隧道盾構(gòu)施工引起地層變化原因及分析綜述

何 洋

(重慶交通大學(xué))

隧道盾構(gòu)施工引起地層變化原因及分析綜述

何 洋

(重慶交通大學(xué))

對地鐵盾構(gòu)隧道產(chǎn)生的地層變化原因進(jìn)行了分析，根據(jù)不同的施工階段對地層變化進(jìn)行了劃分.對于地層變化值的不同計(jì)算方法進(jìn)行了對比.

地鐵隧道；盾構(gòu)法；地層沉降

隨著中國城市化進(jìn)程加速，交通出行的發(fā)展速度逐漸跟不上城市的發(fā)展速度，擁堵問題已經(jīng)成為大部分城市的 通病。為了解決擁堵問題，地面交通漸漸向地下交通發(fā)展。因此各大城市紛紛發(fā)展地鐵，緩解擁堵壓力。最初的地鐵施工一般采用明挖法，例如世界上第一條地鐵線路位于英國倫敦，全長6.4 KM，全段采用明挖法，之后并在 1890年第一條采用盾構(gòu)法施工的電氣化地鐵線路在倫敦竣工[1]。現(xiàn)代盾構(gòu)法以此為基礎(chǔ)發(fā)展成為主流的地鐵隧道施工方法。

由于地鐵位置的特殊性，很多位于城市繁華區(qū)域。并且為了減少對其他交通方式的干擾及方便乘客的通行，大部分地鐵隧道均采用淺層埋設(shè)。由于隧道施工過程中會(huì)引起地層變化和地表沉陷，這就會(huì)對周邊建筑物，地面交通，地下管線產(chǎn)生一定影響，可能導(dǎo)致建筑物與路面開裂，管線損壞等。因此研究隧道施工引起的地層變化是十分必要的。本文著重研究采用盾構(gòu)法施工的隧道導(dǎo)致的地層變化。

原因分析

盾構(gòu)法的使用距今已有 180年歷史，從手掘式盾構(gòu)、擠壓式盾構(gòu)、網(wǎng)格式盾構(gòu)到現(xiàn)在的機(jī)械式盾構(gòu)（局部氣壓式盾構(gòu)、泥水加壓式盾構(gòu)、土壓平衡式盾構(gòu)），盾構(gòu)法的自動(dòng)化程度越來越高，對地形的適應(yīng)情況越來越好[1]。盾構(gòu)法實(shí)際是一種全斷面鉆掘工法。采用盾構(gòu)機(jī)對盾構(gòu)前部的土體進(jìn)行挖掘，同時(shí)在盾構(gòu)機(jī)的后部將鋼片或混凝土管片組裝成襯砌環(huán)。

根據(jù)魏綱等[2]，采用盾構(gòu)法施工的隧道所引起的地層變化可以劃分為5個(gè)階段：

1.盾構(gòu)到達(dá)前。有數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)開挖面距離觀測點(diǎn)數(shù)十米時(shí)，就能觀測到沉降的發(fā)生。 應(yīng)力重分布是導(dǎo)致此階段地層變化的原因。

2.盾構(gòu)到達(dá)時(shí)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)位置離觀測點(diǎn)很近或者位于觀測點(diǎn)正下方時(shí)，開挖面的移動(dòng)與盾構(gòu)機(jī)推力會(huì)導(dǎo)致開挖面土壓力失去平衡，最終引起地層隆起或沉降。這就是由于土體的應(yīng)力釋放和盾構(gòu)機(jī)的反向土壓力導(dǎo)致的地層變化。

3.盾構(gòu)通過時(shí)。這一階段產(chǎn)生的沉降是指從盾構(gòu)機(jī)到達(dá)觀測點(diǎn)到盾構(gòu)機(jī)尾部通過觀測點(diǎn)為止產(chǎn)生的地層變化。

4.盾構(gòu)通過后。此階段產(chǎn)生的沉降指盾構(gòu)機(jī)尾部到達(dá)觀測點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的地層變化。具體就是當(dāng)盾尾管片拼裝完成后，盾構(gòu)機(jī)外殼與管片存在的空隙導(dǎo)致這一部分的土體應(yīng)力釋放從而產(chǎn)生彈塑性變形。

5.長期變化。長期變化產(chǎn)生的變形是指土體固結(jié)與次固結(jié)產(chǎn)生的沉降。由于孔隙水壓力的再平衡導(dǎo)致有效應(yīng)力的變化，最終大部分變形表現(xiàn)在襯砌上。根據(jù)張?jiān)频萚3]，由固結(jié)導(dǎo)致的變形只占地面變形的少部分（大概5%～30%）。

另一種對地層變形的劃分方法是三階段劃分法。第一階段變形包含上述的第1，2階段；第二階段變形包含上述的第3，4階段；第三階段變形引起的沉降對應(yīng)上述的第5階段。此階段劃分法相對于五階段法更為清晰明了。

