地铁盾构施工诱发地层移动机理分析

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摘要：城市地铁施工对地面建筑物的安全有着重大的影响，本文通过工作中的经验对盾构施工引起的地层移动理论、引起的地层移动的原因，引起地层移动的发展过程作出简要的探讨。

关键词：盾构施工;地层移动;地面沉降

Abstract: There are significant influence the safety of city subway construction on the ground buildings, ground movement caused by ground movement theory, through the experience of shield tunneling, the development process of the ground movement caused a brief discussion.

Key words: shield construction; strata movement; ground subsidence

中图分类号：U231+.1文献标识码：A 文章编号：

1、 盾构法施工的特点

盾构法做为一个综合多项技术的的施工工艺，其施工过程有其独特的地方，盾构法施工的主要内容包括：

（1）在隧道某段的一端建造竖井或基坑做为始发井，将盾构机安装就位。

（2）盾构机从始发井的墙壁预留孔处出发，沿隧道设计轴线，向前方推进。

（3）通过盾构千斤顶将推进中所受到的地层阻力传到盾尾，再通过安装完毕的预制衬砌（管片）传到始发井的后靠壁或反力架上。

盾构机是一个既能能支承地层压力又能在地层中掘进的钢筒型结构，形状多样，如圆形、矩形及其他特制的形状。考虑到安装衬砌的方便，盾构机的直径略大于隧道衬砌的直径，盾构的支撑和开挖土体的装置布置在钢筒的前面，盾构掘进所需的顶进力由钢筒周围的千斤顶提供，盾尾是具有一定空间的壳体结构，隧道管片的安装就在这个空间内完成。随着盾构的不断推进，管片也随之进行安装，为防止土体开挖引起地面的下沉过大，在安装管片期间，需通过注浆管向周围的土体及空隙中进行压力注浆，同时需要通过盾构掘进系统的运输设备将开挖的土体输送出隧道。

在盾构施工期间，盾构从始发井出发后一般需有一段距离作为推进试验阶段，在这期间应做到：

（1）熟悉并熟练掌握盾构的性能和工作状况；

（2）确定适合于当前工程和盾构施工管理的要素；

（3）摸索出盾构施工中地表变形的一般规律。

在试验段的推进中，需要结合地表变形的监测数据等要求，通过对施工参数的不断调整，测试，优化，以达到最佳的施工效果。对于土压平衡式盾构而言，一般选定以下几个施工管理参数：平衡压力，推进速度(千斤顶行程速度)，总推力，刀盘扭矩，出土量，同步注浆及二次注浆压力等。在试验段推进中，结合地表变形量测情况和工程质量、盾构设备的要求，对施工参数反复量测、分析、调整，进一步优化。

盾构法施工前，需要根据地质条件，周边环境，地下水情况，隧道的用途等因素，确定选择何种样式的盾构机械。在截面选择上，也需要考虑截面的力学性能与施工的方便程度，鉴于以上的因素，目前国内使用最广泛的是圆形截面的盾构机。

2.盾构施工引起的地层移动理论

在开挖隧道的过程中，周边土体的应力与位移都会产生一定程度的变化，无论何种施工工艺都将引起地层的移动，使地面产生一定的沉降。在周边环境比较空旷的情况下，这些地面沉降不会得到人们的重视，但是在周边环境复杂的市区，准确的预测隧道开挖引起的地面沉降大小及范围，对保证地面工程安全和确保施工顺利具有重要的意义。

3、盾构施工引起的地层移动的原因

在盾构隧道开挖的过程中，由于土体被挖出后引起隧道周边的土体发生了松动和塌落，其最直接的表现就是地表发生了沉降。受地表沉降的影响，隧道周边地区的建筑物等会产生一定程度的位移与变形，甚至影响建筑物的正常使用。经过理论分析与工程实践经验总结得出，形成地表沉降的主要因素包括：土体损失和被扰动后的土颗粒产生固结沉降。

3.1土体损失

第一类：正常土体损失。此类土体损失排除了操作过程等主观因素的影响，假定操作过程是仔细、认真的，合乎预定的操作规程，没有任何主观的失误。土体损失的原因全部归结于施工现场的地质条件或盾构施工工艺的选择等客观条件。因为在实际施工中无论选用何种类型的盾构机械，地面沉降都不可避免，但这种沉降可以控制在一定的限度范围内。在这种情况下，地面沉降槽体积和地层损失量相等。如果地层分布比较均匀，正常地层损失所引起的地面沉降也是比较均匀的。

第二类：非正常土体层损失。此类土体损失是由于盾构施工过程中的一些主观操作失误而引起的，如盾构施工中的各类参数设置不合理、超挖、注浆不及时等。这类地层损失所引起的地面沉降的特征是在局部会有一定的变化。

