杜心愿，劉生輝

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

1 引言

隨著盾構(gòu)隧道施工的進行，土層會受到壓縮而產(chǎn)生變形，從而出現(xiàn)沉降變化[1]。沉降變化可能導致附近既有建筑物不均勻沉降，從而影響建筑物的安全。因此，需要對盾構(gòu)隧道施工過程中土層的沉降變化進行深入研究和分析，以確保工程的安全性和穩(wěn)定性[2]。對此，本文對盾構(gòu)施工的工序、盾構(gòu)推進的土層沉降變化及其機理進行分析，并以某地鐵隧道盾構(gòu)施工為例，介紹其工程概況，進行模型的構(gòu)建與計算，分析盾構(gòu)推進中的土層沉降變化情況，以期能夠掌握盾構(gòu)隧道施工中土層沉降的變化規(guī)律。

2 盾構(gòu)的施工工序

對于土壓平衡式盾構(gòu)，其施工工序大概包括3 個流程：開挖、支護、注漿。首先，選取隧道的某一段，在該位置進行豎井或基坑施工，以便盾構(gòu)機能夠進行安裝[3]，然后進行盾構(gòu)施工。施工過程中，盾構(gòu)機沿著設(shè)計軸線在地層中向另一豎井或基坑開挖。在此期間，會受到來自地層的阻力，該阻力能夠經(jīng)過盾構(gòu)千斤頂傳到該施工設(shè)備尾部的隧道襯砌結(jié)構(gòu)中，最后達到豎井。施工期間，盾構(gòu)機在支承地層壓力的同時，還可以在地層中推進，推進過程中，每推進一環(huán)，會施工一環(huán)襯砌。與此同時，會在盾尾后開挖的坑道和襯砌外周注入漿液，在大量漿液的注入下，將巖體孔隙填滿，以此避免隧道和地面下沉。圖1為盾構(gòu)施工工序。

圖1 盾構(gòu)施工工序

3 盾構(gòu)推進中土層沉降

3.1 土層沉降變化

在軟土地區(qū)，通過盾構(gòu)法對隧道進行施工時，地層會出現(xiàn)位移，地表會發(fā)生沉降。根據(jù)地表沉降的方向，可以分為地表縱向沉降和地表橫向沉降。在地表縱向沉降中，并不是瞬間達到最終值，其間土層會隨著時間的變化呈現(xiàn)出不同的發(fā)展階段，施工過程中的開挖工藝、開挖方式等都會對地層縱向沉降造成影響?？傮w上，地表縱向沉降可分為5 個階段。

1）在隧道挖掘面與地面觀測點相隔幾十米時，地表會出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象。在軟黏土地層中，因為土體的滲透性很小，所以，土體的固結(jié)相對于盾構(gòu)隧道的開挖來說，是緩慢的，而在這種情況下，在隧道的開挖面上進行的排水固結(jié)很難對幾十米以外的地層產(chǎn)生作用。這種沉陷很大程度上是因為基坑開挖引起的應(yīng)力的釋放和再分布，而不是因為地下水流運動、水位下降。

2）當盾構(gòu)到達觀測點時，由于開挖面的位移等原因，開挖面土壓力出現(xiàn)失衡，從而導致地層出現(xiàn)沉降或隆起，這一變形現(xiàn)象的原因在于土體應(yīng)力釋放或開挖面反向土壓力作用。

3）盾構(gòu)通過觀測點時出現(xiàn)的沉降是由推進期間對土產(chǎn)生擾動而產(chǎn)生的。不僅如此，推進期間的軸線與隧道軸線出現(xiàn)偏差時，會使部分土體受到壓迫，另一部分呈現(xiàn)松弛狀態(tài)，從而引起附加地面變形。另外，為了糾正“蛇”形、“曲”形前進，盾構(gòu)機的過度開挖會加大周邊土壤的松弛面積，加劇地表沉降。有時，在施工過程中，會出現(xiàn)油管泄漏而使盾構(gòu)向后收縮，基坑表面的土層因失穩(wěn)而發(fā)生塌陷或松散，也是導致地表沉降的重要因素。

