盾构隧道掘进对地面沉降研究现状与存在问题

盾构隧道掘进对地面沉降研究现状与存在问题

摘要：盾构施工会引起地层运动，从而导致地表沉降。在研究地面沉降方法主要有：实测数据回归法、室内模拟实验法、有限元分析法。实测数据回归是指通过对现场收集资料的回归、分析，用数理统计法从所得数值中回归出预测沉降的表达式。本文通过从国内外专家研究成果出发，将地面沉降的各种计算方法进行较为详细的阐述，并且对现有的研究存在的问题提出自己的一些看法。

关键词：盾构隧道，盾构施工，地面沉降，研究现状

1 前言

盾构施工法由法国工程师布鲁诺尔父子发明。它用一个活动的罩架支撑在隧道工作面及其背后的泥土上，工人向前挖空几尺，就用千斤顶把罩架向前推，顶住新的工作面，盾构后面露出的一段隧道用砖砌面支撑，人们得以像鼹鼠一样在地面下不断掘进。1918年，世界上第一台盾构机在英国诞生，盾构施工实现了自动化。目前，盾构法己广泛地用于地铁、公路、铁路、输气、输水等国家大型公共工程建设，尤其是在地下工程建设中。

2 盾构施工的特点和优点

2.1 盾构技术的基本特点:

①对城市的正常功能及周围环境的影响很小。

②盾构机是根据施工隧道的特点和地基情况进行设计、制造或改造的。

③对施工精度的要求非常高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度。由于断面不能随意调整，所以对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求；

④盾构施工是不可后退的。

2.2 盾构施工具有下列优点：

①可在盾护下安全地开挖、安装衬砌。

②掘进速度快，施工时不影响地面交通与设施，穿越河道时不影响航运。

③施工中不受季节，风雨等气候条件影响。

④施工中没有噪声和振动，对周围环境没有干扰。

⑤在松软含水地层中修建埋深较大的长隧道往往具有技术和经济方面的优

越性。

盾构特别适合在软土中进行施工，如上所述，它对城市的正常功能及周围环境的影响很小，但它仍不可避免地会对土体产生扰动，从而使土体产生沉降或侧移，对既有建筑物和地下管线造成一定程度的危害。较为准确的预测盾构施工期间和正常运营后产生的土体沉降一直是人们关注的热点，具体内容包括:(1)盾构施工期间产生的土体沉降和侧移;(2)盾构隧道正常使用后产生的土体变形。这方面的研究成果将为盾构施工合理化设计及其周边环境保护提供科学的理论依据。

3 盾构隧道掘进对地面沉降

对于盾构施工引起地面变形的预估，主要采用基于对实际工程观测数得到的经验预估法，也有基于解析或数值计算的半经验公式方法。

3.1 横断面地表沉降分布

目前工程实践中应用比较普遍的是Peck公式和一系列修正后的Peck公式。Peck(1969)通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后认为，隧道开挖形成后引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉槽的体积应等于地层损失的体积。此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似正态曲线。如图1.1所示。英国的现场观测结果，剑桥大学70年代及80年代初期都和Peck的假定一致。

式中S(x)--地层损失引起的地面沉降(m) ；

--盾构隧道单位长度地层损失(m /m) ；

x--距隧道中心线的距离(m) ；

-- 隧道中心线处地层损失引起的最大沉降量(m) ；

--沉降槽宽度(m) ；

--隧道轴线埋深(m)；

--土的内摩擦角( )。

Peck公式有两个重要参数:沉降槽宽度系数 和地层损失 。这两个参数的正确选取对最终的预测结果起决定性作用，在这方面己经有大量的研究。

3.1.1 沉降槽宽度系数 的确定

Clough & Schmidt (1974) 建议，对于饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数，按如下公式求取

Attwell等(1978,1981)也假定沉降槽曲线为正态分布，对沉降槽宽度系数 进行了修正，提出横向沉降槽宽度系数 取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深和隧道半径，给出了估算地表沉降的经验公式

