地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制技术研究

刘建国

(兰州铁道设计院有限公司， 甘肃 兰州　730000)



地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制技术研究

刘建国

(兰州铁道设计院有限公司， 甘肃 兰州730000)

[摘要]地铁盾构施工技术在黄土地层中应用广泛。但由于黄土地层结构复杂，使得地铁盾构施工技术存在很多安全隐患。地铁盾构隧道地表沉降控制技术与盾构安全施工紧密联系，因此，对地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制技术研究极具实用价值。以西安地铁为研究对象，首先基于土力学理论，对引起地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降的因素进行分析，然后利用半解析法以及数值分析法分析各因素对地表沉降的影响规律。在此基础上，提出了隧道施工穿越古城墙的新方法，增强了土体力学性能参数，提高了经济效益，降低了地铁盾构隧道地表沉降现象。为西安未来地铁隧道施工的发展提供借鉴，也为已有隧道技术提供了新的模式。

[关键词]地铁盾构施工技术； 黄土地层； 隧道； 地表沉降

0前言

地铁盾构施工技术具有很多优势，譬如：可以提供保护，使开挖与衬砌的安全性提高；可以采用解析化与自动化的掘进、运土以及管片拼装，使得工作效率增强，劳动强度减少；且对地面交通不会造成影响，也不受外界环境的限制，且具有较好的经济效益。因此，在黄土地层的地铁隧道施工中应用广泛。但由于黄土地层本身的复杂性，使得地铁盾构施工技术存在很多安全隐患，地铁盾构施工技术的安全问题与地表沉降密切相关，因此对地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制技术研究极具实用价值。现今，关于地铁盾构隧道地表沉降的控制方法，还仅仅依靠采取严密措施降低沉降，不能有效解决黄土地层中地铁盾构隧道地表沉降。基于此，本文以西安地铁为例，提出隧道施工穿越古城墙的新模式，通过增强土体力学性能参数，来降低地铁盾构隧道地表沉降现象。

1黄土地层概述

黄土地层主要以黄土为主。黄土作为一种特殊的土，在分布在一定的区域。黄土地层的颗粒组成以粉粒为主，大概占据60%～70%。

黄土地层的结构特征表现在：

① 对黄土来讲，其具有发育完全的竖向节理，但水平机理发育较差。黄土地层的主要分布区域在干旱地区或者是半干旱地区。在该地区，长时间受蒸发与干缩的影响，以及水的淋溶作用，使得黄土地层具有极为明显的竖向节理；在风的作用下，黄土物质会被搬移到极为远的地区，当颗粒均匀混合，且在同一地区沉积，会由于成分、颗粒、颜色等的区别，是黄土结构层次明显。

② 黄土地层中存在古土壤夹层，在黄土沉积条件下，在黄土表层被剥烛，从而形成剥蚀面，并阻断土壤进程化，这便形成了上下层之间的不整合面或者是假整合面。土壤中存在较多的有机物，具有不同的矿物成分以及颗粒。由于受当地气候、经历时长以及生态环境等的影响，使得这些古土壤夹层表现出不同的颗粒大小及其颜色和厚度。黑沙土位于新黄土上部，呈现灰色。在古土壤夹层中有多个古土壤，这表明第四纪气候存在气候大幅度更替的特征。

③ 黄土地层中还有钙质结核存在。且具有较多的韩质，形成的主要原因在于水自上而下的淋溶。对韩质开始富集时，会呈现白色斑点或者是菌丝状、网状形式；高度富集状态，则会呈现硬结成块，且大小和形状表现出不规则形式，结核的呈现形式则表现在直立、群状以及按层分布。常见的结核表现在半岩石形态，结核处于高密集、硬结状态。

2地铁盾构隧道地表沉降影响因素分析及变形计算

2.1影响因素分析

在地铁盾构施工中，影响地表沉降的主要因素包括：

① 正面附加推力。

正面附加推力在-20～20 kPa范围内波动。如果附加推力太大，则必将导致开挖面前方土体隆起，使得地表沉降。

② 盾构与土体之间的摩擦力。

在施工过程中，盾构与土体之间紧密接触，这使得盾构机在运行过程中，会引起土体移动。土体移动后会重新固结，导致地表发生变形引起沉降。

③ 盾构开挖过程会有盾尾间隙产生。

盾构在实施开挖时，为了确保盾构可以顺利实施，刀盘外径一般都要超过盾构壳外径。因此，盾构壳外围会有厚度差存在，推进方向产生改变引起超挖；土体也可能进入盾尾间隙，导致土体损失，从而引起地表沉降。

