砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)的滯后地面塌陷機(jī)理

白永學(xué)，漆泰岳，吳占瑞

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031）

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為了緩解交通擁擠問題，許多大城市開始籌劃和修建地鐵工程。在此期間，盾構(gòu)施工產(chǎn)生了很多地面塌陷事故［1－3］。地鐵線路多位于城市道路和居民區(qū)地下，地面塌陷事故發(fā)生突然、危害性大，因此引起了社會的廣泛關(guān)注。

李希元［4］通過調(diào)查分析上海、廣州、北京等地25起盾構(gòu)隧道施工事故發(fā)現(xiàn)，地面塌陷占事故總量的60%。地面塌陷是指巖土體在自然或人為因素作用下，向下陷落，并在地表形成塌陷坑的一種地質(zhì)現(xiàn)象［5］。目前，對巖溶塌陷和采空區(qū)地面塌陷的研究文獻(xiàn)較多［6－8］，研究的內(nèi)容也比較深入，而針對盾構(gòu)施工引發(fā)的地面塌陷研究較少，文獻(xiàn)［9－11］對部分盾構(gòu)施工引起的地面塌陷原因和形成過程進(jìn)行了分析，而對盾構(gòu)施工引起地面塌陷機(jī)理的研究則更少。

各大城市隧道施工引起地面塌陷事故頻繁發(fā)生，主要原因在于沒有從本質(zhì)上認(rèn)識城市隧道施工過程中地面塌陷事故的誘發(fā)因素、形成機(jī)制和演化規(guī)律［12］，這已成為盾構(gòu)施工所面臨的重要技術(shù)難題。砂卵石地層中盾構(gòu)掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和理論尚不成熟，筆者主要研究砂卵石層地面塌陷的演變機(jī)理。

1 成都砂卵石地層盾構(gòu)施工概況

1.1 地質(zhì)條件

成都平原地處川西平原岷江水系東南面，為侵蝕 堆積階地地貌，地勢平坦。地表多人工填筑（Q4ml）雜填土，厚度1～3m；其下主要為砂卵石土，卵石土大部分為全新統(tǒng)沖積層（Q4al）和上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al＋pl）；基巖為泥巖，埋深較深。砂卵石層主要地質(zhì)特征為：

1）卵石含量高，含量在50%～85%之間，粒徑以20～100mm為主，充填物主要為細(xì)砂和中砂。

2）卵石粒徑大，個(gè)別粒徑達(dá)到1m以上；卵石層中分布漂石，主要位于在Q3地層中，含量大致為10%～15%。

3）卵石抗壓強(qiáng)度高，普遍在55～165MPa之間。

4）卵石層中含砂量高（大致為20%～40%），而含泥量較少，屬于無黏性顆粒土。

5）卵石層中隨機(jī)分布透鏡狀砂層和粉土，力學(xué)性質(zhì)低，厚度可達(dá)2～3m。

地下水主要為卵石層中的孔隙潛水，含水豐富，滲透系數(shù)為15～40m／d，為強(qiáng)透水層。在天然狀態(tài)下，枯水期地下水位埋深3.0～6.0m，洪水期地下水位埋深2.5～4.0m，地下水位年變化幅度為1.0～3.0m。

1.2 盾構(gòu)施工方法

根據(jù)成都砂卵石層的地質(zhì)情況，地鐵1、2號線采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)施工［13］。砂卵石地層顆粒粒徑大，顆粒之間的摩擦系數(shù)高，刀盤切削下來的土體流動性差，密封艙內(nèi)的碴土很難通過螺旋輸送機(jī)排出；另外，切削下來的土體松散，滲透系數(shù)高，止水效果差，地下水滲透力對開挖面的穩(wěn)定性不利；因此，必須對土艙內(nèi)的土體進(jìn)行渣土改良。添加材料一般采用由粘土、膨潤土及發(fā)泡劑等材料制成的泥漿液，泥漿液能有效增加艙內(nèi)土體的流動性和止水性；另外，高密度膨潤土有較好的粘結(jié)性，并能滲入礫質(zhì)碴土的孔隙中，從而實(shí)現(xiàn)止水和固結(jié)掌子面的作用，對強(qiáng)透水性的砂卵石土中使用膨潤土的意義重大。

