盾構隧道施工中土層沉降變化研究

杜心愿，劉生輝

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著盾構隧道施工的進行，土層會受到壓縮而產生變形，從而出現沉降變化[1]。沉降變化可能導致附近既有建筑物不均勻沉降，從而影響建筑物的安全。因此，需要對盾構隧道施工過程中土層的沉降變化進行深入研究和分析，以確保工程的安全性和穩定性[2]。對此，本文對盾構施工的工序、盾構推進的土層沉降變化及其機理進行分析，并以某地鐵隧道盾構施工為例，介紹其工程概況，進行模型的構建與計算，分析盾構推進中的土層沉降變化情況，以期能夠掌握盾構隧道施工中土層沉降的變化規律。

2 盾構的施工工序

對于土壓平衡式盾構，其施工工序大概包括3 個流程：開挖、支護、注漿。首先，選取隧道的某一段，在該位置進行豎井或基坑施工，以便盾構機能夠進行安裝[3]，然后進行盾構施工。施工過程中，盾構機沿著設計軸線在地層中向另一豎井或基坑開挖。在此期間，會受到來自地層的阻力，該阻力能夠經過盾構千斤頂傳到該施工設備尾部的隧道襯砌結構中，最后達到豎井。施工期間，盾構機在支承地層壓力的同時，還可以在地層中推進，推進過程中，每推進一環，會施工一環襯砌。與此同時，會在盾尾后開挖的坑道和襯砌外周注入漿液，在大量漿液的注入下，將巖體孔隙填滿，以此避免隧道和地面下沉。圖1為盾構施工工序。

圖1 盾構施工工序

3 盾構推進中土層沉降

3.1 土層沉降變化

在軟土地區，通過盾構法對隧道進行施工時，地層會出現位移，地表會發生沉降。根據地表沉降的方向，可以分為地表縱向沉降和地表橫向沉降。在地表縱向沉降中，并不是瞬間達到最終值，其間土層會隨著時間的變化呈現出不同的發展階段，施工過程中的開挖工藝、開挖方式等都會對地層縱向沉降造成影響?？傮w上，地表縱向沉降可分為5 個階段。

1）在隧道挖掘面與地面觀測點相隔幾十米時，地表會出現塌陷現象。在軟黏土地層中，因為土體的滲透性很小，所以，土體的固結相對于盾構隧道的開挖來說，是緩慢的，而在這種情況下，在隧道的開挖面上進行的排水固結很難對幾十米以外的地層產生作用。這種沉陷很大程度上是因為基坑開挖引起的應力的釋放和再分布，而不是因為地下水流運動、水位下降。

2）當盾構到達觀測點時，由于開挖面的位移等原因，開挖面土壓力出現失衡，從而導致地層出現沉降或隆起，這一變形現象的原因在于土體應力釋放或開挖面反向土壓力作用。

3）盾構通過觀測點時出現的沉降是由推進期間對土產生擾動而產生的。不僅如此，推進期間的軸線與隧道軸線出現偏差時，會使部分土體受到壓迫，另一部分呈現松弛狀態，從而引起附加地面變形。另外，為了糾正“蛇”形、“曲”形前進，盾構機的過度開挖會加大周邊土壤的松弛面積，加劇地表沉降。有時，在施工過程中，會出現油管泄漏而使盾構向后收縮，基坑表面的土層因失穩而發生塌陷或松散，也是導致地表沉降的重要因素。

4）當盾構尾部穿過觀測點后，也會出現沉降的情況。此時盾構尾部土體空隙中的土體應力得到釋放，從而導致彈塑性變形的產生。在盾構施工過程中，盾尾孔通常采用及時向周邊注漿的方法填充。如果注漿不及時、不充分或不適當的壓力，將導致盾尾后土體破壞原有的三向平衡，導致地層流失，尤其是在含水層不穩的地層。此外，當隧道襯砌與盾尾分離時，由于受到土水壓力的影響，亦會產生一定程度的地表沉降。

5）地表縱向沉降的第五個階段為后續沉降，由固結和次固結產生。其原因在于，在長時間內，孔隙水壓逐漸恢復長期平衡，從而使有效應力發生改變，該變形有一定概率通過襯砌變形來體現。

在地表橫向沉降中，其沉降槽與正態分布曲線較為類似。而造成這一現象的原因在于地層損失，并且其發生的條件為不排水情況。此時，沉降槽的體積應該與地層損失體積相同。

3.2 土層沉降的機理

在軟土地區進行盾構挖掘的過程中，導致土層沉降的機理主要分為地層損失、受擾動土體的重新固結。

在地層損失中，造成沉降的原因有多種。在盾構掘進過程中，由于開挖面周圍的水平支撐應力小于其周圍的初始應力，其周圍的土體朝著盾構移動，從而使盾構上方土層發生沉降。在盾構推進過程中，若正面土體受到的推力超過了初始側向應力，那么該土體就會向前上方運動，造成地層流失，從而使前上方土產生突起。在盾構停止推進、后縮、注漿等過程中，同樣會引發土層沉降。以盾構機叩頭推進為例，在這個過程中，相較于正常推進，其地面最大沉降量較大，導致工作地表沉陷更大，工作面前方相應的隆起量偏小。而盾殼移動會對地層產生一定的摩擦和剪切作用，從而引起土層沉降。在盾構推進期間，會對盾構周圍產生一定的擠壓作用，且在盾尾壓漿作用等的影響下，孔隙水壓會發生變化，出現正值的超孔隙水壓區，在盾構施工后，該區域的水壓會慢慢復原。復原時，會引起地層排水固結變形，從而導致地面沉降的出現。而土體受到擾動后，土骨架在壓縮變形的過程中會使得地面出現次固結沉降，該現象持續的時間較長。