4）當盾構(gòu)尾部穿過觀測點后，也會出現(xiàn)沉降的情況。此時盾構(gòu)尾部土體空隙中的土體應(yīng)力得到釋放，從而導致彈塑性變形的產(chǎn)生。在盾構(gòu)施工過程中，盾尾孔通常采用及時向周邊注漿的方法填充。如果注漿不及時、不充分或不適當?shù)膲毫?，將導致盾尾后土體破壞原有的三向平衡，導致地層流失，尤其是在含水層不穩(wěn)的地層。此外，當隧道襯砌與盾尾分離時，由于受到土水壓力的影響，亦會產(chǎn)生一定程度的地表沉降。

5）地表縱向沉降的第五個階段為后續(xù)沉降，由固結(jié)和次固結(jié)產(chǎn)生。其原因在于，在長時間內(nèi)，孔隙水壓逐漸恢復(fù)長期平衡，從而使有效應(yīng)力發(fā)生改變，該變形有一定概率通過襯砌變形來體現(xiàn)。

在地表橫向沉降中，其沉降槽與正態(tài)分布曲線較為類似。而造成這一現(xiàn)象的原因在于地層損失，并且其發(fā)生的條件為不排水情況。此時，沉降槽的體積應(yīng)該與地層損失體積相同。

3.2 土層沉降的機理

在軟土地區(qū)進行盾構(gòu)挖掘的過程中，導致土層沉降的機理主要分為地層損失、受擾動土體的重新固結(jié)。

在地層損失中，造成沉降的原因有多種。在盾構(gòu)掘進過程中，由于開挖面周圍的水平支撐應(yīng)力小于其周圍的初始應(yīng)力，其周圍的土體朝著盾構(gòu)移動，從而使盾構(gòu)上方土層發(fā)生沉降。在盾構(gòu)推進過程中，若正面土體受到的推力超過了初始側(cè)向應(yīng)力，那么該土體就會向前上方運動，造成地層流失，從而使前上方土產(chǎn)生突起。在盾構(gòu)停止推進、后縮、注漿等過程中，同樣會引發(fā)土層沉降。以盾構(gòu)機叩頭推進為例，在這個過程中，相較于正常推進，其地面最大沉降量較大，導致工作地表沉陷更大，工作面前方相應(yīng)的隆起量偏小。而盾殼移動會對地層產(chǎn)生一定的摩擦和剪切作用，從而引起土層沉降。在盾構(gòu)推進期間，會對盾構(gòu)周圍產(chǎn)生一定的擠壓作用，且在盾尾壓漿作用等的影響下，孔隙水壓會發(fā)生變化，出現(xiàn)正值的超孔隙水壓區(qū)，在盾構(gòu)施工后，該區(qū)域的水壓會慢慢復(fù)原。復(fù)原時，會引起地層排水固結(jié)變形，從而導致地面沉降的出現(xiàn)。而土體受到擾動后，土骨架在壓縮變形的過程中會使得地面出現(xiàn)次固結(jié)沉降，該現(xiàn)象持續(xù)的時間較長。

4 地鐵盾構(gòu)施工下土層沉降數(shù)值模擬

4.1 確定材料模型

在軟土地區(qū)，為了分析地鐵盾構(gòu)隧道施工中土層沉降的變化情況，對其進行數(shù)值模擬。首先進行材料模型的確定，在施工期間的材料包括隧道襯砌和土體，隧道襯砌以鋼筋混凝土為材料，將該材料看作彈性材料，其與附近的土體間具有不透水性；根據(jù)研究的具體情況，把土體當作彈塑性體，其在同一地層視為各向同性材料，將Mohr-Coulomb 模型作為土體的本構(gòu)模型，該模型的基礎(chǔ)為Mohr-Coulomb 準則。

