隧道盾構施工引起地層變化原因及分析綜述

何 洋

(重慶交通大學)

隧道盾構施工引起地層變化原因及分析綜述

何 洋

(重慶交通大學)

對地鐵盾構隧道產生的地層變化原因進行了分析，根據不同的施工階段對地層變化進行了劃分.對于地層變化值的不同計算方法進行了對比.

地鐵隧道；盾構法；地層沉降

隨著中國城市化進程加速，交通出行的發展速度逐漸跟不上城市的發展速度，擁堵問題已經成為大部分城市的 通病。為了解決擁堵問題，地面交通漸漸向地下交通發展。因此各大城市紛紛發展地鐵，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年第一條采用盾構法施工的電氣化地鐵線路在倫敦竣工[1]。現代盾構法以此為基礎發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。由于隧道施工過程中會引起地層變化和地表沉陷，這就會對周邊建筑物，地面交通，地下管線產生一定影響，可能導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法施工的隧道導致的地層變化。

原因分析

盾構法的使用距今已有 180年歷史，從手掘式盾構、擠壓式盾構、網格式盾構到現在的機械式盾構（局部氣壓式盾構、泥水加壓式盾構、土壓平衡式盾構），盾構法的自動化程度越來越高，對地形的適應情況越來越好[1]。盾構法實際是一種全斷面鉆掘工法。采用盾構機對盾構前部的土體進行挖掘，同時在盾構機的后部將鋼片或混凝土管片組裝成襯砌環。

根據魏綱等[2]，采用盾構法施工的隧道所引起的地層變化可以劃分為5個階段：

1.盾構到達前。有數據顯示，當開挖面距離觀測點數十米時，就能觀測到沉降的發生。 應力重分布是導致此階段地層變化的原因。

2.盾構到達時。當盾構機位置離觀測點很近或者位于觀測點正下方時，開挖面的移動與盾構機推力會導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力釋放和盾構機的反向土壓力導致的地層變化。

3.盾構通過時。這一階段產生的沉降是指從盾構機到達觀測點到盾構機尾部通過觀測點為止產生的地層變化。

4.盾構通過后。此階段產生的沉降指盾構機尾部到達觀測點時產生的地層變化。具體就是當盾尾管片拼裝完成后，盾構機外殼與管片存在的空隙導致這一部分的土體應力釋放從而產生彈塑性變形。

5.長期變化。長期變化產生的變形是指土體固結與次固結產生的沉降。由于孔隙水壓力的再平衡導致有效應力的變化，最終大部分變形表現在襯砌上。根據張云等[3]，由固結導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。

根據以上地層變化三階段理論，王鐵生等[4]認為有以下幾個主要因素會影響地面沉降程度：隧道覆土厚度、盾構外徑、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）、地層物理力學性質、施工條件等。

計算方法

通過對以上因素的研究，盾構隧道引起的地層變化計算形成了很多方法，可將其分為理論計算法與基于實測數據的模型實驗法。

1.理論計算法

（1）地表橫向沉降預測 Peck 認為在施工工程中的地表沉降是在不排水條件下發生的，因此沉降槽體積應該等于地層損失體積，并假設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分布，其估算公式為：

（2）地表縱向沉降預測。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出了計算公式。其假設：土層在變形過程中體積不發生變化；隧道在掘進過程中產生的總位移等于地層中各點位移的總和。

因此，地層某一個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的水平距離 (m)；i 為隧道中心線到曲線拐點的水平距離 (m)；為隧道起點位置 (m)；為隧道終點位置 (m)

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

依據之前的計算公式 (1)，(2) 便可以估算出地層水平位移。經驗法一般是通過實測數據總結而得到的經驗公式，具有地區針對性強，計算簡便的優點，一般都能通過其得到較好的結果。因此，經驗法也只能在特定條件下使用。

2.數值法。研究地層變化的另一種理論計算法是數值法。目前國內外對數值法進行了詳細而深入的研究，主要分為有限元法、邊界元法、半解析元法等，數值法相較于經驗法能夠模擬復雜的地質條件，考慮復雜的邊界條件，并且能夠模擬整個隧道施工過程。因此，數值法的應用范圍是非常廣的。

3.模型試驗法。模型試驗法一般是采用離心模型試驗來研究淺埋隧道施工過程中的地層位移變化。。離心模型試驗使得隧道施工過程中的地層位移機理更加明晰，對各個施工因素對地層變形的影響更加清楚。但是由于其試驗費用太高、方法復雜、難以精確模擬施工過程，其應用有限。

小結

隨著地鐵建設大規模展開，隧道施工引起的地層變化愈來愈重要，對預測地層變形的方法已經開展了大量研究。本文總結了在施工過程中地層變化的三個階段，以及預測地層變形的三種方法。各種方法都有其特點和局限性，在實際應用過程中應依據情況選擇最優解。多種方法與理論的結合將是預測隧道施工過程中地層變化的一個研究方向。

[1]柳厚祥.地鐵盾構隧道誘發地層移動機理分析與控制研究[博士學位論文][D].西安：西安理工大學，2008:21-23.

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

[3]張云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21(3):388-392.

[4]王鐵生，張利平，華錫生.地鐵隧道施工變形預測研究綜述[J].水利水電進展，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測[J].巖石力學與工程學報，2005，24(10):1703-1707.

[6]李桂華,黃騰,席廣永，等.軟土地鐵隧道運營期沉降監控研究綜述[J].河海大學學報(自然科學版)，2011，39(3):277-284.

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1007-6344（2017）02-0060-01