第三类：灾害性土体损失。此类土体损失是由于不可预见性的突况引起的，例如盾构开挖面发生突发性急剧流动，引起灾害性的地面沉降。这类情况的发生通常是由于盾构施工中遇到水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或遇到地层中的贮水洞。在软粘土中进行盾构施工时，土体损失所形成的空隙会被周边的土壤及时填满，从而引起地层运动，产生施工沉降(瞬时沉降)，土的应力随之发生变化，从而形成：应变—变形—位移—地面沉降。

3.2固结沉降

固结沉降主要分为主固结沉降和次固结沉降两种，在盾构推进过程中，由于土体被挤压、超挖和盾尾的压浆作用，使地层产生了一定的扰动，隧道周边土层中的地下水产生了正、负超孔隙水压力，主固结沉降是由于超孔隙水压力消散而引起的土层压密引起的沉降，次固结沉降是由于土层位移引起的剪切变形引起的沉降。主固结沉降与土层的厚度有着密切关系，因此，即使隧道埋深较大，施工沉降很小，但主固结沉降的作用也应当引起重视。次固结沉降的过程是一个累积的过程，在软塑和流塑性土层中，由于灵敏度与孔隙比都较大，次固结沉降的过程要持续几个月甚至要几年以上，次固结沉降在总沉降中的比例可达 30%以上。理论上，盾构法隧道施工引起的周边地表沉降总量表达式为：

沉降总量=主固结沉降+次固结沉降+施工沉降(瞬时沉降)

若不考虑次固结沉降，地表总沉降等于土层损失造成的施工沉降与因地层扰动而引起的固结沉降之和。此时位于隧道上方的任一土层的相对沉降值相等，这是由于超孔隙水压力的消散，使得土颗粒向其原来的相对位置移动，在超孔隙水压力全部消散后，土颗粒也就回到其原来的相对位置上。若总沉降中计入次固结沉降的影响，地表总沉降还应加上因地层土体原有结构的破坏引起的蠕变沉降。

4盾构施工引起地层移动的发展过程

4.1前期沉降

初期沉降是指从盾构开挖面距离某测量位置相距一定距离（一般几十米）时开始到盾构机到达观测点之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。由于初期沉降的量一般较小，而且不是所有的盾构施工工程都会发生的，一般不被人们觉察，据部分实测资料分析，初期沉降与盾构施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降有关，同时也与隧道上部岩土体所产生的压缩和固结沉降有关。

4.2开挖面沉降(或隆起)

指从开挖面距观测点极近(几米)时起直到开挖面位于观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象，多由于开挖面的崩塌、盾构机的推力过大等所引起的开挖面土压力失衡所致。这是一种由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力、盾构机周围的摩擦力等的作用而产生的地基塑性变形。国际上一般用超载系数 OFS（设计采用的计算荷载与标准荷载的倍比系数）来衡量开挖面土体的稳定性。开挖面的超载系数越大土的自立性就越差，开挖面向盾构方向的位移量或土体损失量也就越大，开挖面的沉降因此而产生。

4.3尾部沉降

尾部沉降是指盾构在通过观测点时产生的地面沉降。因盾壳与土体之间有摩擦阻力存在，就必然会在土体中产生一个滑动面，这时，靠近滑动面的土层中就会存在产生剪切应力的作用，当盾构刚刚通过这些已经受到剪切破坏的土层时，因受剪切而产生的拉应力会使土体向盾尾空隙移动，为了保持盾构前进方向与隧道设计轴线保持一致，在盾构推进过程中必须压缩一部分土体，就使得另一部分的土壤得到松驰，被压缩的土体保证了盾构不会偏离轴线方向，而松驰的土体则会引起地面沉降。

4.4盾尾空隙沉降

它发生在盾尾部通过之后。引起沉降的原因是因为盾构尾部空隙增加使得地表沉陷，隧道周围土层被扰动。在土力学上表现为，土的应力释放，密实度下降。由于衬砌需要有一定的厚度，为了在施工中安装方便，使盾壳内与衬砌间必须留有一定的空隙，一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大 2％，这个空隙称为盾尾空隙，盾尾空隙在充填前，周围土体会向“空隙”移动，从而形成地面沉降。

4.5长期后续沉降

它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降，是一种固结和蠕变残余变形沉降。这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受挠动，它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。

5、结语

综合考虑以上措施，在隧道通过前做好预加固措施，并对加固质量进行检测，预留部分注浆孔。在隧道掘进过程中做好监控量测，加强施工控制，根据量测信息及时调整掘进参数，根据地面沉降情况进行补充注浆，可以确保隧道施工过程中，铁路的正常运营和区间施工的安全。