2.2变形计算

基于地铁盾构隧道地表沉降的影响因素，以半解析法为基础，对各因素引起的地表沉降量进行分析，从而为盾构进行隧道地表沉降控制提供依据。盾构在进行具体施工时，其施工基本力学模型如图1所示。

图1　盾构施工力学模型Figure 1　Mechanical model of shield construction

并进行假定，即：土体属于半无限体，具有不固结、不排水、均质的特性；盾构机的推进方法采用直线模式；盾构机为均匀分布受载，换句话说，土体与盾构机之间的摩擦力沿盾构机方向均匀分布，正面附加推力的方向则为圆形方向分布；盾构进行推进时，仅仅考虑空间位置变化，对于时间效应则忽略。具体变形分析如下：

① 正面附加推力导致的地表沉降变化计算。

由图2所示，选取盾构机工作面的圆形区域，取面元微分rdrdθ，基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土体位移竖直方向的变形公式(1)：

(1)

其中：

(2)

式(1)通过直接积分求得结果比较困难，因此基于数值计算方法对其进行计算。

正面附加推力的大小一般为-20～20 kPa之间，黄土地层的土体模量为2.8 MPa，泊松比μ为0.3，所以G大小为 1.076 9。西安地铁的衬管半径为3 m，但在实际开挖时，要超挖情况存在，因此，D取3.05 m。隧道埋深相同，此时x=10 m，h=15 m。正面附加推力相同，此时x=10 m，P=10 kPa。

计算结果如图2和图3所示。

图2　相同隧道埋深时地表沉降随正面附加推力的变化曲线Figure 2　Surface subsidence curve with additional thrust front under the same tunnel depth

图3　相同正面附加推力地表沉降随隧道埋深的变化曲线Figure 3　Ground settlement curve with the tunnel depth under same positive additional thrust

由图3可知：隧道埋深相同的情况下，地铁盾构隧道地表沉降随正面附加推力的增加而增大，但地表沉降的范围基本不变。盾构推力的大小与地表沉降密切相关，当正面附加推力超过稳定开挖面所需压力时，地表会隆起；当低于稳定开挖面所需压力条件下，则地表会沉降。由图4可知，在正面附加推力相同的条件下，当地表竖直方向位移量距离隧道轴线±15 m以内时，盾构隧道地表的变形随隧道埋深的增加而降低；在距离隧道轴线±15 m以外，则随隧道埋深的增加而增大，但增加比例较低。

② 盾构与土体相互摩擦造成的地表沉降计算。

同正面附加推力相同，见图1，选取盾构机工作面的圆形区域，取面元微分rdrdθ，基于Mindlin解公式可得出在正面附加推力作用下土体位移竖直方向的变形公式(3)：

(3)

其中：

(4)

式中：L表示盾构机长，m；p1则代表盾构机与土体之间单位面积摩擦力，kPa，大小为p1=σN×f，f为摩擦系数，σN代表正压力。对(3)计算，同正面附加推力的变形计算相同，分两种情况，即：隧道埋深相同，此时x=10 m，h=15 m；摩擦力相同，此时x=10 m，p1=4 kPa。计算结果如图4和图5所示。

如图4可知：在隧道埋深相同的情况下，地表变形量随摩擦力的增大而增大，且摩擦力作用，地表会产生隆起。因此，在盾构施工时，可以通过减少盾壳与土体之间摩擦力的方式，控制地表沉降。由图5可知：在隧道埋深相同的条件下，在距离隧道轴线±20 m范围内，对隧道埋深的增大，地表变形量降低；当在距离隧道±20 m范围外，随隧道埋设的增大，地表变形量增加。

图4　隧道埋深相同条件地表变形量与摩擦力的关系Figure 4　The relationship between surface deformation and friction under tunnel depth same conditions

图5　摩擦力相同条件下地表变形量与隧道埋深的关系曲线Figure 5　The relationship between surface deformation and tunnel depth under the same friction

