（岩土工程专业论文）盾构开挖对软粘土地层扰动及工后沉降研究.pdf

摘要 摘要 盾构法隧道，作为一种环保、低扰动、高效快速的城市隧道施工方法，在我国城市建 设日新月异的今天得到了高速发展，逐渐成为了我国城市地下空间开挖方法的主流方法之 一。同时，盾构法作为一种地下开挖工法，不可避免地会对其周围地层产生影响，并引起 一系列的地基变形。在某些软粘土地层中，这些地基变形的发展会一直持续相当长的时间， 甚至隧道建成后相当长的时间里地表变形仍在持续发展。如何理解这种持续性变形的产生 机理，深入了解这种持续变形的特性应是盾构法隧道应用越来越多的今天的一项重要课 题。 实际上，盾构隧道工后沉降的产生原因是多方面的，盾构开挖对地层产生扰动，而扰 动引起的工后固结沉降是一主要原因。本文既是针对这种隧道周围土体中超孔隙水压力消 散产生的固结沉降及该固结沉降的产生机理展开的研究。总结本课题的研究，共做了如下 几方面的工作： ( 1 ) 探讨了软土地层盾构开挖对地层扰动及工后沉降发生机理，通过总结前人的研 究成果从理论上解释该问题的发生发展过程，明确影响地层扰动程度及后期沉降的关键因 素为隧道的支护应力与地层不排水强度； ( 2 ) 针对软土地层盾构开挖对地层扰动及工后沉降实际问题需要，确定分析问题方 法，建立了能够考虑软土地层变形特性、孔隙水在地层中渗透对地层变形的影响以及开挖 过程的时间性等关键影响因素的三维隧道开挖数值分析模型； ( 3 ) 采用所建立的数值分析模型，研究上海软土地层中盾构开挖对地层扰动及工后 沉降的发生发展过程，研究结果表明，开挖过程中由于孔隙水的渗透及土体的固结作用实 际盾构开挖对地层变形影响范围明显大于地层损失理论所得范围，影响距离之比在1 4 左 右： ( 4 ) 研究盾构支护压力及地层渗透系数等关键施工及地层特性参数对隧道开挖地层 扰动及工后沉降的影响规律，研究结果表明，支护压力比在o 8 5 1 1 之间时对地层扰动和 工后沉降影响不大，渗透系数达到一定量级( 1 0 。8 c i n s ) 时隧道工后沉降明显； ( 5 ) 基于三维数值模拟程序，对软土地层盾构隧道工后沉降特性进行了细致的分析， 通过程序模拟的方法较为真实地反映扰动后地层各项指标( 变形、孔压等) 随时间空间的 变化过程，得到了隧道地层的地表沉降槽的工后发展特点为先扩大，然后再加深的认识。 关键词：盾构施工；地层扰动；工后沉降j 软粘土地层； a b s 仃a c t a b s t r a c t s 1 1 i e l d t u 姐e l i l 唱c o n s 乜c t i o nm e 廿1 0 d ， a sa i le r l v i r 0 衄e mp r o t e c t e d ，l o wp e r t u r b e d ， 1 1 i 曲- e 伍c i e n ta 1 1 d 蠡弱tm e t l l o di nu r b a l lt u i m e l i l l gc o n s t m c t i o n ，w 1 1 i c h 诵l lg e ta1 1 i 曲一s p e e d d e v e l o p m e n ta n db e c o m ea so n eo f 也em 旬o rt e c l l i l 0 1 0 9 i e s 印p l i e di i lt 1 1 eu 1 1 d e r g r o u i l ds p a c e e x a c t i o n ，h a sab r o a dd e v e l o p m e n tp r o s p e c ti no u rc o u n t 巧 h o 、e v e r ，a saw a yo fu n d e r 铲o u n de x a c t i o n ，t l l es m e l dt u m l e l i n gc 趾1 1 0 ta v o i dd i s t u r b i l l g t 1 1 eg r o u l l d i i ls o m es p e c i a lg r o u l l d ，t h j sd i s t l l r b a n c em i 曲tl a s tm e r 恤c o n s t m c t i o no ft u i m e l s o ，a st l l et i m eo fm o r ea n dm o r es l l i e l dt u 仰e l i n gi nc m n 如t 1 1 e1 0 n g t e r ms e t t l e m e n to f t 1 1 es l l i e l d t u r m e l i n gs h o u l db ec o n s i d e r e d i ti s a i li m p o r t a n ts u 巧e c tt ou i l d e r s t a n d 也i sd i m 曲a 1 1 c ea 1 1 d 1 0 n g - t e 肌s e m e m e n tc o i t e c n ya n dd e e p l y ： a c t u a l l yt 1 1 ec a u s a t i