盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析

第22卷第9期岩石力学与工程学报22(9)：1514～15202003年9月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringSep.，20032001年12月24日收到初稿，2002年2月22日收到修改稿。作者蒋洪胜简介：男，1966年生，博士，1985年毕业于山东建筑工程学院工业与民用建筑专业，现任副教授，主要从事岩土工程与软土地下结构工程的理论与实践方面的教学和研究工作。盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析蒋洪胜侯学渊(山东建筑工程学院土木工程学院济南250014)(同济大学地下建筑与工程系上海200092)摘要在城市环境中，如何控制地层移动以保证隧道周围临近建筑物以及地下市政设施等的安全，是设计以及施工中必须考虑的主要问题。通过对盾构施工对地层扰动的一般性状的分析认为，地层的移动在盾构隧道周围呈现区域性的不同特征，而且随工作面压力的不同，各扰动区域间的分界面发生变化。另外，由于已有地下污水管道自身具有一定的刚度，它的存在对盾构掘进引发的地层移动产生一种遮拦作用而使地层移动特征发生变化。以上海地铁二号线工程为工程背景，通过在地下污水管道周围的地层中测定地层的超孔隙水压力和土层的移动(包括地层的分层沉降以及地层在两个方向的水平位移)，研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性。研究表明，在盾构掘进接近、穿越以及远离测孔区3个施工阶段，隧道周围不同区域的土层呈现出各自不同的移动特征。关键词土力学，盾构掘进，软粘土，污水管道，地层移动，孔隙水压力分类号U451，U452文献标识码A文章编号1000-6915(2003)09-1514-07THEORETICALSTUDYANDANALYSISOFSITEOBSERVATIONONTHEINFLUENCEOFSHIELDEXCAVATIONONSOFTCLAYSAROUNDTUNNELJiangHongsheng1，HouXueyuan2(1DepartmentofCivilEngineering，ShandongArchitectureandEngineeringCollege，Jinan250014China)(2DepartmentofGeotechnicalEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092China)AbstractThemainissueconsideredbothinthedesignandconstructionintheurbanenvironmentsiscontrollingofthegroundmovementtokeepthesafetyofbuildingadjacenttotunnelandthevariousundergroundmunicipalfacilities.Thegeneralanalysisonthegrounddisturbancecausedbyshieldexcavationshowsthatthemovementofsoilaroundtheshieldtunnelpresentsdeferentregionalcharacteristics，andtheinterfacesofvariousdisturbedzoneschangewiththemagnitudeofpressureontheworkingface.Astheexistingundergrounddrainagepipeitselfisofgivenrigidity，theshelteringwillaffectsoils，andmaychangetheirmovingcharacteristics.BasedonthetunnelingofShanghaiMetroLineNo.2inthegroundbeneaththedrainagepipe，bysurveyingtheporewaterpressure，groundmovementwhichincludesthesoillayersettlements，thehorizontalsoildisplacementsintwodirectionsinfield，theco-relationshipbetweenthegroundmovementandtunnelingisstudied.Thestudyshowsthat，whiletheshieldapproaching，crossingandleavingthesurveyingzone，thegroundmovementsindifferentzonearoundtheMetroTunnelpresentrespectivecharacteristics.Keywordssoilmechanics，shieldtunneling，softclay，drainagepipe，groundmovement，porewaterpressure第22卷第9期蒋洪胜等.