砂砾地层地铁盾构施工过程土体扰动特性的原位试验分析

砂砾地层地铁盾构施工过程土体扰动特性的原位试验分析

苏宏宇

中铁六局交通工程分公司北京100070

摘要：盾构法有着施工安全、工程质量优、土层适应范围充裕以及掘进速度快的优点，在施工建设软土地铁隧道时发挥着非常重要的作用。一般会在城市中心地段修建地铁隧道工程，地下管线分布密集以及建筑物较多，所以，怎样科学的掌握盾构掘进对四周土体的扰动，是有效通过这项技术进行施工的关键所在。

关键词：砂砾地层；地铁盾构；施工技术；土体扰动；原位实验

虽然现阶段的盾构施工技术已经很成熟，在国内外也出现了很多复杂地层盾构隧道施工的案例，然而，因为工程特征、工程区域范围环境特征以及地质条件的不同，在施工中也会遇到很多难点，其中，土体扰动特性就是正确把握工程施工效率的重要因素，那么，为了更好的掌握这方面的内容，文章通过下文进行了详细的分析与论述。

一、土层扰动理论研究

早在1969年，通过大量开挖施工浅部矿山隧道，Peck教授总结了丰富的经验，它主要通过实际测量地表沉降相关数据，细致的观测地表沉降槽的形状，然后通过数学形式把沉降槽的曲线状态表示出来。就最大沉降量以及地表沉降分布等系统衍生了估算隧道地表开挖以及地层损失概念的方法。而且，在没有排水的状态下，地层损失的体积即为开挖隧道所构成的地表沉降槽体积。假定在整个长度内均匀的分布着地层损失，而且近似于止态分布着隧道施工所出现的地表沉降。

Peck通过自身多年的研究，还总结了Peck曲线，而且，在盾构隧道地表沉降研究中此理论被一直应用。此方法主要围绕不排水情况下的地面沉降进行研究的，而且，地表的损失等于沉槽的体积。

Peck曲线

二、扰动特性原位实验分析

1、分析土体扰动时间特征

在地铁隧道中施工应用盾构施工法时主要受到施工参数以及地层条件的影响，用于条件差异性其形状也会出现差异，按照现有的理论基础，依据影响以及类型因素，可以从以下几个阶段进行分析：

第一，初步沉降。也就是盾构正好处于土体扰动，此种扰动主要是因为盾构推进力而改变了土体的应力状态。

第二，面层开挖前的隆起和沉降。通过设置盾构机舱内的压力，从而有效抵挡开挖面的水土压力。其中，两压力平衡是理想状态。并且，需要利用具体的地层条件预先设定密封舱中的压力，如果设置的抵抗力不够，因此就会有主动压力出现在开挖面中，随后会向盾构方向移动土体，出现受损失的土体，造成地层下沉；相反，会生成被动土压力，若土体在盾构前方出现上供情况，而且设置的压力值较大，地表就会容易隆起。

第三，盾构设备经过时发生沉降。在地层摩擦阻力和盾构机支撑刚体的影响下，四周地层会受到扰动影响。土层和盾构外壳间会出现剪切滑动面，并且伴随剪切应力出现在周围的土层内，从而造成土体发生变形。

第四，有间隙性沉降出现在盾尾。在经过了盾构机后，盾尾脱出后会出现一个沉降，这是因为应力释放与建筑空隙所造成的。理论而言，会有一个差值出现在隧道开挖直径和管片环外径之间，所以，在从管片中脱出盾尾后，二者间的空隙会引起管片四周土体会向隧道中发生变形变化，诱发地表沉降。

2、空间特征分析

盾构施工所产生的土体扰动在空间上会以三维形式分布，在不断推进了盾构机后，它也会不断发展，从而所形成的地面沉降槽也开始变大，以波浪的方式演变，在慢慢变化后构成下沉式盆地，具体特点为：

第一，土体以隧道起点以及盾构开挖面向前方、侧向或者上方拓展，从盾构位置开始影响范围也会不断变大，直到平稳。

第二，因为隧道的相对位置存在差异，所以土体的位移量也会发生变化，而且跟随距离的加大而减小，变现出递减性。衬砌拱顶位于隧道轴线处，而且它具有最大沉降量。

第三，隧道埋深以及土层条件在某种程度上影响着下层盆的大小。

3、影响土体扰动的因素

总结归纳，盾构施工主要从以下几个方面影响着土体扰动：

第一，处于移动状态的开挖面土体。当原始侧应力高于开挖面的支护力时，这样会向盾构内移动开挖面土体，导致地层损失，进而会有地层沉降问题出现在盾构上方；相反，当原始侧向应力小于开挖面支护力时，这样会向上前方向移动正面土体，所产生负值地层损失会造成盾构以上地层隆起。

第二，注浆量与注浆压力。注浆量和注浆压力的不合理，会引起盾构尾后面隧道四周的土体难以保持平衡，然后会诱发地面沉降问题。

第三,具体埋深。盾构埋深不但对土体扰动大小会产生影响，还会对土体的分布规律与范围产生影响。

第四，施工扰动影响土体固结。在施工扰动影响了盾构隧道四周的土体后，会构成超静孔隙的压力区域。在盾构不处于此区域后，会不断消散超静孔隙水压力，水膜和地层颗粒表面相融合会出现蠕变，从而会诱发地层次固结下沉。

4、分析下深层水平位移

如下图所示，B3和D3是水平位移点，其中，B点深度在25.5米，D点深度为24.5米。

通过图一得知，在没有达到监测断面时，盾构切口因为受到侧向土体以及前方土体的挤压影响，从而会在某种程度上改变土体的初始应力状态，此外，会生成超孔隙水压力，这样会逐渐向远离盾构隧道的方向转移监测断面的土体，当L/D为1.76时，所监测的土体水平位移值为-2.05毫米，如果L/D为-1.37,这样会再次增加土体的水平位移值，从而得出-2.90毫米为最大值，监测数据表明，同其他位置的位移相比，隧道埋设深度的内的土体水平位移会更大，它会呈现出更加明显的远离土体趋势。

通过图二得知，在不断推进盾构后，水平位移在L/D点处增大明显，其中最高值已经达到-14毫米，从深处土体到地表其位移增大非常明显。而且土体的正常范围值已经被这个变化趋势所超过，而且，这种情况的出现，必然会导致塌方问题的出现。如果L/D的数值为0，这样水平方向的土体会马上往隧道方向转变，这样也会在某种程度上改变最大位移值，因为盾构施工后所释放的应力，这样也会想隧道的方向进一步移动土体。

通过图三分析得知，在监测断面穿过了盾构切口后，因为土体的荷载影响，而且它的水平位移在日益发展。如果L/D的值为1.17，因为土体坍塌所引起的隧道四周土体初始应力发生改变，因此就会在某种程度上削弱土体的承载能力。而0.185Mpa为此时的注浆压力，因为注浆压力的影响，盾构埋深深处的土体会朝着远离盾构隧道处位移，而且，它的最大值为-3.8毫米。

结语：

综上所述，文章就砂砾地层中盾构施工技术应用的相关内容进行阐述，对盾构施工法在这种土层中的土体分层沉降、土体位移以及地表沉降的土体扰动相关情况展开了原位实验分析，然后与施工参数与施工过程相结合，对这种土层中盾构施工方法扰动规律展开了探究。这样做的目的是为确保我国地铁工程更好的施工建设与发展提供了一定的帮助。

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