o no ft 1 1 el o n g t e m ls e t t l e m e n ti sv a r i e t y t h ec o n s o l i d a t i o nc a u s e do f 也e 出s t u r b a i l c eo fs k e l de x a c t i 锄i so n eo ft h em a i nr e a s o n so ft h el o n g t e 珊s e t l e m e n t i i lt m s t l l e s i st h ec o l l s o l i d a t i o nc a u s e do ft h ed i s t u 】r b a n c eo fs ：h j e l de x a c t i o ni sm a “yd i s c u s s e da i l d r e s e a r c h e d t h e 、v or ：k sb e l o wh a sb e e nd o n e ( 1 ) t h em e c h a m c so f 也ed i s n l r b a l l c eo fs 1 1 i e l de x a c t i o na n dc o i l s o l i d a t i o ns e t t l e m e n ta r e r c o n s n l l c t i o ni ns o rc l a y 、v e r ed i s c u s s e d b a s e do nc o n c l u d i l l gt h et h e o r ) ro fp r e d e c e s s o r ，t 1 1 ek e y f a c t o r s ，w b i c ha r e1 1 i l d r a i n e ds 缸e n g t ha n ds u p p o r ts t r e s s ，w e r ei d e n t i f i e d ( 2 ) b a s e do nm ef a c tp r o c e s so ft 1 1 es 1 1 i e l d 眦1 e l i n g ，t h e3 dm n e r i c a lm o d e lo fs 1 1 i e l d e x c a v a t i l l ga i l d 铲o u l l dd i s t l l r b a n c ew h j c hc a nr e n e c tt h ec h a r a c t e ro f l es o rc l a ya i l dm e m n u e n c eo ft l l es e 印a g eo ft l l ep o r ew a t e r 、a se s t a b l i s h e d ( 3 ) b a s e do nt 1 1 e3 dn u m e r i c a lm o d e lo fs h i e l dt m m e l i l l 函t h ep r o c e s so f t l l ed i s m r b a n c eo f s l l i e l dt u i m e l i l l ga n d1 0 n g t e 珊s e t t l e m e n ti ns h a n 曲a is o rc l a yw a ss i m u l a t e d nc a nb e c o n c l u d e dt h a tb e c a u s eo f 1 ec o n s o l i d a t i o n ，n l ei l 】f l u e n c ec i r c l eo ft u 】【1 1 1 e l i n gi 1 1 负c ti sa b o u t 4 0 1 a r g e r m a nt l l ev a l u eo f 廿1 e 掣o m l dl o s st h e o r y ( 4 ) 1 1 1 ei n n u e n c et om el o n g t e mc o n s o l i d a t i o no ft h ek e yp 锄m e t e r so fg r o u i l dw 蚯c hi s p e n n e a b i l i t yc o e f j f i c i e n ta l l dsu _ p p o ns n s sh a sb e e nd i s c u s s e d ( 5 ) b a s e do nt h e3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ec h a r a c t e ro ft h e1 0 n g - t e mc o n s o l i d a t i o n s e t t l e m e n to fs l l i e l dt u 皿e li ns o rc l a yi st 1 1 a tm es e t t l e m e n tt 1 o u g hi s 埘d e nf i r s t 砒l dt h e n b