盾构施工对周围土体的影响

柴炜 徐汉英 黄扬明

【摘要】随着城市发展，居住人口越来越多，城市扩展成为必然之事，为解决城市交通问题，尤其是解决交通拥堵问题，发展城市轨道交通工程，尤其是地下轨道交通工程，成为必然选择项之一。在现代隧道施工中较为普遍采用的是盾构法挖掘隧道。在盾构法施工过程中对周边的影响及其机理是设计及施工中极为关注的问题。

【关键词】地下轨道交通；盾构；挖掘；沉降

盾构法概述

1、手掘式盾构多用于地质条件较好的小型隧道开挖，其构造简单，配套设备较少，可根据工作面的地质条件或全面敞开开挖，或正面支撑开挖，随挖随撑。

2、挤压式盾构可分为全挤压式和半挤压式两种，前者将开挖工作面用胸板封闭，把土层挡在胸板外面，避免水土的涌入，并省去出土工序；后者则在封闭胸板上局部开洞，当盾构推进时，土体从孔中挤入盾构，装车外运。挤压式盾构靠强大推力将前方土层挤入盾构四周外侧而向前推进，适于松软可塑的粘性土层。该方法对地层扰动较大，应尽量避开在地面建筑物下施工。

3、机械化盾构有半机械化与全机械化之分，半机械化盾构由挖土机械代替人工开挖，因造价相对全机械化盾构低得多，又可减轻劳动强度，效率较高，因此地下工程中应用较多。全机械化盾构于切口环部位装有与盾购直径相仿的的全断面旋转切削切盘，配以运土机械设备，可使土方从开挖到装车全部实现机械化。

隧道盾构掘进对土体应力状态的影响

在原来处于稳定状态的地层中，开挖隧道将导致地层周围原始应力状态的改变，使周围土体出现卸载加载等复杂的力学行为，土体的极限平衡状态受到破坏，从而对土体产生扰动，引起地层变形。盾构施工扰动使土体的应力状态或应力路径发生变化，不同位置的土体经历应力路径不同。

盾构前进靠后座千斤顶的推力，只有盾构千斤顶有足够的力量克服前进过程中所遇到的各种阻力，盾构才能前进，同时这些阻力反作用于土体，产生土体附加应力。

刘宝琛等提出引起土体扰动的阻力主要为：盾构机外壳与周围土体的摩擦力F1，开挖面土体的主动土压力F2，管片和盾尾之间的摩擦力F3，盾构机与配套车架间的摩擦力F4，切口切入土层的阻力F5等，千斤顶总推力T≥F1+F2+F3+F4+F5时，盾构前沿土体经历加载△σp，并产生弹塑性变形。土体受到扰动影响的范围如上图所示，其中虚线所围的截圆锥体为挤压扰动影响范围，①区土体应力状态未发生改变，土体的水平、垂直应力分别为σh，σv。由于推力引起土体挤压加载，②和④区土体承受很大的挤压变形，②区σh，σv均有增加，④区只有σh有增加，③区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态，如支撑不及时，开挖面应力松弛，水平应力减少，反之，如果开挖面土体支撑应力过大，水平应力σh可能增加。

盾构施工对土体应变状态的影响

盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差，竣工隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积。地层损失率用地层损失占盾构理论排土体积的百分比Vl（%）表示。圆形盾构理论排土体积为 （ 为盾构外徑，l为推进长度），则单位长度地层损失Vl=Vl（%）×

周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，引起地面沉降。

在现场观测的基础上，Peek（1969）采用误差函数来描述用传统盾构技术进行隧道开挖时的沉降曲线（图1.3），任意一点的沉降可以表示如下：

式中 为隧道表面的最大沉降； i为隧道中心线到变形曲线反弯点的距离； x为任意一点到隧道中心线的距离

对软土中盾构开挖隧道地层损失进行了全面的研究，在现场观测的基础上，他们提出了估算瞬时沉降的一个表达式：

式中。a为隧道的半径；H为隧道埋深；β为开挖位置角度。

Fujita（1982）在分析了100多个隧道观测数据的基础上，建议根据盾构的不同类型确定最大表面沉降范围。但Fujita在分析过程中忽略了软粘土的连续性、开挖尺寸、盾构的推进速度、衬砌的刚度等因素对最大沉降的影响。在考虑了以上因素的基础上，Rowe和Lee（1992）提出用空隙参数来模拟隧道顶部由于地层损失引起的竖向位移，空隙参数表达式为：

式中 为物理空隙，由盾尾厚度和拼装衬砌所需的空间组成； 为应力释放引起的隧道表面的三维弹塑性等效变形；w为与质量有关的工作参数。

在考虑了上海软土的特点和土体固结效应后也给出了适合软土地层隧道施工引起的横向和纵向沉降的修正Peek估算公式，并结合上海软地铁一号线和二号线隧道施工成功地将地面沉降控制在+1～-3Cm范围内，该公式为：

式中Vl为施工引起的单位长度的地层损失； 为隧道顶部土体加权平均的渗透系数；H为隧道埋深； 为地面沉降；x为沉降点与隧道轴线的距离；t为时间。

盾构隧道周围土体受到盾构施工扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力（正值或负值）区。一般盾构在推入某处地层后，盾构周围的分布如图1-3所示。当盾构离开该处地层后，由于土体表面的应力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降，呈图1-4所示的分布状态。在超孔隙水压下降中，孔隙水排出，引起地层移动和地表沉降。

此外，由于盾构在推进中的挤压作用和盾尾的压浆作用等施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压力区。其超孔隙水压力在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在此进程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。地层因孔隙水压力变化产生的地面沉降，称之为主固结沉降。土体受到扰动后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形，在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量比例可高达35%以上。

参考文献

[1]刘建航，候学渊，盾构法隧道，北京：中国铁道出版社，1991：43～320

[2]陶龙光，巴肇伦，城市地下工程，北京：科学出版社，1996：165～180