軌道交通盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降的規(guī)律研究

劉小慧

東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中國·廣東 東莞 523000

在當(dāng)前軌道施工過程中，盾構(gòu)施工法的應(yīng)用是非常普遍的，因?yàn)槎軜?gòu)施工法本身的施工效率要非常高，能保障整個(gè)施工過程中的施工進(jìn)度以及施工質(zhì)量。然而，在盾構(gòu)施工法應(yīng)用過程中，因?yàn)槎軜?gòu)施工所導(dǎo)致的地表沉降問題也是非常普遍的，所以論文，針對軌道施工過程中盾構(gòu)法施工所引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行分析。

軌道交通；盾構(gòu)施工法；地表沉降；規(guī)律

1 引言

盾構(gòu)法施工是在中國軌道交通施工過程中進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)以及實(shí)踐之后，所應(yīng)用的最為普遍的一種施工方法，對于軌道交通工程的施工質(zhì)量提升以及施工進(jìn)度保障具有非常重要的作用。但是在盾構(gòu)法實(shí)際應(yīng)用過程中，也存在著一個(gè)難以忽視的問題，就是地表沉降問題。地表沉降問題如果不嚴(yán)重，那僅僅會(huì)導(dǎo)致地表出現(xiàn)小范圍的沉降，而如果地表沉降問題非常嚴(yán)重，對軌道施工上方的地表路基或者是公路都會(huì)造成嚴(yán)重的破壞，從而導(dǎo)致上方交通工程被破壞，交通運(yùn)輸受阻。因此，針對軌道施工過程中盾構(gòu)施工所導(dǎo)致的地表沉降進(jìn)行規(guī)律性研究是非常重要的工作。論文系統(tǒng)闡述了城市軌道交通類矩形盾構(gòu)法隧道技術(shù)施工研究，通過分析類矩形盾構(gòu)法施工上的重難點(diǎn)，為進(jìn)一步開展矩形盾構(gòu)法隧道的建設(shè)提供更可靠的依據(jù)和建議[1]。

2 地表沉降規(guī)律分析的重要性

通常盾構(gòu)法隧道的斷面形狀均為圓形，其易于實(shí)現(xiàn)全斷面切削和相對合理的結(jié)構(gòu)受力體系，掩蓋了空間利用率低，地下空間占用大的不足。矩形盾構(gòu)法隧道在斷面空間利用率和狹窄道路中的穿行能力上則存在較大優(yōu)勢，但因其結(jié)構(gòu)受力和變形，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)控制，矩形管片拼裝等難題，未能得到有效的發(fā)展。對于軌道交通工程當(dāng)中的隧道施工來講，依靠盾構(gòu)法來進(jìn)行隧道工程的施工，能使施工對周圍建筑物所導(dǎo)致的影響變得最小，而且盾構(gòu)法也能在軟弱地質(zhì)條件下進(jìn)行應(yīng)用，施工速度也非常快，所以在實(shí)際隧道施工過程中，該方法的應(yīng)用是最為普遍的。

自從盾構(gòu)法施工技術(shù)問世以來，對實(shí)際施工過程中給周圍環(huán)境所造成影響，進(jìn)行研究和預(yù)測工作就沒有停止過，尤其是在實(shí)際施工過程中所導(dǎo)致的地表沉降問題，一直以來就受到整個(gè)工程界的重視。因?yàn)閷τ诙軜?gòu)施工來講，在實(shí)際施工過程中對于地層擾動(dòng)的情況是不能被避免的，一旦地層被擾動(dòng)，地層的原始用力就會(huì)出現(xiàn)改變，同時(shí)地層的土體平衡狀態(tài)也會(huì)被破壞，就會(huì)導(dǎo)致大范圍的地表沉降問題出現(xiàn)。如果地表沉降現(xiàn)象非常嚴(yán)重，甚至超過了一定的承受范圍，就會(huì)導(dǎo)致施工周邊地區(qū)的建筑物安全受到影響。因此，針對盾構(gòu)法應(yīng)用過程中所導(dǎo)致的地表沉降問題進(jìn)行規(guī)律研究，是能對地表沉降所造成影響進(jìn)行事先評估的，對于整個(gè)隧道工程的順利施工非常重要，能實(shí)現(xiàn)對周邊建筑物以及周邊公路進(jìn)行保護(hù)的目的，提高隧道工程整體質(zhì)量。

3 地層隆沉估算

3.1 地表沉降橫向分布計(jì)算工作

在對地表橫向沉降進(jìn)行分步計(jì)算的過程中，所采用的橫向分布曲線形狀可以通過Peck 公式合理的進(jìn)行表達(dá)，而且該公式的應(yīng)用已經(jīng)被人們所接受。在該公式當(dāng)中，可以假設(shè)導(dǎo)致施工過程中引起地面沉降的因素是在不排水的情況下所發(fā)生的，在出現(xiàn)沉降的過程中，沉降槽的體積和地層所損失體積是相同的。同時(shí)，對于整個(gè)地層的損失來講，在隧道施工過程中是在整個(gè)隧道長度上均勻分布的。因?yàn)樗淼朗┕に鶎?dǎo)致的地表橫向沉降分布是呈正態(tài)分布曲線的，所以在對地層損失進(jìn)行計(jì)算時(shí)，能發(fā)現(xiàn)地層損失是和并購法施工過程中所應(yīng)用盾構(gòu)種類以及操作方法和所處地區(qū)的地層條件以及地面環(huán)境和施工過程中的管理方法等要素具有聯(lián)系的。因此，在當(dāng)前進(jìn)行地層損失計(jì)算時(shí)，并不能給出確定的解析式，但是如果在保證采用合適的技術(shù)以及進(jìn)行正確操作的前提下，地層損失是由盾構(gòu)施工過程中對周圍土體所產(chǎn)生影響范圍而決定的[2]。