e c o m e sd e e p e r k e ) 啊o r d s ：s 1 1 i e l dt u 彻e l ，d i s n 】1 b a n c e ，s o rc l a y ，l o n g - t e ms e t t l e m e n t l l 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 腮年6 月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：多基皿2 8 年6 月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及问题的提出 盾构( 英文表述为s l l i e l d ) 一词的含义在土木工程领域中为遮盖物、保护物i l 】。这里 把外形与隧道横截面相同，但尺寸比隧道外形稍大的钢筒或框架压入地中构成保护掘削机 的外壳。该外壳及壳内各种作业机械、作业空间的组合体称为盾构机( 以下简称盾构) 。 实际上盾构是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的施工机具。以盾构为核心的 一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法【3 】。 盾构工法问世以前构筑隧道的主要施工方法是明挖法。但随着城市建设的复杂化、现 代化，就城市隧道的施工而言，由于明挖法受地形、地貌、环境条件的限制；易造成周围 地层的沉降，进而威胁周围构造物的安全；长时间中断交通，给周围居民出行带来麻烦； 特别是商业街停业会带来巨大的经济损失。 盾构工法由于是地下施工，属暗挖法。故明挖法的上述诸多缺点均得到较好的改进， 相对的盾构法具有以下优点：对周围环境影响较小，施工中不会引起地下水位降低，开挖 引起地表沉降较小；掘进速度较快；隧洞成型质量较好；施工环境较好，机械化程度高， 具有人性化，噪音小，占有场地少；施工中支护衬砌质量可靠且造价较低；穿越河道不受 影响；施工受天气影响较小；在土质较差水位高的地方建设埋深较大的隧道，有较高的技 术经济优越性。因此得以在全世界范围内迅速发展【2 j 。 盾构施工技术在我国起步较晚，但近年发展较快，盾构掘进机制造和应用始于上世纪 6 0 年代，但随着我国的经济建设规模及速度加快，该法在国内得到快速大量的应用，尤其 近年随着国内城市轨道交通系统的不断完善，地下铁路的隧洞成型施工中盾构施工技术得 到越来越广泛的应用。自上世纪6 0 年代开始用盾构法修建隧道以来，己建成上数十条直 径2 一1 5 m 的隧道，如上海的打浦路过江隧道，延安东路过江隧道，合流污水一期工程，地 铁，广州地铁一二号线，南京地铁一号线，天津地铁一号线等。随着我国经济的迅速增长， 我国的地下铁道建设进入大发展时期，目前北京，上海、广州、南京、沈阳、杭州、武汉、 成都、西安、苏州、深圳等城市都在展开地铁建设，青岛等城市也正作修建地铁的准备工 作，全国己有二十余个城市正在建造地铁或已向国务院申请建造地铁。在这些地铁建设过 程中，盾构法以其城市地下隧道建设的优势性从而占据了多数施工段。可以说盾构法在我 国地下铁道建设中已得到广泛的应用。 虽然人们看重的是盾构法的安全、便捷性及对地层扰动的相对较小等优势。但是在盾 构开挖隧道的过程中，难免会对地层产生一定扰动，而这种扰动在某些特定情况下会对盾 构周围环境产生相当大的影响，特别是在盾构法使用较多的软粘土地层，一旦开挖控制得 河海大学硕士学位论文 表1 1 接近正常固结粘土地层隧道地表沉降( s h i r l 盛w ，1 9 9 3 ) 嘲 瞬时沉降 固结沉降 事例监测状况 监测状况 参考 墨( m m )s 。( 删丑) 新加坡，t a 9 4 1 0 0 隧道完成前的迅速隧道完成后 s h m a w 线 3 4 2 5 沉降2 0 2 天 新加坡，t a 6 8 7 6 隧道完成前的迅速隧道完成后 s l l i r l a w 线 2 5 1 0 沉降2 0 2 天 日本某地铁线 隧道完成前的迅速隧道完成后约 h a n y a1 9 7 7 1 6 66 0 沉降2 5 0 天 t u i l d e rb a y ，一号 5 5 开挖面穿过1 0 天 4 0 开挖面穿过后 b e l s h a wa n d 线 1 年 p a l m e r1 9 7 8 g r i i l l s b y ，a 线开挖面穿过后 o r e i l l ye t 6 3 开挖面穿过7 天 4 8 7 5 年 a 1 1 9 9 1 g r i m s b y ，b 线开挖面穿过后 o r e i l l y e t 3 6 开挖面穿过7 天 4 4 1 0 年 a 1 1 9 9 2 不够稳定就会对地层变形造成较大的影响，同时由于地层的渗透系数较小，盾构开挖过程 中对地层的扰动影响将会由于超孔隙水压力的产生及消散持续较长的时间。当地层变形超 过一定范围时，会严重危及邻近建筑物基础、邻近建筑地下管网的安全，引起一系列岩土 环境问题。如何减少盾构对周围土层的扰动程度，最大限度地降低盾构施工对邻近建筑物 及管线的影响，以及对受影响的建筑物如何采取保护措施，是加固还是搬迁等，一直是城 市管理者及隧道建设者所应长期关心的问题，就盾构施工对地层的扰动研究具有重大的意 义。 