白永學(xué)，漆泰岳，吳占瑞

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為了緩解交通擁擠問題，許多大城市開始籌劃和修建地鐵工程。在此期間，盾構(gòu)施工產(chǎn)生了很多地面塌陷事故［1－3］。地鐵線路多位于城市道路和居民區(qū)地下，地面塌陷事故發(fā)生突然、危害性大，因此引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。

李希元［4］通過調(diào)查分析上海、廣州、北京等地25起盾構(gòu)隧道施工事故發(fā)現(xiàn)，地面塌陷占事故總量的60%。地面塌陷是指巖土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地表形成塌陷坑的一種地質(zhì)現(xiàn)象［5］。目前，對(duì)巖溶塌陷和采空區(qū)地面塌陷的研究文獻(xiàn)較多［6－8］，研究的內(nèi)容也比較深入，而針對(duì)盾構(gòu)施工引發(fā)的地面塌陷研究較少，文獻(xiàn)［9－11］對(duì)部分盾構(gòu)施工引起的地面塌陷原因和形成過程進(jìn)行了分析，而對(duì)盾構(gòu)施工引起地面塌陷機(jī)理的研究則更少。

各大城市隧道施工引起地面塌陷事故頻繁發(fā)生，主要原因在于沒有從本質(zhì)上認(rèn)識(shí)城市隧道施工過程中地面塌陷事故的誘發(fā)因素、形成機(jī)制和演化規(guī)律［12］，這已成為盾構(gòu)施工所面臨的重要技術(shù)難題。砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和理論尚不成熟，筆者主要研究砂卵石層地面塌陷的演變機(jī)理。

1 成都砂卵石地層盾構(gòu)施工概況

1.1 地質(zhì)條件

成都平原地處川西平原岷江水系東南面，為侵蝕 堆積階地地貌，地勢(shì)平坦。地表多人工填筑（Q4ml）雜填土，厚度1～3m；其下主要為砂卵石土，卵石土大部分為全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al＋pl）；基巖為泥巖，埋深較深。砂卵石層主要地質(zhì)特征為：

1）卵石含量高，含量在50%～85%之間，粒徑以20～100mm為主，充填物主要為細(xì)砂和中砂。

2）卵石粒徑大，個(gè)別粒徑達(dá)到1m以上；卵石層中分布漂石，主要位于在Q3地層中，含量大致為10%～15%。

3）卵石抗壓強(qiáng)度高，普遍在55～165MPa之間。

4）卵石層中含砂量高（大致為20%～40%），而含泥量較少，屬于無黏性顆粒土。

5）卵石層中隨機(jī)分布透鏡狀砂層和粉土，力學(xué)性質(zhì)低，厚度可達(dá)2～3m。

地下水主要為卵石層中的孔隙潛水，含水豐富，滲透系數(shù)為15～40m／d，為強(qiáng)透水層。在天然狀態(tài)下，枯水期地下水位埋深3.0～6.0m，洪水期地下水位埋深2.5～4.0m，地下水位年變化幅度為1.0～3.0m。

1.2 盾構(gòu)施工方法

根據(jù)成都砂卵石層的地質(zhì)情況，地鐵1、2號(hào)線采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工［13］。砂卵石地層顆粒粒徑大，顆粒之間的摩擦系數(shù)高，刀盤切削下來的土體流動(dòng)性差，密封艙內(nèi)的碴土很難通過螺旋輸送機(jī)排出；另外，切削下來的土體松散，滲透系數(shù)高，止水效果差，地下水滲透力對(duì)開挖面的穩(wěn)定性不利；因此，必須對(duì)土艙內(nèi)的土體進(jìn)行渣土改良。添加材料一般采用由粘土、膨潤(rùn)土及發(fā)泡劑等材料制成的泥漿液，泥漿液能有效增加艙內(nèi)土體的流動(dòng)性和止水性；另外，高密度膨潤(rùn)土有較好的粘結(jié)性，并能滲入礫質(zhì)碴土的孔隙中，從而實(shí)現(xiàn)止水和固結(jié)掌子面的作用，對(duì)強(qiáng)透水性的砂卵石土中使用膨潤(rùn)土的意義重大。