式中:z--隧道开挖面中心深度(m) ；

R--隧道半径(m) ；

k、n与土体性质和施工因素有关的系数(可查表) ；

A--隧道开挖断面面积( )；

V--沉降槽的断面面积( )；

--隧道中心线的最大地面沉降(m)。

O’Reilly & New（1982） 整理英国粘性土地层的11处19例及砂性土和回填土地层6处16例隧道工程的最大沉降量、沉降槽断面积和反弯点距离的实测值后建议，对于在单一土层中隧道掘进引起的近地表沉陷， 是 的近似线性函数，且和隧道施工方法、隧道直径没有关系，公式如下:

(1.7)

式中 --沉降槽宽度系数。对于硬至软粘土，取k=0.4 0.7；对于6 lOm的砂性土浅埋隧道,取k=0.2 0.3。

刘建航等(1991) 提出:

式中—土体内摩擦角加权平均值( )

从以上公式可以看出，在相同条件下采用不同的计算方法得到的 值相差较大，其结果对地面沉降最大值和曲线形状造成较大影响，这也是经验公式的一大缺点。Kankin (1988)验证了公式(1.7)对于全世界多种隧道和大多数土类型都是有效的。Fujita (1981)分析了日本大量用不同盾构施工得到的观测数据，发现粘土中取 =0.5 ,和实际结果一致，并和施工方法无关。

房营光等(2003) 考虑扰动引起土体密实度变化的影响，提出了修正的Peck公式

式中 —土体损失量(m /m)；

V1—扰动引起的土体体积变化量(m /m)； 。

作者认为Peck公式中的土体损失本身就包括了扰动引起的土体体积变化量，因此将它区分出来意义不大，且 很难取值。

沈培良等(2003) 通过对盾构隧道实测地面沉降的分析，给出了Peck公式参数的取值范围，提出了一个盾构法隧道纵向地面沉降曲线的数学拟合公式

式中 —沉降等于O.5 的点离开挖面的距离(m)，可通过公式 近似确定；

D—盾构外直径(m)；

—参数，取值在2.5～3.5之间；

y—沉降点至坐标轴原点的距离(m) ；

n—曲线形状参数，根据对实测资料的统计，取值在0.05～0.15之间。

但是该方法只是根据一条实测曲线拟合得到，只能计算地面沉降，不能计算地面隆起，且参数的取值是经验性的。因此该方法的正确性还有待进一步验证。

3.1.2 地层损失 的确定

单位长度地层损失 经常被表示为隧道理论开挖面积 与体积损失率 的乘积，即

在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，可查表适当选取由于各种因素而引起的地层损失率。在粘性土层中可根据稳定系数 来估计地层损失:

式中: --开挖面中心处土体垂直压力(kPa) ；

P--用气压或其它加压方法施加于开挖面的侧向压力(kPa) ；

--不排水抗剪强度(kPa)。

Clough & Schmidt 推导了在塑性粘土层中y和 的关系

式中 --体积损失率(%)；

--盾构理论排土体积(m )；

--土层弹性模量(kPa)；

--土的泊松比。

Palme & Be1shave(1980) 描述了Thunder Bay隧道一处的监测结果，得到的横向沉降槽和Peck报告的硬粘土中隧道掘进形成的沉降槽相似，沉降槽的体积约为隧道开挖体积的5.0%～7.5%。

Attwell(19) 建议可通过参考盾构的掘进速度，所选择的掘进方法以及推导的土体应力松弛速率，对地层损失进行估算，或参照相类似的隧道工程实例来选择一个合理的正面面积的百分比，粘土一般取正面面积的0.5～2.5%。

Mair (1996) 总结了35篇关于钻孔隧道引起沉降的会议论文后得出:对硬粘土中用开胸开挖方法修建的隧道，其地层损失率在1%～2%之间;对用闭胸开挖方法(土压平衡式或泥水加压式盾构)修建的隧道，砂土地基中地层损失率小于0.5%，在软粘土中地层损失率在1%～2%之间。

