隧道盾構對周邊土體結構的影響

【摘要】地鐵建設是解決城市交通擁堵問題的有效途徑，近年來，伴隨著地下空間的空前開發和利用，盾構工法在城市地鐵隧道修建過程中得到了廣泛應用，相應的也出現了眾多的環境土工安全問題，盾構隧道始發段掘進作為盾構工法的主要環節之一，是盾構施工過程中的事故多發階段。本文探討了各種施工因素對周邊土體的影響，以確保在隧道盾構正常施工的同時，盡量減小施工對鄰近建筑物或構筑物的不利影響。

【關鍵詞】過江通道；地面測點；沉降監測；砂土層；數據檢驗

引言

隨著我國經濟的飛速發展和人口的聚集增長，城市的交通問題面臨著空前的壓力，而城市地表可利用空間日漸減少，迫切需要開發城市地下空間資源以滿足安全、舒適、快捷的交通需求。地鐵具有對環境污染小，不影響城市景觀等優點，已成為我國城市軌道交通的重要組成部分，對緩解交通擁堵、提高城市效率、提升城市現代化水平發揮著巨大的作用。

1.研究現狀

盾構法隧道施工是在盾構支護下進行地下工程暗挖施工，其靠千斤頂在后部加壓頂進，通過盾構外殼和管片支承四周圍巖防止發生坍塌，同時在開挖面前方用切削裝置開挖土體，通過出土機械將土體運出洞外，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構，是地下空間開發的一種最佳選擇。盾構設備和技術經歷了不斷的完善和發展，其機械化程度和地層適應性不斷提高，盾構機種類也發生了巨大變化。盾構隧道為主的地下交通網絡正日益成為國內提升城市交通和進一步拓展發展空間的新形式。盾構法隧道施工中，隧道設計、所處地質條件、盾構選型、施工掘進參數設定等均會影響隧道周圍土體變形。盾構掘進引起的周圍土體擾動主要是地表以下土體豎向和水平向的位移和變形，在地表變現為地表沉降或隆起。國內外雖然針對始發段的研究很少，但對隧道盾構法施工引起的周圍土體擾動問題進行了大量的研究，得到了許多有意義的結論。

2.盾構技術的優缺點

2.1盾構技術的優點：

（1）開挖與襯砌在盾構結構的保護下進行，具有很好的安全性；

（2）掘進速度較高，盾構的掘進、運土、管片拼裝等全過程可實現機械化和自動化作業，施工勞動強度顯著降低；

（3）施工時不會影響地面交通及設施，穿越河流時不會影響河道正常航運；

（4）施工不受季節、大風、雨雪等惡劣氣候條件的影響；

（5）施工中周圍環境基本不受振動與噪聲等的干擾和影響；

（6）在松軟含水地層中修建埋深較大的長隧道時在經濟上有著良好的優越性。

2.2盾構技術的缺點：

（1）盾構是一種價格較昂貴、針對性強的專用施工機械。對每一座采用盾構法施工的隧道，均應根據工程地質、水文地質條件、襯砌結構面尺寸的大小進行專門制造、運送、拼裝與拆卸等，且設備較復雜；

（2）當覆土較淺時，幵挖面穩定較為困難；

（3）對于短于750m的隧道釆用盾構被認為是不經濟的；

（4）對于隧道曲線半徑過小或險道埋深較淺時，施工難度大；

（5）在飽和含水地層里，防水要求高；

（6）目前還不能完全防止隧道施工區的地表沉降，只能采取嚴密措施把沉降控制在最小限度。

3.盾構擾動機理

采用盾構法在軟土地層中開挖隧道，不可避免的會改變地層原始地層應力狀態，導致不同程度地層擾動、地面沉降。即便采用當前最先進的盾構法及其他施工技術，都難以完全避免該地層擾動。盾構法施工引起隧道周圍土體松動和沉陷，即產生地表沉降；若引起隧道周圍土體緊縮和上拱，即產生地表隆起。當盾構施工引起地層擾動達到一定程度時，隧道附近的基礎構筑物將會產生變形、沉降或隆起，將會影響周圍建筑物、地下設施等的正常使用，還可能使構筑物機能遭受破損或破壞。

