盾构隧道排水研究论文

摘要：收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据，结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息，分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。下面是小编精心推荐的《盾构隧道排水研究论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

盾构隧道排水研究论文 篇1：

盾构隧道防排水设计技术综述

摘要：本文针对盾构隧道的渗漏水问题进行了探讨，从设计、施工及管片的拼装质量等全方面进行了论述，在设计方面建立三级防水理念，特别是在防水等级要求高的地段，注重采用双层衬砌及外围注浆；在施工方面，对盾构隧道经常出现的防排水工程质量通病予以规范化操作，采取有效的措施来降低渗漏水对盾构隧道的危害。隧道的放排水工作直接关乎到隧道的整体工程质量建设以及隧道建成后的使用寿命。因此，研究隧道的防排水工作具有重要的现实意义。

关键词：盾构隧道；防排水；防水措施

1 引 言

随着国民经济的发展，城市化进程的加快，人们对于交通工具的选择提出了更高的要求，并促进了我国交通运输业的发展，因此大量的公路隧道和地铁应运而生。又因盾构工法具有对环境影响小，不影响地表交通，对施工附近的居民影响小，相对而言成本较低等优点深受工程领域的青睐。雖然国内外在使用盾构工法上已经建成了大量的地下工程，具备了较成熟的理论设计与工程实践体系，且开发了软土层盾构工法和硬地层、岩层的盾构工法，但是在修建盾构隧道和地下工程的渗漏水问题上依然比较突出，在防排水认识的层面上相对而言比较落后。盾构隧道在使用过程中出现的渗漏现象，将直接影响其内部构造和附属管线，造成不良影响。如果在高寒地区，渗漏水严重造成在路面结冰将会降低隧道的使用寿命，与此同时严重影响人们的行车安全。

2 盾构隧道的防排水设计要点

在盾构工法的防水处理原则上，采用：以防为主，多道防线，综合治理，以期实现良好的防排水效果。在喷射混凝土隧道的衬砌中，渗漏水一般不会通过喷射混凝土衬砌的本身，而是通过接缝和嵌入的钢筋入侵。而大部分盾构隧道的渗漏水位置是管片本身上的裂缝、管片与管片的接缝、注浆孔和手孔等。因此，将盾构隧道的防水重点放在管片接缝处。

在防水等级上，根据《地下工程防水技术规程》（GB 08-87），地下铁道区间隧道的防水等级为2级，设计具体要求为：①隧道平均渗水量<0.1L（m2·d），同时任意100m2每昼夜渗水量小于20L；②隧道拱顶不滴漏、侧墙不挂流、拱底无大面积湿迹。

2.1 盾构隧道的设计防水措施

2.1.1 盾构隧道的背后注浆

在富水区域的盾构隧道或者要将渗漏水的危害降到最低，选择在盾构隧道的背后注浆。因背后注浆的位置处于盾构隧道的最外层，可以将其作为第一层防水层。故要求背后注浆的材料要有一定的防渗性、耐久性、耐腐蚀性和长期的故结强度。

在背后注浆材料上有以水泥为主的单液型浆液和水玻璃类双液型浆液。但考虑到耐久性的问题，则使用矿渣（或以矿渣为主）比纯水泥要好，当我们把注浆材料的耐久性和长期的固结强度作为施工条件时，选用矿渣类水泥为主的添加水泥和石灰的浆液最好。当然，在路面铺设的沥青材料上，沥青具有很多优点。因提出的沥青类新型复合浆液因可以在水中常温下使用，其渗透系数比普通注浆材料更小且在出现大的应变后不破坏，性能稳定。因此，沥青类新型复合浆液完全可以作为防水性要求极高的盾构隧道的背后注浆材料。

通过背后注浆，伴随着时间的增加，浆液从流动态固结到可塑性固结再到最后的完全固结。但是，为了防止泄漏，在背后注入时，应防止注入的浆液从管片接头等部位泄漏到其他无需注浆的部位。在一次注浆后未填充到部位的完全填充，可以二次注浆。

