盾构在砂卵石地层掘进地层变形分析

耿晓亮杜亚非

摘要：砂卵石盾构法修建隧道引起地层位移因素主要包括施工过程中的地层损失、地层原始应力改变、衬砌结构变形、土体固结和次固结作用等。地层损失的定义是：实际开挖土体体积和竣工体积之差，竣工隧道体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积。

关键词：地铁盾构；隧道施工；砂卵石；地层变形

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其力学特性和物理特性与软土、黄土及复合地层差异很大，地层中的卵石颗粒在无水状态下点对点传力，受扰动后地层反应灵敏。该地层岩层松散、无胶结、自稳能力差、单个石块强度高；颗粒之间空隙大、黏聚力小、渗透系数大。

土压平衡盾构在长距离、大面积砂卵石地层中掘进会遇到地表沉降大、掘进效率低，渣土流动性差、刀盘刀具磨损严重，开挖面稳定较难控制等诸多问题。砂卵石地层条件下盾构施工地层变形规律和控制方法研究较少，进一步分析研究砂卵石地层盾构掘进土体变形的影响因素，提高我们盾构施工各工序的控制措施。

1地层位移影响因素

（1）盾构机在掘进时，开挖面土体的松动和坍塌，尤其是地下水位的变化，会导致地层原始应力状态的改变；

（2）盾构推进“背土现象”，产生的土体挤压和剪切摩擦。盾构沿隧道中线平、竖曲线及水平、垂直纠偏，也会使周围的土体受到挤压、同时由于盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头过程中产生的不可避免的超挖现象也是引起地层移动原因之一；

（3）盾构刀盘、刀具产生的超挖及盾壳厚度在横断面上形成超挖间隙，盾尾土体挤入盾尾空隙，盾尾同步注浆盈压或者欠压引起的土体滑移或者劈裂，浆液体积收缩引起的地层扰动；

（4）超挖空间大、同步注浆不充分、单液浆的初凝时间太长引起的管片上浮、错台及土体作用产生的管片收敛变形导致地层移动。

（5）施工扰动后土体固结和次固结作用，以及同步注浆浆体产生固结沉降引起的地层扰动。其中因超静孔隙水压力的消散而产生的地面沉降为主固结沉降；土体骨架随后还发生持续很长时间的压缩变形，在此土体蠕变过程中产生的地面沉降为次固结沉降。

（6）盾构推进开挖面土体的移动。当开挖面的支护力小于原始侧应力时，开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地层沉降；反之，当开挖面的支护力大于原始侧应力时，则正面土体向上向前移动，引起负的地层损失而导致盾构上方地层隆起。

（7）卵石土特定的骨架效应，土体和卵石之间的黏聚力较小，当发生降水、漏水、涌泥时，卵石之间土体流失，骨架效应可能瞬间破坏，引起地层移动。

（8）操作不当或者地质条件突变。施工误操作或前方地质条件突变使以往平衡状态被打破，以往的掘进模式不适应现有的地层突变，引起地层滑移。

2砂卵石地层变形时间效应

盾构掘进引起地层变形受地质条件、施工参数的影响，沉降曲线各不相同，结合已有理论，总结砂卵石地层变形在时间效应上主要有以下特点：

（1）盾构到达前的地表沉降：

主要由于盾构推进对前方土体的挤压或由开挖所造成的地层松弛及水位变化引起的固结沉降；此阶段一般发生在盾构到达前10m左右，沉降量较小，为最大沉降量的5%左右。

（2）盾构到达时的地表沉降：

在开挖面靠近观测点并到达观测点正下方这个过程中所产生的沉降或者隆起现象，当盾构掘进状态为理想的土压平衡状态时，对土体的影响最小；当盾构掘进欠压状态时，正面土压力小于开挖面的静止土压力时，开挖面土体下沉；反之盈压状态，土体隆起。盈压状态导致盾构推力过大，为降低刀盘磨损多采用降压掘进，导致沉降较大。