4 地鐵盾構施工下土層沉降數值模擬

4.1 確定材料模型

在軟土地區，為了分析地鐵盾構隧道施工中土層沉降的變化情況，對其進行數值模擬。首先進行材料模型的確定，在施工期間的材料包括隧道襯砌和土體，隧道襯砌以鋼筋混凝土為材料，將該材料看作彈性材料，其與附近的土體間具有不透水性；根據研究的具體情況，把土體當作彈塑性體，其在同一地層視為各向同性材料，將Mohr-Coulomb 模型作為土體的本構模型，該模型的基礎為Mohr-Coulomb 準則。

4.2 工程概況

以某市的地鐵1 號線為例進行研究。其線路全長61.67 km，高架站和地下站分別有8 座和29 座。經勘察，其標段3 的某地鐵站區間為地下區間，施工時可以采用盾構法，通過泥水加壓平衡式盾構展開相關施工。其中，盾構隧道內徑和管片厚度分別為6 000 mm 和350 mm，管片寬度為2 m。通過螺栓將管片進行連接，對于襯砌環間，其連接方式為縱向螺栓連接形式，利用通縫拼裝的方式與襯砌進行連接。對該地區進行勘察可知，項目所在位置的地貌類型屬于沖海積平原區，其地層由上向下分別為雜填土、素填土、黏質粉土夾粉質黏土、砂質粉土、砂質粉土夾粉砂、黏質粉土夾淤泥質粉質黏土、黏質粉土、粉砂、黏土、粉砂夾粉質黏土、粉質黏土，對應土層的厚度分別為1.6 m、1.2 m、1.6 m、5.5 m、5.4 m、3.3 m、9.4 m、6.4 m、8.1 m、8.7 m、3.2 m。不同土層的特性及包含的物質存在差異。比如，砂質粉土層包含云母、夾粉砂、夾細砂等物質，其具有粗糙的表面，沒有干強度和韌性；粉砂層含有夾層狀黏性土和云母，還存在一些貝殼碎。工程地質條件中，前部和中部地下水有兩種類型，前者是第四紀松散巖土類孔隙水，后者屬于對應的孔隙承壓水。而深部的地下水類型為基巖裂隙水。

4.3 模型的構建與假設

選擇ADINA 軟件模擬盾構推進過程。出于簡化計算的目的，不考慮地下水的滲透作用，小范圍調整土層厚度。不考慮巖土體構造的應力，施加初始地應力時，僅考慮土體自重應力，不考慮土體固結和蠕變特性。構建模型的過程中，根據相關勘察資料，選取某段隧道進行研究，其隧道直徑、頂板土層厚度分別是6 m、14 m。合并處理雜填土和素填土兩層，將其作為模型最頂層，不考慮最下兩層土，將第六層土層分配到第五層和第七層。確定相關區域和進行網格劃分。進行邊界條件的設置，列出相關荷載條件和材料參數，并進行有限元計算。

4.4 計算結果分析

在盾構開挖支護前后，對其地表橫向沉降進行分析，得到結果如圖2 所示。

圖2 地表橫向沉降

圖2 中，不同開挖階段對應的地表橫向沉降不同。隨著開挖的推進，地表橫向沉降慢慢加深加寬。相較于第三步支護開挖前，第三步開挖后的地表最大沉降值增大1.56 mm；而第四步支護開挖后的地表沉降值最大是25.09 mm。特征點為離盾構推進初始面12 m 的橫截面地表上的點，研究其不同盾構開挖步驟下沉降情況如圖3 所示。

圖3 相關地表縱向沉降

圖3 中，隨著盾構的推進，特征點地表縱向沉降量不斷增大，相較于第2 步，第3 步的沉降量增大6.44 mm，后者的沉降量為18.78 mm；而第6 步的沉降量為35.90 mm。對不同地面特征點進行選取，通過分析盾構推進過程中這些特征點的地表縱向沉降情況，發現相同開挖步驟下，不同特征點的沉降量不同。通過對比不同開挖步驟的沉降量變化情況發現，相較于其他開挖步驟，在盾構通過時相關特征點沉降變化量最大，而之后雖然其會有一定的增加，但增加的幅度不大。

5 結語

在軟土地層中進行盾構隧道施工時，不同土層會出現不同的沉降變化，而不同的開挖步驟下，對應的沉降變化會存在差異。較大的土層沉降會對盾構施工造成一定的影響，甚至威脅地表建筑物的安全。因此，在實際工程中，進行盾構隧道施工時，需要了解不同土層的地表縱向沉降和地表橫向沉降的變化規律，以及在這些土層沉降的影響下，會對施工等方面造成影響的程度，從而為預防較大土層沉降做準備，保障盾構施工的安全，為工程實踐積累相關的經驗，進而促進施工的順利開展。