為了實(shí)現(xiàn)碴土的改良，加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)配有2套碴土改良系統(tǒng)：泡沫注入系統(tǒng)和膨潤土注入系統(tǒng)。通過雙活塞泵將泥漿和泡沫壓入刀盤前端和土艙內(nèi)，注入系統(tǒng)管路示意圖如圖1所示。

圖1 膨潤土管路示意圖

改良渣土充滿密封艙后，在盾構(gòu)頂推力的作用下，可使切削土對開挖面形成被動土壓力，從而與開挖面上的水土壓力相平衡，以保持開挖面的穩(wěn)定。另外，為了進(jìn)一步保證開挖面的穩(wěn)定性，減小地下水對開挖面的影響，氣壓輔助工法成為施工中必備輔助措施。

1.3 地面塌陷現(xiàn)狀

成都修建地鐵1號線時(shí)，僅人民路上就發(fā)生過數(shù)十次地面塌陷，嚴(yán)重影響城市居民的生產(chǎn)和生活，造成一定的不良社會影響。

砂卵石地層地面塌陷的特點(diǎn)主要為滯后性和突發(fā)性。通常地層內(nèi)的空洞幾個(gè)月甚至幾年后才波及到地面，表現(xiàn)為一定的滯后性；其次，當(dāng)空洞波及到地面時(shí)，在外界荷載作用下，土體自穩(wěn)能力急劇降低，往往地面塌陷事先沒有征兆，表現(xiàn)為突發(fā)性。另外，地面塌陷的塌坑體積較大，塌坑深度有時(shí)會超過塌坑寬度，因此危害性較大。

對成都地鐵1號線地面塌陷的實(shí)例調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大部分塌陷位于盾構(gòu)正上方，塌坑的形狀為壇子狀，上口小，下面大；主要因?yàn)槁访嬗幸欢ǖ某休d能力，且地表土具有弱粘聚力；這和采礦塌陷形成的塌陷漏斗形狀相似［5］。

2 砂卵石地層突發(fā)地面塌陷的形成機(jī)理

砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)的突發(fā)地面塌陷主要包括3個(gè)方面：盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、開挖面失穩(wěn)超出土形成空洞和空洞向地表移動。

2.1 開挖面失穩(wěn)

盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面失穩(wěn)主要由于支護(hù)壓力不足引起，合理的開挖面支護(hù)壓力主要取決于地質(zhì)情況、盾構(gòu)埋深、盾構(gòu)直徑、地下水位等［14］。當(dāng)開挖面的支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力時(shí)，開挖面前方土體將形成一定范圍的滑動區(qū)域，開挖面也隨之產(chǎn)生失穩(wěn)。開挖面失穩(wěn)主要包括整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)2種情況，當(dāng)盾構(gòu)前方土體松散且埋深較淺時(shí)，開挖面表現(xiàn)出整體失穩(wěn)，如圖2（a）；當(dāng)盾構(gòu)埋深較深且土層相對穩(wěn)定時(shí)，開挖面表現(xiàn)出局部失穩(wěn)，如圖2（b）。

圖2 盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)模式

2.2 開挖面失穩(wěn)后形成空洞

在砂卵石地層中，盾構(gòu)滿艙掘進(jìn)容易使壓力艙土體閉塞、渣土流動性降低和排土困難，通常在實(shí)際施工中盾構(gòu)機(jī)土艙總是非滿艙掘進(jìn)，因而總體上表現(xiàn)出 “欠壓狀態(tài)”，這能通過土艙內(nèi)壓力傳感器的變化情況得到驗(yàn)證。施工中，中下部壓力傳感器的數(shù)值隨時(shí)發(fā)生變化，主要原因是土艙內(nèi)的土體隨刀盤轉(zhuǎn)動而運(yùn)動，由于顆粒的擠壓作用不斷變化，所以其壓力傳感器數(shù)值隨時(shí)變化。而上部的壓力傳感器數(shù)值基本穩(wěn)定不變，壓力值反映的為氣壓值，因而該壓力傳感器處無渣土，這就驗(yàn)證了盾構(gòu)施工為非滿艙掘進(jìn)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，經(jīng)過改良的渣土具有減小摩擦、降低扭矩、抗?jié)B和保壓的作用。但由于重力作用，注入刀盤的泥漿和泡沫沿重力作用向下流淌，且盾構(gòu)施工為非滿艙掘進(jìn)，泥漿對開挖面上部土體的抗?jié)B透作用和潤滑作用很小。因而，盾構(gòu)施工對開挖面上部擾動大，氣體壓力對保證開挖面上部的穩(wěn)定作用也有所減小。