事实上，软土中隧道施工对周围环境的影响自从盾构法隧道问世以来一直是社会各界 关注的热点，尤其是1 9 6 9 年p e c k 在实测数据的基础上提出估算隧道瞬时沉降的经验公式 以来，以盾构施工对地层扰动引起地层变位为对对象的各种研究方法也随之产生，并得到 很大发展，但这些研究大都针对瞬时沉降为研究目标。然而，随着城市地铁的大量投入使 用，地铁隧道的工后沉降问题也受到越来越多的关注。城市地铁的工后沉降，尤其是建设 在软弱、高压缩性土体中的隧道的长期沉降是相当显著的【2 6 1 ( m a i r ，1 9 9 7 【3 3 】；l e ee ta l ， 1 9 9 8 【翻；s h i 订a 、v 1 9 9 3 【2 6 1 、1 9 9 5 【2 6 】；e ta 1 ，1 9 9 3 【2 4 1 ；o ，i 沁i 1 1 v 1 9 9 1 【3 4 】) 。 s 1 1 i r l a w 【2 6 j 【2 9 j 在研究大量隧道长期沉降实测数据的基础上得到如下结论：在正常情况 下，隧道的长期沉降占总沉降量中的比例在3 0 9 0 之间，而且，在许多工程实例中都 发现，伴随着长期沉降的增加，地面沉降槽的宽度也会相应增加。事实上，o r e i l l ye t a 1 ( 1 9 9 1 ) p 4 j 通过对建造在粉质粘土、直径为3 m 的英国例m s b y 隧道1 1 年的观察结果也已 经证实了s h i r l a w l 9 9 5 年得到的上述结论。 l e ee t “比疑f 上海地铁2 号线的现场沉降监测也表明：隧道建成后的长期沉降的发展 第一章绪论 占最终沉降量的6 0 左右，同时，在隧道建成后的1 个月到3 个月期间，地表沉降槽也从 2 6 4 5 d 发展到了2 7 4 2 d ( d 为隧道外径) ，并得到了影响隧道长期沉降的最主要因素是壁 后注浆充填量( g f r ) 和超挖率( o e r ) 的结论。 因此，如此大的工后沉降( 长期沉降) 需要人们对这种工后沉降的产生机理、影响因 素及发生发展特性等涉及到的相关问题有一个比较深刻的认识，从而能够很好地指导实 践。 1 2 盾构开挖对地层扰动过程及工后沉降产生机理概述 盾构施工过程中由于对土体的开挖和扰动破坏了土体的原始应力状态，使土体单元产 生了应力增量，引发周围地层产生不排水变形从而引起土体位移，同时在饱和土地层由于 应力状态的变化伴随产生超孔隙水压力，由于超孔隙水压力的存在，在软粘土地层中隧道 周围土体会在开挖过后相当一段时间内产生了持续位移，如此一系列的持续变形构成了盾 构开挖扰动地层变形过程。 根据以往隧道施工时的观测，盾构隧道的施工扰动过程以隧道轴线地表点的经时变位 曲线为例，地表点的地层移动经历五个阶段【4 6 】： ( 1 ) 先期沉降，盾构尚未到达该点时的变位，表现为地表下沉。对于砂质土，其可能 是由于地下水下降引起的，对于极软粘性土，则沉降可能是由于开挖面过量取土引起的； ( 2 ) 开挖面前方地基变位盾构机前方刀盘即将到达之前发生的变位，表现为地表隆起 或下沉，其主要是由于盾构机对开挖面土层施加的支护压力过大或过小，致使开挖面失去 平衡状态，从而发生地基变位； ( 3 ) 盾构机通过时地基变位，指从盾构开挖面到达该地表店的正下方开始，直至盾尾 即将脱离该点为止的发生的地基变位，地表表现为隆起或沉降。产生这部分地基变位的原 因，主要是盾壳对土体的摩擦力，破坏了土体的结构强度，另外超挖及盾构姿态的非水平 向也加剧了地基变位； ( 4 ) 盾构机尾部脱离时变位，指盾尾空隙形成至注浆结束为止的那段时间内的下沉或 隆起。管片从盾尾脱离之前，盾壳对土体有一约束力，方向指向土体，一旦盾尾脱离，盾 构机壳土体之间产生空隙，如果在盾构脱离后未能及时注浆或填充率不足，则空洞断面就 会向内缩小，引起应力释放力，产生地表沉降，相反，如果注浆压力过大，则会导致地表 隆起； ( 5 ) 后期沉降，指从注浆结束开始，直到下沉停止的那部分下沉，引起这部分沉降的 原因，主要是固结变形与蠕变变形，在软粘土地基表现尤为明显。 河海大学硕士学位论文 起 下 先期沉旷 开挖面前部下沉 通过时下沉 最 终 沉 降 图1 1 盾构通过地层变形过程 按照工后沉降的产生原理，可将其分为以下三部分：( a ) 隧道周围土体中超孔隙水压 力消散产生的固结沉降，超孔隙水压力是由于盾构旌工引起的；( b ) 土体的蠕变引起的变 形，也就是通常所说的次固结沉降；( c ) 地铁运营过程中，列车行驶产生的循环动荷载， 以及列车振动对周围土体产生的影响也会促使隧道长期沉降的发展。本文主要针对隧道周 围土体中超孔隙水压力消散产生的固结沉降及该固结沉降的产生机理展开研究。 1 3 盾构施工对地层扰动及工后沉降研究综述 1 3 1 隧道地层变形的数值模拟与模型试验研究 c b a m b o n & c o r t e 【4 2 】通过离心试验模拟均质砂土层中开挖面支护压力( 两种施加模式) 逐渐减小，研究不同埋深情况下开挖面的地层变形破坏形式，研究表明：开挖面变形破 坏形状为开挖面前方位楔形体，破坏区域上方为上部位舱桶状，随着埋深的加大破坏面反 映不到地面；极限最小支护压力的大小与埋深关系不大。 