盾构施工引起的地表沉降

盾构施工引起的地表沉降北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心北京BeijingJiaoTongUniversityResearchCenterofTunnelingandUndergroundWorks，Beijing2008年5月报告人：袁大军教授引言盾构法施工原理盾构施工引起的土体变形邻近建筑物工况下盾构施工引起的地面沉降主要介绍内容一、引言地铁因其运输能力大、速度快等特点在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，尤其在人口密集的大城市，对于缓解地面交通压力，效果更是不可替代。我国地铁建设开始进入大发展时期。目前中国有约20多个大城市正在建设和筹建自己的轨道交通。其中，北京、上海、广州正在扩建地铁网络，深圳、南京、杭州、天津、成都等城市也在兴建地铁。城市地铁修建等地下工程的施工方法有明(盖)挖法、暗挖法、盾构法等，各种方法都有其优缺点和适用条件，其中盾构法以诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。该法可在各种工程地质和水文地质条件下使用，具有机械化程度高和施工速度快等优点。从综合效益观点看来，是一种比较经济的方法。1825年法国工程师M，A.Rrunel发明盾构法施工，而后盾构法经历了从手掘式、挤压式、气压式到土压平衡和泥水加压式的盾构。1894年，盾构法首次应用到地铁隧道建设中，到20世纪80年代末，大约有32个国家和地区81座城市修建了290条地下铁道线路，总长计S000km，这些隧道基本上是用盾构法施工完成的。盾构法施工过程中不可避免地对隧道周围的环境造成影响，尤其是地层沉降带来的影响尤为明显，对周围环境的影响也非常的显著。尽管盾构机在不断的发展，但无论盾构隧道施工技术如何改进，由于施工技术、工艺质量及周围的环境和岩土介质的特点，其施工引起的地表沉降是不可能完全消除的。盾构推进对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地铁，隧道施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视。二、盾构法施工原理盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及周围土体不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体而修筑隧道的方法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护周围土体的盾构钢壳，所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体，如图2-1所示。图2-1盾构机组成图盾构法施工是一个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影响与施工技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因素才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：（1）土体开挖与开挖面支护土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。(2)盾构推进与衬砌拼装盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富裕量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影响推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。(3)盾尾脱空与壁后注浆千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙(其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和)，引起较大地层损失，如不采取补救措施会引起很大的地层位移和地面沉降。壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。如图2-2所示，壁后注浆是通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。注浆压力一般取1.1~1.2倍的静止土压力，通常采用0.3~0.4MPa，略大于隧道拱底的土压力，为拱顶土压力的2倍以上。压浆量一般为理论注浆量(盾尾空隙)的140~180%。图2-2盾尾空隙和壁后注浆三、盾构施工引起的土体变形地表变形的原因地表变形的表现形式和机理地表变形的分布范围盾构施工工艺对地表变形的影响3.1地表变形的原因地表变形，是由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或隆起。受其影响隧道附近地区的构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。包括以下几个方面：(1)土体损失隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因而比按照隧道断面积计算出的土量大得多，这样使隧道与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。土的应力因此而发生变化，随之而形成：应变-变形-位移-地面沉降。所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比份Vs(％)来表示。圆形盾构理论排土体积就V0为：式中：r0-盾构外径L-推进长度单位长度地层损失量的计算公式为：200V=rL0sVVV地层损失一般可分为三类：第一类：正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响，认为人们的操作过程是认真、仔细的，完全合乎预定的操作规程，没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件，如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。一般地说这种沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的。在均质的地层中，正常地层损失引起的地面沉降也比较均匀。