上述分析表明，盾構(gòu)施工基本是非滿艙狀態(tài)掘進(jìn)，這也是導(dǎo)致開挖面超出土的重要原因。砂卵石地層受壓時(shí)強(qiáng)度高、變形??；而粘聚力低，不能承受拉應(yīng)力和拉應(yīng)變。當(dāng)土艙上部無土?xí)r，開挖面前上方的土體顆粒由于重力作用產(chǎn)生向下運(yùn)動，承受向下的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變；因此，當(dāng)非滿艙掘進(jìn)時(shí)，開挖面上部的土體容易坍塌脫落，進(jìn)而涌入土艙。這是開挖面上方容易形成空洞的主要力學(xué)原因。

因此，開挖面上部土體的穩(wěn)定性控制是施工中的薄弱環(huán)節(jié)，開挖面土體失穩(wěn)后，容易在開挖面上部形成空洞。這和實(shí)際調(diào)查情況相符合。

當(dāng)盾構(gòu)因超出土而形成土層內(nèi)部空洞后。主要有以下原因可導(dǎo)致地層內(nèi)部空洞不能被注漿回填：注漿量不足；漿液向地層滲透和流失；空洞形成后離同步注漿有較長的時(shí)間間隔，通常至少在15h后，在此時(shí)間段空洞已向上坍塌移動至上部地層處。

2.3 空洞上移引發(fā)突發(fā)地面塌陷

通過上述分析可以看出，盾構(gòu)施工產(chǎn)生的空洞主要集中在開挖面上部。由于砂卵石具有一定的成拱作用，因而在盾構(gòu)上部形成相對穩(wěn)定的空洞。由于地下水位變化、地面荷載影響和土體強(qiáng)度逐漸減弱等作用，空洞頂部土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動并發(fā)展到地表，最終造成盾構(gòu)掘進(jìn)后的滯后突發(fā)地面塌陷。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)滯后塌陷機(jī)理的數(shù)值計(jì)算

成都砂卵石土具有粘聚力低、離散性強(qiáng)的特點(diǎn)，盾構(gòu)施工開挖面土體容易產(chǎn)生坍塌和滑落。據(jù)此，選用能夠模擬土體顆粒平動、轉(zhuǎn)動、分離和大變形等力學(xué)現(xiàn)象的顆粒離散元法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算［15－16］。

砂卵石土根據(jù)密實(shí)程度分為松散砂卵石層、稍密砂卵石層、中密砂卵石層和密實(shí)砂卵石層4個(gè)亞組，由于盾構(gòu)埋深普遍在8～20m之間，因此盾構(gòu)普遍穿越的地層為稍密卵石與密實(shí)卵石層之間，其中稍密砂卵石的穩(wěn)定性較差，是盾構(gòu)施工產(chǎn)生地面塌陷的主要影響土層，因此選擇稍密砂卵石土為研究對象。在實(shí)際工程中地層表面會有厚度較小的素填土和雜填土，其對地面塌陷影響很小，因而在數(shù)值計(jì)算中忽略其作用。

地下水是影響地下工程的重要因素，有時(shí)甚至是決定性的。目前，在砂卵石地層中盾構(gòu)選型主要采用加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，該類盾構(gòu)在施工過程中需要向土艙內(nèi)加入膨潤土和泡沫對渣土進(jìn)行改良，從而提高渣土的止水性和抗?jié)B性，注入土艙內(nèi)的改良材料具有較好的粘結(jié)性，能滲入土體孔隙中，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對掌子面止水和固結(jié)作用。此外，盾構(gòu)施工中普遍采用氣壓輔助工法，當(dāng)氣壓大于開挖面水壓時(shí)，開挖面并無滲水現(xiàn)象，還能將開挖面土體內(nèi)的水排干，因而此種工況下地下水基本處于靜止?fàn)顟B(tài)，可不考慮水的滲透影響。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)形成土層內(nèi)部空洞后，空洞會逐漸向地面發(fā)展，空洞頂部的土體的分離、坍塌及滑落過程中，地下水是處于靜止?fàn)顟B(tài)的。因此，數(shù)值計(jì)算中按照總應(yīng)力法計(jì)算，而忽略地下水滲流的影響。

