

自工業革命以來,生產力迅猛發展,科學技術以其前所未有的速度增長。人口迅速向城市集中,導致超大規模的城市不斷地涌現。而原有的基礎設施已遠不能滿足要求,其中交通問題尤為突出。地面交通不能滿足要求,人們開始把目光投向空間,修建高架橋、地鐵。當今發達國家已把地下空間開發利用作為解決城市人口、資源、環境三大危機的重要設施和醫治“城市綜合癥”、實施可持續發展的重要途徑,而其中尤以地鐵為人們所喜愛。地鐵正以其環保、高效帶來了良好的社會、經濟效益,逐漸成為現代城市交通的主題。

事實證明,地下鐵路的運營對城市的社會經濟發展起到巨大的推動作用。西方發達國家,人口只有20萬～30萬的中小城市也紛紛開始規劃修建地鐵。在我國,交通堵塞,行車速度緩慢已經成為許多城市普遍的非常突出的問題,就連新興的城市深圳也不例外。基礎設施的改善是改善城市環境的必要條件。城市的立體化發展已經成為現代城市發展的新模式。結合我國的實際情況,借鑒發達國家解決交通問題的經驗,20世紀80年代中期我國大城市交通政策已經明確,在大城市發展快速軌道交通體系。城市快速交通軌道體系一般是指地鐵和輕軌鐵路運輸。必須“上天入地”,實行多層次、多結構的立體化交通。繼京、津、滬、穗四大城市后,我國大約有20個大中城市進行了地鐵和輕軌交通規劃,先后提出25項地鐵和輕軌項目。如上海地鐵2號線,北京地鐵復八線,廣州地鐵1號線,天津地鐵延伸線,青島地鐵1號線,南京地鐵1號線等八個城市11個項目已落實投資,進行施工準備,有的已經全面施工。這11個項目總長達160.6 km。深圳、成都地鐵1號線,廣州、武漢、哈爾濱等15個城市14個項目處于可行性研究,或者策劃階段,其總長達到310 km。

2 盾構施工引起的環境土工問題

2.1 盾構施工的地表變形機理

關于盾構施工對土工環境施工問題的研究,目前大多集中于探討地層變形和地表沉降對鄰近建(構)筑物和地下管線的影響。R.B.Peck(1969年)通過對大量地表沉降數據和有關工程資料分析以后,提出了地表沉降槽程似正態分布的概念[1]。認為地層移動由地層損失所引起,且盾構施工引起的地面沉降是在不排水條件下發生的,所以地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積。地面沉降橫向分布估算的公式建議為:

盾構推進過程中產生地面變形沉降的根本原因是施工對周圍土體的擾動(徐永福,1999年)。盾構推進過程中產生的地面變形由以下五個部分組成[2]:1)盾構到達前的地面變形(δ1)。盾構推進對前方土體產生擠壓變形。2)盾構到達時的地面變形(δ2)。3)盾構通過時的地面變形(δ3)。4)盾構通過后的瞬時地面變形(δ4)。5)地表后期固結變形(δ5)。

2.2 地層移動的影響因素

地層移動的影響因素很多,歸納起來主要有[3]:

1)開挖面土體的移動。當開挖面的支護力小于外側土水壓力時,開挖面土體向盾構內移動,引起地層損失而導致盾構上方地層沉降;反之,當開挖面的支護力大于外側土水壓力時,則正面土體向上、向前移動,引起負的地層損失即導致盾構上方地層隆起。2)施工中盾構后退。使開挖面塌落和松動造成地層損失,引起地層沉降。3)土體擠入盾尾空隙。由于壓漿不及時,或壓漿量不足,或壓漿壓力不適當,使盾尾后部隧道周邊的土體失去原始的平衡狀態,向盾尾空隙塌陷,產生地層損失,引起地層沉降。盾構在軟黏土類含水不穩定的地層中掘進時,這一因素是引起地層損失的主要原因。4)盾構推進方向的改變。盾構推進過程中,盾位糾偏、仰頭推進、叩頭推進、曲線推進等都會使實際開挖面形狀偏大于設計開挖面,從而引起地層損失。實際軸線與設計軸線偏離越大,所引起的地層損失也越大。5)盾殼移動與地層間的摩擦和剪切,引起地層損失。6)土體受施工擾動的固結作用。盾構隧道周圍土體受施工擾動后,將形成超靜孔隙水壓力區,盾構離開該區后,超孔隙水壓下降,孔隙水消散,引起地層沉降,這部分為主固結沉降;隨后,軟黏土土體進一步產生隨時間增長而發展的蠕變,持續次固結沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性黏土中,次固結沉降往往要持續幾年以上,它所占總沉降量的比例高達35%以上。7)隨盾構推進而移動的正面障礙物,使地層在盾構通過后產生空隙而又未能及時充填注漿。8)在土水壓力作用下隧道襯砌產生變形和沉降,會引起小量的地層損失。