（3）盾构机通过时的沉降：

盾构推进过程中产生的背土现象，即盾构外壳与土层之间形成剪切滑动面，剪切滑动面附近土层中产生剪切应力，引起地层变形，沉降主要和盾构掘进姿态有关。

（4）盾尾间隙沉降：

盾构机尾部通过观测点正下方时产生的沉降。由于盾尾间隙引发了周围土体应力释放变形。盾尾同步注浆量、浆液初凝时间，注浆压力都会影响这一阶段的沉降量。这一阶段和盾构通过时的沉降量占总沉降的50%~70%左右。

（5）后续沉降：

伴随前面地层扰动的固结沉降，由于砂卵石地层卵石结构的骨架效应，这部分沉降不确定性也较大。

3砂卵石地层变形空间效应

盾构施工引起的地层变形在空间上呈三维形态分布，它随着盾构机的推进沿纵向不断向前发展，产生的地面沉降槽也随之不断扩大，呈现波浪式发展，并随时间的推移形成下沉盆地，地层变形空间分布特征如下：

（1）地层变形以盾构开挖面及隧道起点向上方、前方和侧向发展，影响范围自盾构盾构位置从上到下逐渐增大，直至稳定。

（2）地层位移量的大小与地质情况、掘进方式、注浆量有关。同时沉降值随双向隧道中心线距离增加而减小，管片拱顶位置为沉降槽最低点。

（3）地表移动产生的沉降槽曲线形状，在纵向断面上可视为正态概率函数形状，而在横向断面上为似正太概率分布函数形状。

（4）下沉盆的大小与土层条件、隧道的埋深等因素有关，隧道顶覆土层厚度增大，最大沉降量越小。

（5）纵向断面地表沉降变形在盾构刀盘前方为拉伸区，刀盘后方为压缩区。

4土体应力状态

盾构施工时扰动周围土体的根本原因是开挖导致土体的应力状态不断发生变化，盾构机向前推进使前方土体处于受压加荷状态，另外盾构向前推进时，盾壳与周围土体产生剪切作用，盾构机脱离衬砌后，由于衬砌与开挖面间间隙的存在，开挖面周围的土体处于卸荷状态，而在注浆过程中注浆压力使开挖面土体处于盈压状态，处在这些复杂的应力状态下，部分土体的极限状态受到破坏，引发地层变形。

盾构机的推进是靠设置在支撑环内侧的盾构千斤顶的推力作用在管片上，进而通过管片产生的反推动力使盾构前进。当盾构千斤顶推力T＞F时，盾构向前掘进。掘进过程中阻力反作用于土体，产生土体附加应力。

（1）当T＞F时，盾构上前方和下前方的土体就会进入加载阶段，正前方产生挤压扰动区，该区域受挤压作用前移或隆起；上前方和下前方的土体承受较大的挤压变形。邻近刀盘正前端处于刀盘转动范围，应力状态比较复杂。当T＜F时，前方土体卸载向临空面移动，地层下沉。

（2）盾构掘进过程中受摩阻力影响形成背土现象，产生剪切扰动区，位于盾构机上下侧，刀盘前下方范围内土体应力受影响较小，地质情况不同，影响范围不同。

（3）受盾构超挖、盾尾间隙、浆液初凝时间影响，自重应力场形成卸荷扰动区，位于盾构机的上方和下方一定范围外，此区域土体变形以弹性变形为主，塑性变形为辅。

（4）施工扰动后，土体重新固结，固结区域位于盾构机盾尾后部。

5结束语

砂卵石地层土体变形在时间效应、空间效应及土体应力状态方面分析了土体变形的机理性问题。收集统计盾构隧道相关资料。通过地面沉降机理的研究，进一步研究砂卵石地层土体受扰机理性问题（如应力在卵石颗粒中如何传递、如何扩散、土体破坏机理等），盾构施工还需要对开挖面卸荷、千斤顶推力、盾尾间隙填充、注浆材料凝固、刀盘超挖、曲线纠偏、时间效应等因素进行进一步的细节模拟。

参考文献

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