0　前言

焦作市新礦機(jī)械有限公司供應(yīng)國(guó)內(nèi)隧道機(jī)械、地鐵鋼管片、聯(lián)絡(luò)通道鋼管片為企業(yè)客戶(hù)，鐵路、高鐵，地鐵客戶(hù)，提供一流的機(jī)械產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，譬如：可以提供保護(hù)，使開(kāi)挖與襯砌的安全性提高；可以采用解析化與自動(dòng)化的掘進(jìn)、運(yùn)土以及管片拼裝，使得工作效率增強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度減少；且對(duì)地面交通不會(huì)造成影響，也不受外界環(huán)境的限制，且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在黃土地層的地鐵隧道施工中應(yīng)用廣泛。但由于黃土地層本身的復(fù)雜性，使得地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)存在很多安全隱患，地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)的安全問(wèn)題與地表沉降密切相關(guān)，因此對(duì)地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制技術(shù)研究極具實(shí)用價(jià)值。現(xiàn)今，關(guān)于地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降的控制方法，還僅僅依靠采取嚴(yán)密措施降低沉降，不能有效解決黃土地層中地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降。基于此，本文以西安地鐵為例，提出隧道施工穿越古城墻的新模式，通過(guò)增強(qiáng)土體力學(xué)性能參數(shù)，來(lái)降低地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降現(xiàn)象。

1　黃土地層概述

黃土地層主要以黃土為主。黃土作為一種特殊的土，在分布在一定的區(qū)域。黃土地層的顆粒組成以粉粒為主，大概占據(jù)60%～70%。

黃土地層的結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)在：

① 對(duì)黃土來(lái)講，其具有發(fā)育完全的豎向節(jié)理，但水平機(jī)理發(fā)育較差。黃土地層的主要分布區(qū)域在干旱地區(qū)或者是半干旱地區(qū)。在該地區(qū)，長(zhǎng)時(shí)間受蒸發(fā)與干縮的影響，以及水的淋溶作用，使得黃土地層具有極為明顯的豎向節(jié)理；在風(fēng)的作用下，黃土物質(zhì)會(huì)被搬移到極為遠(yuǎn)的地區(qū)，當(dāng)顆粒均勻混合，且在同一地區(qū)沉積，會(huì)由于成分、顆粒、顏色等的區(qū)別，是黃土結(jié)構(gòu)層次明顯。

② 黃土地層中存在古土壤夾層，在黃土沉積條件下，在黃土表層被剝燭，從而形成剝蝕面，并阻斷土壤進(jìn)程化，這便形成了上下層之間的不整合面或者是假整合面。土壤中存在較多的有機(jī)物，具有不同的礦物成分以及顆粒。由于受當(dāng)?shù)貧夂�、�?jīng)歷時(shí)長(zhǎng)以及生態(tài)環(huán)境等的影響，使得這些古土壤夾層表現(xiàn)出不同的顆粒大小及其顏色和厚度。黑沙土位于新黃土上部，呈現(xiàn)灰色。在古土壤夾層中有多個(gè)古土壤，這表明第四紀(jì)氣候存在氣候大幅度更替的特征。

③ 黃土地層中還有鈣質(zhì)結(jié)核存在。且具有較多的韓質(zhì)，形成的主要原因在于水自上而下的淋溶。對(duì)韓質(zhì)開(kāi)始富集時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)白色斑點(diǎn)或者是菌絲狀、網(wǎng)狀形式；高度富集狀態(tài)，則會(huì)呈現(xiàn)硬結(jié)成塊，且大小和形狀表現(xiàn)出不規(guī)則形式，結(jié)核的呈現(xiàn)形式則表現(xiàn)在直立、群狀以及按層分布。常見(jiàn)的結(jié)核表現(xiàn)在半巖石形態(tài)，結(jié)核處于高密集、硬結(jié)狀態(tài)。

2　地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降影響因素分析及變形計(jì)算

2.1　影響因素分析

在地鐵盾構(gòu)施工中，影響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范圍內(nèi)波動(dòng)。如果附加推力太大，則必將導(dǎo)致開(kāi)挖面前方土體隆起，使得地表沉降。

② 盾構(gòu)與土體之間的摩擦力。

在施工過(guò)程中，盾構(gòu)與土體之間緊密接觸，這使得盾構(gòu)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)引起土體移動(dòng)。土體移動(dòng)后會(huì)重新固結(jié)，導(dǎo)致地表發(fā)生變形引起沉降。

③ 盾構(gòu)開(kāi)挖過(guò)程會(huì)有盾尾間隙產(chǎn)生。

盾構(gòu)在實(shí)施開(kāi)挖時(shí)，為了確保盾構(gòu)可以順利實(shí)施，刀盤(pán)外徑一般都要超過(guò)盾構(gòu)殼外徑。因此，盾構(gòu)殼外圍會(huì)有厚度差存在，推進(jìn)方向產(chǎn)生改變引起超挖；土體也可能進(jìn)入盾尾間隙，導(dǎo)致土體損失，從而引起地表沉降。