為了實(shí)現(xiàn)碴土的改良，加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)配有2套碴土改良系統(tǒng)：泡沫注入系統(tǒng)和膨潤(rùn)土注入系統(tǒng)。通過雙活塞泵將泥漿和泡沫壓入刀盤前端和土艙內(nèi)，注入系統(tǒng)管路示意圖如圖1所示。

圖1 膨潤(rùn)土管路示意圖

改良渣土充滿密封艙后，在盾構(gòu)頂推力的作用下，可使切削土對(duì)開挖面形成被動(dòng)土壓力，從而與開挖面上的水土壓力相平衡，以保持開挖面的穩(wěn)定。另外，為了進(jìn)一步保證開挖面的穩(wěn)定性，減小地下水對(duì)開挖面的影響，氣壓輔助工法成為施工中必備輔助措施。

1.3 地面塌陷現(xiàn)狀

成都修建地鐵1號(hào)線時(shí)，僅人民路上就發(fā)生過數(shù)十次地面塌陷，嚴(yán)重影響城市居民的生產(chǎn)和生活，造成一定的不良社會(huì)影響。

砂卵石地層地面塌陷的特點(diǎn)主要為滯后性和突發(fā)性。通常地層內(nèi)的空洞幾個(gè)月甚至幾年后才波及到地面，表現(xiàn)為一定的滯后性；其次，當(dāng)空洞波及到地面時(shí)，在外界荷載作用下，土體自穩(wěn)能力急劇降低，往往地面塌陷事先沒有征兆，表現(xiàn)為突發(fā)性。另外，地面塌陷的塌坑體積較大，塌坑深度有時(shí)會(huì)超過塌坑寬度，因此危害性較大。

對(duì)成都地鐵1號(hào)線地面塌陷的實(shí)例調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大部分塌陷位于盾構(gòu)正上方，塌坑的形狀為壇子狀，上口小，下面大；主要因?yàn)槁访嬗幸欢ǖ某休d能力，且地表土具有弱粘聚力；這和采礦塌陷形成的塌陷漏斗形狀相似［5］。

2 砂卵石地層突發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)的突發(fā)地面塌陷主要包括3個(gè)方面：盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、開挖面失穩(wěn)超出土形成空洞和空洞向地表移動(dòng)。

2.1 開挖面失穩(wěn)

盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面失穩(wěn)主要由于支護(hù)壓力不足引起，合理的開挖面支護(hù)壓力主要取決于地質(zhì)情況、盾構(gòu)埋深、盾構(gòu)直徑、地下水位等［14］。當(dāng)開挖面的支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力時(shí)，開挖面前方土體將形成一定范圍的滑動(dòng)區(qū)域，開挖面也隨之產(chǎn)生失穩(wěn)。開挖面失穩(wěn)主要包括整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)2種情況，當(dāng)盾構(gòu)前方土體松散且埋深較淺時(shí)，開挖面表現(xiàn)出整體失穩(wěn)，如圖2（a）；當(dāng)盾構(gòu)埋深較深且土層相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，開挖面表現(xiàn)出局部失穩(wěn)，如圖2（b）。

