盾构隧道施工中土层沉降变化研究

杜心愿，刘生辉

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

1 引言

随着盾构隧道施工的进行，土层会受到压缩而产生变形，从而出现沉降变化[1]。沉降变化可能导致附近既有建筑物不均匀沉降，从而影响建筑物的安全。因此，需要对盾构隧道施工过程中土层的沉降变化进行深入研究和分析，以确保工程的安全性和稳定性[2]。对此，本文对盾构施工的工序、盾构推进的土层沉降变化及其机理进行分析，并以某地铁隧道盾构施工为例，介绍其工程概况，进行模型的构建与计算，分析盾构推进中的土层沉降变化情况，以期能够掌握盾构隧道施工中土层沉降的变化规律。

2 盾构的施工工序

对于土压平衡式盾构，其施工工序大概包括3 个流程：开挖、支护、注浆。首先，选取隧道的某一段，在该位置进行竖井或基坑施工，以便盾构机能够进行安装[3]，然后进行盾构施工。施工过程中，盾构机沿着设计轴线在地层中向另一竖井或基坑开挖。在此期间，会受到来自地层的阻力，该阻力能够经过盾构千斤顶传到该施工设备尾部的隧道衬砌结构中，最后达到竖井。施工期间，盾构机在支承地层压力的同时，还可以在地层中推进，推进过程中，每推进一环，会施工一环衬砌。与此同时，会在盾尾后开挖的坑道和衬砌外周注入浆液，在大量浆液的注入下，将岩体孔隙填满，以此避免隧道和地面下沉。图1为盾构施工工序。

图1 盾构施工工序

3 盾构推进中土层沉降

3.1 土层沉降变化

在软土地区，通过盾构法对隧道进行施工时，地层会出现位移，地表会发生沉降。根据地表沉降的方向，可以分为地表纵向沉降和地表横向沉降。在地表纵向沉降中，并不是瞬间达到最终值，其间土层会随着时间的变化呈现出不同的发展阶段，施工过程中的开挖工艺、开挖方式等都会对地层纵向沉降造成影响。总体上，地表纵向沉降可分为5 个阶段。

1）在隧道挖掘面与地面观测点相隔几十米时，地表会出现塌陷现象。在软黏土地层中，因为土体的渗透性很小，所以，土体的固结相对于盾构隧道的开挖来说，是缓慢的，而在这种情况下，在隧道的开挖面上进行的排水固结很难对几十米以外的地层产生作用。这种沉陷很大程度上是因为基坑开挖引起的应力的释放和再分布，而不是因为地下水流运动、水位下降。

2）当盾构到达观测点时，由于开挖面的位移等原因，开挖面土压力出现失衡，从而导致地层出现沉降或隆起，这一变形现象的原因在于土体应力释放或开挖面反向土压力作用。

3）盾构通过观测点时出现的沉降是由推进期间对土产生扰动而产生的。不仅如此，推进期间的轴线与隧道轴线出现偏差时，会使部分土体受到压迫，另一部分呈现松弛状态，从而引起附加地面变形。另外，为了纠正“蛇”形、“曲”形前进，盾构机的过度开挖会加大周边土壤的松弛面积，加剧地表沉降。有时，在施工过程中，会出现油管泄漏而使盾构向后收缩，基坑表面的土层因失稳而发生塌陷或松散，也是导致地表沉降的重要因素。

4）当盾构尾部穿过观测点后，也会出现沉降的情况。此时盾构尾部土体空隙中的土体应力得到释放，从而导致弹塑性变形的产生。在盾构施工过程中，盾尾孔通常采用及时向周边注浆的方法填充。如果注浆不及时、不充分或不适当的压力，将导致盾尾后土体破坏原有的三向平衡，导致地层流失，尤其是在含水层不稳的地层。此外，当隧道衬砌与盾尾分离时，由于受到土水压力的影响，亦会产生一定程度的地表沉降。

5）地表纵向沉降的第五个阶段为后续沉降，由固结和次固结产生。其原因在于，在长时间内，孔隙水压逐渐恢复长期平衡，从而使有效应力发生改变，该变形有一定概率通过衬砌变形来体现。

在地表横向沉降中，其沉降槽与正态分布曲线较为类似。而造成这一现象的原因在于地层损失，并且其发生的条件为不排水情况。此时，沉降槽的体积应该与地层损失体积相同。

3.2 土层沉降的机理

在软土地区进行盾构挖掘的过程中，导致土层沉降的机理主要分为地层损失、受扰动土体的重新固结。

在地层损失中，造成沉降的原因有多种。在盾构掘进过程中，由于开挖面周围的水平支撑应力小于其周围的初始应力，其周围的土体朝着盾构移动，从而使盾构上方土层发生沉降。在盾构推进过程中，若正面土体受到的推力超过了初始侧向应力，那么该土体就会向前上方运动，造成地层流失，从而使前上方土产生突起。在盾构停止推进、后缩、注浆等过程中，同样会引发土层沉降。以盾构机叩头推进为例，在这个过程中，相较于正常推进，其地面最大沉降量较大，导致工作地表沉陷更大，工作面前方相应的隆起量偏小。而盾壳移动会对地层产生一定的摩擦和剪切作用，从而引起土层沉降。在盾构推进期间，会对盾构周围产生一定的挤压作用，且在盾尾压浆作用等的影响下，孔隙水压会发生变化，出现正值的超孔隙水压区，在盾构施工后，该区域的水压会慢慢复原。复原时，会引起地层排水固结变形，从而导致地面沉降的出现。而土体受到扰动后，土骨架在压缩变形的过程中会使得地面出现次固结沉降，该现象持续的时间较长。