2.1.2 管片外喷涂聚脲防水涂层

防水涂层的位置在背后注浆与管片之间，可以将其视为第二层防水层。为了最大程度的防止渗漏水的发生，保护管片。要求防水图层应具有一定的良好抗化学腐蚀功能和耐久性；保证在施工期间在盾尾密封钢丝刷与钢板的挤压摩擦下不破坏。并且，聚脲防水涂层具有强度高、附着力好、耐化学性能优异、施工快捷等优点，主要用于混凝土结构外壁防腐、防水。

2.1.3 管片自防水和管片接缝防水

管片自防水和管片接缝防水可以视为盾构隧道的第三层防水层。第三层防水视为盾构隧道的防水关键。因为盾构隧道的渗漏水问题一般出现在管片本身上的裂缝、管片与管片的接缝、注浆孔和手孔等处，所以在这个方面的防水工作应多加注意。

对管片的要求上，首先，要求制作管片的混凝土要有一定的防渗功能，即采用防水混凝土。当然，也不能一味的追求混凝土的强度和抗渗等级。因为混凝土的抗渗等级标号越高，单位水泥用量越多，最后水化热越高，收缩量加大，使其本身产生更多的裂缝。因此，要选用合适的混凝土标号和外掺剂。然后要提高管片的制作精度。如果管片的制作精度差，那么导致在管片的拼装时会有误差的积累，出现较大的原始的初始缝隙。

对接缝的防水功能上，可以采用以德国为代表的欧洲的非膨胀合成橡胶，靠弹性压密以接触面压应力来止水，有很好的耐久性和止水性；也可以采用以日本为代表的方面，采用水膨胀橡胶，靠遇水膨胀后的膨胀力来止水。管片接缝防水包括管片间的弹性密封垫防水、隧道内侧相邻管片间的嵌缝防水。还要对于渗漏严重的地方，靠嵌缝防水不够时要进行接缝处的注浆堵漏。同时堵漏注浆孔和手孔，采用弹性密封圈垫，它在受压时充填着孔壁，达到止水效果。同时，要对管片进行观察，对于其管片表面如果有裂缝且有渗漏流出时，用环氧树脂充填裂隙，在外涂防水砂浆。

2.1.4 辅助设计防水措施

在富含水层的区域修建时，可以在管片拼装的一次衬砌的基础上灌注混凝土，修建二次衬砌，必要的时候可以在中间铺设防水层。但是，双层衬砌施工周期长，不经济，所以，在满足工程要求的前提下，应该优先选用单层装配式钢筋混凝土衬砌。

2.2 盾构隧道的设计排水措施

在盾构隧道的排水设计上，要充分考虑其所在位置的水文地质情况。设置路侧边沟（在富水区域设置中央排水沟），同时安设隧道的纵向、环向、横向排水盲管，及时将水排至洞外，减少隧道的翻浆冒泥。

3 盾构隧道的防排水施工要点

防排水工程常见质量通病为：施工排水不畅；纵向排水管、中心水管等安设不规范。开挖时应该给纵向排水管流出安装的位置，并且严格控制其安装的高程。在盾构隧道的施工方面，要认真负责的完成每一步防排水工作。

4 结语

城市地铁区间隧道的构建给盾构工法带来了新一轮的挑战，因其具有传统矿山法无法比拟的优势，将会成就今后城市建造的主流形式。然而，隧道的渗漏问题关乎隧道整体建设，关乎隧道的使用寿命。因此加强盾构隧道的防排水设计是十分重要的。为了加强盾构隧道的防排水设计，要进行合理的设计、有保证的施工，保证防排水工程的质量。同时，也要进行新的防水材料和注入工法的开发，引进概念全新的新技术来全面提高盾构隧道的防排水工程。

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[7] 刘湧.浅谈隧道防水工程的施工方法与与技巧[J].建材发展导向，2015.04：212-213.

作者：马庆涛

盾构隧道排水研究论文 篇2：

土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失及影响因素

摘 要：收集中国已有地表沉降监测数据及土体损失率统计分析数据，结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭盾构隧道进口树木林车站区间16个监测断面数据及其详细地层信息，分析土压平衡盾构隧道施工引起的地层损失规律影响因素。分析表明，土压平衡盾构隧道施工引起的土体损失率的累积概率较好的服从对数正态分布；土体损失率随着埋深或深径比的增大，呈现逐渐减小并趋于稳定的趋势，且两者关系可近似采用幂函数拟合；当H大于20 m或H/D大于3.25时，土体损失率基本稳定在075%附近，且对应地层信息表明盾构隧道施工时其上覆岩层呈现拱效应，说明盾构隧道施工中其顶部土层成拱效应可较好的控制土体损失；土体损失率或名义土体损失率随着盾构开挖通过时间的增加而逐渐增大，且趋于稳定，说明固结变形对名义土体损失率的影响较大，最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍。