圖2 盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)模式

2.2 開挖面失穩(wěn)后形成空洞

在砂卵石地層中，盾構(gòu)滿艙掘進(jìn)容易使壓力艙土體閉塞、渣土流動(dòng)性降低和排土困難，通常在實(shí)際施工中盾構(gòu)機(jī)土艙總是非滿艙掘進(jìn)，因而總體上表現(xiàn)出 “欠壓狀態(tài)”，這能通過土艙內(nèi)壓力傳感器的變化情況得到驗(yàn)證。施工中，中下部壓力傳感器的數(shù)值隨時(shí)發(fā)生變化，主要原因是土艙內(nèi)的土體隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，由于顆粒的擠壓作用不斷變化，所以其壓力傳感器數(shù)值隨時(shí)變化。而上部的壓力傳感器數(shù)值基本穩(wěn)定不變，壓力值反映的為氣壓值，因而該壓力傳感器處無渣土，這就驗(yàn)證了盾構(gòu)施工為非滿艙掘進(jìn)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，經(jīng)過改良的渣土具有減小摩擦、降低扭矩、抗?jié)B和保壓的作用。但由于重力作用，注入刀盤的泥漿和泡沫沿重力作用向下流淌，且盾構(gòu)施工為非滿艙掘進(jìn)，泥漿對(duì)開挖面上部土體的抗?jié)B透作用和潤(rùn)滑作用很小。因而，盾構(gòu)施工對(duì)開挖面上部擾動(dòng)大，氣體壓力對(duì)保證開挖面上部的穩(wěn)定作用也有所減小。

上述分析表明，盾構(gòu)施工基本是非滿艙狀態(tài)掘進(jìn)，這也是導(dǎo)致開挖面超出土的重要原因。砂卵石地層受壓時(shí)強(qiáng)度高、變形??；而粘聚力低，不能承受拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。當(dāng)土艙上部無土?xí)r，開挖面前上方的土體顆粒由于重力作用產(chǎn)生向下運(yùn)動(dòng)，承受向下的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變；因此，當(dāng)非滿艙掘進(jìn)時(shí)，開挖面上部的土體容易坍塌脫落，進(jìn)而涌入土艙。這是開挖面上方容易形成空洞的主要力學(xué)原因。

因此，開挖面上部土體的穩(wěn)定性控制是施工中的薄弱環(huán)節(jié)，開挖面土體失穩(wěn)后，容易在開挖面上部形成空洞。這和實(shí)際調(diào)查情況相符合。

當(dāng)盾構(gòu)因超出土而形成土層內(nèi)部空洞后。主要有以下原因可導(dǎo)致地層內(nèi)部空洞不能被注漿回填：注漿量不足；漿液向地層滲透和流失；空洞形成后離同步注漿有較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，通常至少在15h后，在此時(shí)間段空洞已向上坍塌移動(dòng)至上部地層處。

2.3 空洞上移引發(fā)突發(fā)地面塌陷

通過上述分析可以看出，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的空洞主要集中在開挖面上部。由于砂卵石具有一定的成拱作用，因而在盾構(gòu)上部形成相對(duì)穩(wěn)定的空洞。由于地下水位變化、地面荷載影響和土體強(qiáng)度逐漸減弱等作用，空洞頂部土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動(dòng)并發(fā)展到地表，最終造成盾構(gòu)掘進(jìn)后的滯后突發(fā)地面塌陷。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)滯后塌陷機(jī)理的數(shù)值計(jì)算

成都砂卵石土具有粘聚力低、離散性強(qiáng)的特點(diǎn)，盾構(gòu)施工開挖面土體容易產(chǎn)生坍塌和滑落。據(jù)此，選用能夠模擬土體顆粒平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、分離和大變形等力學(xué)現(xiàn)象的顆粒離散元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［15－16］。

砂卵石土根據(jù)密實(shí)程度分為松散砂卵石層、稍密砂卵石層、中密砂卵石層和密實(shí)砂卵石層4個(gè)亞組，由于盾構(gòu)埋深普遍在8～20m之間，因此盾構(gòu)普遍穿越的地層為稍密卵石與密實(shí)卵石層之間，其中稍密砂卵石的穩(wěn)定性較差，是盾構(gòu)施工產(chǎn)生地面塌陷的主要影響土層，因此選擇稍密砂卵石土為研究對(duì)象。在實(shí)際工程中地層表面會(huì)有厚度較小的素填土和雜填土，其對(duì)地面塌陷影響很小，因而在數(shù)值計(jì)算中忽略其作用。