r j f i n n o 和g w c l o u 曲【9 】经现场测试表明，土压平衡盾构开挖隧道的地层反应是三维 空间的和历时变化的。他们认为为保持合理的计算费用，可采用纵、横两个方向的二维平 面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程及地表移动。 r k r o 、e & k m l e e 【l o 】编制了一种可以对不同土性和施工技术条件下隧道开挖引起的 地表沉降进行预测的弹塑性有限元程序。他们又发展了一种用于模拟施工工序、后继地层 位移、开挖面周围和地表应力状态对地表沉陷的三维弹塑性有限元方法。给出了非线性问 题的求解步骤和适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型，研究了浅埋隧道的三维性 状，考虑了具有简单几何形状和地层条件的隧道。对无衬砌和完全衬砌隧道这两种极限状 况下隧道周围土体的应力场和位移场进行了有限元计算，得出盾构后土体位移满足平面应 变条件所需的距离受隧道开挖面周围土体弹塑性区大小的控制。 r o w e & l e e 【l l 】对用于估算软土中浅埋隧道施工中引起的土体三维应力变化和地层位 第一章绪论 移的各种简化方法( 如轴对称分析、轴向平面应变分析、经验的累积概率分布方法等) 进 行了评价。作者采用了两维横向平面应变分析来估算所需参数值，并指出用纵向平面应变 r o w e & l e e 【1 3 】认为间隙参数反映了隧道顶的垂直位移和软土隧道旅工中的地层损失 m a i r 等【3 2 】【3 3 1 通过实地量测和离心模型试验，结合自己早年模拟粘土地层盾构掘进中 趾：o 3 1 3 圪罢 寺- o m + o 3 2 5 ( ，一刳 2 竺当型 1 一三 圪= 2 万f - s 。； 圪= 等 q 一 1 2 5 圪r 2 k ，一f 彳一 | o 1 7 5 + o 3 2 5 ( 1 一三) l 嘞 lz o - j 式中：k 一地表沉降槽体积 z 0 一隧道轴线埋深 河海大学硕士学位论文 1 3 2 盾构施工对土体扰动研究 盾构施工对土体的扰动是不可避免的，它包括盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、 孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表的隆起与下沉等。土体扰动是地层变形的原 因，而地层变形是扰动的结果，对土体扰动性质的改变主要集中表现在：土体结构的变 化；土体的应力状态或应力路径变异；土体的孔隙水压变化等方面。 r k r o 、v e & k m l e e 【1 3 】【1 4 】经理论分析和实际观测得出掌子面隧道上方状态因应力释 放接近于三轴拉伸而非三轴压缩，隧道起拱线和反拱下则处于三轴压缩状态。通过固结拉 伸、固结压缩以及应力路径不同试验的结果表明，应力路径对弹性模数产生根本的影响， 对弹性参数的合理选择将大大改善计算的地表沉陷槽的形状和侧向变形。建议了软土隧道 开挖引起变形的f e m 分析所需土性参数的实验室方法。 b s c 蛳d t 对软土隧道的固结沉降进行了研究，认为盾构开挖引起的地表沉陷部分来 自于开挖面和盾尾间隙的地层损失，而更大部分则来自于土体的固结。分析和实测表明， 土体非弹性径向位移、开挖面过大的支护压力和隧道发生的应变是引起超静孔隙水压力的 原因，给出了预测超孔隙水压力的方法。 r j f i l l l l o & g w c l o u 曲9 】指出土压平衡盾构在掘进过程中有意识地使土体离开开挖面 引起地表轻微隆起和减少土壤向盾构尾部空隙范围的移动，但却增加了土体的固结沉降。 并采用修正剑桥模型，通过五个阶段过程的施工模拟超孔隙水压力的产生和消散以及隧道 的横向位移。超孔隙水压力随盾构机接近时增大，脱离盾尾后降低而消散。该方法的最大 特点是能够直接确定扰动带的范围和模拟这部分土壤的后来固结。 x ，r k r 0 w e & k m l e e 【2 4 】对上海芙蓉江合流污水工程盾构隧道孔隙水压与地层 变形进行了分析，应用偶合粘弹塑性模型、土的应变硬化定律进行了有限元的计算。研究 结果表明计算的初始沉降槽与p e c k 曲线非常接近，沉降槽形状随时间增长变窄；考虑扰 动区与不考虑扰动区相比较，计算的最大沉降量增加约3 0 ，最大水平与移近量增加约 4 2 ；盾构推进速度应尽可能保证出土速度一致以减少地层扰动及其固结沉降；工作面舱 压较静止水平土压大约10 可使地表沉降最少。 s 1 1 i n ，a d d e n b r o k e ，p o t t s 【2 8 】以伦敦，韩国地铁为例，采用有限元方法分析了隧道衬砌 渗透性以及地下水位变化对长期沉降的影响。计算发现，在长期沉降过程中，隧道具有一 定透水性，地下水位的变化及隧道的透水性不仅影响地层沉降的大小，而且还会改变长期 沉降的形式。 徐方京应用弹塑性理论( 圆形断面受力分析，采用摩尔一库仑准则) 和h e l l l ( e l 公式 求得盾构掘进五个阶段中的孔隙水压公式并把其结果与上海合流污水工程与地铁工程的 实测结果作了对比分析。 