3.2 横断面地表水平位移分布

Attewell(1978) ,o’Reilly& New(1952) 建议对于粘土中的隧道，可以假定地层位移矢量指向隧道轴线，从而导出下面的关系式

(1.18)

由此假定并结合Peck公式，推导出横向地表水平位移分布为

(1.19)

式中: --横断面地表水平位移(m)；

--横断面地表沉降(m)；

x--地面点距离隧道中心线的水平距离(m)；

--隧道轴线埋深(m)；

--横断面最大地表水平位移((m)；

--横断面沉降槽宽度(m)，同(1.1)式。

隧道轴线正上方地表水平位移为 ，最大地表水平位移 发生在地表沉降曲线反弯点处，这与Cording & Hansmire (1975)、Attewell (1978) 的现场观测数据相一致。

3.3 纵断面地表沉降分布

刘建航等(1991) 总结了自1958年以来上海等地区的软土隧道施工经验，根据Peck公式的基本原理和国外有关资料，提出了纵向地面沉降估算公式:

(1.20)

式中:S (y)—纵向地面沉降量(m)；

y—沉降点至坐标轴原点的距离(m)；

y —盾构推进起始点至坐标轴原点的距离(m)；

—盾构隧道开挖面至坐标轴原点的距离(m)；

L—盾构机的长度(m)；

, ；

V11—盾构开挖面引起的土体损失(欠挖时为负，m /m )；

V12—开挖面以后因盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有其它施工因素引起的土体损失(m /m)；

—函数可由标准正态分布函数表查得。

该公式适用于不排水条件下，式中 和 值较难准确确定，只能凭经验决定开挖面是否出现“负土体损失”，从而来反映是否出现地面隆起，与施工参数无关，因此存在欠缺。

Attwell & Woodman(1982) 检查了大量在粘土中修建隧道的案例，发现用累积概率曲线来描述开挖面无支撑时的纵向沉降曲线是有效的，当开挖面有支撑压力时，可用累积概率曲线的转换形式来描述。假定变形在体积不变情况下发生，给出任一点的三个方向的位移表达式，其中沉降表达式如下

(1.21)

(1.22)

式中y--隧道掘进方向的地表面坐标(m)；

--隧道开挖面推进起始点(m)；

--隧道开挖面的位置(m)。

Attwell & Woodman (1982) 发现对于硬粘土中建造的开挖面无支撑的隧道，开挖面正上方的地面沉降约等于0.5 ，而对于软粘土中建造的开挖面有支撑的隧道开挖面正上方的地面沉降则远小于0.5 。

Y.s.Fang(1993) 提出EPB盾构在粘土中掘进引起的隧道中心线上方地表纵向沉降随时间的变化曲线是双曲线型

(1.28)

式中--隧道中心线最大地表沉降(m)；

a,b--参数；

t--时间(天)。

Ata(1996) 通过对Cairo的一条直径9.48m，埋深16m，用泥水加压式盾构建造的隧道纵向地面沉降分布进行分析后指出，盾构开挖面正上方地面沉降在0.25 0.30 的范围内。此时，需要用平移后的累积概率曲线才能正确预计地面沉降沿纵向的分布。

4 盾构施工沉降研究存在的问题

纵观研究文献，国内外对于盾构隧道施工环境影响的研究方法主要有:经验公式方法、模型试验方法、现场实测方法、数值计算方法等。这些方法各有优缺点，更多场合则是将这些手段结合起来应用。这些方法在研究盾构隧道施工环境影响方面已经取得许多有价值的研究成果，但还存在下列问题 :

(1) 经验公式方法概念简单，只要确定了公式的参数就可以很方便地得到地面沉降槽曲线。这种方法可以在一定程度上反映了土的性质、隧道的特点对沉陷的影响，对于一些土质较好，施工技术、施工设备较完善，且已有类似工程实测资料的情况，现场量测结果与计算结果比较接近，这种方法有很大的优越性。不足之处在于:

