地鐵的發(fā)展及其盾構(gòu)施工環(huán)境巖土工程問(wèn)題

陳康能

1 地鐵的發(fā)展

自工業(yè)革命以來(lái),生產(chǎn)力迅猛發(fā)展,科學(xué)技術(shù)以其前所未有的速度增長(zhǎng)。人口迅速向城市集中,導(dǎo)致超大規(guī)模的城市不斷地涌現(xiàn)。而原有的基礎(chǔ)設(shè)施已遠(yuǎn)不能滿足要求,其中交通問(wèn)題尤為突出。地面交通不能滿足要求,人們開(kāi)始把目光投向空間,修建高架橋、地鐵。當(dāng)今發(fā)達(dá)國(guó)家已把地下空間開(kāi)發(fā)利用作為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)的重要設(shè)施和醫(yī)治“城市綜合癥”、實(shí)施可持續(xù)發(fā)展的重要途徑,而其中尤以地鐵為人們所喜愛(ài)。地鐵正以其環(huán)保、高效帶來(lái)了良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益,逐漸成為現(xiàn)代城市交通的主題。

事實(shí)證明,地下鐵路的運(yùn)營(yíng)對(duì)城市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。西方發(fā)達(dá)國(guó)家,人口只有20萬(wàn)～30萬(wàn)的中小城市也紛紛開(kāi)始規(guī)劃修建地鐵。在我國(guó),交通堵塞,行車(chē)速度緩慢已經(jīng)成為許多城市普遍的非常突出的問(wèn)題,就連新興的城市深圳也不例外?；A(chǔ)設(shè)施的改善是改善城市環(huán)境的必要條件。城市的立體化發(fā)展已經(jīng)成為現(xiàn)代城市發(fā)展的新模式。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家解決交通問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn),20世紀(jì)80年代中期我國(guó)大城市交通政策已經(jīng)明確,在大城市發(fā)展快速軌道交通體系。城市快速交通軌道體系一般是指地鐵和輕軌鐵路運(yùn)輸。必須“上天入地”,實(shí)行多層次、多結(jié)構(gòu)的立體化交通。繼京、津、滬、穗四大城市后,我國(guó)大約有20個(gè)大中城市進(jìn)行了地鐵和輕軌交通規(guī)劃,先后提出25項(xiàng)地鐵和輕軌項(xiàng)目。如上海地鐵2號(hào)線,北京地鐵復(fù)八線,廣州地鐵1號(hào)線,天津地鐵延伸線,青島地鐵1號(hào)線,南京地鐵1號(hào)線等八個(gè)城市11個(gè)項(xiàng)目已落實(shí)投資,進(jìn)行施工準(zhǔn)備,有的已經(jīng)全面施工。這11個(gè)項(xiàng)目總長(zhǎng)達(dá)160.6 km。深圳、成都地鐵1號(hào)線,廣州、武漢、哈爾濱等15個(gè)城市14個(gè)項(xiàng)目處于可行性研究,或者策劃階段,其總長(zhǎng)達(dá)到310 km。

2 盾構(gòu)施工引起的環(huán)境土工問(wèn)題

2.1 盾構(gòu)施工的地表變形機(jī)理

關(guān)于盾構(gòu)施工對(duì)土工環(huán)境施工問(wèn)題的研究,目前大多集中于探討地層變形和地表沉降對(duì)鄰近建(構(gòu))筑物和地下管線的影響。R.B.Peck(1969年)通過(guò)對(duì)大量地表沉降數(shù)據(jù)和有關(guān)工程資料分析以后,提出了地表沉降槽程似正態(tài)分布的概念[1]。認(rèn)為地層移動(dòng)由地層損失所引起,且盾構(gòu)施工引起的地面沉降是在不排水條件下發(fā)生的,所以地表沉降槽的體積應(yīng)等于地層損失的體積。地面沉降橫向分布估算的公式建議為:

盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生地面變形沉降的根本原因是施工對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)(徐永福,1999年)。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的地面變形由以下五個(gè)部分組成[2]:1)盾構(gòu)到達(dá)前的地面變形(δ1)。盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)前方土體產(chǎn)生擠壓變形。2)盾構(gòu)到達(dá)時(shí)的地面變形(δ2)。3)盾構(gòu)通過(guò)時(shí)的地面變形(δ3)。4)盾構(gòu)通過(guò)后的瞬時(shí)地面變形(δ4)。5)地表后期固結(jié)變形(δ5)。

2.2 地層移動(dòng)的影響因素

地層移動(dòng)的影響因素很多,歸納起來(lái)主要有[3]:

1)開(kāi)挖面土體的移動(dòng)。當(dāng)開(kāi)挖面的支護(hù)力小于外側(cè)土水壓力時(shí),開(kāi)挖面土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng),引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地層沉降;反之,當(dāng)開(kāi)挖面的支護(hù)力大于外側(cè)土水壓力時(shí),則正面土體向上、向前移動(dòng),引起負(fù)的地層損失即導(dǎo)致盾構(gòu)上方地層隆起。2)施工中盾構(gòu)后退。使開(kāi)挖面塌落和松動(dòng)造成地層損失,引起地層沉降。3)土體擠入盾尾空隙。由于壓漿不及時(shí),或壓漿量不足,或壓漿壓力不適當(dāng),使盾尾后部隧道周邊的土體失去原始的平衡狀態(tài),向盾尾空隙塌陷,產(chǎn)生地層損失,引起地層沉降。盾構(gòu)在軟黏土類(lèi)含水不穩(wěn)定的地層中掘進(jìn)時(shí),這一因素是引起地層損失的主要原因。4)盾構(gòu)推進(jìn)方向的改變。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,盾位糾偏、仰頭推進(jìn)、叩頭推進(jìn)、曲線推進(jìn)等都會(huì)使實(shí)際開(kāi)挖面形狀偏大于設(shè)計(jì)開(kāi)挖面,從而引起地層損失。實(shí)際軸線與設(shè)計(jì)軸線偏離越大,所引起的地層損失也越大。5)盾殼移動(dòng)與地層間的摩擦和剪切,引起地層損失。6)土體受施工擾動(dòng)的固結(jié)作用。盾構(gòu)隧道周?chē)馏w受施工擾動(dòng)后,將形成超靜孔隙水壓力區(qū),盾構(gòu)離開(kāi)該區(qū)后,超孔隙水壓下降,孔隙水消散,引起地層沉降,這部分為主固結(jié)沉降;隨后,軟黏土土體進(jìn)一步產(chǎn)生隨時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)展的蠕變,持續(xù)次固結(jié)沉降。在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性黏土中,次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾年以上,它所占總沉降量的比例高達(dá)35%以上。7)隨盾構(gòu)推進(jìn)而移動(dòng)的正面障礙物,使地層在盾構(gòu)通過(guò)后產(chǎn)生空隙而又未能及時(shí)充填注漿。8)在土水壓力作用下隧道襯砌產(chǎn)生變形和沉降,會(huì)引起小量的地層損失。

實(shí)測(cè)資料表明[5],隨著盾構(gòu)上方覆蓋土層厚度的增大,地表沉降槽橫向影響范圍呈增大趨勢(shì)。土體受盾構(gòu)施工擾動(dòng)的范圍與盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的頂力、回填注漿時(shí)間以及覆蓋層厚度 H與隧道外徑D之比(H/D)等因素有關(guān),盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的頂力(推力)越大,盾構(gòu)工作面前方土體受擠壓的程度越高,土體受擾動(dòng)的程度也越大,表現(xiàn)為地表中心總沉降量也越大。盾構(gòu)通過(guò)后到實(shí)施回填注漿的時(shí)間間隔越長(zhǎng),盾尾建筑空隙處土體應(yīng)力釋放的程度越高,即土體應(yīng)力擾動(dòng)程度越大,地表總沉降也越大。隧道覆蓋層厚度與盾構(gòu)外徑之比(H/D)越大,地表土體受到的擾動(dòng)越小,地表中心總沉降量也越小。盾構(gòu)推進(jìn)速度與地表沉降也有很大的關(guān)系,推進(jìn)速度越快,地表變形也越大;但達(dá)到一定的推進(jìn)速度以后,地表沉降量δ3趨于定值而不再增加。另外,盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中,盾構(gòu)軸線姿態(tài)并不能始終保持與隧道軸線一致,盾構(gòu)以“仰頭”或“叩頭”形式推進(jìn)時(shí),必然使盾構(gòu)經(jīng)過(guò)處的土體一部分受壓縮,另一部分則松弛,受擠壓和松弛的土體也會(huì)引起附加的地面變形。

