盾构施工工艺诱发地表沉降规律探析

罗德静

中国建筑第五工程局有限公司湖南省长沙市410000

摘要：在对盾构施工工艺变化引起地表的沉降进行量化研究，将盾构工艺影响因素分为注浆填充率β、支护压力比λ和偏心率κ三个主要指标，间隙参数为这三指标的叠加，借用一些学者提出的地表沉降预测解析公式，分析三个工艺指标的相互变化对地表沉降的影响大小。对一些学者提出的等代层厚度取值方法进一步商榷讨论，等代层的弹性模量和泊松比为沉降计算的主要力学参数，为盾构施工工艺的地表沉降提供计算依据。

关键词：地表最大沉降盾构施工工艺间隙参数等代层地层损失率

1引言

随着城市化进程的推进，开始大量建设地铁来满足交通的需要，但地下盾构隧道的施工不可避免地会对周围土体产生扰动，引起盾构体周围土体的蠕变移动，导致地表产生沉降、隆起等变形，导致建筑物产生附加应力，致使房屋、高架桥等建筑物出现沉降、倾斜、变形增大、甚至开裂、倒坍，过大的位移使地下管线被拉裂损坏。

地铁盾构施工工艺引起土体的扰动主要表现为盾构对土体的挤压和松动、原有岩土应力状态和应力路径的改变、孔隙水压力的上升与下降、土体抗剪强度的降低与提高所引起土性的变异，导致地表隆起与下沉等变形。

对盾构施工工艺产生的地表变形有地表不均匀沉降、地表曲率、地表水平变形三种，但在实际施工中控制这三种地表变形量主要通过控制地表沉降来完成，研究盾构施工工艺诱发地表沉降的影响规律，最大限度地降低盾构施工工艺对周围土层的扰动程度，最大程度地减轻对邻近建筑物及管线的不利影响。

2间隙参数的取值探讨

盾构施工工艺水平的高低直接决定地表沉降量的大小，引起地表沉降的盾构施工工艺影响因素中最主要的三个因素是：首先是开挖面支护压力不足引起的地表沉降；其次是盾构刀盘偏心、盾构掘进过程中姿态改变和纠偏而超挖引起的地表沉降；最后是盾尾注浆不及时和注浆不足引起的地表沉降。

将x轴y轴z轴三向的隧道土层变形，主要包括环向开挖面的弹塑性变形，盾构机周围的超挖，以及盾构机和衬砌之间的物理间隙，在平面上等效为x轴y轴向的间隙，定义这三个间隙的叠加为间隙参数，盾构施工工艺对间隙参数的影响主要有以下三个方面。

2.1注浆填充率β

在盾构机掘进过程中，盾构机外径和隧道外径之间的净距，称为物理间隙，对盾尾物理间隙，采取沿着一环管片的纵向长度范围内的盾尾同步注浆和管片背后的二次注浆来消除这一间隙，一般注浆填充率为物理间隙的1.2~2.5倍，注浆不仅能有效减小地表沉降，而且使沉降的分布变得平缓，由于压浆的不均匀、土层的不均匀、浆液凝结硬化产生体积收缩、浆液流失等原因，盾尾注浆对间隙参数的消减作用很难通过理论分析进行量化计算，根据工程实践，β取值范围一般为60%~90%，则拱顶处仍存在剩余未充填的等效间隙厚度g1。

2.2偏心率κ

由于地层岩土的不均匀性，岩土性状的差异性，盾构与周围土体的摩擦力的不均匀，刀盘面上的刀具受力不均，掘进时盾构的姿态不易控制，盾构轴线与设计轴线发生偏离，为了保证隧道设计轴线的正确性，进行盾构轴线纠偏，就发生超挖现象，超挖会对盾构周围土体产生土层损失而造成地面沉降。

盾构机主体偏心距δ，盾尾相对于盾头的偏心率为κ，κ通过纠偏装置测得，盾构机主体长度为L，盾构偏心方向与水平向的夹角为α，则偏心距δ=κL=Ltanα，在推进过程中不间断进行盾构的纠偏，工程实践总结盾构偏心率约在κ=0~4%之间。

这种超挖间隙是动态稳定的，假定动态稳定间隙均匀分布于盾构外壳的周围，为了表示这种动态稳定间隙的厚度，将上述超挖间隙面积等效为隧道衬砌外侧的环形区域面积，假定该环形区域外径相对于原隧道轴心的半径为R′则这部分均匀化的间隙厚度g2=R′-R

2.3支护压力比λ

在盾构法隧道施工中，支护压力与原位土压力的比值称为支护压力比λ。

盾构开挖引起地层原有应力场发生变化，开挖面的应力为零，导致开挖面地层变位较大或开挖面失稳，盾构压力仓对开挖面施加支护压力，使支护压力与原位土压力相平衡，原位土压力=土体有效压力+孔隙水压力，控制支护压力的大小维持盾构开挖面的稳定，设定值以盾构开挖前方土体稍隆起为宜，在静止土压力和被动土压力之间，工程上支护压力比λ一般取值大于1.0，以抵消盾构施工扰动引起的工后及长期沉降。但是当支护压力比λ<1时也即支护压力不足时，则计算拱顶由于支护压力不足发生的弹塑性位移g3。

