PDF《盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析》

2 盾构施工对地层的扰动及已有污水 管道对扰动地层的影响 盾构施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰 动或受剪切破坏的重塑土的再固结,是地面沉降的 基本原因.引起地层损失的施工及其他因素包括开 挖面土体移动、土体挤入盾尾空隙、盾壳移动对地 层的摩擦和剪切、盾构后退等.盾构隧道周围土体 受到盾构施工的扰动后,便在隧道周围形成超孔隙 水压力(正值或负值)区.一般,盾构在推入某处地 层后,盾构周围的超孔隙水压力的分布如图 1(a)所 示的状态.当盾构离开该处地层后,由于土体表面 的应力释放,隧道周围的超孔隙水压力便下降,呈图1(b)所示的状态[2] .在超孔隙水压力消散过程中, 孔隙水排出,引起地层移动和地面沉降.此外,由 于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等施 工因素,周围地层形成正值的超孔隙水压力区.其 超孔隙水压力,在盾构隧道施工后的一段时间内消 散复原,在此过程中,地层发生排水固结变形,引 起地面沉降.同济大学地下建筑与工程系对上海饱 和软粘土地层中地铁隧道盾构隧道试验段进行了考 虑固结问题的有限元分析,经采用修正剑桥模型和 比奥固结的分析和现场测试研究后,认为隧道顶部 区域及隧道周围土体,在补充地层损失的移动过程 中,因土体受到压浆作用而受到挤压,以致产生超 孔隙水压力;

在离隧道较远处,孔隙水压力减少, 而离隧道较近处,孔隙水压力增大,如图

2 所示. 图1超孔隙水压力分布 Fig.1 Distribution of excess pore water pressure 图2盾构推进对隧道周围孔隙水压力的影响 Fig.2 Influence of shield excavation on pore water pressure around tunnel 在饱和软粘土地层中采用盾构法施工时,盾构 前进过程中需要克服盾构外壳与周围土体的摩擦力 F

1、切口切入土层阻力 F

2、盾构机和配套车架设备 产生的摩擦力 F

3、管片与盾尾间的摩擦力 F

4、开挖 面的主动土压力F5 [3 ~ 5] . 当千斤顶推力T>F1+F2+F3+F4+F5 时,盾构前方土体经历加载阶段, 产生如图 3(a)所示的挤压扰动区①,此时,盾构工 作面正前方土体处于被动应力状态,挤压扰动区① 与后文所述卸荷扰动区③的分界线与水平面夹角为 45° -φ/2. 开挖面受挤压作用引起土体压缩并使土体 前移和隆起,盾构机工作正常时为此状况.盾构推 (a) u (b) r u r 孔隙水压力 减小区 隧道 衬砌 孔隙水压力 增大区 ?

1516 ? 岩石力学与工程学报

2003 年 进过程中,盾壳与周围土体之间产生摩擦阻力,该 力的作用结果则在盾壳周围土体中产生剪切扰动区 ②,该区的特点是范围较其他区域小.在剪切扰动 区②以外,由于盾尾建筑间隙的存在,土体向建筑 间隙内移动, 引起土体松动、 塌落而导致地表下沉, 盾构上方土体由于自重和地面超载(当地面有超载 时)向下移动而形成卸荷扰动区③, 该区内土体力学 参数先降低,而后随土体的固结将有所增加.盾构 下方土体可能出现微量隆起以及由于衬砌、盾构机 的重力压载作用而引起的下沉,该区则称为卸荷扰 动区④. (a) (b) 图3盾构施工扰动分区 Fig.3 Different zones of the disturbed soils induced by shield tunneling 必须指出的是,以上施工扰动分区会因千斤顶 推力发生变化而有所改变.当T