易宏伟，孙钧【4 9 】针对盾构对上海软粘土的扰动机理进行了分析，结合现场测试的比贯 第一章绪论 入阻力和孔隙水压力验证了分析机理，其认为盾构机在正常情况下对地层的扰动按时空效 应可分为挤压扰动区、剪切扰动区、上、下卸荷扰动区等四个区域( 如图1 2 所示) ，并认 为比贯入阻力和孔隙水压力是分析盾构对地层扰动程度的良好标准。 a a 剖面 图1 2 盾构旌工扰动分区( 易宏伟，孙钧2 0 ) 蒋洪胜、徐永福【5 0 】通过盾构施工的现场实测资料，分析了盾构掘进对周围土体的影响 程度，监测了盾构掘进中开挖面附近土体应力及孔隙水压力的变化( 大部分的监测表明隧 道周围的土层中的超孔隙水压力均经历了一个快速上升以及缓慢消散的过程，由此伴随土 层的隆起、瞬时沉降以及固结沉降) 。上述盾构施工现场实测分析研究都是在上海软土地 层盾构施工进行中的，而且开挖面支护压力较为理想状态，国内对其它较硬地层中开挖及 开挖面坍塌事故的监测数据相当缺乏。 1 3 3 盾构隧道长期工后沉降研究 o r e l l y ，m a i r ，a l d e m a j l 【蚓对修建于正常固结粉质粘土中、直径为3 m 的英国g r i m s b y 隧道进行了为期1 1 年的监测，并以此监测结果为基础，分析了隧道长期沉降的发展规律， 并得到了如下主要结论：软粘土中隧道长期沉降需要经历相当长的时间才能达到平衡状 态；长期沉降槽随时间的发展不断向外拓展，长期沉降槽的宽度为短期沉降槽宽度的2 倍； 长期沉降量增加了4 6 - 4 8 m m ，占总沉降量的5 0 之多。 b o w e r se ta 1 【3 5 】介绍了修建于伦敦粘土中的h e a t h r o w 高速公路隧道长期沉降的发展情 况。该隧道在建成后3 年内，隧道轴线上方的地表沉降从瞬时沉降的2 6 m m 增加到3 7 瑚m ， 并且沉降槽也呈现扩大趋势，不论是瞬时沉降还是长期沉降都可以用p e c k 沉降曲线来拟 合。 k m l e e ，h w j i & c k s h e n 【2 2 】以上海地铁2 号线石门一路站至人民公园站区间段 盾构施工对地层扰动及地层变形的监测资料为背景，监测了盾构开挖期间及其后地层、地 表位移，孔隙水压变化，衬砌周围土压力发展过程等地层扰动关键指标。得到了隧道周围 孔隙水压力的分布和消散情况以及上层变位随时间的发展变化规律。更有意义的是以实测 河海大学硕士学位论文 资料为基础，建立了盾构施工参数( 开挖面支护压力比、壁后注浆率、间隙参数、超挖引 起的地层损失率等) 与长期沉降之间的量值关系。得到了以下结论：( 1 ) 开挖面支护应力 比在0 9 5 1 0 5 间时，开挖对地层变形的影响很微小。( 2 ) 地铁隧道引起的沉降分为5 个 阶段：盾构面达到以前的地层沉降或隆起；盾构刚好推过时引起的地层沉降；盾尾 闭合引起的地层变位；隧道施工完成后的周围扰动土体和注浆体固结引起的沉降；软 粘土的次固结沉降。( 3 ) 在开挖时保持开挖面应力平衡与壁后注浆的充分填实可以有效降 低开挖引起隧道周围土体的剪应力量值。( 4 ) 长期数据表明隧道周围土体压力在经过开挖 扰动过后，经过一定时间最终将恢复到原有土压力状态，隧道上覆土重和隧道衬砌重量会 最终传递至衬砌下覆土层。( 5 ) 盾构开挖过程中，盾构机的轴线控制是隧道开挖过程中最 为重要的参数之一，盾构超挖对隧道瞬时和长期固结沉降量影响相当大。 s h i r l a w 【2 6 j 在总结新加坡、日本和英国等6 条隧道长期沉降的基础上对长期沉降槽的发 展形式进行了研究，研究表明：对于采用泥水平衡盾构施工的隧道，其长期沉降槽的分布 形式和瞬时沉降槽的形状是相同的，都可以用p e c k 在1 9 6 9 年提出的g a u s s 曲线来描述， 但是对于采用其他常规施工方法施工的隧道，其长期沉降槽要宽得多，并且长期沉降槽的 宽度随隧道直径增加而增大，但是受隧道埋深的影响较小。 s m e l a “3 0 】对建造在正常固结软粘土中隧道工程实例进行的总结得到：工后沉降和瞬时 沉降比例在o 3 6 1 2 2 之间变化，即正常固结粘土中，长期沉降占总沉降的比例是相当大 的。 j n s h i i l ，t l a d d e n b r o o k e & d m p o t t s 【2 8 】通过建立耦合非线性有限元方法分析隧道 建成后衬砌的长期渗透性对隧道衬砌的长期性能影响，得到了衬砌防水性能的好坏对隧道 长期性能影响相当大，认为应当对隧道衬砌的长期可渗透水性能引起高度重视。 张冬梅，黄宏伟，杨划5 1 】在综合考虑隧道的局部渗透性以及土体时效特性的条件下， 采用数值模拟的方法，对隧道长期形态发展过程中衬砌局部渗流对地表沉降、沉降槽及地 层损失的影响进行了分析，在此基础上对上海地铁2 号线某区间隧道长期沉降的发展进行 了预测和比较。认为上海软土隧道的工后沉降与瞬时沉降的比例是相当显著的。而地表沉 降槽的形状在长期发展过程中并没有发生显著变化，仍然可以采用p e c k 提出的经验公式 来描述。 