盾构法施工地面沉降机理、预测与防治

国内外实践表明，盾构法施工多少都会扰动地层而引起地表沉降，即使采用目前先进的盾构技术，要完全消除地面沉降也是不太可能的。地面沉降量达到某种程度就会危及周围的地下管线和建筑物。因此，必须研究盾构施工时引起的地层扰动，造成地面沉降的机理，要清楚地掌握沿线的地下管线和建筑物的构造、型式等，对地面沉降量和影响范围进行预测，预测图如下图所示，在设计和施工过程中通过现场反馈资料，采取相应的防治对策和措施。

1、地面沉降原因和预测

地面沉降的基本原因是盾构掘进时所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动或剪切破坏的再固结。地层损失引起的地面沉降，大都在施工期间呈现出来。而再固结引起的地面沉降，在砂性土中呈现较快，但在粘性土中则要延续较长时间。

地层损失是指盾构施工中实际开挖的土体体积与竣工隧道体积之差。竣工隧道体积包括衬砌外围包裹的注入浆体体积。地层损失率以占理论排土体积的百分比表示，即

Vl（％）＝VL/V×100              式（1）

式中VL----盾构隧道单位长度的地层损失量（m3/m），取决于地层条件、隧道埋深、施工技术水平、盾构类型等诸多因素，目前尚难给出确定的解析式，根据统计，在适当技术和良好操作的正常施工条件下，VL＝（-1.1%～11.0%）V，对于粘性土尚可根据其稳定系数N进行估算：

Vl＝2VCuexp(N－1)             式（2）

    V—盾构隧道单位长度的理论体积；

Cu---粘土的不排水抗剪强度；

Eu---粘土的弹性模量；

u----粘土的泊松比；

周围土体为弥补地层损失，就要向隧道移动，因而引起地面沉降。引起地层损失的施工及其它因素是：开挖面土体移动，当盾构掘进时，若开挖面受到的支护力小于地层的原始应力，则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失和地面沉降。反之，当支护力大于原始应力时，则开挖面土体向上向前移动，引起负地层损失和地面隆起；盾构在暂停推进时，千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退，而使开挖面坍塌，引起地层损失；盾尾后面的建筑间隙未能及时有效地进行充填，从而使周围土体挤入建筑间隙，引起地层损失（在含水的不稳定地层中，这往往是引起地层损失的主要因素）；盾构在曲线推进和修正蛇行时的超挖和扰动所引起的地层损失；在土压力作用下，隧道变形或沉降也会引起地层损失；施工中操作失误而引起开挖面坍塌，或前方地质情况骤变，而使开挖面土体急剧流动或崩塌而造成不正常的地层损失等等。

隧道周围地层受到盾构掘进的扰动后，便在隧道周围形成超孔隙水压力（正值或负值）区，随着盾构离开，土体表面应力释放，超孔隙水压力逐渐消失，引起地层固结变形而带来地面沉降。超孔隙水压力消失后，土体骨架还会因流变而引起次固结变形（沉降），在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘性土中，次固结沉降往往要持续几年以上，所占总沉降量比例达35%以上。

地面沉降量及影响范围的预测可以分为设计阶段预测和施工阶段预测。

设计阶段的预测方法有连续介质力学的数值方法----有限元法和边界元法；以及根据实测数据的统计方法，其中较实用的有派克（Peck,1969）公式和一系列修正的派克公式，以及其它统计公式。其中派克横向公式为：

S（x）＝S（max）exp(-x2/2i2)           式（3）

中    S（x）____ 距隧道中线x处的地面沉降量（m）;

S (max ) ＿＿  隧道中线处(即x=0)的地面沉降量(m)；

x ---- 距隧道中线的距离(m)；

i ---- 沉降槽宽度系数，即沉陷曲线反弯点的横坐标(m)，派克并假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。

