盾構(gòu)施工引起的固結(jié)沉降盾構(gòu)施工引起的固結(jié)沉降1表1盾構(gòu)施工引起位移的原因與機理

階段沉降類型主要原因應(yīng)力擾動變形機理1初始沉降土體受擠壓而密實孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加孔隙比減少，固結(jié)2盾構(gòu)工作面前方變形工作面處施壓，過大隆起，過小沉降孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加主體壓縮產(chǎn)生彈塑性變形3盾構(gòu)通過是的沉降施工擾動，盾構(gòu)與土體間剪切錯動，出渣應(yīng)力釋放彈塑性變形4盾尾空隙沉降土體失去盾構(gòu)支撐，管片背后注漿不及時應(yīng)力釋放彈塑性變形5固結(jié)沉降土體后續(xù)時效變形應(yīng)力松弛蠕變壓縮

縱向沉降

表1盾構(gòu)施工引起位移的原因與機理

階段沉降類型主要原因應(yīng)力擾2

①先行沉降—盾構(gòu)到達(dá)前

根據(jù)實際觀測，當(dāng)隧道開挖面距地面觀測點還有相當(dāng)距離(數(shù)十米)的時候，就可以觀測到地面開始沉降。對于軟粘土地層，由于土的滲透系數(shù)很小，土的固結(jié)和盾構(gòu)隧道的開挖速度相比無疑很慢，此時隧道的開挖面處的排水固結(jié)很難影響到數(shù)十米之外的地層。這部分沉降主要還是由于開挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放、重分布所致，而不是由于地下水流動和水位降低而造成的。

①先行沉降—盾構(gòu)到達(dá)前

3②開挖面前的沉降或隆起—盾構(gòu)到達(dá)時

當(dāng)盾構(gòu)機(開挖面)距觀測點較近(約幾米)直至開挖面位于觀測點正下方之間，由于開挖面的位移、盾構(gòu)機的推力過大等所引起的開挖面土壓力失衡，引起地層沉降或隆起。這是由于土體的應(yīng)力釋放或盾構(gòu)開挖面的反向土壓力作用產(chǎn)生的地基變形。②開挖面前的沉降或隆起—盾構(gòu)到達(dá)時

當(dāng)盾4③推進(jìn)沉降—盾構(gòu)通過時

指從開挖面到達(dá)觀測點的正下方之后直到盾構(gòu)機尾部通過觀測點為止這一期間所產(chǎn)生的沉降。這部分沉降主要是盾構(gòu)推進(jìn)過程中對土的擾動所致。另外，在盾構(gòu)推進(jìn)時，其軸線并不總能保持與隧道軸線一致，必然引起土體的部分受壓和部分松弛而產(chǎn)生附加地面變形。此外，盾構(gòu)為修正蛇形和曲線推進(jìn)而進(jìn)行超挖，也會使周圍土體松弛范圍擴(kuò)大而助長了地面下沉。有時，由于盾構(gòu)千斤頂漏油回縮引起盾構(gòu)后退，開挖面土體失去平衡造成土體坍塌或松動，也是地面沉降的原因之一。③推進(jìn)沉降—盾構(gòu)通過時

指從開挖面到達(dá)觀5④盾尾空隙沉降—盾構(gòu)通過后

指盾構(gòu)機的尾部通過觀測點的正下方時所產(chǎn)生的沉降。這是尾部空隙(即管片拼裝后與盾構(gòu)外殼之間空隙)的土體應(yīng)力釋放所引起的彈塑性變形。盾尾空隙一般通過對隧道外圍及時壓漿來充填。如充填壓漿不及時、壓漿量不足或壓力不適當(dāng)時，會使盾尾后周邊土體失去原始三向平衡狀態(tài)，而向盾尾空隙中移動，造成地層損失，特別是含水不穩(wěn)定地層更是如此。另外，隧道襯砌脫離盾尾后，作用在襯砌上的土壓力和水壓力將使襯砌產(chǎn)生變形，也會導(dǎo)致地面少量的沉降。④盾尾空隙沉降—盾構(gòu)通過后

指盾構(gòu)機的尾部6⑤后續(xù)沉降—長期

指固結(jié)和次固結(jié)引起的沉降，這主要是由于孔隙水壓力逐步重新達(dá)到長期的平衡狀態(tài)而引起有效應(yīng)力變化而引起的。這部分變形也可能表現(xiàn)在襯砌的變形上。根據(jù)我國上海地區(qū)經(jīng)驗，地面后期固結(jié)變形多數(shù)只占地面總變形量的比例較小(約為5%~30%)。但在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑態(tài)粘土中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾年以上，它所占總沉降量比例也可能高達(dá)35%以上。⑤后續(xù)沉降—長期