璩继立p 习在实测数据的基础上，拟合出了上海地铁长期沉降变形双曲线公式： s ：l 1 口+ 6 ， 式中，墨一f 时刻隧道轴线上方地面最大沉降( n h n ) 口，6 根据实测值拟合得到的参数 f 抗降发展所经历的时间( 天) 第一章绪论 1 4 本课题的研究意义 盾构施工对地层的扰动变形及其所引起后期固结沉降研究是盾构施工中一项关键技 术，尽管国内外学者在这方面进行了许多相关研究，也取得了许多共识，但在有些方面的 认识还待进一步深入。 ( 1 ) 目前关于盾构掘进对地层扰动引起的围岩的变形研究大都侧重于盾尾孔隙闭合 及注浆过程的研究，针对开挖面支护压力控制对地层扰动影响研究不够系统深入，尤其是 对满足开挖面稳定范围内支护压力波动变化对掘进中地层扰动的影响尚不明确。 ( 2 ) 国内外诸多学者针对盾构开挖对地层扰动从而引起的隧道工后沉降问题进行了 许多现场实测研究与室内模拟预测相结合的相当有意义的研究工作，但大多数研究均仅限 于所监测的某段地层情况，对地层某些变化比较多样的参数( 诸如渗透系数等) 且对隧道 工后沉降性能影响较大的因素分析略显不够系统。 ( 3 ) 现今盾构开挖对地层扰动及工后沉降问题的相关模拟预测研究手段大多采用较 为简化的二维平面应变问题分析法，对三维隧道应力变形等随开挖过程及时间变化的模拟 尚待进一步加强。 本课题具有以下研究意义： ( 1 ) 在实际的盾构掘进施工中，由盾构开挖引起的地表沉降，隧道周围超孔隙水压 力的生成，地层应力的释放等地层扰动多数与开挖面支护压力控制密切相关，通过本文的 研究，建立开挖面的支护压力大小控制与其引起的周围地层超孔隙水压力分布，地层应力 扰动状态，地层变形位移形式关系，为深入理解软粘土地层支护压力对地层扰动及工后沉 降影响提供资料。 ( 2 ) 实际地层中由于地层性质是多样化的，即使同是在一种土地层中，相当多的地 层参数会随着时间空间的变化而变化，明确影响隧道地层扰动及工后沉降的地层关键参 数，基于一种实际土层系统深入的研究该土层中参数的合理变化对隧道地层扰动及工后沉 降的影响规律，将是一项较为有意义的工作。 ( 3 ) 实现盾构三维隧道开挖过程的模拟，考虑时间效应对三维隧道地层应力，变形 及孔隙水压的消散过程的影响，这在解决盾构开挖对地层扰动及其所产生的工后沉降问题 的方法上将是一次进步。 1 5 本文的主要工作内容及研究流程 鉴于以上综述，本文拟进行以下工作： ( 1 ) 探讨软土地层盾构开挖对地层扰动及工后沉降发生机理，根据前人研究从理论 上解释该问题的发生发展过程，明确影响扰动及后期沉降的关键因素； 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 针对软土地层盾构开挖对地层扰动及工后沉降实际问题需要，确定分析问题方 法，建立合理的数值模拟模型，并设计试验方案； ( 3 ) 根据所建立数值模型结合某实际盾构开挖地层进行模拟分析，建立开挖面的支 护压力大小控制与其引起的周围地层超孔隙水压力分布，地层应力扰动状态，地层变形位 移形式关系，进一步明确软土地层盾构开挖对地层扰动及工后沉降模式及其发展过程； ( 4 ) 基于一种实际土层系统深入的研究该土层中参数的合理变化对隧道地层扰动及 工后沉降的影响规律，进一步从机理上进行分析。 针对本文的研究目的及内容，拟按照如下路线开展课题的研究工作： ( 1 ) 依据现有的研究环境及条件，针对研究目的，确定可用、有效的数值模拟计算 方法，并结合研究问题的特点及要求，确定计算程序； ( 2 ) 参考前人的研究结果及现场实测资料，对作者采用的计算程序及建模方案进行 检验校核； ( 3 ) 利用数值模拟计算方法，研究根据所建立数值模型结合某实际盾构开挖地层进 行模拟分析，建立开挖面的支护压力大小控制与其引起的周围地层超孔隙水压力分布，地 层应力扰动状态，地层变形位移形式关系，进一步明确软土地层盾构开挖对地层扰动及工 后沉降模式及其发展过程； ( 4 ) 基于一种实际土层系统深入的研究该土层中参数的合理变化对隧道地层扰动及 工后沉降的影响规律，进一步从机理上进行分析，为施工掘进提出相关建议。 1 6 本文技术路线 本文拟对盾构开挖对地层扰动及工后沉降问题进行研究，针对盾构隧道开挖的三维特 性及研究条件，文中采用了数值模拟计算方法，技术路线如下图所示： 第一章绪论 图1 3 技术路线图 河海大学硕士学位论文 第二章软粘土地层盾构施工对地层扰动机理分析 2 1 盾构法开挖控制原理 正确理解盾构开挖对地层扰动的原理需建立在盾构掘进原理与实际施工中开挖面控 制相关掘进参数意义的基础上，考虑到目前国内城市地铁隧道开挖普遍采用土压平衡式盾 构施工，所以本文研究主要侧重于土压式盾构施工对软粘土地层扰动的机理问题。 土压式盾构机由切口环、支撑环和盾尾环三部分组成( 参见图2 1 ) ，其中在切口环部 分由刀盘与承压隔板所形成的空间称为盾构机压力舱，通过刀盘的旋转，由其上布置的刀 具切削开挖面前方土体，同时刀盘具有一定的开口率，切削的渣土经过刀盘开口进入压力 舱内，通过辅助添加材料及压力舱内搅拌设备的搅拌等作用，形成具有一定塑性流动性的 泥土体，同时通过在压力舱下部设置的螺旋排土装置完成压力舱渣土的排出，以保证开挖 工作的不断连续进行，盾构千斤顶的推力通过承压隔板传递到压力舱的泥土，由泥土将压 力作用于开挖面，以平衡开挖面前方的水压和土压，从而保持开挖面的稳定。 