软土地层盾构施工地表沉降分析及措施

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1、软土地层盾构施工地表沉降分析及措施 摘 要: 通过对上海地铁软土地层盾构施工引起的地层变形原因和机理进行分析，结合派克公式对地层变形进行计算，引出地层损失率作为沉降控制标准，并提出了软土地层盾构施工地层损失控制技术要点，以减小施工对环境的影响。关键词: 软土地层，地层损失，地层损失率 0 引言     随着盾构施工技术在城市地铁建设应用中的不断发展，地铁施工普遍存在的诸如地表沉降、周边建(构)筑变形等对环境的不利影响也越来越引起人们的重视，但迄今为止尚未得到完全解决，研究盾构施工技术、控制措施及其减少对地层及周边环境的影响具有指导作用。本文通过对上海软土地层盾构

2、施工引起的地表变形机理和原因分析，结合派克公式以及地层损失率控制要求对地表沉降进行反算，以求在施工中采取针对性措施，减少地层变形。 1 地表变形机理     变形从物理角度讲，归结为应力的变化。天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。     土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移，孔隙流体及

3、气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动，引起土体变形，从而引起地表变形。 2 地表沉降规律横向上，沉降槽曲线近似为正态分布，见图1。     纵向上，隧道沉降分布随时间变形具有阶段性规律，见图2。 3 盾构施工引起地层变形的作用机理和原因分析3．1 盾构施工引起地表沉降的作用机理     根据地表沉降规律纵向曲线分布，盾构施工引起的地表沉降按照变化规律可分为五个阶段，各阶段变形的主要原因和作用机理见表1。3．2 原因分析     从表1中可以看出，地面沉降的根本原因是盾构施工中引起的地层损失和受扰动土层的固结。     1)地层损失。    

4、 地层损失是指盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差。引起地层损失主要有以下几方面的因素:     a．土仓压力设置不当，造成开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的推力小于原始侧向力，土体在原始侧向力的推动下向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降;反之当推力大于原始侧向力时，挤压正向土体向上、向前移动，引起地层损失(欠挖)而导致盾构前上方土体隆起［2］。b．盾构后退回缩。由于盾构机采用液压推进系统，当盾构暂停推进时，盾构推进油缸压力释放或漏油回缩会引起盾构后退，盾构刀盘与开挖面之间出现间隙，开挖面土体因失去支撑而坍落或松动，造成盾构前方地

5、层损失。c．注浆充填不及时。盾构法施工隧道由于开挖面轮廓较衬砌面偏大，衬砌外围存在地层空隙，一般随盾构推进采用注浆充填。施工时，若注浆压力不恰当，注浆量不足，注浆不及时，衬砌外围周边土体失去平衡状态而向空隙中移动，引起地层损失。d．频繁改变推进方向。由于线路走向要求，盾构推进过程中需随时调整推进方向以拟合线路。由于盾尾较刀盘在开挖方向上的轨迹存在滞后性，每一环衬砌在推进纠偏过程中的实际开挖面不是圆形而是椭圆，无形中增大了土体开挖量，造成地层损失。     2)受扰动土的固结。     盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区。当盾构通

6、过该地层后，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，盾构推进中的挤压作用和注浆作用也使周围地层形成正值的超孔隙水压区。在盾构隧道施工后的一段时间内其孔隙水压力复原，发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架压缩变形会持续较长时间，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。 4 地表沉降控制标准     根据派克公式，地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布为正态分布曲线，距隧道中线处的地表沉降量计算公式为:     其中，S(x)为距隧道中线处的地面沉降，m;ΔV为地层损失总量;x为距隧道中线处的距离，m;i为沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点

7、的横坐标，m。     根据Attewell公式，沉降槽宽度系数i的计算方法为:     其中，r为隧道半径;Z为隧道开挖面的中心埋深。     地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比表示，其计算公式为:     其中，V为隧道开挖土体面积。     依式(2)，式(4)可得，在地层损失率控制标准一定的情况下，地表最大沉降值为:     上海地区属滨海相软弱地层，主要地层为饱和含水流塑或软塑黏性土，其含水量高、压缩性高、灵敏度高、强度低，受扰动后沉降大且稳定时间长［3］。为应对在此类地层中，世界上发达国家已用先进的盾构和施工方法将盾构施工扰动地层而产生的地层损失

8、率控制到0．5%，上海盾