① 经验公式方法只是粗略给出了预测地表沉降的计算公式或范围，有的甚至有附加条件并需从各自统计表中查取有关参数，计算出的结果与实测值偏差一般较大。当衬砌形式、刚度不同，以及施工条件和地层条件等复杂时，它们的应用将更受到。

② 经验公式方法大都需要通过估算地层损失率来确定地表最大沉降，具有较大的随意性，难以较好反映隧道工程条件(隧道埋深、隧道直径、土层性质)和施工参数(开挖面卸荷量、盾尾空隙填充率)的影响:认为沉降是在不排水情况下发生的，仅由于地层损失而引起，而在沉降的后期，扰动土的固结沉降是主要因素，这是地层损失的概念所无法反映的。

③ 经验公式方法给出的沉降槽公式仅是地面的沉降曲线，对于地面以下至隧道之间土层的沉降曲线，从许多实测资料可知是不符合高斯分布的。

(2) 离心模型试验对于了解盾构隧道施工引起地层位移的机理，揭示各个施工因素对地面沉降的影响具有重要意义。但其试验方法复杂、费用昂贵，模型难以精确模拟实际工程地质条件和施工参数，且得到的信息有限。

(3) 解析解得到的是理论解，精度高，计算量小，但解题范围有限，只有少

数简单边界条件下可以得到解析解。

(4) 半解析数值方法在处理三维问题时可通过在一个或两个方向使用解析函数来达到降低离散方向维数的目的，和有限元法相比减少了计算工作量。半解析数值方法在不同程度上保留了纯解析与纯数值两者的优点，避免了两法的缺点，对求解问题适应性较强。缺点在于:

① 半解析数值方法对几何形状的适应性及程序的统一性不如有限元法灵活。

② 半解析数值方法中解析函数的选择直接关系到结果精度和方法成功与否，且半解析元的单元劲度矩阵随着解析函数的项数增加而急剧增大，而取的项数越多，越趋向于收敛值，这对解析函数的选取提出了较高的要求，且边界条件仍有过多假设，有一定局限性。

(5) 二维有限元分析计算量小，可以在一定程度上反映土体性质，施工参数对地层位移的影响。但却存在下列局限性:

① 横剖面模型只能对一个个的剖平面进行分析，在每一个剖平面上需根据经验判断采取相应的加载方式，同时还要引入反映土体三维损失和工艺等经验参数，增加了分析中的人为臆断性。

② 纵剖面模型的本质是利用长距离水平槽模拟隧道，这种方法更适用于长距离矿山巷道。

③ 纵-横剖面模型则利用两个平面应变问题的分析结果互相补充分析中所需的信息，而这种相互依存的补充信息也不可能直接被利用，还是需要经过分析者的经验处理，否则就是理论上的自相矛盾。导致这些局限性的根本原因在于，盾构隧道问题是一个完全真实的三维动态发展过程，利用平面解硬套这个三维解，必然存在局限性。因此，建立盾构隧道的三维有限元分析模型是研究的发展趋势。

(6) 三维有限元分析能够反映盾构隧道施工引起地层位移的三维性状，能够综合反映隧道的施工过程。已有盾构隧道施工三维有限元模拟方法中仍存在下列问题:

① 现有方法在模拟盾构施工时考虑的因素不够全面:大多只考虑了开挖面卸荷、盾尾脱空、千斤顶推力、盾尾注浆的影响，而对盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、挖除隧道内部土体引起的竖向卸荷和结构与土之间的接触问题涉及较少。

② 现有方法对开挖面卸荷、千斤顶推力、盾尾空隙填充、注浆材料凝固等具体因素的模拟方法还存在不合理的地方。

③ 现有方法对盾构连续推进过程模拟方法的描述还不够清楚。

注：文章内的图表及公式请以PDF格式查看