4.2 工程概況

以某市的地鐵1 號線為例進行研究。其線路全長61.67 km，高架站和地下站分別有8 座和29 座。經(jīng)勘察，其標段3 的某地鐵站區(qū)間為地下區(qū)間，施工時可以采用盾構(gòu)法，通過泥水加壓平衡式盾構(gòu)展開相關(guān)施工。其中，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑和管片厚度分別為6 000 mm 和350 mm，管片寬度為2 m。通過螺栓將管片進行連接，對于襯砌環(huán)間，其連接方式為縱向螺栓連接形式，利用通縫拼裝的方式與襯砌進行連接。對該地區(qū)進行勘察可知，項目所在位置的地貌類型屬于沖海積平原區(qū)，其地層由上向下分別為雜填土、素填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土夾粉砂、黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、黏土、粉砂夾粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土，對應(yīng)土層的厚度分別為1.6 m、1.2 m、1.6 m、5.5 m、5.4 m、3.3 m、9.4 m、6.4 m、8.1 m、8.7 m、3.2 m。不同土層的特性及包含的物質(zhì)存在差異。比如，砂質(zhì)粉土層包含云母、夾粉砂、夾細砂等物質(zhì)，其具有粗糙的表面，沒有干強度和韌性；粉砂層含有夾層狀黏性土和云母，還存在一些貝殼碎。工程地質(zhì)條件中，前部和中部地下水有兩種類型，前者是第四紀松散巖土類孔隙水，后者屬于對應(yīng)的孔隙承壓水。而深部的地下水類型為基巖裂隙水。

4.3 模型的構(gòu)建與假設(shè)

選擇ADINA 軟件模擬盾構(gòu)推進過程。出于簡化計算的目的，不考慮地下水的滲透作用，小范圍調(diào)整土層厚度。不考慮巖土體構(gòu)造的應(yīng)力，施加初始地應(yīng)力時，僅考慮土體自重應(yīng)力，不考慮土體固結(jié)和蠕變特性。構(gòu)建模型的過程中，根據(jù)相關(guān)勘察資料，選取某段隧道進行研究，其隧道直徑、頂板土層厚度分別是6 m、14 m。合并處理雜填土和素填土兩層，將其作為模型最頂層，不考慮最下兩層土，將第六層土層分配到第五層和第七層。確定相關(guān)區(qū)域和進行網(wǎng)格劃分。進行邊界條件的設(shè)置，列出相關(guān)荷載條件和材料參數(shù)，并進行有限元計算。

4.4 計算結(jié)果分析

在盾構(gòu)開挖支護前后，對其地表橫向沉降進行分析，得到結(jié)果如圖2 所示。

圖2 地表橫向沉降

圖2 中，不同開挖階段對應(yīng)的地表橫向沉降不同。隨著開挖的推進，地表橫向沉降慢慢加深加寬。相較于第三步支護開挖前，第三步開挖后的地表最大沉降值增大1.56 mm；而第四步支護開挖后的地表沉降值最大是25.09 mm。特征點為離盾構(gòu)推進初始面12 m 的橫截面地表上的點，研究其不同盾構(gòu)開挖步驟下沉降情況如圖3 所示。

圖3 相關(guān)地表縱向沉降

圖3 中，隨著盾構(gòu)的推進，特征點地表縱向沉降量不斷增大，相較于第2 步，第3 步的沉降量增大6.44 mm，后者的沉降量為18.78 mm；而第6 步的沉降量為35.90 mm。對不同地面特征點進行選取，通過分析盾構(gòu)推進過程中這些特征點的地表縱向沉降情況，發(fā)現(xiàn)相同開挖步驟下，不同特征點的沉降量不同。通過對比不同開挖步驟的沉降量變化情況發(fā)現(xiàn)，相較于其他開挖步驟，在盾構(gòu)通過時相關(guān)特征點沉降變化量最大，而之后雖然其會有一定的增加，但增加的幅度不大。

5 結(jié)語

在軟土地層中進行盾構(gòu)隧道施工時，不同土層會出現(xiàn)不同的沉降變化，而不同的開挖步驟下，對應(yīng)的沉降變化會存在差異。較大的土層沉降會對盾構(gòu)施工造成一定的影響，甚至威脅地表建筑物的安全。因此，在實際工程中，進行盾構(gòu)隧道施工時，需要了解不同土層的地表縱向沉降和地表橫向沉降的變化規(guī)律，以及在這些土層沉降的影響下，會對施工等方面造成影響的程度，從而為預(yù)防較大土層沉降做準備，保障盾構(gòu)施工的安全，為工程實踐積累相關(guān)的經(jīng)驗，進而促進施工的順利開展。