根據(jù)以上地層變化三階段理論，王鐵生等[4]認(rèn)為有以下幾個(gè)主要因素會(huì)影響地面沉降程度：隧道覆土厚度、盾構(gòu)外徑、開挖面壓力變化量、盾尾注漿的填充率（注漿體積與建筑空隙之比）、地層物理力學(xué)性質(zhì)、施工條件等。

計(jì)算方法

通過對以上因素的研究，盾構(gòu)隧道引起的地層變化計(jì)算形成了很多方法，可將其分為理論計(jì)算法與基于實(shí)測數(shù)據(jù)的模型實(shí)驗(yàn)法。

1.理論計(jì)算法

（1）地表橫向沉降預(yù)測 Peck 認(rèn)為在施工工程中的地表沉降是在不排水條件下發(fā)生的，因此沉降槽體積應(yīng)該等于地層損失體積，并假設(shè)地層變化在隧道長度上是均勻分布的且地表橫向沉降接近正態(tài)分布，其估算公式為：

（2）地表縱向沉降預(yù)測。在1982年Attewell 和 Woodman 基于Peck 法提出了估算地表縱向沉降曲線的方法。該方法是利用累積概率曲線來擬合縱向沉降曲線推導(dǎo)出了計(jì)算公式。其假設(shè)：土層在變形過程中體積不發(fā)生變化；隧道在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的總位移等于地層中各點(diǎn)位移的總和。

因此，地層某一個(gè)位移源引起的地層變化可以由以下公式推算：

其中x為隧道中心線到所求沉降點(diǎn)的水平距離 (m)；i 為隧道中心線到曲線拐點(diǎn)的水平距離 (m)；為隧道起點(diǎn)位置 (m)；為隧道終點(diǎn)位置 (m)

（2）地層水平位移預(yù)測。由于地層水平位移可能對建筑物產(chǎn)生破壞，因此水平位移的預(yù)測也是不能忽視的。根據(jù) O’Reilly 和New 的研究其假設(shè)地層位移矢量指向隧道中心，因此水平位移和沉降須滿足：

依據(jù)之前的計(jì)算公式 (1)，(2) 便可以估算出地層水平位移。經(jīng)驗(yàn)法一般是通過實(shí)測數(shù)據(jù)總結(jié)而得到的經(jīng)驗(yàn)公式，具有地區(qū)針對性強(qiáng)，計(jì)算簡便的優(yōu)點(diǎn)，一般都能通過其得到較好的結(jié)果。因此，經(jīng)驗(yàn)法也只能在特定條件下使用。

2.數(shù)值法。研究地層變化的另一種理論計(jì)算法是數(shù)值法。目前國內(nèi)外對數(shù)值法進(jìn)行了詳細(xì)而深入的研究，主要分為有限元法、邊界元法、半解析元法等，數(shù)值法相較于經(jīng)驗(yàn)法能夠模擬復(fù)雜的地質(zhì)條件，考慮復(fù)雜的邊界條件，并且能夠模擬整個(gè)隧道施工過程。因此，數(shù)值法的應(yīng)用范圍是非常廣的。

3.模型試驗(yàn)法。模型試驗(yàn)法一般是采用離心模型試驗(yàn)來研究淺埋隧道施工過程中的地層位移變化。。離心模型試驗(yàn)使得隧道施工過程中的地層位移機(jī)理更加明晰，對各個(gè)施工因素對地層變形的影響更加清楚。但是由于其試驗(yàn)費(fèi)用太高、方法復(fù)雜、難以精確模擬施工過程，其應(yīng)用有限。

小結(jié)

隨著地鐵建設(shè)大規(guī)模展開，隧道施工引起的地層變化愈來愈重要，對預(yù)測地層變形的方法已經(jīng)開展了大量研究。本文總結(jié)了在施工過程中地層變化的三個(gè)階段，以及預(yù)測地層變形的三種方法。各種方法都有其特點(diǎn)和局限性，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)依據(jù)情況選擇最優(yōu)解。多種方法與理論的結(jié)合將是預(yù)測隧道施工過程中地層變化的一個(gè)研究方向。

[1]柳厚祥.地鐵盾構(gòu)隧道誘發(fā)地層移動(dòng)機(jī)理分析與控制研究[博士學(xué)位論文][D].西安：西安理工大學(xué)，2008:21-23.

[2]魏綱，張世民，齊靜靜，等.盾構(gòu)隧道施工引起的地面變形計(jì)算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，25(增1):3318-3323.

[3]張?jiān)疲笞跐桑煊栏?盾構(gòu)法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，21(3):388-392.

[4]王鐵生，張利平，華錫生.地鐵隧道施工變形預(yù)測研究綜述[J].水利水電進(jìn)展，2003，23(5):62-65.

[5]張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預(yù)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(10):1703-1707.

[6]李桂華,黃騰,席廣永，等.軟土地鐵隧道運(yùn)營期沉降監(jiān)控研究綜述[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，39(3):277-284.

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