关键词：盾构隧道；土体损失率；固结变形；瞬时沉降

文献标志码：A

盾構法隧道施工会打破地层原有的应力平衡，引起周围土体变形，对周边环境产生危害，盾构施工引起的地层变形成为学者们一直关注的热点问题[1-3]。

在施工过程中，经常采用监控量测实时掌握开挖所引起的地表动态变形，并通过绘制变形时间（距离）关系曲线评估和预判开挖面的稳定状态。变形时间（距离）关系曲线主要包括沿横断面和纵断面两种曲线，其中沿横断面的地表沉降曲线一般习惯称之为“沉降槽”。沉降槽作为预测隧道开挖引起的地表位移的关键曲线，引起了许多学者的关注，提出了一系列的土体变形公式，主要包括经验公式[4-10]、随机介质理论[11]、有限单元法[12-14]、模型试验法[15]、解析法[16]等，这些公式计算时涉及到土体损失及地面沉降槽宽度等关键参数。

在目前众多预测地表沉降变形的经验方法中，Peck[4]基于有限地区的实测资料提出一种简便经验公式，虽然当时只是一个权宜之计，但直到今天仍然在世界范围内广泛应用，成为预估沉降槽曲线的经典公式；Vu等[5]通过研究浅埋盾构隧道开挖引起的土体体积损失与覆盖层厚度与隧道直径比之间关系，并参考已有文献研究经验，提出盾壳和盾尾通过掌子面时土体损失，考虑土体固结估算盾构施工后长期土体损失；Vu等[6]分析了浅埋盾构隧道开挖时覆盖层厚度对地层移动的影响；Qian等[7]等结合新建双线隧洞对已有盾构双线隧洞及地表的变形影响监测数据，分析了同一监测断面上地表及已有隧洞处的地层损失；Ma[8]等通过扩展Peck公式提出一种新的预测双线隧洞的土体损失率非线性曲线拟合方法。近年来，随着中国地铁建设热潮的兴起，各地逐渐积累了一些实测资料，其中，公开发表的主要有北京、上海、广州、南京、武汉、长沙、天津、深圳、柳州、西北、香港、台湾等地区的实测地表横向沉降数据。利用这些数据，韩煊等[17]分析了Peck公式在中国隧道施工地面变形预测中的适用性，并采用Peck公式对不同地区进行评价，对相关计算参数提出初步建议值；白海卫等[18]通过收集盾构施工地层变形实测数据，研究了Peck公式在双线盾构隧道施工地层变形中的适应性分析；魏纲[19]提出了施工阶段地面沉降值的取值办法，对盾构法隧道施工引起的土体损失率实测值进行了统计分析。晁峰等[20]、蒋彪等[21]结合长沙地铁二号线地层特征、盾构（直径6.25 m）施工状况及地表沉降实测数据，对长沙地铁典型地层盾构施工地表沉降进行分析与预测，总结了很多有益的经验。研究表明，沉降槽的关键参数主要与工程地质、水文地质、隧道施工方法、施工技术水平及工程管理经验等因素相关。因此，这些参数的取值依赖于地区经验。

尽管土体损失率取值依赖于地区经验，但大量数据的统计分析表明，土体损失率与其影响因素之间呈现一定的规律性，且随着数据样本的增多，所呈现的规律性越强。结合长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭隧道盾构（直径9.33 m）施工进树区间的地表沉降监测数据及收集中国已有监测数据，对不同地区土压平衡盾构施工工法所引起的土体损失规律进行分析，同时综合考虑长株潭城铁树木岭盾构隧道监测中各种影响因素及时间效应，分析土体的固结对土体损失相关参数的变化影响及其与施工的相关性，为相类似地层大直径盾构施工中地表沉降变形预估提供可借鉴的经验资料。

1 沉降槽关键参数计算

沉降槽关键参数主要考虑土层损失率η 和地面沉降槽宽度参数K，这两个参数反映了地表的位移情况，前者决定了沉降的大小，后者则决定了沉降槽曲线的性状（例如宽而浅或窄而深）。