實測資料表明[5],隨著盾構上方覆蓋土層厚度的增大,地表沉降槽橫向影響范圍呈增大趨勢。土體受盾構施工擾動的范圍與盾構掘進時的頂力、回填注漿時間以及覆蓋層厚度 H與隧道外徑D之比(H/D)等因素有關,盾構掘進時的頂力(推力)越大,盾構工作面前方土體受擠壓的程度越高,土體受擾動的程度也越大,表現為地表中心總沉降量也越大。盾構通過后到實施回填注漿的時間間隔越長,盾尾建筑空隙處土體應力釋放的程度越高,即土體應力擾動程度越大,地表總沉降也越大。隧道覆蓋層厚度與盾構外徑之比(H/D)越大,地表土體受到的擾動越小,地表中心總沉降量也越小。盾構推進速度與地表沉降也有很大的關系,推進速度越快,地表變形也越大;但達到一定的推進速度以后,地表沉降量δ3趨于定值而不再增加。另外,盾構推進過程中,盾構軸線姿態并不能始終保持與隧道軸線一致,盾構以“仰頭”或“叩頭”形式推進時,必然使盾構經過處的土體一部分受壓縮,另一部分則松弛,受擠壓和松弛的土體也會引起附加的地面變形。

3 地面沉降的預計方法

近幾十年來,巖土工程開挖所導致的巖土體及地表沉降預計普遍引起重視。約30年前,工程師Peck曾提出過一個地鐵開挖地面沉降預計公式,它與巖土體性質聯系不夠密切,且不能分析地下水降水的影響。近年來曾應用數值分析方法(有限單元法等)來預計開挖地面沉降,但因諸多巖土力學參數及地應力難以準確測定,預計結果與實測資料相差甚遠而不能使用。

20世紀90年代以來,在礦山工程中研究開采礦石對地面影響的隨機介質理論和方法,開始被應用于地鐵工程(北京及深圳),初步解決了地鐵各種開挖方法(NATM,TBM,盾構,凍結)地面各點位移(垂直及水平)和變形(傾斜、曲率、水平應變)的計算方法,獲得了全套計算公式,并編制了相應的程序(TUNNEL,SUBWAY等)。此種方法經國內外數十個工程實測資料的對比,已經證實了其準確性和實用性。但這種理論和方法尚不完善,巖土體內部各點的位移和變形尚無法計算,三維問題(地鐵車站)尚待開發,計算參數與巖土工程地質條件之間的關系還需進一步查明。孫均,袁金榮等人提出利用人工神經網絡技術對地表沉降進行了理論預測,開辟了沉降預計的新領域。

4 結語

地鐵在世界及我國普遍的修建,其施工引起的環境土工問題越來越受到人們的廣泛關注。地鐵及其他城市地下工程開挖均將導致地面沉降和生態環境的惡化。在這一新的研究領域中,需要開展深入的研究,確保建設的順利進行。

[1]Peck R B.Tunneling in soils[A].10thICSMFE[C].Stockholm,1981:604-628.

[2]徐永福,孫 均.隧道盾構掘進施工對周圍土體環境的影響[J].地下工程與隧道,2006(3):15-16.

[3]徐永福.盾構施工引起的地面變形分析[J].地下工程與隧道,2007(1):21-25.

[4]Romo M R.Elements induced by soft ground tunneling[A].Inter Conf on Case Histories in Geotech engrg:Vol 1[C].Toronto:Balkema,1984.

[5]易宏偉.盾構施工對土體擾動與地層移動影響的研究[D].上海:同濟大學,1995.