盾构施工工艺诱发地表沉降规律

盾构施工工艺诱发地表沉降规律

胡传鹏

中国电建市政集团有限公司   天津     518117

摘要：随着城市化进程的加剧，仅地面交通已难以缓解交通拥塞的现象，于是城市地铁建设工程开始大量涌现，但同时也带来了新的工程问题，如地铁施工中对地层的扰动，对地表房屋建筑、沥青路面、城市地下管网线等基础设施的扰动，严重者会造成临近建筑物的倒塌、城市水电及交通系统的瘫痪等，因此，施工工艺的控制是保障城市正常运行的决定性因素，量化分析和研究盾构工艺变化情况下对地表沉降的影响规律是十分重要的。

关键词：地表沉降；盾构施工工艺；间隙参数

一、间隙参数的取值探讨

为了分析上述因素对地表沉降的影响，很多学者进行了理论分析和简化模型来计算地表的空间或平面沉降及水平位移，将三维的隧道变形，主要包括向开挖面处的弹塑性变形、盾构机周围的超挖、以及盾构机和衬砌之间的物理间隙，在平面上等效为一个二维的空隙，提出间隙参数的概念，根据理论分析模型，得到了不排水条件下间隙参数的计算公式：

式中：

Gp为物理间隙；U3D∗为隧道开挖面的三维弹塑性变形；w为工艺水平数。

上述公式主要是基于弹性半空间，均匀、各向同性、轴对称圆形断面平面应变问题理论建立起来的，考虑了隧道的泊松效应、椭圆化变形、地层损失率v、间隙参数g等主要因素；但从式中（1）可见，盾尾衬砌壁后真正引起地表沉降的间隙参数中，并未考虑盾尾注浆对间隙的填充作用，过大地考虑了间隙量，但同时又未能反应盾构施工中因盾构机主体偏心引起的超挖间隙，无法对盾构姿态的控制，即超挖量的控制进行分析计算。

综上所述，工艺因素对地表沉降的影响极为复杂，本文结合工程实际，对式（1）中提出的工艺影响因素对间隙参数的影响概括为以下3个主要方面：①注浆填充率β；②开挖面支护压力比λ；③偏心率κ，以下将详细探讨这3个参数的涵义。

1.1注浆填充率β

由于盾尾物理间隙的存在，设计上必须采用大于该间隙量在沿着一环管片的纵向长度范围内的注浆量来消除这一间隙，一般注浆率为物理间隙的1.2～2.5倍，否则将会引起地面产生较大的沉降，盾尾注浆对间隙参数的消减作用比较复杂，很难通过理论分析进行量化计算，主要原因是：①土层不均匀性使得浆液充填盾尾间隙时产生不均匀现象；②浆液在搅拌传输过程中的损失和由于注浆压力不稳定产生的压浆不均匀；③部分浆液出漏造成浆液流失；④浆液硬化固结后产生体积收缩等。

假定在一定的设计注浆率下其充填率为β，在不同的注浆率下，注浆率越高，β越高，根据工程实际可知，其取值范围一般为β=60%～90%，则拱顶处剩余未充填的等效间隙厚度为

1.2偏心率κ

由于地层岩面起伏较大，隧道断面内出现风化或洞体填充物的处理与周边岩层差异较大，在此情况下，刀盘受力和掘进速度不均，姿态不易控制，易出现盾构机头下垂、机头向上的蛇形、偏离轴线等情况，为了保证盾构与隧道设计轴线同心前行，必须进行及时的纠偏，操作过程中难以避免超挖现象，过量的超挖会对土体产生很大的扰动而造成地面沉降失控。

盾构机主体偏心距δ，可以通过在隧道开挖面周围布置监测点，测量各点的水平方向位移SH和垂直方向位移SV来计算，其取值应根据洞周监测点处最大值为参考；也可以通过盾构的纠偏装置来测量盾构机的偏心率来计算偏心距，假设盾尾相对于盾头的偏心率为κ，盾构机主体长度为L，则偏心距δ

可以下式表示

盾构发生偏心的方向很难确定，为了综合分析盾构偏心超挖所占据扰动区域的厚度，故根据统计学原理，通过计算可以得到超挖区域的面积为

式中：

由于盾构偏心方向可能与水平向以任何夹角的形式存在，且其随着盾构的推进，这种超挖的间隙存在是动态的，为了综合表示这种动态间隙的厚度，本文假定这部分间隙均匀分布于盾构外壳的周围，将上述超挖间隙面积等效为一大于衬砌外径的环形区域，则这部分均匀化的厚度∆可以进行如下的假设和计算。

假定该环形区域外径相对于原轴心的半径为

则由于盾构偏心超挖引起的间隙g2可以用下式表示为

实际工程中，盾构机时刻都要进行纠偏操作，工程实际表明盾构偏心率约在κ=0～4%之间。

二、地表沉降量化分析

（1）假定盾构不发生偏心且开挖面支护压力与原位土压力完全平衡，注浆填充率β分别为60%、70%、80%、90%、100%等进行计算。

随着注浆填充效果的减小，盾构间隙增大，地面沉降将呈线性增大，假定初始注浆填充率为90%，则当注浆填充率每减小10%，地面最大沉降将增大到原来的1.5倍，工程经验表明，一般注浆率为120%～250%之间，由于其他因素的存在，即使注浆率很高，注浆填充效果最好也仅能达到90%，因此，注浆质量的好坏直接决定着地表沉降的控制量大小。

（2）假定盾构不发生偏心且盾尾注浆完全填充空隙，支护压力比λ分别为0.6、0.7、0.8、0.9、1.0等进行计算。

支护压力比的变化反映了盾构施工过程中开挖面土体的平衡状态，在一定范围内，支护压力比越大对地表的沉降控制程度越好，随着支护压力系数的增大，地面沉降的减小率逐渐趋于平衡，表明支护压力持续增大后，地面不仅不沉降，反而有可能发生隆起现象；如果支护压力系数同样幅度减小，则地面沉降将急剧增大甚至导致开挖面失稳而产生地面塌陷。

（3）假定开挖面支护压力与原位土压力完全平衡，盾尾注浆完全填充空隙，盾构偏心率分别为0、0.1%、0.5%、1.0%、2.0%等5组进行计算。

随着盾构机偏心率的增大，超挖现象加剧了地面沉降的速率，相比填充率和开挖面支护压力以相同的比例的增加引起的地表沉降增加速率更快，由此说明，盾构超挖对地表沉降的影响非常显著，盾构施工过程中注意纠偏，防止过量超挖是盾构施工中控制地表沉降的决定性因素。

三、结论

将间隙参数归纳为注浆填充率β，支护压力比λ，偏心超挖率κ等3个参数的影响，对其进行地表沉降规律的量化分析表明，不同的工艺参数对地表沉降影响很大，偏心超挖对地表沉降的影响最大，注浆填充率是控制地表沉降的关键因素，开挖面支护压力比次之，因此，严格控制盾构姿态和注浆效果对地表沉降控制尤为重要。

参考文献：

[1]盾构施工对地表及建筑物沉降影响分析[J].黎春林,缪林昌,陈静.山东理工大学学报(自然科学版).2017(01)

[2]盾构隧道上穿已建隧道三维数值模拟分析[J].曹林波.城市住宅.2017(02)

[3]岩溶地层盾构施工引起地表沉降的规律及预测研究[J].崔庆龙.现代隧道技术.2021(S2)

[4]支护力对盾构隧道地表沉降影响的模型与验证[J].乔丽苹,苏国峰,王者超,刘欣然,李崴.水利与建筑工程学报.2022(01)