1.1 土体损失率η

1.1.3 经验方法 因该参数取值依赖于地区经验。根据以往的施工经验选择一个合适的土体损失率来估算土体损失的大小，从而来评估施工中地表变形。主要有Attewell[22]、O’Reilly等[26]、Mair[27]等根据实际设备、控制程度、当地经验等因素，对不同类型土给出土体损失率的经验取值范围。其中，O’Reilly所给出的经验取值范围统计的开挖隧道直径较小，对于目前直径越来越大的盾构隧道适用性弱。

1.1.4 现场实测方法 王振信[28]提出土压平衡盾构可计螺旋输送机的转数或计其渣土车车数；国外资料提出在皮带运输机上安装电子称来计重，或在皮带运输机上安装激光扫描机来计量。

以上方法各有优缺点，其中，理论分析方法主要考虑黏性土地层，而本文盾构主要处于粉砂岩及圆砾土地层中；现场实测方法数据不足；经验方法主要适用于小直径隧道，对本文大直径隧道不适用。因此，主要选用反分析方法对土体损失率进行计算。反分析方法具有精度高的优点，同样存在无法事先预测和难以界定“不排水”与“排水”阶段的缺点。借鉴Lee等[25]提出的方法，结合盾构施工过程中纵向地面沉降曲线，获取“不排水”阶段地表的实际沉降量，消除“排水”阶段固结引起的土体压缩量对土体损失量的影响，从而获得较准确的土体损失率。同时，考虑盾构通过监测横断面的时间，分析名义土体损失率的时空效应及固结对土体损失量的影响。

1.2 地面沉降槽宽度参数K

2 树木岭盾构隧道实测数据分析

长株潭城际高铁Ⅱ标树木岭隧道進口工作井树木岭站（盾构进树区间）里程DK1+800～DK4+360，全长2 560 m。隧道于里程DK2+230～ DK2+600斜穿京广铁路线，下穿段隧道埋深约20 m。盾构区间为左右双线，采用两台Ф9.33 m的土压平衡盾构施工。盾构机从进口盾构工作井始发，穿越既有铁路线、长重社区及劳动路立交桥等重要风险区。施工顺序为先右线（始发靠近京广铁路），后左线，盾构始发段纵向坡度为-2.5%。根据现场监测数据情况，选取16个监测断面数据分析，监测断面地面沉降参数见表1。

2.1 地面沉降槽宽度参数K

综合分析所有监测断面纵向沉降曲线变化趋势，分别选取盾构机通过开挖面5、15 d时对应地表沉降数据（图1），采用高斯曲线拟合方法，获得地面沉降槽宽度系数i（图2），从而得到不同断面不同开挖通过时间对应的地面沉降槽宽度参数K（图3）。

从图1可知，随着开挖通过时间的增加，不同断面隧道轴线上方地表沉降增大，且变化趋势相同，说明随着开挖通过时间的增加，隧道上方土体产生固结变形；其中断面5的地表沉降值最大，这与其所处地层相对应；断面3开挖通过5 d和15 d时地表沉降数据几乎相同，这可能是由于在盾构开挖通过15 d内开展了二次补注浆，从而造成土体固结引起的变形未显现，且瞬时沉降变形部分恢复。从图2、图3可知，随着开挖通过时间的增加，由于土层固结的影响，地面沉降槽宽度系数和参数基本呈现增大的趋势，增大的幅度由于不同断面隧道上方土层的性质不同而不同，其中，断面3呈现相反的趋势，这可能与该断面进行二次补注浆有关。

图3表明，分析断面的沉降槽宽度参数0.10～0.80之间，参照伦敦经验分析断面中涵盖了无黏0.2～0.3、硬黏土0.4～0.5和软的粉质黏土0.7；结合表1分析，沉降槽宽度参数因盾构顶部所处岩层不同而变化，基本符合：处于强风化泥质粉砂岩层中为0.1～0.55，此时地下水位影响可忽略；处于地下水位下硬塑粉质粘土层中为0.41～0.8；处于地下水位上硬塑粉质粘土层为0.34～0.47；处于地下水位下粉质黏土为0.45～0.55。对比伦敦经验，该地层沉降槽宽度参数分布规律基本吻合；由于地下水位及其上覆岩层影响而又有所差异。