地下水是影響地下工程的重要因素，有時(shí)甚至是決定性的。目前，在砂卵石地層中盾構(gòu)選型主要采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該類盾構(gòu)在施工過程中需要向土艙內(nèi)加入膨潤(rùn)土和泡沫對(duì)渣土進(jìn)行改良，從而提高渣土的止水性和抗?jié)B性，注入土艙內(nèi)的改良材料具有較好的粘結(jié)性，能滲入土體孔隙中，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)掌子面止水和固結(jié)作用。此外，盾構(gòu)施工中普遍采用氣壓輔助工法，當(dāng)氣壓大于開挖面水壓時(shí)，開挖面并無滲水現(xiàn)象，還能將開挖面土體內(nèi)的水排干，因而此種工況下地下水基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，可不考慮水的滲透影響。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)形成土層內(nèi)部空洞后，空洞會(huì)逐漸向地面發(fā)展，空洞頂部的土體的分離、坍塌及滑落過程中，地下水是處于靜止?fàn)顟B(tài)的。因此，數(shù)值計(jì)算中按照總應(yīng)力法計(jì)算，而忽略地下水滲流的影響。

3.1 大型三軸試驗(yàn)及顆粒流細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

數(shù)值計(jì)算中主要考慮穩(wěn)定性較差的稍密卵石土，應(yīng)用大型三軸試驗(yàn)得到偏應(yīng)力 軸向應(yīng)變曲線，并使用顆粒離散元法進(jìn)行三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)，從而對(duì)稍密卵石土進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，數(shù)值試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的偏應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線對(duì)比見圖3。

圖3 數(shù)值試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)力 應(yīng)變曲線比較

通過大型三軸試驗(yàn)，稍密卵石土的宏觀力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，綜合考慮內(nèi)摩擦角、變形模量、泊松比等因素影響，得到一組較為理想的稍密卵石土細(xì)觀參數(shù)（見表2）。

表1 稍密卵石的宏觀力學(xué)參數(shù)

表2 離散元的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

3.2 開挖面失穩(wěn)產(chǎn)生空洞機(jī)理的模擬

利用土壓平衡盾構(gòu)施工，開挖面支護(hù)壓力控制是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵，開挖面失穩(wěn)主要是由于盾構(gòu)機(jī)開挖面支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力所引起［17］，開挖面支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力也是產(chǎn)生土層內(nèi)部空洞的主要原因。

3.2.1 數(shù)值計(jì)算模型 在數(shù)值計(jì)算中，模型尺寸為30m×22m×15m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，采用81012個(gè)顆粒進(jìn)行模擬，模型如圖4所示。地面為自由面，模型四周采用位移約束條件，管片采用wall單元模擬。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

假設(shè)開挖面支護(hù)壓力為梯形荷載，取其中心點(diǎn)的支護(hù)壓力為代表值，并引入支護(hù)壓力比λ和靜止土壓力進(jìn)行比較［18］：

夜幕低垂，當(dāng)武成龍和樊虎拿著兩個(gè)布套進(jìn)了柳含煙和白雪的廂房，柳含煙和白雪就明白是怎么回事，因?yàn)樗齻儽凰蛠泶藭r(shí)頭上也戴著一個(gè)布套。白雪驚懼地道：“這里是安和莊對(duì)嗎？請(qǐng)?jiān)试S我見那位身穿寶藍(lán)色長(zhǎng)衫的書生。”看到武成龍和樊虎臉色驟沉她嚇得眼淚都掉下來了。

式中：σs為開挖面中心處的支護(hù)壓力，σ0為其對(duì)應(yīng)的水平靜止土壓力。

3.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）開挖面失穩(wěn)的確定 盾構(gòu)施工引起開挖面附近土體應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致周圍土體發(fā)生位移，支護(hù)壓力比與開挖面土體最大水平位移關(guān)系如圖5所示。