3.1 大型三軸試驗(yàn)及顆粒流細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定

數(shù)值計(jì)算中主要考慮穩(wěn)定性較差的稍密卵石土，應(yīng)用大型三軸試驗(yàn)得到偏應(yīng)力 軸向應(yīng)變曲線，并使用顆粒離散元法進(jìn)行三軸數(shù)值模擬試驗(yàn)，從而對稍密卵石土進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定，數(shù)值試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)的偏應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線對比見圖3。

圖3 數(shù)值試驗(yàn)與室內(nèi)試驗(yàn)應(yīng)力 應(yīng)變曲線比較

通過大型三軸試驗(yàn)，稍密卵石土的宏觀力學(xué)參數(shù)見表1。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，綜合考慮內(nèi)摩擦角、變形模量、泊松比等因素影響，得到一組較為理想的稍密卵石土細(xì)觀參數(shù)（見表2）。

表1 稍密卵石的宏觀力學(xué)參數(shù)

表2 離散元的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

3.2 開挖面失穩(wěn)產(chǎn)生空洞機(jī)理的模擬

利用土壓平衡盾構(gòu)施工，開挖面支護(hù)壓力控制是保證掘進(jìn)順利進(jìn)行的關(guān)鍵，開挖面失穩(wěn)主要是由于盾構(gòu)機(jī)開挖面支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力所引起［17］，開挖面支護(hù)壓力小于極限支護(hù)壓力也是產(chǎn)生土層內(nèi)部空洞的主要原因。

3.2.1 數(shù)值計(jì)算模型 在數(shù)值計(jì)算中，模型尺寸為30m×22m×15m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，采用81012個(gè)顆粒進(jìn)行模擬，模型如圖4所示。地面為自由面，模型四周采用位移約束條件，管片采用wall單元模擬。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

假設(shè)開挖面支護(hù)壓力為梯形荷載，取其中心點(diǎn)的支護(hù)壓力為代表值，并引入支護(hù)壓力比λ和靜止土壓力進(jìn)行比較［18］：

夜幕低垂，當(dāng)武成龍和樊虎拿著兩個(gè)布套進(jìn)了柳含煙和白雪的廂房，柳含煙和白雪就明白是怎么回事，因?yàn)樗齻儽凰蛠泶藭r(shí)頭上也戴著一個(gè)布套。白雪驚懼地道：“這里是安和莊對嗎？請?jiān)试S我見那位身穿寶藍(lán)色長衫的書生。”看到武成龍和樊虎臉色驟沉她嚇得眼淚都掉下來了。

式中：σs為開挖面中心處的支護(hù)壓力，σ0為其對應(yīng)的水平靜止土壓力。

3.2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1）開挖面失穩(wěn)的確定 盾構(gòu)施工引起開挖面附近土體應(yīng)力釋放，從而導(dǎo)致周圍土體發(fā)生位移，支護(hù)壓力比與開挖面土體最大水平位移關(guān)系如圖5所示。

圖5 支護(hù)壓力比和最大水平位移的關(guān)系

從圖5中可以看出，初始階段，支護(hù)壓力比和開挖面最大水平位移成線性變化，這個(gè)階段開挖面顆粒位移變化較小，而開挖面支護(hù)壓力變化較大。

當(dāng)λ＝0.2～0.12時(shí)，開挖面支護(hù)壓力的變化幅度很小，而開挖面周圍土體位移變化幅度很大，表現(xiàn)為開挖面周圍土體的位移對支護(hù)壓力變化較敏感。

當(dāng)λ＜0.12時(shí)，在支護(hù)壓力不變的情況下，開挖面的土體位移不斷加大。在這個(gè)階段，開挖面土體發(fā)生失穩(wěn)滑動，開挖面顆粒進(jìn)入崩塌滑落狀態(tài)。

2）支護(hù)壓力對開挖面變形的影響 不同支護(hù)壓力比對應(yīng)的開挖面橫向剖面變形見圖6；從圖中可以看出，隨著支護(hù)壓力比減小，開挖面擾動土體范圍不斷加大，在重力方向擾動土體范圍擴(kuò)大趨勢尤其顯著。當(dāng)開挖面失穩(wěn)后，開挖面失穩(wěn)表現(xiàn)為艙筒形狀，數(shù)值模擬結(jié)果與 Chambon等［19］、Kamata等［20］和Kirsch［21］對干砂進(jìn)行的離心模型試驗(yàn)結(jié)果相符。