图2 1 土压平衡式盾构组成部分 第二章软粘土地层盾构施工对地层扰动机理分析 图2 2 土压平衡盾构平衡原理 盾构掘进过程中，通过各方面信息的反馈，控制盾构机完成从隧道的开挖至衬砌安装 一系列过程，作为施工主体盾构机的控制是工程成败的关键，盾构机控制主要涉及以下几 个方面：开挖控制、轴线控制、注浆控制及衬砌安装控制。 开挖控制主要为开挖面支护压力管理，控制压力舱内泥土压力稳定在要求的目标范围 内，它是一个动态的过程，一方面提供支护压力的渣土不断在刀盘切削下进入压力舱，然 后由排土装置排出，另一方面又要恒定地维持压力舱内的泥土量来提供支护压力，支护压 力的控制通过螺旋输送机的转速控制调整压力舱内泥土量的多少来得以实现。 土压平衡式盾构的开挖面支护压力管理，目的在于控制开挖面的稳定，为此必须使地 层的水土压力和压力舱内的泥土压力相当。盾构掘进时支护压力及螺旋输送机的取土量与 开挖面稳定之间的关系参见图2 3 。 2 m 一m 肘 1 刊 群 0 l 2 | _ f or - 一 - 工作面j& 定区问 一 一 被动破坏 ， 主动破坏 发生界限 、：r ，一 发生界限 肘+ 为进入压力舱土量 m 一为排出土量 厨为土量控制参数 尸为开往面支护压力 只开挖面土层土水压力 f 开挖面土压力控制参数 开挖面支护压力：量 p 图2 3 压力控制、体积控制与开挖面稳定之间的协调关系嗍 河海大学硕士学位论文 2 2 盾构开挖对地层扰动影响机理分析 在盾构开挖过程中，开挖面压力舱内会对地层提供支护应力，以保持开挖面的稳定， 原则上来说开挖面支护应力应当和地层的静止侧向土压力持平【5 1 ，但是在实际施工中往往 无法保持开挖的支护应力对地层静止土压力的持平状态，一旦支护应力较小，或较大就会 对地层的应力状态产生扰动( 如图2 4 所示) 。 图2 4 开挖面支护压力控制引起地层应力状态变化示意图 为了更清楚地说明问题，这里不妨将开挖面前方土体视为受水平向应力、竖直向应 力盯。作用的应力单元。当支护压力比较小时，开挖面前方土体发生应力释放，土单元的水 平向应力及竖直向应力均减小但显然水平向应力的减小量大于竖直向应力，在支护应力达 到一定小时，开挖面前方土体单元发生剪切屈服，并会在开挖面前方形成一个大于隧道直 径的土体塑性扰动区( 图2 5 ) 。 图2 5 开挖引起开挖面附近十体剪切屈服 第二章软粘地层盾构施工对地层扰动机理分析 塑性区形成后，紧接着盾构开挖过该段并拼装衬砌，隧道孔径形成，盾构开挖去除了 塑性区的中心部分，但原来塑性区超出隧道孔径的部分仍存在于地层中，由于塑性区孔隙 水压力的释放，塑性区内部孔隙水应力会大大减少，即产生较大的负超孔隙水应力一甜。 由于孔隙水应力的平衡，地层中的孔隙水将会由远端向隧道近端渗透，渗透过程中，隧道 周围的土体有效应力逐渐回复，隧道周边土体塑性区进一步缩小，最终缩小到一个很小的 范围甚至可能消失( 如图2 6 所示) 。在整个过程中由于超孔隙水应力的产生及孔隙水在地 层中的渗透，隧道地层产生了隧道形成后的后期固结沉降。根据地层的渗透系数的不同， 这种后期沉降的持续时间也将不同，可以预见在渗透系数比较小且土体性能比较差的软粘 土地层中，这种后期固结变形持续时间及变形量均会比较大。本文的主要工作既是围绕此 种软粘土地层盾构开挖对地层扰动及工后固结沉降问题展开。 ( a ) 形成塑性区( b ) 隧道孔径形成 ( c ) 孔隙水由远端向隧道近端渗透 ( d ) 塑性区缩小 图2 6 塑性扰动区的发生发展过程 河海大学硕士学位论文 2 。3 土体扰动的理论基础 2 3 1 地层损失理论 美国r b p e c k ( 1 9 6 9 ) 8 心通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表 沉降槽似正态分布的概念。地层移动由地层损失引起，并认为施工引起的地面沉降是在不 排水条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于地层损失的体积。横向分布地面沉降估算公 式为： d 一刳， s 一= o 0 1 2 6 巧每 二= ( 匀0 。8 ( 2 2 ) l口z 口 式中：s ( x ) 一沉降量( n 珊) ； 巧一盾构隧道单位长度地层损失( m 3 i n ) x 一距隧道中心线的距离( m ) j 一一隧道中心线处的最大沉降量( m m ) f 一沉降槽宽度系数( m ) ，由查图表或公式求得 口一隧道半径 z 一隧道中心线深度 地层损失是盾构施工掘进过程中，实际开挖土体体积和竣工隧道体积( 包括隧道外周包 裹的压入浆体体积之差。周围土体在弥补地层损失的过程中，必然导致土体发生变形。 该法的理论基础是：在盾构推进过程产生了一定的地层损失，相当于从土体中挖去一块 土体，形成一个空洞，从而导致上部的土体移动，在不考虑土体排水固结与土体蠕变的情 况下，认为土体移动的过程是一个随机过程。对于这一现象，可用柯莫洛夫方程表出，由 此推出在地下挖去一块微小介质，会引起地面下沉，其沉降面为高斯曲面，这一点在矿山 开采及盾构施工中都得到证实，基于此，p e c k 提出了横向沉降槽的计算方法，认为在盾构 推进后地面形成的横向沉降槽为一个拟正态曲线。这就是