2.2 不同断面地层损失率η

根据高斯曲线拟合得到的地面沉降槽宽度系数，利用式（3）计算得到不同断面不同开挖通过时间（5、15 d）时的地层损失率（图4），其中，对应开挖通过15 d时计算得到的地层损失率称为名义地层损失率。

从图4可知，除断面3（埋深9.5 m）外，其余断面的（名义）地层损失率随着盾构开挖通过时间的增大而增加，增加的部分是由于土体固结变形而产生的，固结变形引起的部分是瞬时沉降（开挖通过5 d）引起的地层损失率的0.84～4.58倍，这说明在对隧道开挖过程中地表变形评估中，仅仅利用瞬时沉降而得到的地层损失率会带来较大的误差，还必须考虑土体的固结产生的变形。断面3可能是由于盾构开挖后15 d内开展了二次补注浆施工，从而土体固结造成的变形部分由于注浆的作用而没有显现，且由于补注浆而引起瞬时沉降变形部分恢复。图4中对应断面5（埋深12.44 m）时地层损失率和名义地层损失率最大分别为2.19%（开挖通过5 d对应瞬时沉降变形）和4.73%（开挖通过15 d时考虑土体固结变形），这主要是因为该断面盾构机顶部正好穿越松散、富含承压水的圆砾土地层，开挖后土体的瞬时沉降和固结沉降变形迅速。从埋深与地层损失率关系发现，基本呈现先增大而后逐渐降低的趋势，这主要是与盾构机穿越各断面时所处的地层有关，当盾构机通过断面5后继续向前掘进时，由于埋深的增加，盾构开挖面顶部进入粉砂岩地层，由于粉砂岩的成拱效应作用减少上覆土体的变形，从而地层损失率逐渐降低。

3 中国不同地区实测数据分析

3.1 土体损失率概率分布规律

搜集中国不同地区已有土压平衡盾构施工的土体损失率统计数据77组[3，17，19-21，30-31]，统计数据16组，共93组数据，选用常用的概率分布模型（对数正态分布、正态分布、指数分布及韦伯分布）对数据进行统计分析，表明所搜集的土压平衡盾构施工方法引起的土体损失率数据较好的服从对数正态分布（见图5）。

3.2 土体损失率的影响因素分析

已有文献研究认为，土体损失率主要与工程地质、水文地质、隧道施工方法、施工技术水平以及工程管理经验等因素有关。考虑大多文献，未有详细记录施工技术水平、工程管理经验等因素，主要从反映工程地质、水文地质、隧道施工方法等相关因素分析。针对土压平衡盾构施工方法的统计数据分析，考虑隧道埋深及埋深与开挖直径比等相关因素，并参考相关统计数据的工程地质和水文地质情况，分析土体损失率的影响规律，见图6、图7。

图6、图7可知，土体损失率与深度、深径比可用幂函数近似拟合，基本呈现土体损失率随深度、深径比的增大而减少的趋势；在H>20 m或H/D>3.25后，土体损失率基本趋于稳定在0.75%附近。分析原因可能是：H或H/D越大，盾構穿越地层条件越好，当深度或深径比足以使盾构顶部土层成拱时，开挖对上覆土体的扰动降低，土体损失率也将趋于稳定。当H或H/D较小时，数据离散性较大，说明地质条件对土体损失率的影响要比隧道轴线埋深或深径比的影响要大；当H或H/D大到能够使盾构开挖顶部土层成拱时，上覆土层条件和隧道轴线埋深或深径比的影响都减弱，控制土体损失率的关键因素将主要是施工技术水平和工程管理经验。

4 长沙地层损失与地层性质相关性分析

为研究地层损失与地层性质的相关性，现将盾构切削土层各参数的加权平均值与地层损失率η、沉降槽宽度参数K绘制成图，考虑到地层损失率η与隧道埋深h具有较强的相关性，在绘图时以η/h作为纵坐标（如图8）。

