曹文劍

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院， 重慶 400000）

0 引言

在城市地鐵和或者交通隧道中，為了避免爆破開挖振動(dòng)對(duì)市政建筑和道路密集區(qū)域造成較大影響，盾構(gòu)法成為城市隧道建設(shè)的主要方法。對(duì)于地下巖體而言，開挖之前處于“三相”穩(wěn)定的狀態(tài)，當(dāng)盾構(gòu)開挖之后難免會(huì)造成地面產(chǎn)生一定的沉降[1]。關(guān)于盾構(gòu)法造成的地面沉降和變形是否會(huì)造成市政建筑的結(jié)構(gòu)受損，是目前市政隧道盾構(gòu)法急需解決的問(wèn)題。

1 盾構(gòu)隧道地面沉降規(guī)律

通過(guò)對(duì)市政隧道盾構(gòu)法開挖的全過(guò)程展開研究和分析。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)法造成地面沉降主要分為五個(gè)過(guò)程，即盾構(gòu)到達(dá)前沉降、盾構(gòu)到達(dá)時(shí)沉降、盾構(gòu)通過(guò)時(shí)沉降、盾尾間隙沉降以及后續(xù)沉降[2]?？傮w而言，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)之前和盾尾間隙過(guò)程的沉降速率最大，各階段的沉降主要規(guī)律如下。

1.1 盾構(gòu)到達(dá)前的地層沉降

首先在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)之前，雖然沉降點(diǎn)下部的巖體并沒(méi)有被開挖，但是地下巖體的開挖會(huì)破壞地下巖體的整體穩(wěn)定性。開挖卸荷勢(shì)必會(huì)對(duì)附近一定區(qū)域內(nèi)的巖體造成開挖卸荷擾動(dòng)。研究表明，盾構(gòu)開挖，能夠?qū)﹂_挖掌子面后方約10m～15m以內(nèi)的巖體產(chǎn)生變形。與此同時(shí)在地下水的共同作用下，就會(huì)造成地表有效應(yīng)力減少進(jìn)而發(fā)生固結(jié)沉降。

1.2 盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地層沉降

當(dāng)掌子面持續(xù)開挖推進(jìn)至沉降點(diǎn)時(shí)，同樣也會(huì)造成地面的沉降或者隆起。在盾構(gòu)開挖過(guò)程中，雖然盾構(gòu)壓力倉(cāng)會(huì)通過(guò)給開挖圍巖施加相應(yīng)的壓力來(lái)維持土體的平衡，但是很難做到完全和開挖之前相同的壓力狀態(tài)，因此就會(huì)造成地面的沉降或隆起。

1.3 盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)的沉降

盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)時(shí)會(huì)造成由于開挖卸荷產(chǎn)生的開挖巖體的整體剪切滑動(dòng)。這主要是由于開挖盾構(gòu)機(jī)的切口和測(cè)量點(diǎn)之間存在著空隙，在地表建筑的重力和巖體構(gòu)造力作用下會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移，發(fā)生剪切滑動(dòng)。通過(guò)研究表明，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的位移占總位移的絕大多數(shù)，約為總數(shù)的35%～40%。

1.4 盾尾間隙沉降

當(dāng)盾構(gòu)開挖完成之后，測(cè)量點(diǎn)仍然會(huì)產(chǎn)生一定的位移和沉降。通過(guò)研究表明，盾構(gòu)機(jī)的影響范圍為盾尾后方約20m 范圍內(nèi)。造成盾尾間隙沉降只要是由于盾尾的管徑一般會(huì)小于盾構(gòu)機(jī)開挖的洞徑，這樣就會(huì)在土體和管壁之間存在間隙，如果注漿不及時(shí)和不足時(shí)便會(huì)造成測(cè)量點(diǎn)的沉降。

1.5 后續(xù)沉降

在盾構(gòu)完成之后，地面依然會(huì)產(chǎn)生一定的沉降和變形。統(tǒng)計(jì)表明這一過(guò)程的沉降約占總變形量的10%左右。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)觀察分析結(jié)果顯示，造成這一變形主要是由于盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出隧道的一周的時(shí)間之內(nèi)，隧道圍巖會(huì)產(chǎn)生地應(yīng)力重分布，這一個(gè)過(guò)程相對(duì)而言比較緩慢。圍巖在地面的建筑物結(jié)構(gòu)作用和汽車荷載的沖擊作用下，發(fā)生進(jìn)一步的固結(jié)沉降以及蠕變沉降。

2 地面沉降的影響范圍

對(duì)于盾構(gòu)開挖法而言，地下圍巖的開挖量較大，會(huì)產(chǎn)生較大的圍巖開挖卸荷效應(yīng)。在盾構(gòu)機(jī)的持續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，地下圍巖的卸荷應(yīng)力場(chǎng)是以掌子面為中心展開的。這也就造成了地面沉降是以盾構(gòu)機(jī)為中心呈三維擴(kuò)散分布的。這樣一個(gè)卸荷應(yīng)力場(chǎng)是隨著盾構(gòu)機(jī)掌子面推進(jìn)而改變的。關(guān)于盾構(gòu)機(jī)開挖地面沉降的影響范圍的研究，目前主要是采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)總結(jié)分析出來(lái)的。目前最為常見的經(jīng)驗(yàn)公式為Peck 經(jīng)典公式。這一公式的理論是基于傳統(tǒng)的巖土力理論而得出，即盾構(gòu)機(jī)每開挖一個(gè)進(jìn)尺的巖體都會(huì)產(chǎn)生一定的地層損失，地下巖體中失去一塊土體，這樣就會(huì)造成上部的巖體在不考慮土體排水固結(jié)和蠕變的作用下，受到自身重力作用發(fā)生向下位移從而產(chǎn)生沉降。通過(guò)大量的研究分析，指出這一沉降在隧道開挖軸線方向上呈現(xiàn)出了近似正態(tài)分布曲線的分布規(guī)律[3]。另外通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算表明，盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降沿縱向影響范圍，在盾構(gòu)前方約 D + Htg45o范圍內(nèi)( D 為盾構(gòu)直徑，H 為地表至盾構(gòu)底的深度)。同時(shí)在隧道開挖的縱向方面，影響范圍為D/ 4 + Hctg45o范圍內(nèi)。