③ 盾尾间隙引起的地表变形计算。

Loganathan等人前人工作的基础上，利用地层损失系数的概念以及Lee等人提出的间隙参数的概念，并结合土在隧道内的移动方向为椭圆形，且分布不均匀的特点(见图6)，可知，在短期不排水地层中，地表的变形量如式(5)所示。

(5)

式中：g为间隙参数。

图6　隧道周边土体的均匀径向变形和椭圆形变形Figure 6　Uniform radial of tunnel surrounding soil deformation and deformation oval

对(5)式进行计算同样分2种情况，即：隧道埋深相同条件下，取h=15 m；地层损失率相同条件下，取g=25 mm。计算结果如图7和图8所示。

图7　相同隧道埋深条件下地表变形与地层损失的关系图Figure 7　The relationship between surface deformation and ground loss of same tunnel depth

图8　盾尾间隙相同条件下地表变形与隧道埋深的关系图Figure 8　The relationship between surface deformation and tunnel depth of the same ground loss

由图7可知：相同隧道埋深条件下，随盾尾间隙的增加，地表沉降增大。因此在地铁黄土地层中，盾构隧道施工中，要严格控制盾尾间隙。由图8可知：盾尾间隙相同情况下，在距离隧道埋深±10 m范围内，随隧道埋深的增加，地表变形减少；在距离隧道埋深±10 m范围以外，则随着隧道埋深的增加，地表变形增加。

地表沉降大小则是正面附加推力、盾构与土体之间的摩擦力以及盾尾间隙三者共同作用产生的。因此，对地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制应综合考虑这三个因素的影响。

3地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制

技术

3.1工程概述

西安地铁2号线的建设需要穿越明代建筑物的古城墙，该古城墙属于国家一级重点保护文物。依据国家文物局专家的相关意见，在进行盾构施工时，隧道地表沉降值应控制在+15～-15 m，误差必须控制在1‰，如此可使城墙的稳定不受影响，也不会改变古城墙原貌。以地铁2号线某区间为例。该区间的具体概况如下：1～2.2 m处属于素填土，在2.2～11.4 m处新黄土，在11.4～14.8 m处则以古土壤为代表，14.8 m以下直至20 m处，土质为老黄土，20 m以下的土质则为古土壤。在施工过程中，主要的施工参数如下式所示：

L=8.68 m，g=25 m，G=1.076 9 m，D=6.18 m等。

在进行地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降控制之前，首先要对地表沉降进行预测。本文利用上述3种因素对地表变形的计算分析，可得出最大沉降值为15 mm，已达到隧道施工沉降值上限，因此，必须进行地表沉降控制。

3.2地表沉降控制技术

① 科学设置正面推动压力，避免超挖现象产生。

科学设置正面推动面压力，必须以地表监测数据信息为基础，对其进行调整。譬如，在穿越永宁门城墙段时，依据隧道埋深为15～17 m，因此，正面推动压力应在1 200～1 500 t。此外，在进行具体施工时，还要依据施工情况进行调整。为避免超挖现象出现，还要对每环的出土量进行控制，一般控制在54 m3左右。

② 穿越古城墙时，要减慢推进速度，且确保速度稳定，盾构控制方向要恒定，避免出现大量值纠偏。

盾构的推进速度收土压力、千斤顶总推力等的影响，因此，要综合考虑。地表沉降与盾构推进速度密切相关，当推进速度过大时，土压力相应增大，对土体扰动变回加大。为保证盾构顺利实施，对推进速度要严格控制，通常控制在10～15 mm/min，对每天的掘进量也要严格把控，使其控制在8环。当盾构机穿越古城墙时，尽量保证盾构的工作状态最佳，同时对盾构轴线与纠偏量间的夹角进行严格把控，确保纠偏坡度控制在±1‰范围内，平面偏差也要严格控制，使其在±30 mm内，且要确保每次的纠偏量低于5 mm。