圖6 不同支護(hù)壓力比的開挖面橫向剖面變形圖

3）開挖面失穩(wěn)區(qū)域分析 為了更好觀察顆粒位移和土顆粒接觸力的關(guān)系，對2種圖形進(jìn)行疊加，圖7為位移接觸力疊加縱向剖面圖。從該圖中可以看出，當(dāng)λ＝0.5～0.2時(shí)，開挖面的接觸力變化不大；當(dāng)λ＝0.2～0.15時(shí)，開挖面前方擾動區(qū)域加大趨勢明顯，并向上方逐漸延伸；當(dāng)λ＝0.12時(shí)，此時(shí)開挖面已經(jīng)失穩(wěn)，位移大于0.1m的區(qū)域，顆粒間的接觸力極低，該區(qū)域的土體孔隙率上升、密度下降、力學(xué)性質(zhì)也大大降低，因而可以判定該區(qū)域是開挖面失穩(wěn)區(qū)。

開挖面失穩(wěn)后土方超挖、形成空洞已經(jīng)不可避免，超挖的范圍為盾構(gòu)上方2～3m范圍，在這種情況下如不及時(shí)增加支護(hù)壓力，盾構(gòu)掘進(jìn)過后將在盾構(gòu)上方出現(xiàn)較大空洞。

4）土拱作用分析 從圖7中可以看出，位移為0.05～0.1m之間的土體接觸力較小，是接觸力變化區(qū)域。開挖面上方位移小于0.05m范圍內(nèi)的土體，由于重力作用向下移動，顆粒之間相互擠壓和摩擦，形成有一定承載能力的土拱。在土拱支護(hù)作用下，即使開挖面失穩(wěn)形成土層內(nèi)部空洞，也不會立刻引起地面塌陷，這是引發(fā)滯后地面塌陷的重要原因。

3.3 空洞上移引起地面塌陷的數(shù)值模擬

當(dāng)盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)形成土層內(nèi)部空洞后，空洞周圍土體不斷脫落下墜，空洞逐漸向上移動并發(fā)展到地表，從而造成盾構(gòu)掘進(jìn)后的滯后突發(fā)地面塌陷，筆者利用顆粒離散元法模擬空洞坍塌變形和發(fā)展過程。

顆粒離散元法以單個(gè)顆粒為基本單元，對每個(gè)顆粒建立運(yùn)動方程，應(yīng)用力位移定律和牛頓第二定律，利用差分法求解一個(gè)微小時(shí)段的速度和位移，并對時(shí)域進(jìn)行積分，由此計(jì)算出顆粒間分離和大變形等問題［22－23］。在計(jì)算中，雖然計(jì)算步不是真實(shí)時(shí)間，但可以表明力位移的變化規(guī)律，因此，可以通過不同計(jì)算步來觀察滯后塌陷的整個(gè)過程。

3.3.1 數(shù)值計(jì)算模型 模型尺寸為30m×22m×3m，管片直徑為6m，開挖直徑為6.28m，埋深為10m，按照超挖25m3／環(huán)的情況模擬空洞，每環(huán)長度為1.5m，根據(jù)成都砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，空洞主要集中在盾構(gòu)頂部，并呈中間高度大并向兩端逐漸減小的趨勢分布，模型采用34016個(gè)顆粒進(jìn)行數(shù)值分析，顆粒的細(xì)觀參數(shù)見表2。

3.3.2 滯后塌陷地層變形分析 盾構(gòu)上方空洞附近土體位移變化情況和坍塌破壞過程見圖8。

在空洞形成初期，空洞上方的土體緩慢向洞內(nèi)移動，與臨空洞面距離越遠(yuǎn)，土體位移逐漸遞減。由于自重作用，洞內(nèi)臨空面的顆粒位移不斷加大，當(dāng)顆粒之間的重力大于相互間的摩擦力，顆粒逐漸向空洞內(nèi)掉落。向洞內(nèi)掉落的顆粒堆積在空洞的底部，經(jīng)過應(yīng)力調(diào)整重新達(dá)到平衡狀態(tài)；掉落的顆粒能夠給空洞的側(cè)面顆粒提供一定的側(cè)向壓力，從而使空洞側(cè)面的顆粒也達(dá)到平衡狀態(tài)。與此往復(fù)，空洞就像一個(gè)移動的不規(guī)則的水泡由地層深處逐漸移動至地層表面，最終引起地面塌陷。

