盾構(gòu)法施工隧道下穿市政道路路面沉降研究

曹文劍

（重慶市市政設(shè)計研究院， 重慶 400000）

0 引言

在城市地鐵和或者交通隧道中，為了避免爆破開挖振動對市政建筑和道路密集區(qū)域造成較大影響，盾構(gòu)法成為城市隧道建設(shè)的主要方法。對于地下巖體而言，開挖之前處于“三相”穩(wěn)定的狀態(tài)，當盾構(gòu)開挖之后難免會造成地面產(chǎn)生一定的沉降[1]。關(guān)于盾構(gòu)法造成的地面沉降和變形是否會造成市政建筑的結(jié)構(gòu)受損，是目前市政隧道盾構(gòu)法急需解決的問題。

1 盾構(gòu)隧道地面沉降規(guī)律

通過對市政隧道盾構(gòu)法開挖的全過程展開研究和分析。通過研究發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)法造成地面沉降主要分為五個過程，即盾構(gòu)到達前沉降、盾構(gòu)到達時沉降、盾構(gòu)通過時沉降、盾尾間隙沉降以及后續(xù)沉降[2]?？傮w而言，盾構(gòu)機到達之前和盾尾間隙過程的沉降速率最大，各階段的沉降主要規(guī)律如下。

1.1 盾構(gòu)到達前的地層沉降

首先在盾構(gòu)機到達之前，雖然沉降點下部的巖體并沒有被開挖，但是地下巖體的開挖會破壞地下巖體的整體穩(wěn)定性。開挖卸荷勢必會對附近一定區(qū)域內(nèi)的巖體造成開挖卸荷擾動。研究表明，盾構(gòu)開挖，能夠?qū)﹂_挖掌子面后方約10m～15m以內(nèi)的巖體產(chǎn)生變形。與此同時在地下水的共同作用下，就會造成地表有效應(yīng)力減少進而發(fā)生固結(jié)沉降。

1.2 盾構(gòu)到達時的地層沉降

當掌子面持續(xù)開挖推進至沉降點時，同樣也會造成地面的沉降或者隆起。在盾構(gòu)開挖過程中，雖然盾構(gòu)壓力倉會通過給開挖圍巖施加相應(yīng)的壓力來維持土體的平衡，但是很難做到完全和開挖之前相同的壓力狀態(tài)，因此就會造成地面的沉降或隆起。

1.3 盾構(gòu)機通過時的沉降

盾構(gòu)機在通過時會造成由于開挖卸荷產(chǎn)生的開挖巖體的整體剪切滑動。這主要是由于開挖盾構(gòu)機的切口和測量點之間存在著空隙，在地表建筑的重力和巖體構(gòu)造力作用下會產(chǎn)生相對位移，發(fā)生剪切滑動。通過研究表明，盾構(gòu)機通過時產(chǎn)生的位移占總位移的絕大多數(shù)，約為總數(shù)的35%～40%。

1.4 盾尾間隙沉降

當盾構(gòu)開挖完成之后，測量點仍然會產(chǎn)生一定的位移和沉降。通過研究表明，盾構(gòu)機的影響范圍為盾尾后方約20m 范圍內(nèi)。造成盾尾間隙沉降只要是由于盾尾的管徑一般會小于盾構(gòu)機開挖的洞徑，這樣就會在土體和管壁之間存在間隙，如果注漿不及時和不足時便會造成測量點的沉降。

1.5 后續(xù)沉降

在盾構(gòu)完成之后，地面依然會產(chǎn)生一定的沉降和變形。統(tǒng)計表明這一過程的沉降約占總變形量的10%左右。通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場觀察分析結(jié)果顯示，造成這一變形主要是由于盾構(gòu)機盾尾脫出隧道的一周的時間之內(nèi)，隧道圍巖會產(chǎn)生地應(yīng)力重分布，這一個過程相對而言比較緩慢。圍巖在地面的建筑物結(jié)構(gòu)作用和汽車荷載的沖擊作用下，發(fā)生進一步的固結(jié)沉降以及蠕變沉降。

2 地面沉降的影響范圍

對于盾構(gòu)開挖法而言，地下圍巖的開挖量較大，會產(chǎn)生較大的圍巖開挖卸荷效應(yīng)。在盾構(gòu)機的持續(xù)推進過程中，地下圍巖的卸荷應(yīng)力場是以掌子面為中心展開的。這也就造成了地面沉降是以盾構(gòu)機為中心呈三維擴散分布的。這樣一個卸荷應(yīng)力場是隨著盾構(gòu)機掌子面推進而改變的。關(guān)于盾構(gòu)機開挖地面沉降的影響范圍的研究，目前主要是采用現(xiàn)場觀測和經(jīng)驗公式法來總結(jié)分析出來的。目前最為常見的經(jīng)驗公式為Peck 經(jīng)典公式。這一公式的理論是基于傳統(tǒng)的巖土力理論而得出，即盾構(gòu)機每開挖一個進尺的巖體都會產(chǎn)生一定的地層損失，地下巖體中失去一塊土體，這樣就會造成上部的巖體在不考慮土體排水固結(jié)和蠕變的作用下，受到自身重力作用發(fā)生向下位移從而產(chǎn)生沉降。通過大量的研究分析，指出這一沉降在隧道開挖軸線方向上呈現(xiàn)出了近似正態(tài)分布曲線的分布規(guī)律[3]。另外通過經(jīng)驗公式的計算表明，盾構(gòu)隧道施工引起地面沉降沿縱向影響范圍，在盾構(gòu)前方約 D + Htg45o范圍內(nèi)( D 為盾構(gòu)直徑，H 為地表至盾構(gòu)底的深度)。同時在隧道開挖的縱向方面，影響范圍為D/ 4 + Hctg45o范圍內(nèi)。

