盾構(gòu)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(gòu)隧道施工的進(jìn)行，土層會(huì)受到壓縮而產(chǎn)生變形，從而出現(xiàn)沉降變化[1]。沉降變化可能導(dǎo)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(duì)盾構(gòu)隧道施工過程中土層的沉降變化進(jìn)行深入研究和分析，以確保工程的安全性和穩(wěn)定性[2]。對(duì)此，本文對(duì)盾構(gòu)施工的工序、盾構(gòu)推進(jìn)的土層沉降變化及其機(jī)理進(jìn)行分析，并以某地鐵隧道盾構(gòu)施工為例，介紹其工程概況，進(jìn)行模型的構(gòu)建與計(jì)算，分析盾構(gòu)推進(jìn)中的土層沉降變化情況，以期能夠掌握盾構(gòu)隧道施工中土層沉降的變化規(guī)律。

2 盾構(gòu)的施工工序

對(duì)于土壓平衡式盾構(gòu)，其施工工序大概包括3 個(gè)流程：開挖、支護(hù)、注漿。首先，選取隧道的某一段，在該位置進(jìn)行豎井或基坑施工，以便盾構(gòu)機(jī)能夠進(jìn)行安裝[3]，然后進(jìn)行盾構(gòu)施工。施工過程中，盾構(gòu)機(jī)沿著設(shè)計(jì)軸線在地層中向另一豎井或基坑開挖。在此期間，會(huì)受到來自地層的阻力，該阻力能夠經(jīng)過盾構(gòu)千斤頂傳到該施工設(shè)備尾部的隧道襯砌結(jié)構(gòu)中，最后達(dá)到豎井。施工期間，盾構(gòu)機(jī)在支承地層壓力的同時(shí)，還可以在地層中推進(jìn)，推進(jìn)過程中，每推進(jìn)一環(huán)，會(huì)施工一環(huán)襯砌。與此同時(shí)，會(huì)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(gòu)施工工序。

圖1 盾構(gòu)施工工序

3 盾構(gòu)推進(jìn)中土層沉降

3.1 土層沉降變化

在軟土地區(qū)，通過盾構(gòu)法對(duì)隧道進(jìn)行施工時(shí)，地層會(huì)出現(xiàn)位移，地表會(huì)發(fā)生沉降。根據(jù)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(dá)到最終值，其間土層會(huì)隨著時(shí)間的變化呈現(xiàn)出不同的發(fā)展階段，施工過程中的開挖工藝、開挖方式等都會(huì)對(duì)地層縱向沉降造成影響。總體上，地表縱向沉降可分為5 個(gè)階段。

1）在隧道挖掘面與地面觀測點(diǎn)相隔幾十米時(shí)，地表會(huì)出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。在軟黏土地層中，因?yàn)橥馏w的滲透性很小，所以，土體的固結(jié)相對(duì)于盾構(gòu)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(jìn)行的排水固結(jié)很難對(duì)幾十米以外的地層產(chǎn)生作用。這種沉陷很大程度上是因?yàn)榛娱_挖引起的應(yīng)力的釋放和再分布，而不是因?yàn)榈叵滤鬟\(yùn)動(dòng)、水位下降。

2）當(dāng)盾構(gòu)到達(dá)觀測點(diǎn)時(shí)，由于開挖面的位移等原因，開挖面土壓力出現(xiàn)失衡，從而導(dǎo)致地層出現(xiàn)沉降或隆起，這一變形現(xiàn)象的原因在于土體應(yīng)力釋放或開挖面反向土壓力作用。

3）盾構(gòu)通過觀測點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)的沉降是由推進(jìn)期間對(duì)土產(chǎn)生擾動(dòng)而產(chǎn)生的。不僅如此，推進(jìn)期間的軸線與隧道軸線出現(xiàn)偏差時(shí)，會(huì)使部分土體受到壓迫，另一部分呈現(xiàn)松弛狀態(tài)，從而引起附加地面變形。另外，為了糾正“蛇”形、“曲”形前進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的過度開挖會(huì)加大周邊土壤的松弛面積，加劇地表沉降。有時(shí)，在施工過程中，會(huì)出現(xiàn)油管泄漏而使盾構(gòu)向后收縮，基坑表面的土層因失穩(wěn)而發(fā)生塌陷或松散，也是導(dǎo)致地表沉降的重要因素。

4）當(dāng)盾構(gòu)尾部穿過觀測點(diǎn)后，也會(huì)出現(xiàn)沉降的情況。此時(shí)盾構(gòu)尾部土體空隙中的土體應(yīng)力得到釋放，從而導(dǎo)致彈塑性變形的產(chǎn)生。在盾構(gòu)施工過程中，盾尾孔通常采用及時(shí)向周邊注漿的方法填充。如果注漿不及時(shí)、不充分或不適當(dāng)?shù)膲毫Γ瑢?dǎo)致盾尾后土體破壞原有的三向平衡，導(dǎo)致地層流失，尤其是在含水層不穩(wěn)的地層。此外，當(dāng)隧道襯砌與盾尾分離時(shí)，由于受到土水壓力的影響，亦會(huì)產(chǎn)生一定程度的地表沉降。

5）地表縱向沉降的第五個(gè)階段為后續(xù)沉降，由固結(jié)和次固結(jié)產(chǎn)生。其原因在于，在長時(shí)間內(nèi)，孔隙水壓逐漸恢復(fù)長期平衡，從而使有效應(yīng)力發(fā)生改變，該變形有一定概率通過襯砌變形來體現(xiàn)。

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

3.2 土層沉降的機(jī)理

在軟土地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)挖掘的過程中，導(dǎo)致土層沉降的機(jī)理主要分為地層損失、受擾動(dòng)土體的重新固結(jié)。