受勘探条件限制，各探孔所采集泥质粉砂岩性状差异较大，所测得的压缩模量差异较大，故此处暂不做压缩模量与地层损失的相关性研究。由图8可以看出，沉降槽宽度参数K、地层损失率η与盾构切削土体的内摩擦角f具有较强的线性关系，二者均随着f的增大而减小，且K值的线性相关性更为明显。而在图（b）、（d）中，二者与粘聚力的相关性不是非常明显，这也有可能是受分析样本数量过少的影响，希望今后的工程项目做进一步分析。

5 结论

1）统计分析中国已有土压平衡盾构施工土体损失率数据，其累积概率分布与对数正态分布比较吻合。

2）从深度和深径比两种影响因素分析了所统计的土体损失率，基本呈现随着深度或深径比的增大而逐渐减小并趋于稳定的趋势。分析表明，当盾构隧道顶部土层在施工中能够成拱，发挥拱效应时，土体损失率受到隧道埋深、深径比及上覆土层地质条件的影响变弱，主要受到施工技术方法及工程管理经验的控制；当盾构隧道施工中顶部无法成拱发挥拱效应时，土体损失率受上覆土层地质条件、水文条件的影响大，隧道埋深、深径比的影响相对较弱。

3）分析长沙地层不同开挖通过时间的土体损失率与名义土体损失率，发现在没有二次补注浆工艺的影响下，盾构上覆土体固结所造成的地面沉降变形是显著的，最大可达瞬时沉降所引起土体损失率的4.58倍，因此，在对土体沉降变形评估过程中，仅仅采用瞬时沉降所引起的土体损失率是不够的，还需考虑土体固结变形的影响。

4）通过收集已有土体损失率的统计数据所进行的分析，可能会由于统计数据样本的数量的影响而降低准度。因此，还需后续在更多统计数据的情况下深入研究，从而揭示土体损失率影响因素的相关性。另外，在后续数据的统计中，望能更多的收集到相关土体地质条件、水文条件、施工工序等资料，将会更好的对数据进行统计分析。

5） 分析长沙地层损失与土层性质关系图得出沉降槽宽度参数K和地层损失率η与盾构切削地层内摩擦角、粘聚力的关系：K和η均随内摩擦角的增大而减小，而对于二者与粘聚力的关系本文數据尚不能定论。希望今后工程能做进一步探究。

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（编辑 胡玲）

作者：刘金慧 丁万涛 戴尊勇 王焕 贾开民

盾构隧道排水研究论文 篇3：

盾构法隧道施工引起的地面沉降机理与控制

摘 要:本文首先分析了盾构法隧道引起的地面沉降规律和沉降影响范围,总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形,并对地铁施工中的地面沉降安全判断标准和控制原则进行了探讨,为城市地铁工程建设提供有益的参考。

关键词:盾构隧道 地铁工程 地面沉降 沉降控制

盾构法具有不影响地面交通、对周围建(构)筑物影响小、适应复杂地质条件、施工速度快等众多优点而在地铁工程建设中广泛应用。但盾构法隧道工程是在岩土体内部进行的,无论其埋深大小,开挖施工都不可避免地会对周围土层产生扰动,从而引起地面沉降(或隆起),危机邻近建筑物或地下管道等设施的安全[1]。因此,施工能产生多大的沉降或隆起,会不会影响相邻建筑物的安全,是地铁隧道盾构施工中最关键的问题[2]。要在地铁工程施工前对工程可能引起的地面沉降问题有所估计,就首先需要了解盾构法施工引起的地面沉降的一般规律和机理,进而提出相应的安全判别标准和控制原则,达到事先防控的目的。

1 盾构隧道地面沉降规律

地面沉降规律是反映盾构掘进时,沿掘进轴线方向对地层的影响,同时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用,包括正面土压力、摩擦力及盾尾间隙等。根据地面沉降发生的时序,一般将盾构施工沿隧道纵向的地面沉降划分为五个阶段[3]。

1.1 盾构到达前的地层沉降,即先行沉降

盾构到达前,地表已经产生变形,影响范围约在10m～15m以内。主要是由盾构推进土压力的波动所引起,还有地下水位下移使土层有效应力增加而引起的固结沉降。

1.2 盾构到达时的地层沉降,开挖面前的沉降或隆起

自开挖面距观测点约3m～10m时起,直至开挖面位于观测点正下方之间所产生的隆起或沉降现象。实际施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原有土压力达到完全的平衡,多因土体应力释放或盾构反向土仓压力引起的土层塑性变形所引起。