圖5 支護(hù)壓力比和最大水平位移的關(guān)系

從圖5中可以看出，初始階段，支護(hù)壓力比和開挖面最大水平位移成線性變化，這個(gè)階段開挖面顆粒位移變化較小，而開挖面支護(hù)壓力變化較大。

當(dāng)λ＝0.2～0.12時(shí)，開挖面支護(hù)壓力的變化幅度很小，而開挖面周圍土體位移變化幅度很大，表現(xiàn)為開挖面周圍土體的位移對(duì)支護(hù)壓力變化較敏感。

當(dāng)λ＜0.12時(shí)，在支護(hù)壓力不變的情況下，開挖面的土體位移不斷加大。在這個(gè)階段，開挖面土體發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，開挖面顆粒進(jìn)入崩塌滑落狀態(tài)。

2）支護(hù)壓力對(duì)開挖面變形的影響 不同支護(hù)壓力比對(duì)應(yīng)的開挖面橫向剖面變形見圖6；從圖中可以看出，隨著支護(hù)壓力比減小，開挖面擾動(dòng)土體范圍不斷加大，在重力方向擾動(dòng)土體范圍擴(kuò)大趨勢(shì)尤其顯著。當(dāng)開挖面失穩(wěn)后，開挖面失穩(wěn)表現(xiàn)為艙筒形狀，數(shù)值模擬結(jié)果與 Chambon等［19］、Kamata等［20］和Kirsch［21］對(duì)干砂進(jìn)行的離心模型試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖6 不同支護(hù)壓力比的開挖面橫向剖面變形圖

3）開挖面失穩(wěn)區(qū)域分析 為了更好觀察顆粒位移和土顆粒接觸力的關(guān)系，對(duì)2種圖形進(jìn)行疊加，圖7為位移接觸力疊加縱向剖面圖。從該圖中可以看出，當(dāng)λ＝0.5～0.2時(shí)，開挖面的接觸力變化不大；當(dāng)λ＝0.2～0.15時(shí)，開挖面前方擾動(dòng)區(qū)域加大趨勢(shì)明顯，并向上方逐漸延伸；當(dāng)λ＝0.12時(shí)，此時(shí)開挖面已經(jīng)失穩(wěn)，位移大于0.1m的區(qū)域，顆粒間的接觸力極低，該區(qū)域的土體孔隙率上升、密度下降、力學(xué)性質(zhì)也大大降低，因而可以判定該區(qū)域是開挖面失穩(wěn)區(qū)。

開挖面失穩(wěn)后土方超挖、形成空洞已經(jīng)不可避免，超挖的范圍為盾構(gòu)上方2～3m范圍，在這種情況下如不及時(shí)增加支護(hù)壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)過后將在盾構(gòu)上方出現(xiàn)較大空洞。

4）土拱作用分析 從圖7中可以看出，位移為0.05～0.1m之間的土體接觸力較小，是接觸力變化區(qū)域。開挖面上方位移小于0.05m范圍內(nèi)的土體，由于重力作用向下移動(dòng)，顆粒之間相互擠壓和摩擦，形成有一定承載能力的土拱。在土拱支護(hù)作用下，即使開挖面失穩(wěn)形成土層內(nèi)部空洞，也不會(huì)立刻引起地面塌陷，這是引發(fā)滯后地面塌陷的重要原因。

3.3 空洞上移引起地面塌陷的數(shù)值模擬

當(dāng)盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成土層內(nèi)部空洞后，空洞周圍土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動(dòng)并發(fā)展到地表，從而造成盾構(gòu)掘進(jìn)后的滯后突發(fā)地面塌陷，筆者利用顆粒離散元法模擬空洞坍塌變形和發(fā)展過程。

顆粒離散元法以單個(gè)顆粒為基本單元，對(duì)每個(gè)顆粒建立運(yùn)動(dòng)方程，應(yīng)用力位移定律和牛頓第二定律，利用差分法求解一個(gè)微小時(shí)段的速度和位移，并對(duì)時(shí)域進(jìn)行積分，由此計(jì)算出顆粒間分離和大變形等問題［22－23］。在計(jì)算中，雖然計(jì)算步不是真實(shí)時(shí)間，但可以表明力位移的變化規(guī)律，因此，可以通過不同計(jì)算步來觀察滯后塌陷的整個(gè)過程。

