隧道盾构施工引起地层变化原因及分析综述

何 洋

(重庆交通大学)

隧道盾构施工引起地层变化原因及分析综述

何 洋

(重庆交通大学)

对地铁盾构隧道产生的地层变化原因进行了分析，根据不同的施工阶段对地层变化进行了划分.对于地层变化值的不同计算方法进行了对比.

地铁隧道；盾构法；地层沉降

随着中国城市化进程加速，交通出行的发展速度逐渐跟不上城市的发展速度，拥堵问题已经成为大部分城市的 通病。为了解决拥堵问题，地面交通渐渐向地下交通发展。因此各大城市纷纷发展地铁，缓解拥堵压力。最初的地铁施工一般采用明挖法，例如世界上第一条地铁线路位于英国伦敦，全长6.4 KM，全段采用明挖法，之后并在 1890年第一条采用盾构法施工的电气化地铁线路在伦敦竣工[1]。现代盾构法以此为基础发展成为主流的地铁隧道施工方法。

由于地铁位置的特殊性，很多位于城市繁华区域。并且为了减少对其他交通方式的干扰及方便乘客的通行，大部分地铁隧道均采用浅层埋设。由于隧道施工过程中会引起地层变化和地表沉陷，这就会对周边建筑物，地面交通，地下管线产生一定影响，可能导致建筑物与路面开裂，管线损坏等。因此研究隧道施工引起的地层变化是十分必要的。本文着重研究采用盾构法施工的隧道导致的地层变化。

原因分析

盾构法的使用距今已有 180年历史，从手掘式盾构、挤压式盾构、网格式盾构到现在的机械式盾构（局部气压式盾构、泥水加压式盾构、土压平衡式盾构），盾构法的自动化程度越来越高，对地形的适应情况越来越好[1]。盾构法实际是一种全断面钻掘工法。采用盾构机对盾构前部的土体进行挖掘，同时在盾构机的后部将钢片或混凝土管片组装成衬砌环。

根据魏纲等[2]，采用盾构法施工的隧道所引起的地层变化可以划分为5个阶段：

1.盾构到达前。有数据显示，当开挖面距离观测点数十米时，就能观测到沉降的发生。 应力重分布是导致此阶段地层变化的原因。

2.盾构到达时。当盾构机位置离观测点很近或者位于观测点正下方时，开挖面的移动与盾构机推力会导致开挖面土压力失去平衡，最终引起地层隆起或沉降。这就是由于土体的应力释放和盾构机的反向土压力导致的地层变化。

3.盾构通过时。这一阶段产生的沉降是指从盾构机到达观测点到盾构机尾部通过观测点为止产生的地层变化。

4.盾构通过后。此阶段产生的沉降指盾构机尾部到达观测点时产生的地层变化。具体就是当盾尾管片拼装完成后，盾构机外壳与管片存在的空隙导致这一部分的土体应力释放从而产生弹塑性变形。

5.长期变化。长期变化产生的变形是指土体固结与次固结产生的沉降。由于孔隙水压力的再平衡导致有效应力的变化，最终大部分变形表现在衬砌上。根据张云等[3]，由固结导致的变形只占地面变形的少部分（大概5%～30%）。

另一种对地层变形的划分方法是三阶段划分法。第一阶段变形包含上述的第1，2阶段；第二阶段变形包含上述的第3，4阶段；第三阶段变形引起的沉降对应上述的第5阶段。此阶段划分法相对于五阶段法更为清晰明了。

根据以上地层变化三阶段理论，王铁生等[4]认为有以下几个主要因素会影响地面沉降程度：隧道覆土厚度、盾构外径、开挖面压力变化量、盾尾注浆的填充率（注浆体积与建筑空隙之比）、地层物理力学性质、施工条件等。

计算方法

通过对以上因素的研究，盾构隧道引起的地层变化计算形成了很多方法，可将其分为理论计算法与基于实测数据的模型实验法。

1.理论计算法

（1）地表横向沉降预测 Peck 认为在施工工程中的地表沉降是在不排水条件下发生的，因此沉降槽体积应该等于地层损失体积，并假设地层变化在隧道长度上是均匀分布的且地表横向沉降接近正态分布，其估算公式为：

（2）地表纵向沉降预测。在1982年Attewell 和 Woodman 基于Peck 法提出了估算地表纵向沉降曲线的方法。该方法是利用累积概率曲线来拟合纵向沉降曲线推导出了计算公式。其假设：土层在变形过程中体积不发生变化；隧道在掘进过程中产生的总位移等于地层中各点位移的总和。

因此，地层某一个位移源引起的地层变化可以由以下公式推算：

其中x为隧道中心线到所求沉降点的水平距离 (m)；i 为隧道中心线到曲线拐点的水平距离 (m)；为隧道起点位置 (m)；为隧道终点位置 (m)

（2）地层水平位移预测。由于地层水平位移可能对建筑物产生破坏，因此水平位移的预测也是不能忽视的。根据 O’Reilly 和New 的研究其假设地层位移矢量指向隧道中心，因此水平位移和沉降须满足：

依据之前的计算公式 (1)，(2) 便可以估算出地层水平位移。经验法一般是通过实测数据总结而得到的经验公式，具有地区针对性强，计算简便的优点，一般都能通过其得到较好的结果。因此，经验法也只能在特定条件下使用。

2.数值法。研究地层变化的另一种理论计算法是数值法。目前国内外对数值法进行了详细而深入的研究，主要分为有限元法、边界元法、半解析元法等，数值法相较于经验法能够模拟复杂的地质条件，考虑复杂的边界条件，并且能够模拟整个隧道施工过程。因此，数值法的应用范围是非常广的。

3.模型试验法。模型试验法一般是采用离心模型试验来研究浅埋隧道施工过程中的地层位移变化。。离心模型试验使得隧道施工过程中的地层位移机理更加明晰，对各个施工因素对地层变形的影响更加清楚。但是由于其试验费用太高、方法复杂、难以精确模拟施工过程，其应用有限。

小结

随着地铁建设大规模展开，隧道施工引起的地层变化愈来愈重要，对预测地层变形的方法已经开展了大量研究。本文总结了在施工过程中地层变化的三个阶段，以及预测地层变形的三种方法。各种方法都有其特点和局限性，在实际应用过程中应依据情况选择最优解。多种方法与理论的结合将是预测隧道施工过程中地层变化的一个研究方向。

[1]柳厚祥.地铁盾构隧道诱发地层移动机理分析与控制研究[博士学位论文][D].西安：西安理工大学，2008:21-23.

[2]魏纲，张世民，齐静静，等.盾构隧道施工引起的地面变形计算方法研究[J].岩石力学与工程学报，2016，25(增1):3318-3323.

[3]张云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J].岩石力学与工程学报，2002，21(3):388-392.

[4]王铁生，张利平，华锡生.地铁隧道施工变形预测研究综述[J].水利水电进展，2003，23(5):62-65.

[5]张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报，2005，24(10):1703-1707.

[6]李桂华,黄腾,席广永，等.软土地铁隧道运营期沉降监控研究综述[J].河海大学学报(自然科学版)，2011，39(3):277-284.

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1007-6344（2017）02-0060-01