1.3 盾构机通过时的沉降

盾构切口达到测点起至后尾离开测点期间发生的地表沉降。这一期间所产生的地表沉降主要是由盾壳向前移动过程中,盾构机外壳与周围土层之间形成剪切滑动面,土体被扰动所致,盾构通过时的地表沉降约占总沉降的35%～40%。

1.4 盾尾间隙沉降

盾尾通过测点后产生的地表沉降,影响范围约在后尾通过测点后0～20m范围。由于盾构外径大于管片外径,管片外壁与周围土体间存在空隙,往往因注浆不及时和注浆量不足,管片周围土体向空隙涌入,造成土层应力释放而引起地表变形,这一期间的地表沉降约占总沉降的40%～45%。

1.5 后续沉降

后期沉降是由盾尾脱出一周后的地表沉降,是由前面地层扰动引起的固结沉降和蠕变残余沉降,反映了地层沉降的时间效应。这一期间的地表沉降一般不超过总沉降的10%。

总体而言,盾构法施工过程中,1.2和1.4阶段的地面沉降量和沉降速率较大,控制沉降也最为关键。1.2阶段的变形控制要素是土仓内压力,而1.4阶段的控制要素是盾尾间隙的注浆及时性和充盈率。

2 地面沉降的影响范围

盾构在推进过程中,地表沉降以盾构为中心呈三维扩散分布,且分布随着盾构机的推进而产生同步移动。地面沉降的影响范围可借助Peck公式进行预测。Peck公式的理论基础是:盾构掘进过程中产生一定的地层损失,相当于挖去一块土体,从而导致上部的土体移动,不考虑土体排水固结和蠕变,认为地层移动为一个随机过程,在盾构掘进后在地表形成的横向沉降槽为一近似正态分布曲线[4]。韩煊、李宁等[5～6]结合JLE工程观测数据库,对我国8个地区30多组观测数据进行对比研究,分析评价了Peck公式预测方法在我国的适用性。盾构隧道施工引起地面沉降沿纵向影响范围,在盾构前方约范围内(D为盾构直径,H为地表至盾构底的深度)。粘性地层中,纵向影响范围为一夹角为斜直线;砂性土中则为一鼻形曲线,深层土体的范围与粘性土相同,表层土体的范围要小于粘性土。横向影响范围对粘性土地层而言,为隧道轴线两侧范围内,砂性地层影响范围要小,约为。

3 盾构隧道的地面沉降机理

盾构隧道施工产生地面沉降的机理主要源于开挖面的应力释放、附加应力等引起地层产生的弹塑性变形[7]。隧道施工所引起的地面沉降,主要包括开挖卸载时开挖面周围土体向隧道内涌入所引起的地面沉降,支护结构背后的空隙闭合所引起的地面沉降,管片衬砌结构本身变形所引起的地面沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地面沉降,可称为开挖地面沉降。盾构法隧道在施工期的地面沉降可认为主要由开挖沉降、固结沉降和次固结沉降组成,而次固结沉降更多情况下需要在隧道运营期间考虑。盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或剪切破坏引起的土体再固结,是造成盾构法隧道工程性地面沉降的根本原因[8～9]。

4 盾构隧道施工的地面沉降影响因素

地层沉降大小的影响因素有内因和外因之分,但归纳起来主要有[10]以下几点。

4.1 地质条件的影响

实测和实验研究均表明,隧道埋深对地表沉降的影响因地层情况各异。T.Ito等[11]曾指出,盾构法施工地表沉降槽的宽度主要取决于最接近隧道拱顶的那一层土的特性。

4.2 土体性质的影响

土体的非均质性、各向异性、弹塑性和粘塑性使得盾构隧道施工引起的地层沉降进行准确预测是十分困难的,正因为此,说明土体的性质对地层沉降有着很大的影响。

4.3 覆土厚度H和盾构外径D的影响

盾构外径越大,由盾构施工引起的单位长度的地层损失就越大,在相同地面沉降槽宽度下,最大地面沉降也随着增大;而隧道覆土厚度越大,则最大地面沉降值就会越小,但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度H与盾构外径D的比值即H/D的增大而减小。