3.3.1 數(shù)值計(jì)算模型 模型尺寸為30m×22m×3m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，按照超挖25m3／環(huán)的情況模擬空洞，每環(huán)長(zhǎng)度為1.5m，根據(jù)成都砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，空洞主要集中在盾構(gòu)頂部，并呈中間高度大并向兩端逐漸減小的趨勢(shì)分布，模型采用34016個(gè)顆粒進(jìn)行數(shù)值分析，顆粒的細(xì)觀參數(shù)見表2。

3.3.2 滯后塌陷地層變形分析 盾構(gòu)上方空洞附近土體位移變化情況和坍塌破壞過程見圖8。

在空洞形成初期，空洞上方的土體緩慢向洞內(nèi)移動(dòng)，與臨空洞面距離越遠(yuǎn)，土體位移逐漸遞減。由于自重作用，洞內(nèi)臨空面的顆粒位移不斷加大，當(dāng)顆粒之間的重力大于相互間的摩擦力，顆粒逐漸向空洞內(nèi)掉落。向洞內(nèi)掉落的顆粒堆積在空洞的底部，經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整重新達(dá)到平衡狀態(tài)；掉落的顆粒能夠給空洞的側(cè)面顆粒提供一定的側(cè)向壓力，從而使空洞側(cè)面的顆粒也達(dá)到平衡狀態(tài)。與此往復(fù)，空洞就像一個(gè)移動(dòng)的不規(guī)則的水泡由地層深處逐漸移動(dòng)至地層表面，最終引起地面塌陷。

原狀地層比較密實(shí)，而掉落底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動(dòng)，空洞體積有所減小。數(shù)值計(jì)算的這種現(xiàn)象和礦山開采的冒落巖塊碎脹充填論［5］的結(jié)論是一致的。冒落巖塊碎脹充填論認(rèn)為開采空間引起覆巖冒落，冒落巖體破碎后孔隙度加大，膨脹起來充填采空區(qū)，從而限制了冒落的發(fā)展，使之趨于穩(wěn)定。這也是超出土量比較少，空洞只能擾動(dòng)地層而不能發(fā)展到地面的原因。

3.3.3 滯后塌陷土體接觸力演變分析 空洞向地面移動(dòng)的過程，地層的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了較大變化。顆粒離散元主要用法向接觸力和切向接觸力描述地層內(nèi)顆粒的受力狀況，法向接觸力是由于顆粒之間的相互擠壓而引起，切向接觸力是由于顆粒之間的相互摩擦而產(chǎn)生。因此主要從法向接觸力線圖和切向接觸力線圖來闡述土體應(yīng)力變化過程。

1）切向接觸力的演變 圖9是空洞上移過程的切向接觸力線圖，通過該圖可以清楚的看出，隨著土體向洞內(nèi)塌落，洞內(nèi)臨空面上方形成一定的松散帶；而空洞外側(cè)一定范圍的土體向洞內(nèi)擠入，加大了顆粒之間的相互運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，因而切向接觸力明顯加大，并呈現(xiàn)拱狀，表現(xiàn)出一定的土拱效應(yīng)。

隨著空洞內(nèi)上方的土體不斷掉入空洞底部，空洞不斷上移；當(dāng)空洞上移一定的距離以后，土拱效應(yīng)逐漸消失，從而引起地面突發(fā)塌陷。

2）法向接觸力的演變 圖10是空洞上移過程的法向接觸力線圖。土拱是用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象，這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮而實(shí)現(xiàn)的［24］。通過對(duì)比切向接觸力線圖和法向接觸力線圖可以看出，空洞周圍土體的切向力增大趨勢(shì)明顯，土體顆粒之間通過相互摩擦提高了承載力，從而起到了土拱的作用；而法向力變化相對(duì)較小。然而，顆粒之間的法向接觸力在土拱圈附近呈明顯方向性，法向接觸力和拱圈的切線方向基本一致，這也是土拱作用的體現(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后地面塌陷的機(jī)理主要包括：盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、開挖面失穩(wěn)超出土形成空洞和空洞向地表移動(dòng)3個(gè)方面。