根据以上讨论，最终的间隙参数由注浆对盾尾物理间隙填充不足引起的间隙g1和由于偏心超挖引起的间隙g2及由于支护压力不足引起的的间隙g3组成，间隙参数g=g1+g2+g3。

3地表沉降量化分析

许多学者利用间隙参数理论提出了预测地表沉降的解析解，得出地表的沉降计算公式为：

式中：v为泊松比；R为隧道半径；x为离隧道中线的水平距离；H为隧道轴线处的埋深。讨论以下三种情况。

3.1设定盾构偏心率κ=0，支护压力比λ=1

经有关学者计算，可得到如下量化分析结果：注浆填充率逐渐减小，盾构间隙g1逐渐增大，地面沉降呈线性逐渐增大；当初始注浆填充率为0%，也就是不注浆，地面最大沉降将增大到原来的1.5倍，表明不注浆情况下长期沉降增加的1.5倍来自于短期沉降。

工程实践表明，由于注浆土层的均匀性、密实性、注浆的及时性等因素存在，注浆填充效果最好也仅能达到90%，盾构间隙g1始终存在。

因此，同步注浆和二次注浆工艺能很好的控制着地表沉降量大小，对短期沉降有很好的补偿作用。

3.2设定盾构偏心率κ=0，注浆填充率β=100%

经有关学者计算，可得到如下量化分析结果：随着支护压力系数的逐渐增大，地面沉降逐渐减少并趋于平衡状态；表明支护压力持续增大后，地面将发生发生隆起；如果支护压力系数逐渐减小，则地面沉降将逐渐增大最后产生地面塌陷。

3.3设定支护压力比λ=1，注浆填充率β=100%。

经有关学者计算，可得到如下量化分析结果：

随着盾构机偏心率的逐渐增大，地面沉降逐渐增大，与填充率和开挖面支护压力相比，以相同速率的变化发生的地表沉降，超挖变化速率更快，表明盾构超挖对地表沉降的影响非常显著，地层损失在地表沉降中起决定性作用。因此，超挖是地表沉降的主导因素，盾构施工过程中注意纠偏，防止超挖。

4等代层概念探讨

施工安装的隧道环形管片脱出盾尾后，土体在重力作用下向盾尾间隙的自发充填，向盾尾间隙注浆后浆体的凝结硬化状况，隧道壁面土体在盾构施工中受扰动的程度及范围，把由三者组合成的土层理想化为一个均质、等厚、弹性的“土层”环形包裹在管片的周围，这个理想化的土层称为等代层。

这种理想化的“土层”能够综合反应盾构施工对土体扰动状况、水泥浆注浆状况、未填充间隙状况的物理材料，这种物理材料的几乎尺寸主要是厚度，力学参数主要是弹性模量和泊松比，这些参数应该是恒定的，能反应土层的水文及地质条件和施工工艺。

转换的原则就是使用等代层替换衬砌周围实际施工后的土层使得地表变形保持不变。等代层的厚度取值有些学者认为由主要由盾尾注浆“物理间隙”的充填效果以及由于超挖偏心或开挖面支护压力不足等引起的“未充填间隙量”进行“均匀化”处理得到，并进行反演分析，结果吻合，推得均匀化处理的正确。笔者认为“物理间隙”的充填厚度远远大于“未充填间隙量”的厚度，均匀化处理忽视这一实际情况，得到的厚度不符合实际工程情况。而理想化后等代层地表沉降变形主要取决于等代层的弹性模量和泊松比，与等代层的厚度相关性很小，取用施工的物理厚度求得等代层的弹性模量和泊松比就可满足要求，而无需进行均匀化处理。

5结语

利用间隙参数法公式预测地表沉降，可以对施工质量，包括注浆效果、盾构开挖面支护力对土体的平衡效果及盾构偏心超挖量进行定性评价，反映盾构施工地表沉降特性。

将间隙参数分解为注浆填充率β，支护压力比λ，偏心超挖率κ三个参数影响的叠加，量化分析表明，不同的工艺参数对地表沉降影响相差很大，偏心超挖对地表沉降的影响最大，开挖面支护压力比次之，注浆填充率是控制地表沉降的重要工艺，二次注浆进一步改善地表沉降，因此，严格控制盾构姿态和注浆效果对地表沉降控制尤为重要。

等代层厚度取决于盾构施工工艺，等代层地表沉降变形取决于等代层的弹性模量和泊松比，与等代层的厚度相关性很小，采用施工工艺的物理厚度求得等代层的弹性模量和泊松比就可满足要求，而无需进行特殊化处理。

参考文献

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[2]朱才辉，李宁，柳厚祥，张志强.盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析岩土力学，2011（1）：158-164.

[3]朱合华主编.城市地下空间建设新技术.172-196.