在利用式（1）确定x 点的地面沉降量时，必须知道S（max） 和i两个参数。当横向沉陷曲线为正态分布曲线时，S（max）和沉降槽体积V有下列关系：

S (max )＝V(s)/ i≈V(s)/2.5 i                       式（4）

Cording 和 Hansmire（1970）对紧密砂层做的统计分析，可以满意地认为横向沉降槽体积等于地层损失，即V (s) ＝VL＝VlV。

横向沉降槽宽度系数i取决于接近地表的地层的强度．隧道埋深和隧道半径。根据在均匀介质中的试验，可以从几何关系中近似地得出：

i＝K()n                  式（5）

式中    Z -----隧道开挖面中心至地面的距离；

        R---- 盾构外半径；

        K、n----试验系数，K=0.63~0.82;n=0.36~0.97。

O’Reilly和 New(1982)根据英国盾构隧道的现场实测数据进行多元线性回归分析，发现沉降槽宽度系数i和隧道外半径无关，他们给出的关系式为：

粘性土：  i=0.43Z＋1.1                    式（6）

非粘性土：i=0.38Z－0.1                    式（7）

派克纵向沉降分布（根据上海软土隧道情况修正）公式

 S（y）＝Vl1/ i{ Ø[(y －yi)/i]－Ø[(y －yl)/i]}＋Vl2/ i{ Ø[(y －yi’)/i]－Ø[(y －yl’)/i]}                   式（8）

式中   S（y）-----地面沉降量（m）；

y----沉降点至坐标原点的距离（m）;

yi----盾构推进起点处盾构开挖面至坐标原点的距离（m）;

yl-----盾构开挖面至坐标原点距离(m);

           yi’ = yi－l;    yl’= yl－l

l-----盾构长度；

Ø-----正态分布函数。

公式（3）~（8）的几何意义，见上插图。

 周文波（1993）在潘杰梁（19）工作的基础上根据120余座已竣工的隧道的实测数据，用统计方法整理出横向最大沉降量的估算公式：

在砂砾土中：Smax ＝140.6242()-2.2574                        式（9）

在砂性土中：Smax＝1.032exp(*)                 式（10）

在粘性土中：Smax＝29.0806－{12.173/ln()}＋7.4223OFS1.1556   式（9）

 沉降影响范围估算公式：

W＝1.5RK()n                          式（11）

式中       Z----地面至开挖面中心距离(m)；

           R----隧道外半径(m)；

           OFS----简单超载系数，即公式（12）中N值；

K、n----系数，见下表。

  施工阶段的地面沉降大致发生在5个阶段：盾构到达前、盾构到达时、盾构通过后、管片脱出盾尾时及长期变形。关于各个阶段地面沉降的预测，一般可结合前一施工阶段地面沉降的实测资料，进行反馈推求。

                      系数K、n 表          

    做好盾构掘进的施工管理，即对盾构施工参数优化是防治地面沉降的基本措施。具体来说就是：

（1）保持开挖面的稳定性。开挖面的稳定性可以用稳定系数N来定量描述，N值定义为：

                  N= n               式（12）

式中        H----地面至开挖面中心的距离（m）;

γ----地层重度（kg/m3）;

P----开挖面支护压力（kg/m2）; 

Cu ----地层的不排水抗剪强度( kg/m2);         

n=0.7～0.8。

当N＝1～2时，地层损失率可控制在1%以下；

当N＝2～4时，地层损失率可控制在0.5%～11.0%；

当N＝4～6时，地层损失量较大；

（2）及时、有效、足量地充填衬砌背后的建筑间隙，必要时还可通过在管片上的注浆孔进行二次加固注浆。浆液材料要严格控制其稠度、含水量和浆液中的粘粒含量，要根据盾构注入和拌浆设备的具体条件，优选浆液的材料和配比。同时要控制注浆压力，防止影响管片衬砌环的正常使用----开裂、渗水。

（3）严格控制盾构施工中的偏差量，盾构施工偏差增大，不但影响地下铁道线路、限界等使用要求，还会过多扰动地层而导致地面沉降量的增加。