原狀地層比較密實(shí)，而掉落底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動，空洞體積有所減小。數(shù)值計(jì)算的這種現(xiàn)象和礦山開采的冒落巖塊碎脹充填論［5］的結(jié)論是一致的。冒落巖塊碎脹充填論認(rèn)為開采空間引起覆巖冒落，冒落巖體破碎后孔隙度加大，膨脹起來充填采空區(qū)，從而限制了冒落的發(fā)展，使之趨于穩(wěn)定。這也是超出土量比較少，空洞只能擾動地層而不能發(fā)展到地面的原因。

3.3.3 滯后塌陷土體接觸力演變分析 空洞向地面移動的過程，地層的應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生了較大變化。顆粒離散元主要用法向接觸力和切向接觸力描述地層內(nèi)顆粒的受力狀況，法向接觸力是由于顆粒之間的相互擠壓而引起，切向接觸力是由于顆粒之間的相互摩擦而產(chǎn)生。因此主要從法向接觸力線圖和切向接觸力線圖來闡述土體應(yīng)力變化過程。

1）切向接觸力的演變 圖9是空洞上移過程的切向接觸力線圖，通過該圖可以清楚的看出，隨著土體向洞內(nèi)塌落，洞內(nèi)臨空面上方形成一定的松散帶；而空洞外側(cè)一定范圍的土體向洞內(nèi)擠入，加大了顆粒之間的相互運(yùn)動的趨勢，因而切向接觸力明顯加大，并呈現(xiàn)拱狀，表現(xiàn)出一定的土拱效應(yīng)。

隨著空洞內(nèi)上方的土體不斷掉入空洞底部，空洞不斷上移；當(dāng)空洞上移一定的距離以后，土拱效應(yīng)逐漸消失，從而引起地面突發(fā)塌陷。

2）法向接觸力的演變 圖10是空洞上移過程的法向接觸力線圖。土拱是用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象，這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮而實(shí)現(xiàn)的［24］。通過對比切向接觸力線圖和法向接觸力線圖可以看出，空洞周圍土體的切向力增大趨勢明顯，土體顆粒之間通過相互摩擦提高了承載力，從而起到了土拱的作用；而法向力變化相對較小。然而，顆粒之間的法向接觸力在土拱圈附近呈明顯方向性，法向接觸力和拱圈的切線方向基本一致，這也是土拱作用的體現(xiàn)。

4 結(jié) 語

1）砂卵石地層盾構(gòu)施工滯后地面塌陷的機(jī)理主要包括：盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、開挖面失穩(wěn)超出土形成空洞和空洞向地表移動3個(gè)方面。

圖9 切向接觸力線圖演變過程

2）盾構(gòu)欠壓掘進(jìn)時(shí)，開挖面土體松動現(xiàn)象明顯，開挖面前方的松動區(qū)形狀基本為楔形體，開挖面上方滑動區(qū)域的形狀基本符合三維艙筒理論滑動面假設(shè)。

3）隨著支護(hù)壓力比減小，開挖面前方受擾動區(qū)域變大，支護(hù)壓力比減小到0.12時(shí)，開挖面前方土層位移為0.1m以上的顆粒之間接觸力很低，該區(qū)域土體發(fā)生失穩(wěn)滑動，開挖面顆粒進(jìn)入崩塌滑落狀態(tài)，將形成一定范圍的空洞。

4）滯后塌陷的顆粒接觸線力演變過程表明，隨著空洞的向地表移動，空洞上方的成拱效應(yīng)較為明顯。

圖10 法向接觸力線圖演變過程

5）由于土拱作用的存在，盾構(gòu)雖然超挖形成空洞，但并不會立即反應(yīng)到地面。隨著時(shí)間的推移和土體強(qiáng)度的弱化效應(yīng)，空洞會逐漸反應(yīng)到地面。

6）原狀地層比較密實(shí)，而掉落空洞底部堆積后的土體比較松散，因此隨著空洞向地表移動，空洞的體積有所減小；這也是超出土量比較少時(shí)，空洞只能擾動地層而不能發(fā)展到地面的原因。

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