盾构施工引起的固结沉降

盾构施工引起的固结沉降表1盾构施工引起位移的原因与机理阶段沉降类型主要原因应力扰动变形机理1初始沉降土体受挤压而密实孔隙水压力减少有效应力增加孔隙比减少，固结2盾构工作面前方变形工作面处施压，过大隆起，过小沉降孔隙水压力减少有效应力增加主体压缩产生弹塑性变形3盾构通过是的沉降施工扰动，盾构与土体间剪切错动，出渣应力释放弹塑性变形4盾尾空隙沉降土体失去盾构支撑，管片背后注浆不及时应力释放弹塑性变形5固结沉降土体后续时效变形应力松弛蠕变压缩纵向沉降①先行沉降—盾构到达前根据实际观测，当隧道开挖面距地面观测点还有相当距离(数十米)的时候，就可以观测到地面开始沉降。对于软粘土地层，由于土的渗透系数很小，土的固结和盾构隧道的开挖速度相比无疑很慢，此时隧道的开挖面处的排水固结很难影响到数十米之外的地层。这部分沉降主要还是由于开挖导致的应力释放、重分布所致，而不是由于地下水流动和水位降低而造成的。②开挖面前的沉降或隆起—盾构到达时•当盾构机(开挖面)距观测点较近(约几米)直至开挖面位于观测点正下方之间，由于开挖面的位移、盾构机的推力过大等所引起的开挖面土压力失衡，引起地层沉降或隆起。这是由于土体的应力释放或盾构开挖面的反向土压力作用产生的地基变形。③推进沉降—盾构通过时•指从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降。这部分沉降主要是盾构推进过程中对土的扰动所致。另外，在盾构推进时，其轴线并不总能保持与隧道轴线一致，必然引起土体的部分受压和部分松弛而产生附加地面变形。此外，盾构为修正蛇形和曲线推进而进行超挖，也会使周围土体松弛范围扩大而助长了地面下沉。有时，由于盾构千斤顶漏油回缩引起盾构后退，开挖面土体失去平衡造成土体坍塌或松动，也是地面沉降的原因之一。④盾尾空隙沉降—盾构通过后•指盾构机的尾部通过观测点的正下方时所产生的沉降。这是尾部空隙(即管片拼装后与盾构外壳之间空隙)的土体应力释放所引起的弹塑性变形。盾尾空隙一般通过对隧道外围及时压浆来充填。如充填压浆不及时、压浆量不足或压力不适当时，会使盾尾后周边土体失去原始三向平衡状态，而向盾尾空隙中移动，造成地层损失，特别是含水不稳定地层更是如此。另外，隧道衬砌脱离盾尾后，作用在衬砌上的土压力和水压力将使衬砌产生变形，也会导致地面少量的沉降。⑤后续沉降—长期•指固结和次固结引起的沉降，这主要是由于孔隙水压力逐步重新达到长期的平衡状态而引起有效应力变化而引起的。这部分变形也可能表现在衬砌的变形上。根据我国上海地区经验，地面后期固结变形多数只占地面总变形量的比例较小(约为5%~30%)。但在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑态粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量比例也可能高达35%以上。固结沉降中孔隙水压力的研究•盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开该处地层后，隧道周围的孔隙水压力便下降。在孔隙水压力下降的过程中，即超孔隙水压力逐步消散的过程中，孔隙水逐渐排出，引起地层移动和地面沉降，即固结沉降。由此可见，对于长期固结沉降理论的分析，关键在于对隧道周围孔隙水压力的研究。•Lee以上海地铁2号线的相关监测资料为背景，分析了隧道周围孔隙水压力分布及消散规律。•Bobet将隧道衬周围土层分为两种极限边界条件（完全排水与不排水），得到了线弹性各向同性饱和土体中因隧道开挖引起的周围土体的应力和位移值，同时提出隧道周围土层施工期间沉降和长期固结沉降的解析解，但仅对施工期间的沉降进行了实例分析。•Wongsaroj等对伦敦某隧道建模进行了长期固结沉降数值分析，并根据不同的土体渗透系数探讨了不同深度处的土层的固结沉降量。魏纲引入应力释放率建立了工后长期固结沉降的计算公式，但对应力释放率取值还须做进一步研究。•饱和土体中任一平面上受到的总应力总可分为有效应力和孔隙水压力两部分，其间关系总是满足σ=σ′+uσ--总应力、σ′--有效应力、u--孔隙水压力。为方便研究，不考虑盾构推进过程中的挤压及盾尾的压浆作用。在隧道施工的过程中，土层开挖卸载，将打破原有的受力平衡。在土体围压的作用下，隧道周围土体中将产生超孔隙水压力模拟过程为：建立初始地应力场；去除开挖隧道的地层单元，将隧道一次性开挖完毕，同时在隧道周围土体处施加径向应力，使得隧道起拱线处产生的超孔隙水压力等于2.2节中计算所得的值；将所有的节点位移置0，添加衬砌单元，通过FLAC3D中的流-固耦合模块计算土体在固结时间内的排水变形量（固结沉降）实例分析•LEE1999上海2号线•与图2比较•在固结沉降开始后，即超孔隙水压力开始消散的40d内固结沉降速率减小得很快，而后沉降速率逐步减缓。根据盾构法施工原理，在施工过程中，要在盾构前方施加支护压力比前方主动土压力和水压力的合力略大。这样，在盾构推进过程中，根据支护压力和前方压力的比值大小，在盾构周边一定范围内的土体将先受到一定程度挤压作用，在这种挤压作用下，一部分土体被压实，还有一部分土体被挤到盾构前方，随盾构推进而挖出。对于盾构周边土体压实和超挖导致的变形，可用式（2）进行计算。•盾构通过后，受挤压的土体卸荷回弹。随着管片的施加及盾尾注浆的施工，受挤压后卸荷的这部分土体将再次受到挤压作用。其中盾构上方（45º-φ/2）范围内的土体扰动最为明显（图1），这部分扰动土体的固结变形对沉降的影响较大。另外，盾构推进过程中盾壳与周围土体之间产生摩阻力，使盾壳周围较小区域内的土体产生剪切变形。对于有地下水存在的情况，盾构施工将引起地下水位的升降和一定区域内超孔隙水压力的变化，造成土体性质及应力状态等一系列复杂的变化。由此而引起的地层变形，均可看为施工扰动损伤带来的固结沉降。Verruijt和Booker半无限半空间平面内浅层隧道的弹性解式（2）•为计算方便，扰动土体固结沉降计算只考虑了竖向固结沉降。实际上，土体的固结是三维的，如果将扰动土体视为欠固结土，计算其三维固结沉降，则计算结果将与实测值更吻合。对于有地下水存在的情况，考虑水土耦合效应对固结沉降的影响也是值得研究的课题之一。参考文献•马达君.软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究[硕士学位论文].浙江工业大学.2010•敖日汗，张义同.盾构施工引起的固结沉降分析[J].岩土力学,2011•刘纪峰.考虑盾构施工扰动土体固结的地层沉降计算.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2009