盾构施工中的地面沉降机理分析 (2)

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1、盾构施工中的地面沉降机理分析   在软土地层中开挖隧道，不论采用何种施工方案都将引起地层运动，产生地面沉降。   一、地层隆沉的原因   地面沉降，是指由于盾构法施工而引起隧道周围地层的松动和沉陷。它直观表现为地表沉降。受其影响隧道附近地区的基础构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。   由盾构法施工而引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形成地面沉降的二个主要因素。   1、土体损失   隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等问题而比以隧道断面积计算出的量大得多。这样，使盾构隧道

2、与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填满，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。土的应力因此而发生变化，随之而形成：应变—变形—位移—地面沉降。   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。地层损失率以地层损失盾构理论排土体积的百分比Vs(％)来表示。   圆形盾构理论排土体积Vo为：                    Vo＝π•ro2•L               (式1)   式中 ro——盾构外径               L ——推进长度   单位长度

3、地层损失量的计算公式为：                   Vs=Vs(%)•π•ro2                        (式2)   地层损失一般可分为三类：   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。这是因为在实际施工中无论选用何种类型的盾构都不可避免的产生地面沉降。一般的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

4、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 非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构驾驶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 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水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或遇到地层中的贮水。   2、固结沉降   固结沉降可分为主固结沉降和次固结

5、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。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。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

6、起隧道周围地表沉降是指主固结沉降和次固结沉降及施工沉降(也称瞬时沉降)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固结沉降之和。此时，位于隧道上方的任意一土层的相对沉降值是相同的。这是因为随着超孔隙水压力的消散， 土颗粒向着它原来的相对位置移动，当超孔隙水压力全部消散完毕，土颗粒也就回到原来的相对位置。如果总沉降中计入次固结沉降，则还应加上由于地层土体原有结构破坏引起的蠕变沉降。    二、地层隆沉的发展过程   盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化图(见图8-2-1)可分为

7、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。图8-2-1 地面沉降变化图    1、初期沉降    它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，也就是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

8、成不同的隧道开挖方式。由于推进各种参数(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。开挖面的超载系数越大土的自立性就越差，开挖面向盾构方向的位移量或土体损失量也就越大，开挖面的沉降因此而产生。超载系数OFS与开挖面土体损失的