圖9 切向接觸力線圖演變過程

2）盾構(gòu)欠壓掘進(jìn)時(shí)，開挖面土體松動(dòng)現(xiàn)象明顯，開挖面前方的松動(dòng)區(qū)形狀基本為楔形體，開挖面上方滑動(dòng)區(qū)域的形狀基本符合三維艙筒理論滑動(dòng)面假設(shè)。

3）隨著支護(hù)壓力比減小，開挖面前方受擾動(dòng)區(qū)域變大，支護(hù)壓力比減小到0.12時(shí)，開挖面前方土層位移為0.1m以上的顆粒之間接觸力很低，該區(qū)域土體發(fā)生失穩(wěn)滑動(dòng)，開挖面顆粒進(jìn)入崩塌滑落狀態(tài)，將形成一定范圍的空洞。

4）滯后塌陷的顆粒接觸線力演變過程表明，隨著空洞的向地表移動(dòng)，空洞上方的成拱效應(yīng)較為明顯。

圖10 法向接觸力線圖演變過程

5）由于土拱作用的存在，盾構(gòu)雖然超挖形成空洞，但并不會(huì)立即反應(yīng)到地面。隨著時(shí)間的推移和土體強(qiáng)度的弱化效應(yīng)，空洞會(huì)逐漸反應(yīng)到地面。

6）原狀地層比較密實(shí)，而掉落空洞底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動(dòng)，空洞的體積有所減小；這也是超出土量比較少時(shí)，空洞只能擾動(dòng)地層而不能發(fā)展到地面的原因。

［1］羅松，張浩然.成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后塌陷防控措施探討［J］.隧道建設(shè)，2010，30（3）：317－320.Luo S，Zhang H R.Discussion on prevention and control of delayed settlement induced by shield tunneling in waterrich sandy cobble stratum in Chengdu ［J］.Tunnel Construction，2010，30（3）：317－320.

［2］侯艷娟，張頂立，李鵬飛.北京地鐵施工安全事故分析及防治對(duì)策［J］.北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，33（3）：52－59.Hou Y J，Zhang D L，Li P F.Analysis and control measures of safety accidents in Beijing subway construction［J］.Journal of Beijing Jiaotong University，2009，33（3）：52－59.

［3］范子福，李鋒，杜勝華.川氣東送武漢穿江盾構(gòu)隧道地面塌陷勘察［J］.人民長(zhǎng)江.2009，40（5）：77－79.

［4］李希元，閆靜雅.盾構(gòu)隧道施工工程事故的原因與對(duì)策［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2005，1（6）：965－971.Li X Y，Yan J Y.Reasons and countermeasures of accidents happened during the shield tunnel construction［J］. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（6）：965－971.

［5］紀(jì)萬斌，林景星，齊文同.塌陷與建筑［M］.北京：地震出版社，1998.

［6］賀可強(qiáng)，王濱，萬繼濤.棗莊巖溶塌陷形成機(jī)制與致塌模型的研究［J］.巖土力學(xué)，2002，23（5）：564－569.He K Q，Wang B，Wan J T.Study on forming mechanism of Zaozhuang karstcollapse and collapse model［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23（5）：564－569.

［7］王濱，賀可強(qiáng).巖溶塌陷臨界土洞的極限平衡高度公式［J］.巖土力學(xué)，2006，27（3）：458－462.Wang B，He K Q.Study on limit equilibrium height expression of critical soil cave of karstcollapse ［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（3）：458－462.