指固結(jié)和次固結(jié)引起的沉7固結(jié)沉降中孔隙水壓力的研究盾構(gòu)隧道周圍土體受到盾構(gòu)施工的擾動后，便在盾構(gòu)隧道周圍形成超孔隙水壓力區(qū)。當(dāng)盾構(gòu)離開該處地層后，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在孔隙水壓力下降的過程中，即超孔隙水壓力逐步消散的過程中，孔隙水逐漸排出，引起地層移動和地面沉降，即固結(jié)沉降。由此可見，對于長期固結(jié)沉降理論的分析，關(guān)鍵在于對隧道周圍孔隙水壓力的研究。固結(jié)沉降中孔隙水壓力的研究盾構(gòu)隧道周圍土體受到盾構(gòu)施工的擾動8Lee以上海地鐵2號線的相關(guān)監(jiān)測資料為背景，分析了隧道周圍孔隙水壓力分布及消散規(guī)律。Bobet將隧道襯周圍土層分為兩種極限邊界條件（完全排水與不排水），得到了線彈性各向同性飽和土體中因隧道開挖引起的周圍土體的應(yīng)力和位移值，同時提出隧道周圍土層施工期間沉降和長期固結(jié)沉降的解析解，但僅對施工期間的沉降進(jìn)行了實例分析。Wongsaroj等對倫敦某隧道建模進(jìn)行了長期固結(jié)沉降數(shù)值分析，并根據(jù)不同的土體滲透系數(shù)探討了不同深度處的土層的固結(jié)沉降量。魏綱

引入應(yīng)力釋放率建立了工后長期固結(jié)沉降的計算公式，但對應(yīng)力釋放率取值還須做進(jìn)一步研究。Lee以上海地鐵2號線的相關(guān)監(jiān)測資料為背景，分析了隧道9飽和土體中任一平面上受到的總應(yīng)力總可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，其間關(guān)系總是滿足σ=σ′+uσ--總應(yīng)力、σ′--有效應(yīng)力

、u--孔隙水壓力。飽和土體中任一平面上受到的總應(yīng)力總可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力10為方便研究，不考慮盾構(gòu)推進(jìn)過程中的擠壓及盾尾的壓漿作用。在隧道施工的過程中，土層開挖卸載，將打破原有的受力平衡。在土體圍壓的作用下，隧道周圍土體中將產(chǎn)生超孔隙水壓力為方便研究，不考慮盾構(gòu)推進(jìn)過程中的擠11模擬過程為：建立初始地應(yīng)力場；去除開挖隧道的地層單元，將隧道一次性開挖完畢，同時在隧道周圍土體處施加徑向應(yīng)力，使得隧道起拱線處產(chǎn)生的超孔隙水壓力等于2.2節(jié)中計算所得的值；將所有的節(jié)點位移置0，添加襯砌單元，通過FLAC3D中的流-固耦合模塊計算土體在固結(jié)時間內(nèi)的排水變形量（固結(jié)沉降）模擬過程為：建立初始地應(yīng)力場；去除開挖隧道的地層單元，12實例分析LEE1999上海2號線與圖2比較實例分析LEE1999上海2號線與圖2比較13在固結(jié)沉降開始后，即超孔隙水壓力開始消散的40d內(nèi)固結(jié)沉降速率減小得很快，而后沉降速率逐步減緩。在固結(jié)沉降開始后，即超孔隙水壓力開始消散的14根據(jù)盾構(gòu)法施工原理，在施工過程中，要在盾構(gòu)前方施加支護(hù)壓力比前方主動土壓力和水壓力的合力略大。這樣，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，根據(jù)支護(hù)壓力和前方壓力的比值大小，在盾構(gòu)周邊一定范圍內(nèi)的土體將先受到一定程度擠壓作用，在這種擠壓作用下，一部分土體被壓實，還有一部分土體被擠到盾構(gòu)前方，隨盾構(gòu)推進(jìn)而挖出。對于盾構(gòu)周邊土體壓實和超挖導(dǎo)致的變形，可用式（2）進(jìn)行計算。根據(jù)盾構(gòu)法施工原理，在施工過程中，要15盾構(gòu)通過后，受擠壓的土體卸荷回彈。隨著管片的施加及盾尾注漿的施工，受擠壓后卸荷的這部分土體將再次受到擠壓作用。其中盾構(gòu)上方（45o-φ/2）范圍內(nèi)的土體擾動最為明顯（圖1），這部分?jǐn)_動土體的固結(jié)變形對沉降的影響較大。另外，盾構(gòu)推進(jìn)過程中盾殼與周圍土體之間產(chǎn)生摩阻力，使盾殼周圍較小區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生剪切變形。對于有地下水存在的情況，盾構(gòu)施工將引起地下水位的升降和一定區(qū)域內(nèi)超孔隙水壓力的變化，造成土體性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)等一系列復(fù)雜的變化。由此而引起的地層變形，均可看為施工擾動損傷帶來的固結(jié)沉降。盾構(gòu)通過后，受擠壓的土體卸荷回彈。隨著管片的施加及盾尾注漿的16Verruijt和Booker半無限半空間平面內(nèi)淺層隧道的彈性解式（2）Verruijt和Booker半無限半空間平面內(nèi)淺層隧道17為計算方便，擾動土體固結(jié)沉降計算只考慮了豎向固結(jié)沉降。實際上，土體的固結(jié)是三維的，如果將擾動土體視為欠固結(jié)土，計算其三維固結(jié)沉降，則計算結(jié)果將與實測值更吻合。對于有地下水存在的情況，考慮水土耦合效應(yīng)對固結(jié)沉降的影響也是值得研究的課題之一。為計算方便，擾動土體固結(jié)沉降計算只考慮了豎向固結(jié)沉降。實際上18參考文獻(xiàn)馬達(dá)君.