4 地铁盾构施工下土层沉降数值模拟

4.1 确定材料模型

在软土地区，为了分析地铁盾构隧道施工中土层沉降的变化情况，对其进行数值模拟。首先进行材料模型的确定，在施工期间的材料包括隧道衬砌和土体，隧道衬砌以钢筋混凝土为材料，将该材料看作弹性材料，其与附近的土体间具有不透水性；根据研究的具体情况，把土体当作弹塑性体，其在同一地层视为各向同性材料，将Mohr-Coulomb 模型作为土体的本构模型，该模型的基础为Mohr-Coulomb 准则。

4.2 工程概况

以某市的地铁1 号线为例进行研究。其线路全长61.67 km，高架站和地下站分别有8 座和29 座。经勘察，其标段3 的某地铁站区间为地下区间，施工时可以采用盾构法，通过泥水加压平衡式盾构展开相关施工。其中，盾构隧道内径和管片厚度分别为6 000 mm 和350 mm，管片宽度为2 m。通过螺栓将管片进行连接，对于衬砌环间，其连接方式为纵向螺栓连接形式，利用通缝拼装的方式与衬砌进行连接。对该地区进行勘察可知，项目所在位置的地貌类型属于冲海积平原区，其地层由上向下分别为杂填土、素填土、黏质粉土夹粉质黏土、砂质粉土、砂质粉土夹粉砂、黏质粉土夹淤泥质粉质黏土、黏质粉土、粉砂、黏土、粉砂夹粉质黏土、粉质黏土，对应土层的厚度分别为1.6 m、1.2 m、1.6 m、5.5 m、5.4 m、3.3 m、9.4 m、6.4 m、8.1 m、8.7 m、3.2 m。不同土层的特性及包含的物质存在差异。比如，砂质粉土层包含云母、夹粉砂、夹细砂等物质，其具有粗糙的表面，没有干强度和韧性；粉砂层含有夹层状黏性土和云母，还存在一些贝壳碎。工程地质条件中，前部和中部地下水有两种类型，前者是第四纪松散岩土类孔隙水，后者属于对应的孔隙承压水。而深部的地下水类型为基岩裂隙水。

4.3 模型的构建与假设

选择ADINA 软件模拟盾构推进过程。出于简化计算的目的，不考虑地下水的渗透作用，小范围调整土层厚度。不考虑岩土体构造的应力，施加初始地应力时，仅考虑土体自重应力，不考虑土体固结和蠕变特性。构建模型的过程中，根据相关勘察资料，选取某段隧道进行研究，其隧道直径、顶板土层厚度分别是6 m、14 m。合并处理杂填土和素填土两层，将其作为模型最顶层，不考虑最下两层土，将第六层土层分配到第五层和第七层。确定相关区域和进行网格划分。进行边界条件的设置，列出相关荷载条件和材料参数，并进行有限元计算。

4.4 计算结果分析

在盾构开挖支护前后，对其地表横向沉降进行分析，得到结果如图2 所示。

图2 地表横向沉降

图2 中，不同开挖阶段对应的地表横向沉降不同。随着开挖的推进，地表横向沉降慢慢加深加宽。相较于第三步支护开挖前，第三步开挖后的地表最大沉降值增大1.56 mm；而第四步支护开挖后的地表沉降值最大是25.09 mm。特征点为离盾构推进初始面12 m 的横截面地表上的点，研究其不同盾构开挖步骤下沉降情况如图3 所示。

图3 相关地表纵向沉降

图3 中，随着盾构的推进，特征点地表纵向沉降量不断增大，相较于第2 步，第3 步的沉降量增大6.44 mm，后者的沉降量为18.78 mm；而第6 步的沉降量为35.90 mm。对不同地面特征点进行选取，通过分析盾构推进过程中这些特征点的地表纵向沉降情况，发现相同开挖步骤下，不同特征点的沉降量不同。通过对比不同开挖步骤的沉降量变化情况发现，相较于其他开挖步骤，在盾构通过时相关特征点沉降变化量最大，而之后虽然其会有一定的增加，但增加的幅度不大。

5 结语

在软土地层中进行盾构隧道施工时，不同土层会出现不同的沉降变化，而不同的开挖步骤下，对应的沉降变化会存在差异。较大的土层沉降会对盾构施工造成一定的影响，甚至威胁地表建筑物的安全。因此，在实际工程中，进行盾构隧道施工时，需要了解不同土层的地表纵向沉降和地表横向沉降的变化规律，以及在这些土层沉降的影响下，会对施工等方面造成影响的程度，从而为预防较大土层沉降做准备，保障盾构施工的安全，为工程实践积累相关的经验，进而促进施工的顺利开展。