3.2 地表沉降縱向分布計(jì)算工作

在Peck 法的基礎(chǔ)之上，相關(guān)學(xué)者在進(jìn)行地表沉降損失研究工作當(dāng)中，提出了負(fù)地層損失概念。所謂的復(fù)地層損失概念是將地層損失分成兩部分，包括開挖面地層損失以及盾尾后的地層損失這兩部分，然后以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了地表沉降損失當(dāng)中的縱向分布計(jì)算工作，最終經(jīng)過計(jì)算得出在進(jìn)行盾構(gòu)施工過程中，盾尾空隙所導(dǎo)致的沉降和長期延續(xù)所導(dǎo)致的沉降，在總體沉降當(dāng)中所占比例為50%～80%左右，所以在地表沉降縱向分布過程中，盾尾空隙所導(dǎo)致的沉降是最主要的影響因素。

4 有限元法地表沉降分析

在當(dāng)前技術(shù)發(fā)展背景下，進(jìn)行地表沉降分析時(shí)，對于有限元法的應(yīng)用越來越普遍，通過有限元法以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合形成了數(shù)值模擬法，對整個(gè)盾構(gòu)隧道施工過程中的地層變形能進(jìn)行有效的預(yù)測與分析[3]。

4.1 有限元模型的建立

在進(jìn)行有限元模型建立時(shí)，需要選擇一個(gè)具體的盾構(gòu)施工工程作為模型建立對象，所以在論文當(dāng)中選擇某盾構(gòu)隧道施工作為模型建立對象，在該隧道進(jìn)行，實(shí)際施工時(shí)，隧道直徑是15m，隧道中心點(diǎn)的埋設(shè)高程為-19.5m 盾構(gòu)法，在實(shí)際施工時(shí)隧道頂部覆土的厚度是21m，相鄰兩隧道之間的間距在30m，實(shí)際施工過程中對周圍土體所產(chǎn)生影響范圍是160×50m。在整個(gè)施工過程中，隧道地基土層包括了5個(gè)不同的土層，以此為基礎(chǔ)來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，在整個(gè)數(shù)學(xué)模型當(dāng)中，土孔隙水壓力分布是靜態(tài)水壓，而水位的高程則是選擇為4.4m[4]。

4.2 數(shù)學(xué)模型的計(jì)算與分析

第一，在進(jìn)行地表沉降分析過程中，針對第1條隧道開挖之后，所產(chǎn)生的地表沉降進(jìn)行計(jì)算與分析。在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型應(yīng)用過程中，通過數(shù)學(xué)模型進(jìn)行地表沉降計(jì)算，會(huì)得到橫向分布的相關(guān)數(shù)據(jù)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示進(jìn)行單條隧道的開挖作業(yè)之后，地表下陷現(xiàn)象直接出現(xiàn)，而整個(gè)土層的沉降成對稱形狀進(jìn)行分布最大沉降點(diǎn)是在整個(gè)施工隧道的中心軸線處，其上方的地層沉降會(huì)隨著隧道深度增加而增加。在地表沉降過程中，會(huì)隨著施工接近隧道襯砌頂端位置而達(dá)到最大值，當(dāng)隧道下方的土體出現(xiàn)向上的位移時(shí)，在隧道底端沉降值會(huì)達(dá)到最大。以該工程的實(shí)際施工為例，地表沉降數(shù)值最大時(shí)為30.5mm。

第二，則是當(dāng)兩條雙向隧道都開挖之后所導(dǎo)致的地表沉降。在對兩條隧道都開挖之后所產(chǎn)生地表沉降進(jìn)行模擬計(jì)算之后，所得數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，在隧道開挖過程中隨著隧道施工向軸線靠近，最終達(dá)到軸線位置時(shí)，軸線正上方所產(chǎn)生的地表沉降是最大的，沉降數(shù)值會(huì)隨著軸線向左右兩側(cè)分散逐漸變小。而最終所得沉降最大數(shù)值，因?yàn)樵谒淼朗┕み^程中，兩條隧道同時(shí)開挖產(chǎn)生了相互影響，所以所得最大沉降數(shù)值是47.5mm。

4.3 沉降土體位于規(guī)律

基于上述分析情況來看，在隧道盾構(gòu)法施工過程中，所導(dǎo)致的地表沉降問題最主要影響因素還是施工過程中的實(shí)際盾構(gòu)外徑以及所應(yīng)用的施工方法。在盾構(gòu)施工之后，隧道左右兩側(cè)土體會(huì)以盾構(gòu)為中心進(jìn)行水平靠近移動(dòng)，兩側(cè)沉降土體呈均勻分布，最大沉降處所出現(xiàn)位置是整個(gè)隧道的中心軸線處。同時(shí)，在隧道上方所出現(xiàn)的地層沉降，會(huì)隨著深度增加而不斷增加的隧道襯砌頂端位置時(shí)，沉降數(shù)值會(huì)達(dá)到最大。如果隧道下方本身的土體出現(xiàn)了向上方的位移，會(huì)伴隨隧道施工接近趁氣底端而達(dá)到位移最大值。

5 結(jié)語

綜上所述，通過對軌道交通工程當(dāng)中盾構(gòu)法施工所導(dǎo)致地表沉降問題進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致沉降問題出現(xiàn)的最主要因素是多方面的，其中主要包括了盾構(gòu)外徑以及施工操作方法和施工環(huán)境所處地質(zhì)條件等，而盾構(gòu)施工過程中沉降數(shù)值最大處是在隧道中心軸線處。