［8］劉玉成，曹樹剛，劉延保.可描述地表沉陷動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間函數(shù)模型探討［J］.巖土力學(xué)，2010，31（3）：925－931.Liu Y C，Cao S G，Liu Y B.Discussion on some time functions for describing dynamic course of surface subsidence due to mining ［J］. Rock and Soil Mechanics，2010，31（3）：925－931.

［9］李靖坤，李術(shù)希.地鐵盾構(gòu)隧道地表塌陷分析與對(duì)策［J］.長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2007，8（2）：211－212.

［10］劉仁智.EPB盾構(gòu)在地層掘進(jìn)出現(xiàn)地表塌陷分析及處理［J］.西部探礦工程，2005（10）：99－100.

［11］馬漢春，王旭，由偉，等.某地鐵隧道盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段地面塌陷原因分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47（3）：75－80.Ma H C，Wang X，You W，et al.Cause analysis on the ground collapses during the launching period of a metro shield［J］.Modern Tunnelling Technology，2010，47（3）：75－80.

［12］張成平，張頂立，王夢(mèng)恕.城市隧道施工誘發(fā)的地面塌陷災(zāi)變機(jī)制及其控制［J］.巖土力學(xué)，2010，31（Sup1）：303－309.Zhang C P，Zhang D L，Wang M S.Catastrophe mechanism and control technology of ground collapse induced by urban tunneling ［J］. Rock and SoilMechanics，2010，31（Sup1）：303－309.

［13］楊書江，孫謀.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［14］朱偉，秦建設(shè)，盧廷浩.砂土中盾構(gòu)開挖面變形與破壞數(shù)值計(jì)算研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（8）：897－902.Zhu W，Qin J S，Lu T H.Numerical study on face movement and collapse around shield tunnels in sand［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005，27（8）：897－902.

［15］王明年，魏龍海，劉大剛.卵石地層中地下鐵道施工力學(xué)的顆粒離散元法模擬技術(shù)及應(yīng)用［M］.成都：西南交通大學(xué)出版社，2010.

［16］ASM Masud Karim.Three－dimensional discrete element modeling of tunneling in sand［D］.Edmonton：University of Alberta，2007.

［17］王明年，魏龍海.成都地鐵卵石層中盾構(gòu)施工開挖面穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2011，32（1）：99－105.Wang M N，Wei L H.Study of face stability of cobblesoil shield tunneling at Chengdu metro［J］.Rock and Soil Mechanics，2011，32（1）：99－105.

［18］黃正榮，朱偉.淺埋砂土中盾構(gòu)法盾構(gòu)開挖面極限支護(hù)壓力及穩(wěn)定研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（11）：2005－2009.Huang Z R，Zhu W.Study on limit supporting pressure and stabilization of excavation face for shallow shield tunnels in sand ［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（11）：2005－2009.

［19］Chambon P，CortéJ F.Shallow tunnel in cohesionless soil： Stability of tunnel face ［J］. Journal of Geotechnical Engineering，1994，120（7）：1148－1165.

［20］Kamata H，Masimo H.Centrifuge model test of tunnel face reinforcement by bolting ［J］.Tunneling and Underground Space Technology，2003，18（2）：205－212.

［21］Kjrsch A.Experimental and numerical investigation of the face stability of shallow tunnels in sand ［C］／／Proceedings of the ITA－AITES World Tunnel Congress，Kocsonya，2009.

［22］Itasca Consulting Group Inc.PFC3D（particle flow code in 3dimensions）theory and background ［R］.Minnesota，USA：Itasca Consulting Group Inc，2002.

［23］ASM Masud Karim.Three－dimensional discrete element modeling of tunneling in sand［D］.Edmonton：University of Alberta，2007.

［24］蔣波，應(yīng)宏偉，謝康和.基于土拱效應(yīng)的筒艙土壓力研究［J］.科技通報(bào)，2005，21（5）：624－632.Jiang B，Ying H W，Xie K H.Study on earth pressure on silos based on soil arching［J］.Bulletin of Science and Technology，2005，21（5）：624－632.