第二类：非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构操作过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征，然而，一般还可以认为是正常的。第三类：灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜体等不良地质条件。(2)固结沉降由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主同结沉降和次固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。主固结沉降与土层厚度有着密切的关系。土层越厚，主固结沉降占总沉降的比例越大。因此，在隧道埋深较大的工程中，施工沉降虽然很小，但主固结沉降的作用决不可忽视。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几个月，有的甚至要几年以上。它所占总沉降的比例可高达35％以上。从理论上讲，盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指施工沉降(也称瞬时沉降)、主固结沉降及次固结沉降三者之和。如果不考虑次固结沉降，总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的主固结沉降之和。固结沉降是由于施工引起地层孔隙水压消散造成，不同地层固结沉降值占总沉降比例相差迥异，而次固结沉降（由于地层土体原有结构破坏引起的蠕变沉降）除流塑性软粘土地层外通常都较小，一般都不考虑。3.2地表沉降的表现形式和机理3.2.1纵向地表沉降盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。见表3-1。（1）初期沉降它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降的量较小，而且，不是所有的盾构施工工程都会发生的，所以一般不被人们觉察。据部分实测资料分析断定，初期沉降是由于固结沉降所引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。（2）开挖面沉降(或隆起)它是指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式，由于各种推进参数(如盾构推进速度、最大推力等)的差异，使开挖面的土体应力状态也截然不同，这便形成了覆盖层的土压增加或应力释放。国际上一般用超载系数OFS来衡量开挖面土体的稳定性。超载系数OFS与开挖面土体损失的关系见图3-3。图3-3超载系数与土体流失的关系图当超载系数小于1时，开挖面为弹性变形，土体损失小于l％；当超载系数大于l、小于4时，开挖面为弹塑性变形，土体损失在2％～4％之间；当超载系数大于5时，开挖面为塑性变形，土体损失大于4％。如果开挖面的垂直应力小于开挖面的支承力，超载系数为负值时，开挖面土体向着盾构的反方向位移，地面出现隆起现象。（3）尾部沉降它是指盾构通过时产生的地面沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到三个力的作用。总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。按理论计算，总推力的表达式为：式中:Ps－盾构总推力P0－正面土压力RI－表面摩擦阻力表面摩阻力可根据摩擦桩的表面摩阻力求法得出：式中：－土的密度－隧道的平均埋深(指地面至隧道中心的距离)－土的有效内摩擦角s0P=PIRtanIRHH由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中就产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分的土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛的部分则带来了地面沉降。（4）盾尾空隙沉降它发生在盾尾通过之后。引起沉降的原因是盾构尾部建筑空隙和隧道周围土层被扰动。在土力学上表现为土的应力释放，密实度下降。一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大2％。这里有两个原因：首先盾壳材料有一定的厚度；其次是由于施工需要，使盾壳内与衬砌间必须有一定的空隙。这些“建筑空隙如不及时地充填，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。图3-4即时沉降和长期延续沉降的比较直方图（5）长期延续沉陷它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。粘土地基长期延续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。3.2.2横向地表沉降在包括有“隧道掘进引起地表沉陷”议题的国际土力学地基基础墨西哥会议上，Peck的“stateoftheartreport”的报告是十分有名的。其中提出的沉降槽形状近似于概率论中的正态分布曲线。3.3地层沉降的分布范围分析地面沉降的分布模块是三维的(图3-5)。随着盾构推进，所设的观测点处的沉降量逐渐增加，沉降区域的宽度也日趋扩展。图3-5粘土地基变形模型示意图3.4盾构施工工艺对地表隆沉的影响（1）盾构掘进参数的选择的影响它同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有着联系。其具体表现为：1)盾构严重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。2)在用一些自动化程度较高的盾构机具进行推进时，推进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力、注浆压力和盾构总推力等参数的设定不合理。3)注浆量不足或注浆不及时，是引起地面沉降较主要的原因之一，直接影响“建筑空隙”的充填。4)在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对沉降的影响是不容忽视的。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然在其轨迹上留下一个如图3-4所示的面积，引起地面扰动。5)盾构后退。较长时间的盾构停止推进，千斤顶会因漏油而缩回，从而引起盾构后退，这样势必造成开挖面土体稳定失衡，土的内聚力减小。图3-6因盾构纠偏所造成的地层扰动示意图（2）盾构