4.盾構擾動影響因素

引起地層擾動的主要因素可以歸結為盾構法施工所引起的地層損失和盾構隧道周圍經擾動后重塑土的再固結。

4.1固結沉降

固結沉降分為主固結沉降和次固結沉降。盾構法施工過程中，由于盾構機與周圍土體的擠壓作用及盾尾同步注漿作用，隧道附近范圍內將形成超孔隙水壓力區，盾構機通過后，隨著時間的推移，土體表面的應力逐漸得到釋放，引起超孔隙水壓力下降，土體產生排水固結變形，為主固結沉降。次固結沉降是指土中孔隙水已經消散，有效應力增長基本不變之后變形隨時間緩慢增長所引起的沉降。這種變形既包括剪應變，又包括體積變化，并與孔隙水排出無關，而是取決于土骨架本身的蠕變性質，施工過程中受到擾動的土體，將產生長時間的持續壓縮變形，為次固結變形。

4.2地層損失

地層損失一般可以分為三類：第一類是不可避免的由施工地區的地質和盾構施工方法的選擇等客觀條件引起，采取措施能夠控制在一定的限度內，屬于正常的地層損失，引起的施工沉降槽體積與地層損失相等，均質地層中沉降較均勻；第二類是由施工參數設置不合理引起如開挖面超挖，注漿不及時等操作失誤造成，屬于本可以避免的不正常的地層損失，引起局部的地面沉降；第三類是由于遇到水壓大、透水性高德透鏡體或貯水洞穴等局部土體強度降低過多造成盾構開挖面急劇性流動或暴發性崩塌，屬于很少見的災害性的地層損失。

5.盾構擾動的主要影響因素

5.1開挖面泥水壓力設置不合理

設定合理的泥水壓力對維持開挖面的穩定有著重要作用。與開挖面前方原始側向土壓力相比，開挖面泥水壓力過大或過小，均會引起土體擾動，過小引起土體沉降，過大引起土體隆起。

5.2盾構推進過程中的姿態糾偏

盾構實際推進線路與設計的線路產生偏差，盾構“抬頭”和“磕頭”，均會造成實際開挖斷面面積增大，引起地層擾動。

5.3盾構嚴重超挖

通常，盾構刀盤外徑需大于盾殼的外徑，以減小盾殼與周圍土體的摩擦剪切作用，使盾構機能夠順利通行，因而，盾殼與周圍土體之間會產生一定厚度的間隙，在自重的作用下，盾構機將下沉到底部，形成超挖間隙，土體處于臨空面，將產生向隧道內的位移。

5.4盾構推進過程中的姿態糾偏

盾構實際推進線路與設計的線路產生偏差，盾構“抬頭”和“磕頭”，均會造成實際開挖斷面面積增大，引起地層擾動。

5.5注漿壓力不足或注漿不及時

盾尾脫離之后，注漿壓力不足或注漿不及時等，臨空面無法維持平衡，致使土體向盾尾建筑空隙中移動，形成地層損失。注漿材料自身體積收縮，也會使周圍土體產生一定的位移。

5.6土壓力作用

盾構通過后，由于土壓力的作用造成隧道襯砌變形，或自重下的隧道自身沉降，會引起少量的土體擾動。

5.7建筑空隙

為減小盾殼與周圍土體的摩擦剪切作用，刀盤外徑通常大于盾構外徑，使得具有一定的間隙，而盾尾離開后，盾殼外徑大于管片外徑造成盾尾建筑空隙，盡管采用了同步注漿填充，但仍不可避免會產生土體位移。盾構的選擇，會直接影響該建筑空隙的大小。

6.結束語

本文對盾構法施工引起周圍土體擾動的機理進行了探討，著重分析了引起土體擾動的兩個主要因素，盾構法施工引起的地層損失和盾構隧道周圍經擾動后的重塑土的再固結，研究盾構通過過程中各階段的地表沉降和影響因素。

參考文獻

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