3 地面沉降的預(yù)計(jì)方法

近幾十年來(lái),巖土工程開(kāi)挖所導(dǎo)致的巖土體及地表沉降預(yù)計(jì)普遍引起重視。約30年前,工程師Peck曾提出過(guò)一個(gè)地鐵開(kāi)挖地面沉降預(yù)計(jì)公式,它與巖土體性質(zhì)聯(lián)系不夠密切,且不能分析地下水降水的影響。近年來(lái)曾應(yīng)用數(shù)值分析方法(有限單元法等)來(lái)預(yù)計(jì)開(kāi)挖地面沉降,但因諸多巖土力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力難以準(zhǔn)確測(cè)定,預(yù)計(jì)結(jié)果與實(shí)測(cè)資料相差甚遠(yuǎn)而不能使用。

20世紀(jì)90年代以來(lái),在礦山工程中研究開(kāi)采礦石對(duì)地面影響的隨機(jī)介質(zhì)理論和方法,開(kāi)始被應(yīng)用于地鐵工程(北京及深圳),初步解決了地鐵各種開(kāi)挖方法(NATM,TBM,盾構(gòu),凍結(jié))地面各點(diǎn)位移(垂直及水平)和變形(傾斜、曲率、水平應(yīng)變)的計(jì)算方法,獲得了全套計(jì)算公式,并編制了相應(yīng)的程序(TUNNEL,SUBWAY等)。此種方法經(jīng)國(guó)內(nèi)外數(shù)十個(gè)工程實(shí)測(cè)資料的對(duì)比,已經(jīng)證實(shí)了其準(zhǔn)確性和實(shí)用性。但這種理論和方法尚不完善,巖土體內(nèi)部各點(diǎn)的位移和變形尚無(wú)法計(jì)算,三維問(wèn)題(地鐵車(chē)站)尚待開(kāi)發(fā),計(jì)算參數(shù)與巖土工程地質(zhì)條件之間的關(guān)系還需進(jìn)一步查明。孫均,袁金榮等人提出利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)地表沉降進(jìn)行了理論預(yù)測(cè),開(kāi)辟了沉降預(yù)計(jì)的新領(lǐng)域。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵在世界及我國(guó)普遍的修建,其施工引起的環(huán)境土工問(wèn)題越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。地鐵及其他城市地下工程開(kāi)挖均將導(dǎo)致地面沉降和生態(tài)環(huán)境的惡化。在這一新的研究領(lǐng)域中,需要開(kāi)展深入的研究,確保建設(shè)的順利進(jìn)行。

[1]Peck R B.Tunneling in soils[A].10thICSMFE[C].Stockholm,1981:604-628.

[2]徐永福,孫 均.隧道盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)周?chē)馏w環(huán)境的影響[J].地下工程與隧道,2006(3):15-16.

[3]徐永福.盾構(gòu)施工引起的地面變形分析[J].地下工程與隧道,2007(1):21-25.

[4]Romo M R.Elements induced by soft ground tunneling[A].Inter Conf on Case Histories in Geotech engrg:Vol 1[C].Toronto:Balkema,1984.

[5]易宏偉.盾構(gòu)施工對(duì)土體擾動(dòng)與地層移動(dòng)影響的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1995.