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盾构下穿地表沉降规律研究及预测模型研究

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘建政1 王君霞2

[导读] 摘要：盾构法施工主要依靠千斤顶推力向前移动刀盘切削土体，因其集开挖、排土、推进和管片拼装一体化施工、自动化程度高，掘进过程中对周围环境影响小，施工速度快等优点成为近几年各个城市轨道交通隧道最常用的施工方法，但盾构掘进不可避免的对地层产生一定扰动，造成地层损失以及地表变形，进而导致上覆建（构）筑物的安全与运营。

        1.山东科技大学；2.土木工程与建筑学院山东青岛 266590
        摘要：盾构法施工主要依靠千斤顶推力向前移动刀盘切削土体，因其集开挖、排土、推进和管片拼装一体化施工、自动化程度高，掘进过程中对周围环境影响小，施工速度快等优点成为近几年各个城市轨道交通隧道最常用的施工方法，但盾构掘进不可避免的对地层产生一定扰动，造成地层损失以及地表变形，进而导致上覆建（构）筑物的安全与运营。本文在分析长沙轨道交通3号线施工难点的基础上，通过研究盾构施工作用，进一步明确盾构掘进过程中地表变形特征，并通过Mindlin解推导了盾构施工期间地表沉降及深层土体水平位移的解析解，求解卵石流塑地层盾构下穿铁路桥地表沉降预测模型。
        1.盾构掘进过程力学模型
        盾构隧道施工推进过程中，对周围地层的扰动力主要分为盾构开挖面正面附加推力q、盾壳与周围土体摩擦力f、盾尾注浆压力p。盾构沿x轴正方向水平掘进，开挖面位于x=0处的yoz平面，盾构外径为D=2R，长度为L，隧道轴线到地表净距为H。在盾构掘进施工过程中，为了便于分析其施工应力对地层变形的影响，进行如下假设：
        （1）土体不排水且为线弹性半无限空间。
        （2）盾构掘进过程仅考虑空间位置变化，不考虑时间效应。
        （3）对地层变形计算只考虑盾构掘进施工影响，扰动土体固结及浆液固结导致地层变形不在本章节计算之内。
        （4）掘进过程，盾构机保持水平，不考虑盾构姿态变化的情况。
        （5）盾尾注浆压力p沿管片圆周径向均匀分布，作用范围为盾尾后方1.5 m，即一环管片宽度。
        2. 盾构下穿铁路桥地表沉降模型预测
        长沙轨道交通3号线9标下穿京广铁路桥段区间由上至下依次为杂填土、粉质粘土、细砂、卵石、强风化板岩，中风化板岩。隧道采用土压平衡式盾构机施工，总长L=9.4m，管片为预制装配式钢筋混凝土结构，其宽度为1.5m，外径D=6.0m，厚度为0.3m。
        计算参数取值如下：隧道中心埋深H=21.5m，土体加权平均剪切模量G =12MPa，重度γ =19.5kN/m3，泊松比为μ=0.28，粘聚力c =10kPa，内摩擦角φ=30°，静止侧向土压力系数K0=0.52，由于卵石流塑不均匀地层粘度较高，残余摩阻力与极限摩阻力比βs=0.9，盾壳与周围土体界面有效内摩擦角取值为δ’=6.5°，不排水弹性模量Eu=27MPa，盾构开挖面附加推力q=20kPa，盾壳与周围土体摩擦力f=80kPa，盾尾同步注浆压力p=200kPa，结合本工程盾构施工的参数监控数据等效土体损失参数g=30mm。
        2.1 纵向地表变形计算
        图2.1为盾构隧道轴线纵向地表变形的计算值和实测值情况，可以看出：①盾壳摩擦力引起的地表变形沿原点（刀盘位置）呈反对称分布，最大隆起值出现在开挖面前方10m处，为1.193mm，最大沉降值对应出现在开挖面后方10m处。
        ②开挖面推力引起的地表变形近似沿盾壳中央x=-5m处呈反对称分布，在其前方呈现隆起，在其后方形成沉降，最大地表隆起值为3.161mm。
        ③盾尾注浆压力引起地表发生一定隆起，最大隆起值出现在x=-10m处，即管片脱出盾壳位置，沿该位置向两侧地表隆起逐渐减小，呈对称分布。
        ④总地表变形在开挖面前方8m~25m范围呈现轻微隆起，在开挖面前方5m至后方20m呈现急速沉降阶段，在开挖面后方30m后变形基本平稳。

        图2.1 盾构纵向地表变形曲线
        2.2 横向地表变形计算
        卵石流塑地层盾构施工受开挖面不均匀附加推力、盾壳不均匀摩擦力、盾尾间隙差异的影响，会引起横向地表变形发生变形。分别做出x=10m、-10m、-20m断面处的横向地表变形曲线。

        图2.2 盾构横向地表变形曲线（x=10m）
        由图2.2开挖面前方10m处的地表变形可知，①盾壳摩擦力、开挖面附加推力、盾尾注浆压力引起刀盘前方地表轻微隆起，在隧道中心线处隆起值最大，沿隧道两侧逐渐减小；其中盾壳摩擦力相对稳定，而开挖面推力及盾尾注浆压力与现场掘进控制技术紧密相关，易产生波动。
        ②盾壳摩擦力与盾尾注浆压力对地表变形影响较小，开挖面推力所引起的地表变形与地层损失引起地表变形值较大，总地层变形呈现出隧道中央地表隆起、两侧沉降的趋势，且地表变形呈现一定的对称性。

        图2.3 盾构横向地表变形曲线
        由图2.3开挖面后方10m、20m处的地表变形可知，①盾尾注浆压力引起该两断面地表隆起，在x=-10m断面隆起值最大，是由于盾尾同步注浆压力作用于盾尾x=-9.25m后1环管片（1.5m）区域，其作用力中心恰好位于x=-10m断面。
        ②开挖面推力及地层损失因素对地表变形特征起着重要影响，其中地层损失引起的地表沉降分别占两断面总沉降量的86.7%和83.6%，是地层沉降的决定性因素。
        ③两断面总地表沉降槽形状趋势类似，近似呈正态分布，较好的反映了盾构隧道施工地层对称变形的特征。
        3.结论
        本章首先介绍了长沙轨道交通3号线一期工程盾构下穿铁路桥的工程概况，而后研究了盾构施工力学行为及其作用机理，通过Mindlin解分析了3号线盾构施工地层变形规律，得到了盾构施工地表预测模型。主要结论有：
        （1）长沙轨道交通3号线一期工程下穿京广铁路桥铁路桥区间存在上软下硬地层，且区间临近浏阳河软土地质，盾构穿越过程地表变形及周围建（构）筑物稳定性情况较复杂，对施工扰动敏感，需进行力学行为与作用机理分析。
        （2）盾构施工引起的地层变形在隧道纵向上开挖面前方8m~25m范围呈现轻微隆起，在开挖面前方5m至后方20m呈现急速沉降阶段，在开挖面后方30m后变形基本平稳。横向上沿隧道中心呈正态分布，具有对称性特征。
        （3）地层损失和开挖面支护力是诱发盾构施工地层沉降的最主要因素，其地层损失引起的地表沉降分别占两断面总沉降量的86.7%和83.6%。
        参考文献：
        [1] 魏纲，周杨侃. 随机介质理论预测近距离平行盾构引起的地表沉降[J]. 岩土力学，2016，37（S2）：113-119.
        [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]. 岩石力学和工程学报，2006，25（增1）：3317-3323.
        [3] 甘鹏路. 富水软弱地层浅埋暗挖隧道地层变形规律及预测研究[D].浙江大学，2016.