盾构掘进对隧道周围土层扰动的理论与实测分析•1515•1引言盾构施工法多数应用在自立性较差的地层中。不论采用哪种开挖方式，都会使开挖面附近地层应力状态发生变化，特别是所产生的剪应力增量，当其超过地层的抗剪强度时，开挖面就会发生崩塌。而开挖面的不稳定将导致过大的地表沉降。地面沉降达到一定程度时，就会影响周围地面建筑、地下设施和隧道本身的正常使用。在需要控制地层移动的地区，进行盾构隧道设计和施工，必须了解地层移动规律，尽可能准确地预测沉降量、沉降范围等，并分析影响沉降的各种因素，以便在设计和施工中采取减少地层移动的措施。关于盾构施工对地层移动的预测方法，以前较多依赖于几何学方法，如Bringgs，Rozsa，Peck，村山松岗等人的方法，后来发展有吉越，Jeffery等人的方法[1]，但考虑的还是单一的地层条件。在上海地区的地铁建设过程中，大多采用Peck公式来进行预测。该法假定地层损失在隧道长度方向均匀分布，地面沉降的横向分布似正态分布曲线，并建立了相关的计算公式。该法的基本假定是地面沉降是在不排水的情况下发生的，沉槽的体积应当等于地层损失。可见，欲计算沉降量，必须估计出地层损失量。事实上，地层损失量与盾构机械、施工方法、地层条件、地面及地下环境、施工管理等有关，欲正确估计是有困难的。因此，应当本着“理论导向、测试定量、经验判断”的原则，结合本地区施工条件，进行长期监测数据的收集、整理与分析，建立一套适用的计算方法以指导工程实践。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.1Distributionofexcessporewaterpressure图2盾构推进对隧道周围孔隙水压力的影响Fig.2Influenceofshieldexcavationonporewaterpressurearoundtunnel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F1、切口切入土层阻力F2、盾构机和配套车架设备产生的摩擦力F3、管片与盾尾间的摩擦力F4、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)rur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.3Differentzonesofthedisturbedsoilsinducedbyshieldtunneling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＜F1+F2+F3+F4+F5时，盾构机处于静止状态，该状态对应于千斤顶漏油失控、土体严重超挖；此时，盾构机前方土体则要经历卸载阶段，产生土体向内临空面移动，地表出现下沉。为减少开挖面土体的扰动，应尽量保持密封舱内压力稍大于主动侧压力。此时，盾构前方土体为主动应力状态，可称之为非挤压扰动区。该区域与扰动区③的分界线与水平面夹角为45°+φ/2。以上对于地层沉降分布形状及盾构施工扰动分区的分析，是在隧道周围地层自由移动的条件下进行的。当盾构隧道周围存在与隧道直径接近的地下污水管道时，由于污水管道自身具有一定的刚度，隧道上方的土层移动会由于污水管道的遮拦作用而发生变化，地层移动的特征分区也会局部发生变化。污水管道上方土层移动会有所减小，而污水管道底部土层则有发生与管道脱离的可能。为了保证盾构掘进过程中污水管道的安全，将管道接缝张开量控制在规范要求范围内，一般需要将盾构穿越区域污水管道底部的土层采用注浆等方法进行加固。因此，在这种情况下，如果仍然采用传统的经验公式，如Peck公式来进行计算该区域的地表沉降，则会产生较大的偏差。通过以上分析知道，盾构施工过程对地层的影响因素是多方面的。一般来说，地层的移动是在三维空间中发展，尽管人们可以定性分析出地层受扰动的范围；但是，地层移动的方向及其大小等则很难采用某一简单的公式来量化，即使采用三维有限元方法进行分析，由于土层参数以及复杂的现场施工工况的难以准确描述，计算结果也只能作为定性的参考。因此，目前在工程实践中，工程技术人员以及研究人员要更多地把注意力转移到现场跟踪测试方面，以此了解地层移动的规律。3盾构施工对污水管道区域土体扰动的现场测试数据分析[6，7]在上海地铁二号线某区间隧道穿越路面下一个φ3600mm合流污水管道时，由于合流污水管底部距离地铁隧道顶部的距离仅3.5m左右，呈空间叠合垂交状态。为了有效地监控地层移动，保证工程安全，以及了解盾构施工时地层在三维空间的移动规律，在该区域内进行了土体测斜、土体分层沉降测试以及孔隙水压力测试，测试点的布置如图4所示。地铁隧道与污水管道叠交区域内地层主要的物理力学指标如表1所示。地铁隧道上行线于1997年11月22日开始接近合流污水