盾构施工地层沉降

1、盾构施工引起的地表沉降盾构施工引起的地表沉降北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京 Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works，Beijing2008年5月 报告人： 袁大军 教授主要介绍内容主要介绍内容筑物的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地铁，隧道施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视。 盾构法施工是一个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影响与施工技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与

2、施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因素才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节： （1）土体开挖与开挖面支护）土体开挖与开挖面支护土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。 所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差。地层损失率

3、以地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比份Vs()来表示。 圆形盾构理论排土体积就V0为： 式中：r0-盾构外径 L-推进长度 单位长度地层损失量的计算公式为：200V =rL0sVVV 地层损失地层损失一般可分为三类： 第一类第一类：正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响，认为人们的操作过程是认真、仔细的，完全合乎预定的操作规程，没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件，如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。一般地说这种沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的。在均质的地层中，正常地层损失引起的地面沉降也比较均匀。 第二类第二类：非正常

4、地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构操作过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征，然而，一般还可以认为是正常的。 第三类第三类：灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜体等不良地质条件。 (2) 固结沉降 由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主同结沉降和次固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引

5、起的土层压密；次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。 主固结沉降与土层厚度有着密切的关系。土层越厚，主固结沉降占总沉降的比例越大。因此，在隧道埋深较大的工程中，施工沉降虽然很小，但主固结沉降的作用决不可忽视。 在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几个月，有的甚至要几年以上。它所占总沉降的比例可高达35以上。 从理论上讲，盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指施工沉降(也称瞬时沉降) 、主固结沉降及次固结沉降三者之和。如果不考虑次固结沉降，总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的主固结沉降之和。固结沉降是由于施工引起地层孔隙水压消散造成，不同地层固结

6、沉降值占总沉降比例相差迥异，而次固结沉降（由于地层土体原有结构破坏引起的蠕变沉降）除流塑性软粘土地层外通常都较小，一般都不考虑。 3.2 3.2 地表沉降的表现形式和机理地表沉降的表现形式和机理3.2.1 纵向地表沉降纵向地表沉降 盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。见表3-1。 （1）初期沉降 它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降的量较小，而且，不是所有的盾构施工工程都会发生的，所以一般不被人们觉察。据部分实测资料分析断定，初期沉降是由于固结沉降所

7、引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。（2）开挖面沉降(或隆起) 它是指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式，由于各种推进参数(如盾构推进速度、最大推力等)的差异，使开挖面的土体应力状态也截然不同，这便形成了覆盖层的土压增加或应力释放。 国际上一般用超载系数OFS来衡量开挖面土体的稳定性。超载系数OFS与开挖面土体损失的关系见图3-3。图图3-3 超载系数与土体流失的关系图超载系数与土体流失的关系图 当超载系数小于1时，开挖面为弹性变形，土体损失小于l；当超载系数大于l、小于4时，开挖面为弹塑性变形，土体损失在24之间；当超载系数大于5时，开挖面为塑性变形，土体损失大于4。如果开挖面的垂直应力小于开挖面的支承力，超载系数为负值时，开挖面土体向着盾构的反方向位移，地面出现隆起现象。（3）尾部沉降 它是指盾构通过时产生的地面沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到三个力的作用。总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。按理论计算，总推力的表达式为：式中: Ps盾构总推力 P0正面土压力 RI表面摩擦阻力 表面摩阻力可根据摩擦桩的