3 地面沉降的安全性判斷與控制

對于盾構(gòu)機施工造成的地面沉降的影響范圍和沉降值的大小，取決于開挖地區(qū)的地質(zhì)和水文情況。對于不同城市隧道開挖地區(qū)的工程的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道埋深、上部結(jié)構(gòu)對地基變形的適應(yīng)能力和使用要求的不同，地面沉降也會具有非常大的差異和不同。因此，需要針對盾構(gòu)開挖的施工造成的地面沉降的安全進行判斷和控制。

盾構(gòu)開挖地面沉降的安全判斷，首先需要對隧道穿越區(qū)間的地面建(構(gòu))筑物和地下管線的布設(shè)情況進行調(diào)查，通過綜合考慮這些因素之后進行判斷。目前關(guān)于我國的隧道盾構(gòu)開挖造成的地面沉降的安全閾值以及安全判斷標準并沒有出具一個明確的具體指標或允許值。

根據(jù)對國內(nèi)外的先進的施工管理經(jīng)驗進行分析得出相應(yīng)的經(jīng)驗值，目前普遍采用的安全沉降值認為盾構(gòu)開挖造成的地面沉降安全范圍為+10mm ～ -30mm 以內(nèi)。但是這一工程經(jīng)驗標準，并不能作為盾構(gòu)地面沉降的科學(xué)判斷標準。如上文所述，不同的地質(zhì)情況其沉降安全值是不同的。因此需要進行針對性的區(qū)別對待，科學(xué)、合理且經(jīng)濟的判斷出盾構(gòu)開挖沉降的安全性控制標準。

總的來說，地面沉降的安全判斷標準的主要原則是：通過對地表的沉降數(shù)據(jù)進行分析，對隧道圍巖整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全性進行綜合的考慮判斷。通過采取相應(yīng)的預(yù)防和治理措施，來加固周圍巖土體的穩(wěn)定，阻止地面繼續(xù)沉降，防止水土流失以及確保地表建筑結(jié)構(gòu)的安全。

4 地表沉降的處置方法

對于地表沉降的預(yù)防和治理而言，同樣需要根據(jù)盾構(gòu)開挖的五個影響過程進行針對性的處理。根據(jù)盾構(gòu)法不同階段造成的地表沉降的規(guī)律，采取針對性的處理措施進行地面和圍巖加固的處理。目前，盾構(gòu)法造成的地面沉降的主要處理措施有注漿、錨桿、鋼板樁、旋噴樁、攪拌樁加固，采用凍結(jié)法施工或素混凝土墻等等。通過這些方法的處置，可以有效的緩解地面沉降問題，防止由于地面沉降變形造成隧道結(jié)構(gòu)和附近建筑結(jié)構(gòu)的損傷。在實際的盾構(gòu)法隧道施工過程中，需要綜合考慮各種因素，綜合設(shè)置出地面允許的最小沉降值，并以此為控制標準。一旦地面沉降達到預(yù)定安全值的60%時，據(jù)需要進一步加強對地面沉降的監(jiān)控量測工作，密切監(jiān)控沉降的進一步發(fā)展；一旦當沉降超過安全閾值的80%時，就需要及時的對地面和圍巖展開加固措施，通過綜合科學(xué)的選用上述的加固方法，來控制地面沉降防止其沉降進一步發(fā)生。

5 結(jié)束語

盾構(gòu)法是目前城市隧道開挖的主要方法。由于盾構(gòu)法開挖的特殊工藝，會難以避免的造成地面沉降或凸起，嚴重時會對地面建筑、地下隧道和管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的結(jié)構(gòu)損傷和破壞。本文通過對盾構(gòu)法的施工工藝進行分析，指出盾構(gòu)法造成地面沉降五個階段的影響因素，指出盾構(gòu)機到達之前和盾尾間隙過程的沉降速率最大。對于不同地質(zhì)的市政隧道開挖，其地面沉降的安全閾值是不同的需要綜合的根據(jù)巖土的地質(zhì)條件、地面環(huán)境、隧道埋深、上部結(jié)構(gòu)對地基變形的適應(yīng)能力等等情況進行綜合的考慮，進而對地面沉降的安全性進行判斷，并采取相應(yīng)的地面沉降的加固措施確保地面沉降趨于穩(wěn)定。