在地層損失中，造成沉降的原因有多種。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，由于開挖面周圍的水平支撐應(yīng)力小于其周圍的初始應(yīng)力，其周圍的土體朝著盾構(gòu)移動(dòng)，從而使盾構(gòu)上方土層發(fā)生沉降。在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，若正面土體受到的推力超過了初始側(cè)向應(yīng)力，那么該土體就會(huì)向前上方運(yùn)動(dòng)，造成地層流失，從而使前上方土產(chǎn)生突起。在盾構(gòu)停止推進(jìn)、后縮、注漿等過程中，同樣會(huì)引發(fā)土層沉降。以盾構(gòu)機(jī)叩頭推進(jìn)為例，在這個(gè)過程中，相較于正常推進(jìn)，其地面最大沉降量較大，導(dǎo)致工作地表沉陷更大，工作面前方相應(yīng)的隆起量偏小。而盾殼移動(dòng)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生一定的摩擦和剪切作用，從而引起土層沉降。在盾構(gòu)推進(jìn)期間，會(huì)對(duì)盾構(gòu)周圍產(chǎn)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(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)正值的超孔隙水壓區(qū)，在盾構(gòu)施工后，該區(qū)域的水壓會(huì)慢慢復(fù)原。復(fù)原時(shí)，會(huì)引起地層排水固結(jié)變形，從而導(dǎo)致地面沉降的出現(xiàn)。而土體受到擾動(dòng)后，土骨架在壓縮變形的過程中會(huì)使得地面出現(xiàn)次固結(jié)沉降，該現(xiàn)象持續(xù)的時(shí)間較長。

4 地鐵盾構(gòu)施工下土層沉降數(shù)值模擬

4.1 確定材料模型

在軟土地區(qū)，為了分析地鐵盾構(gòu)隧道施工中土層沉降的變化情況，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。首先進(jìn)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(jù)研究的具體情況，把土體當(dāng)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(gòu)模型，該模型的基礎(chǔ)為Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。

4.2 工程概況

以某市的地鐵1 號(hào)線為例進(jìn)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(jīng)勘察，其標(biāo)段3 的某地鐵站區(qū)間為地下區(qū)間，施工時(shí)可以采用盾構(gòu)法，通過泥水加壓平衡式盾構(gòu)展開相關(guān)施工。其中，盾構(gòu)隧道內(nèi)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(jìn)行連接，對(duì)于襯砌環(huán)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(jìn)行連接。對(duì)該地區(qū)進(jìn)行勘察可知，項(xiàng)目所在位置的地貌類型屬于沖海積平原區(qū)，其地層由上向下分別為雜填土、素填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、黏土、粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，對(duì)應(yīng)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(zhì)存在差異。比如，砂質(zhì)粉土層包含云母、夾粉砂、夾細(xì)砂等物質(zhì)，其具有粗糙的表面，沒有干強(qiáng)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(zhì)條件中，前部和中部地下水有兩種類型，前者是第四紀(jì)松散巖土類孔隙水，后者屬于對(duì)應(yīng)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(gòu)建與假設(shè)

選擇ADINA 軟件模擬盾構(gòu)推進(jìn)過程。出于簡化計(jì)算的目的，不考慮地下水的滲透作用，小范圍調(diào)整土層厚度。不考慮巖土體構(gòu)造的應(yīng)力，施加初始地應(yīng)力時(shí)，僅考慮土體自重應(yīng)力，不考慮土體固結(jié)和蠕變特性。構(gòu)建模型的過程中，根據(jù)相關(guān)勘察資料，選取某段隧道進(jìn)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(guān)區(qū)域和進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，列出相關(guān)荷載條件和材料參數(shù)，并進(jìn)行有限元計(jì)算。

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

在盾構(gòu)開挖支護(hù)前后，對(duì)其地表橫向沉降進(jìn)行分析，得到結(jié)果如圖2 所示。

圖2 地表橫向沉降

圖2 中，不同開挖階段對(duì)應(yīng)的地表橫向沉降不同。隨著開挖的推進(jìn)，地表橫向沉降慢慢加深加寬。相較于第三步支護(hù)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(hù)開挖后的地表沉降值最大是25.09 mm。特征點(diǎn)為離盾構(gòu)推進(jìn)初始面12 m 的橫截面地表上的點(diǎn)，研究其不同盾構(gòu)開挖步驟下沉降情況如圖3 所示。

圖3 相關(guān)地表縱向沉降

圖3 中，隨著盾構(gòu)的推進(jìn)，特征點(diǎn)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(duì)不同地面特征點(diǎn)進(jìn)行選取，通過分析盾構(gòu)推進(jìn)過程中這些特征點(diǎn)的地表縱向沉降情況，發(fā)現(xiàn)相同開挖步驟下，不同特征點(diǎn)的沉降量不同。通過對(duì)比不同開挖步驟的沉降量變化情況發(fā)現(xiàn)，相較于其他開挖步驟，在盾構(gòu)通過時(shí)相關(guān)特征點(diǎn)沉降變化量最大，而之后雖然其會(huì)有一定的增加，但增加的幅度不大。

5 結(jié)語

在軟土地層中進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，不同土層會(huì)出現(xiàn)不同的沉降變化，而不同的開挖步驟下，對(duì)應(yīng)的沉降變化會(huì)存在差異。較大的土層沉降會(huì)對(duì)盾構(gòu)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(shí)際工程中，進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工時(shí)，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(guī)律，以及在這些土層沉降的影響下，會(huì)對(duì)施工等方面造成影響的程度，從而為預(yù)防較大土層沉降做準(zhǔn)備，保障盾構(gòu)施工的安全，為工程實(shí)踐積累相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)施工的順利開展。