盾構隧道施工對地層深部變形影響

中國電建集團鐵路建設有限公司 岳志坤 王天梁

盾構法施工不同于常規施工方法（如淺埋暗挖、礦山開挖等），由于其特有的施工工藝使盾構法施工時引起的應力重分布及深層土體變形較常規方法有所不同，盾構隧道施工時盾構機的掘進、盾構機外殼與圍巖之間的相互作用、盾構機通過、盾尾注漿與二次注漿等幾個施工階段都會擾動周圍的圍巖，這些施工擾動在試驗研究中比較復雜。

針對隧道施工引起的地層變形問題，各學者在理論和工程實踐中做了許多研究，是在理論方面對盾構隧道施工引起的地層變形進行了研究，施成華對隧道施工地層變形進行了時間的空間預測理論研究，丁春林等對盾構掘進造成的土體位移進行了研究，邱明明對盾構引起的土體位移預測進行了研究，并進行了三維數值模擬與現場實測試驗，對比分析了兩者的結果差異，工程人員基于盾構施工過程，利用彈性力學Mindlin解，得到盾構施工引起的總地面變形計算公式，余志江系統分析了目前盾構隧道施工誘發的地層變形的預測方法和估計地鐵隧道施工對地面和地下臨近構筑物的影響理論，并提出了適當的修正方法。總結前人的研究結果，在盾構隧道施工對深層土體影響方面的研究還相對較少。

圖1 盾構掘進施工過程中地層受力示意圖

盾構隧道施工對地層擾動機理

盾構機掘進時周圍土體受到擠壓、摩擦和剪切等不同程度的擾動，原有的平衡狀態被打破，地層在再次達到平衡狀態時發生變形。為保證隧道施工安全，避免施工時變形過大，有必要探索盾構施工時造成地層變形的擾動機理，采取針對性的變形控制措施。

盾構掘進施工過程中引起地層變形的機理復雜，根據盾構掘進施工中各種受力圖（如圖1所示），以下就幾個重要方面對盾構施工引起地層變形進行分析。

掌子面受力失衡

當盾構機掘進時遇到復雜地層時，土壓平衡盾構機常常會由于不同的推力和土壤排放量導致掌子面受力不平衡，從而導致地表沉降或隆起。當盾構機推力過大時，會擠壓掌子面前土體發生地表隆起，相反則會造成地表沉降。

盾殼與圍巖之間的相互作用

盾構機在前進的過程中，盾殼與圍巖在摩擦力的作用下會形成擾動區，在該擾動區范圍內的地層受到盾殼的摩擦剪切作用，會產生容易發生破壞的剪切滑動面，是圍巖受擾動最嚴重的區域。

盾尾空隙的存在和壁后注漿不充分

在盾殼被拖出后，盾殼與襯砌之間有間隙，此時注入的漿液還未凝固，漿液的強度還不夠，圍巖在沒有支撐的情況下會向內發生彈塑性變形，進而導致周圍的巖體松動和塌陷。

地下水位下降

當有水流入或盾尾漏水時，地下水壓力會增加，容易導致固結和變形。另外，周圍的地下水還會繼續流過來，從而在隧道周圍會有動應力場，進一步增加了地層的有效應力，加劇了地層的固結變形和二次固結變形。

盾構掘進引起地層豎直沉降變形

盾構掘進方向的地層豎直沉降變形

盾構掘進過程中引起推進方向地層沉降變形主要是由隧道開挖導致巖土體損失沉降與盾構推力擠壓和盾構注漿導致的影響的疊加，可以分別對其進行計算，再運用疊加原理計算地層豎向沉降變形。

一般盾構隧道截面形式為圓形，取隧道半徑為R，假設施工后斷面各處變形量是一樣的，在施工注漿后隧道斷面處個點向內移動了ΔR，地面至隧道軸線的距離為H，則可以推導出地層下沉值W1（X，Y，Z）：

盾構機掘進過程中推力會將前方的巖土體產生擠壓，使地層發生向上的隆起變形，同理把隆起的土體看成無數個單元體，在距地表深度為Z的單元體dxdydz,由盾構推力擠壓引起的地層隆起為We（X，Y，Z）：

當盾構機推進力太大時，會使盾構機前方地層向上隆起，這種變形稱為負地層損失，用n來表示，一般認為盾構機頂推擠壓前方地層的影響范圍為1.5R(R為盾構開挖直徑)，推導出盾構推力擠壓造成地層某點（X，Y，Z）的隆起量為：

盾構隧道施工引起掘進方向的地層豎直沉降變形等于隧道開挖、注漿與推力擠壓等綜合影響相互疊加的結果：

盾構掘進造成的隧道徑向沉降變形

盾構機掘進施工過程中引起隧道徑向的沉降變形因素主要是隧道巖土體開挖損失與注漿，即垂直盾構掘進方向的地層某一點（X,Y,Z）豎直沉降變形W橫(X,Y,Z)=W1（X，Y，Z）（公式 2）：

盾構隧道施工時，由Peck公式可知，垂直盾構掘進方向的斷面上會出現沉降槽（W橫(X，0，Z)），隨著地層深度的不同，沉降槽會有所差異，但整體的趨勢相似，將深部地層變形沉降槽仍近似擬合為高斯正態分布曲線（如圖2），將Peck 公式改為∶

式中：Sz(X)為地層某點沉降值（mm），Smax(z)為沉降槽曲線的最大沉降值（mm），x為該點距隧道中心水平距離（m），i(z)為z深度處的沉降槽寬度（m）；Vi為地層損失率。

圖2 垂直盾構掘進方向的地層豎直沉降變形示意圖

結語

結合土壓平衡式盾構機施工力學行為及隨機介質理論，在理論方面從力學角度分析了盾構掘進施工對地層的擾動機理，得到以下規律：盾構掘進時造成地層損失引起圍巖變形，進而影響深層土體的變形，為保證隧道施工時的安全，要將掘進施工對周圍土體的影響區域控制在合理范圍內；將盾構施工引起地層豎向沉降變形簡化為隧道開挖損失、注漿和掘進推力擠壓作用等因素引起的地層沉降變形疊加確定最終的沉降變形，可以看出深層土體的橫縱斷面沉降槽曲線與地表的有類似之處；盾構隧道施工對深部地層造成的變形影響，主要是地層豎向沉降、隆起變形和沿隧道橫縱斷面方向的水平變形的綜合影響。