3 地面沉降的安全性判斷與控制

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)施工造成的地面沉降的影響范圍和沉降值的大小，取決于開挖地區(qū)的地質(zhì)和水文情況。對(duì)于不同城市隧道開挖地區(qū)的工程的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道埋深、上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基變形的適應(yīng)能力和使用要求的不同，地面沉降也會(huì)具有非常大的差異和不同。因此，需要針對(duì)盾構(gòu)開挖的施工造成的地面沉降的安全進(jìn)行判斷和控制。

盾構(gòu)開挖地面沉降的安全判斷，首先需要對(duì)隧道穿越區(qū)間的地面建(構(gòu))筑物和地下管線的布設(shè)情況進(jìn)行調(diào)查，通過(guò)綜合考慮這些因素之后進(jìn)行判斷。目前關(guān)于我國(guó)的隧道盾構(gòu)開挖造成的地面沉降的安全閾值以及安全判斷標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有出具一個(gè)明確的具體指標(biāo)或允許值。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)的施工管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析得出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值，目前普遍采用的安全沉降值認(rèn)為盾構(gòu)開挖造成的地面沉降安全范圍為+10mm ～ -30mm 以內(nèi)。但是這一工程經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并不能作為盾構(gòu)地面沉降的科學(xué)判斷標(biāo)準(zhǔn)。如上文所述，不同的地質(zhì)情況其沉降安全值是不同的。因此需要進(jìn)行針對(duì)性的區(qū)別對(duì)待，科學(xué)、合理且經(jīng)濟(jì)的判斷出盾構(gòu)開挖沉降的安全性控制標(biāo)準(zhǔn)。

總的來(lái)說(shuō)，地面沉降的安全判斷標(biāo)準(zhǔn)的主要原則是：通過(guò)對(duì)地表的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)隧道圍巖整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行綜合的考慮判斷。通過(guò)采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，來(lái)加固周圍巖土體的穩(wěn)定，阻止地面繼續(xù)沉降，防止水土流失以及確保地表建筑結(jié)構(gòu)的安全。

4 地表沉降的處置方法

對(duì)于地表沉降的預(yù)防和治理而言，同樣需要根據(jù)盾構(gòu)開挖的五個(gè)影響過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性的處理。根據(jù)盾構(gòu)法不同階段造成的地表沉降的規(guī)律，采取針對(duì)性的處理措施進(jìn)行地面和圍巖加固的處理。目前，盾構(gòu)法造成的地面沉降的主要處理措施有注漿、錨桿、鋼板樁、旋噴樁、攪拌樁加固，采用凍結(jié)法施工或素混凝土墻等等。通過(guò)這些方法的處置，可以有效的緩解地面沉降問(wèn)題，防止由于地面沉降變形造成隧道結(jié)構(gòu)和附近建筑結(jié)構(gòu)的損傷。在實(shí)際的盾構(gòu)法隧道施工過(guò)程中，需要綜合考慮各種因素，綜合設(shè)置出地面允許的最小沉降值，并以此為控制標(biāo)準(zhǔn)。一旦地面沉降達(dá)到預(yù)定安全值的60%時(shí)，據(jù)需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)地面沉降的監(jiān)控量測(cè)工作，密切監(jiān)控沉降的進(jìn)一步發(fā)展；一旦當(dāng)沉降超過(guò)安全閾值的80%時(shí)，就需要及時(shí)的對(duì)地面和圍巖展開加固措施，通過(guò)綜合科學(xué)的選用上述的加固方法，來(lái)控制地面沉降防止其沉降進(jìn)一步發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)法是目前城市隧道開挖的主要方法。由于盾構(gòu)法開挖的特殊工藝，會(huì)難以避免的造成地面沉降或凸起，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)地面建筑、地下隧道和管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)損傷和破壞。本文通過(guò)對(duì)盾構(gòu)法的施工工藝進(jìn)行分析，指出盾構(gòu)法造成地面沉降五個(gè)階段的影響因素，指出盾構(gòu)機(jī)到達(dá)之前和盾尾間隙過(guò)程的沉降速率最大。對(duì)于不同地質(zhì)的市政隧道開挖，其地面沉降的安全閾值是不同的需要綜合的根據(jù)巖土的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道埋深、上部結(jié)構(gòu)對(duì)地基變形的適應(yīng)能力等等情況進(jìn)行綜合的考慮，進(jìn)而對(duì)地面沉降的安全性進(jìn)行判斷，并采取相應(yīng)的地面沉降的加固措施確保地面沉降趨于穩(wěn)定。