③ 盾构施工过程中，要进行同步注浆，确保浆液饱满。

在进行同步注浆过程中，要对注浆压力进行控制，如果注浆压力太小，则会降低浆液填充速度，使得填充不充分，当空隙存在条件下，会增加地表的变形量；当压力过大，也会导致管片外的土层被浆液扰动，导致施工后期产生沉降，引起盾尾漏浆。所以，对注浆压力要进行严格把控。一般来讲，同步注浆压力与盾尾入口密切相关，通常要稍微超过静止时水压与土压之和，并以填补为主。由于每环压浆量为建筑空隙的1.5～2倍，因此，注浆量一般在3.6 m3以上，注浆压力为0.15～0.25 MPa。对浆液进行合理配比，确保浆液在进入间隙后6～8 h内初凝。

④ 及时进行二次补浆。

当管片脱落盾尾5环时，便要开始进行二次补浆，补浆大小一般为同步注浆量的30%。由于原有浆液凝固，产生收缩现象，导致空隙产生，因此要进行多次、少量补浆的模式对其进行补充。二次注浆的时间应依据地表沉降情况进行决定。当盾构穿越古城墙时，要确保每推进6环便进行一次环箍注浆。两个环箍间要进行多次补浆，补浆位置应设置在环箍之后的第二环以及第四环的位置，而注浆位置则应控制在隧道顶部与其毗邻处的接环管片位置。补浆时间则在环箍补浆之和大概12 h左右进行补浆。且应分为两次进行，每次间隔24 h。为确保多次补浆对盾构掘进的影响，要确保盾构推进的连续性，并在最末处的台车上安装一补浆罐车，使其具有浆液储备能量，浆液储备量应控制在7.5 m3。

⑤ 严格把控盾构姿态，确保盾尾间隙匀称。

通常情况下，盾构姿态与盾尾处漏浆密切相关。在推进过程中，盾尾处漏浆，会引起地面发生沉降。因此，盾构在进行推进时，要对盾构的推进轴线进行严格把控，使其与设计轴线吻合，并确保使其均匀分布在盾尾四周的间隙处。为保证盾尾处不漏浆，通常以盾尾油脂压注量作为基础，确保盾尾油脂量的注入量超过正常值的20 kg。

⑥ 对施工过程严格控制，确保盾构在穿越古城墙过程中连续进行。

盾构机的机重高达300 t，因此，在盾构推进过程中，如果由于意外造成长时间停机，则会导致地面沉降。为保证盾构机连续推进，因此，在进行推进之前，要对盾构机进行全面彻底检测，并对可能存在的缺陷与故障做好检测。

4结论

本文以西安地铁为研究对象，首先基于土力学理论，对引起地铁黄土地层中盾构隧道地表沉降的因素进行分析，然后利用半解析法以及数值分析法分析各因素对地表沉降的影响规律。实践证明，该方法可以很好的预测地表沉降值，可以为地表沉降的监测方案提供借鉴与参考。同时，该方法还证明影响沉降的主要因素为正面附加推力、盾构与土体之间的摩擦力以及盾尾间隙。在此基础上，提出了隧道施工穿越古城墙的新方法，增强了土体力学性能参数，提高了经济效益，降低了地铁盾构隧道地表沉降现象。该模式在西安地铁上应用，成功降低了地铁盾构隧道地表沉降量。

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Control Technology in Loess Strata Metro Shield Tunnel Surface Settlement

LIU Jianguo

(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Ltd， Lanzhou， Gansu 730000， China)

[Abstract]The construction of subway shield technology is widely used in loess strata.However，due to the complex structure of loess formations，makes the construction of metro shield technology，and lead to many security risks.Metro Shield Tunnel Shield surface subsidence control technology is close to safety construction，therefore，the subway tunnel shield loess strata surface subsidence control technology very practical value.Taking Xi’ an Metro for the study，first based on soil mechanics theory，analyze the factors of leading to the formation of loess subway tunnel shield surface settlement，and then analyze the influence of various factors on the surface subsidence using semi-analytical method and numerical analysis.On this basis，we propose a new method of tunneling through the ancient city wall，and enhance the physical properties of soil parameters，improve economic efficiency and reduce the surface subway shield tunnel subsidence phenomenon.Not only provide a reference for future development of Xi’ an metro tunnel construction，but also provide a new model of existing tunneling technology.

[Key words]metro shield construction technology； loess strata； tunnel； surface subsidence

[收稿日期]2015-12-21

[作者简介]刘建国(1980-)，男，陕西宝鸡人，工程师，从事桥梁或隧道施工与管理工作。

[中图分类号]U 456.3

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0141-06