4.4 地下水位变化的影响

盾构隧道施工中往往要采取降低地下水位的措施,降水使地层产生固结沉降。此外,施工过程中地层中水位的变化,也会引起地层变形,导致地面沉降。

4.5 盾构施工姿态调整的影响

盾构施工过程中的纠偏、仰头、叩头和曲线推进以及后退等姿态调整均会引起多余的地层损失,导致地层沉降。另外,盾构推进过程中,土压舱压力过大或压力过小,也会引起地层变形。

4.6 注浆的影响

由于盾构壳具有一定的厚度,且盾壳外径大于管片外径,盾壳与管片之间会留有一定的空隙。工程中普遍采用同步注浆或二次注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失。若压浆不及时,或因注浆量不足,或因注浆压力不适当,将会使盾尾后部隧道周边的土体失去平衡,向盾尾空隙塌陷,致使地层沉降。同时,若注浆压力过大,浆液浸入地层,扰动地层,也会加大地面沉降。

4.7 管片变形的影响

土压力作用下,隧道管片产生的变形也会引起少量的地层损失,导致地面沉降。

4.8 受扰动土体变形的影响

盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后,形成超孔隙水压力区,在盾构离开后的地层中,因土体应力释放,隧道周围的超孔隙水压力下降,孔隙水排出,引起地层移动和地面沉降。此外,盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等施工作用,也使周围地层形成超孔隙水压力区,在盾构隧道施工后的一段时间内超孔隙水压力消散,地层产生排水固结变形,引起地面沉降。

除上述因素外,还有一些其它因素,如:隧道渗水、涌水、携带泥砂、坍方等引起地层损失,从而导致地表变形等。总之,地铁隧道施工引起的地面沉降是诸多因素的综合作用结果,合理的设计与巧妙的施工是盾构隧道控制地面沉降的关键。

5 地面沉降的安全性判断与控制

因不同城市地铁隧道工程的地质条件、地面环境、隧道埋深、上部结构对地基变形的适应能力和使用要求具有很大差异,地铁隧道地面沉降的安全判断,通常需要考虑地面建(构)筑物和地下管线的安全及地层稳定等因素后综合确定。目前国内与地铁隧道地面沉降有关的规范均未给出地铁隧道地面变形的具体指标或允许值[12～16]。从当前国内的地铁施工实际来看,地表变形多根据经验控制在+10mm～-30mm以内。但工程实践表明,制定统一的标准并不妥当,实际工程中要按照不同地区、不同地质和周边环境区别对待,以确定科学、合理且经济的沉降安全性控制标准。

地面沉降控制的总原则是,采取各种措施保持隧道周围岩土体稳定,防止水土流失,进而控制地面沉降。针对不同工程的具体情况,结合地面沉降的不同阶段,盾构法隧道施工应采用施工前预防地面沉降的处理措施和施工过程中的补救加固措施,包括注浆、锚杆、钢板桩、旋喷桩、搅拌桩加固,采用冻结法施工或素混凝土墙等,对盾构隧道上覆和两侧地层进行加固,有效预防和控制盾构法施工引起的地面变形与发展。盾构法隧道的地面沉降控制,要综合考虑地表建(构)筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素,分别确定其允许的地表沉降值,并取最小值作为控制基准值。具体施工过程中,可设置预警值、报警值和极限值来进行分级控制。预警值一般为极限值的60%,当地表沉降达到该值时,应采取必要的控制措施并密切监控沉降的进一步发展;报警值一般为极限值的80%,达到该值时,要立即采取有效措施和手段对地表沉降进行控制;极限值则是地表沉降允许的最大值,超过该值将导致结构破坏等严重工程事故,这在工程中是绝对不允许的。

6 结语

城市地铁隧道暗挖法施工不可避免的会对周围岩土体产生不同程度的扰动或破坏,造成地层位移与变形,甚至诱发地面沉降、地下管线等建(构)筑物受损等环境影响或灾害问题。本文分析了盾构隧道引起地面沉降的一般规律和沉降影响范围,并总结了盾构隧道地面沉降的主要影响因素;在指明地面沉降主要源于开挖面的应力释放和附加应力等引起的地层变形基础上,对地面沉降的安全判断标准和控制原则进行了探讨,为日益高涨的城市地铁隧道施工提供有益的参考。

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作者：何小林 王涛