2.2　變形計(jì)算

基于地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降的影響因素，以半解析法為基礎(chǔ)，對(duì)各因素引起的地表沉降量進(jìn)行分析，從而為盾構(gòu)進(jìn)行隧道地表沉降控制提供依據(jù)。盾構(gòu)在進(jìn)行具體施工時(shí)，其施工基本力學(xué)模型如圖1所示。

圖1　盾構(gòu)施工力學(xué)模型
Figure 1　Mechanical model of shield construction

并進(jìn)行假定，即：土體屬于半無(wú)限體，具有不固結(jié)、不排水、均質(zhì)的特性；盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)方法采用直線(xiàn)模式；盾構(gòu)機(jī)為均勻分布受載，換句話(huà)說(shuō)，土體與盾構(gòu)機(jī)之間的摩擦力沿盾構(gòu)機(jī)方向均勻分布，正面附加推力的方向則為圓形方向分布；盾構(gòu)進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，僅僅考慮空間位置變化，對(duì)于時(shí)間效應(yīng)則忽略。具體變形分析如下：

① 正面附加推力導(dǎo)致的地表沉降變化計(jì)算。

由圖2所示，選取盾構(gòu)機(jī)工作面的圓形區(qū)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體位移豎直方向的變形公式(1)：

(1)

其中：

(2)

式中：x表示盾構(gòu)推進(jìn)方向距離開(kāi)挖面的水平距離，m；μ表示土體的泊松比；P為正面附加推力，kPa；D表示盾構(gòu)直徑，m；h表示隧道與地面間的豎直距離，m；y表示的是垂直于隧道軸線(xiàn)的水平距離，m；z代表距離地面的豎直距離；G代表土體剪切彈性模量，MPa，大小為，E為土體模量，MPa。

式(1)通過(guò)直接積分求得結(jié)果比較困難，因此基于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

正面附加推力的大小一般為-20～20 kPa之間，黃土地層的土體模量為2.8 MPa，泊松比μ為0.3，所以G大小為 1.076 9。西安地鐵的襯管半徑為3 m，但在實(shí)際開(kāi)挖時(shí)，要超挖情況存在，因此，D取3.05 m。隧道埋深相同，此時(shí)x=10 m，h=15 m。正面附加推力相同，此時(shí)x=10 m，P=10 kPa。

計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2　相同隧道埋深時(shí)地表沉降隨正面附加推力的變化曲線(xiàn)
Figure 2　Surface subsidence curve with additional thrust front under the same tunnel depth

圖3　相同正面附加推力地表沉降隨隧道埋深的變化曲線(xiàn)
Figure 3　Ground settlement curve with the tunnel depth under same positive additional thrust

由圖3可知：隧道埋深相同的情況下，地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降隨正面附加推力的增加而增大，但地表沉降的范圍基本不變。盾構(gòu)推力的大小與地表沉降密切相關(guān)，當(dāng)正面附加推力超過(guò)穩(wěn)定開(kāi)挖面所需壓力時(shí)，地表會(huì)隆起；當(dāng)?shù)陀诜�(wěn)定開(kāi)挖面所需壓力條件下，則地表會(huì)沉降。由圖4可知，在正面附加推力相同的條件下，當(dāng)?shù)乇碡Q直方向位移量距離隧道軸線(xiàn)±15 m以?xún)?nèi)時(shí)，盾構(gòu)隧道地表的變形隨隧道埋深的增加而降低；在距離隧道軸線(xiàn)±15 m以外，則隨隧道埋深的增加而增大，但增加比例較低。

② 盾構(gòu)與土體相互摩擦造成的地表沉降計(jì)算。

同正面附加推力相同，見(jiàn)圖1，選取盾構(gòu)機(jī)工作面的圓形區(qū)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體位移豎直方向的變形公式(3)：

(3)

其中：

(4)

式中：L表示盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)，m；p1則代表盾構(gòu)機(jī)與土體之間單位面積摩擦力，kPa，大小為p1=σN×f，f為摩擦系數(shù)，σN代表正壓力。對(duì)(3)計(jì)算，同正面附加推力的變形計(jì)算相同，分兩種情況，即：隧道埋深相同，此時(shí)x=10 m，h=15 m；摩擦力相同，此時(shí)x=10 m，p1=4 kPa。計(jì)算結(jié)果如圖4和圖5所示。

如圖4可知：在隧道埋深相同的情況下，地表變形量隨摩擦力的增大而增大，且摩擦力作用，地表會(huì)產(chǎn)生隆起。因此，在盾構(gòu)施工時(shí)，可以通過(guò)減少盾殼與土體之間摩擦力的方式，控制地表沉降。由圖5可知：在隧道埋深相同的條件下，在距離隧道軸線(xiàn)±20 m范圍內(nèi)，對(duì)隧道埋深的增大，地表變形量降低；當(dāng)在距離隧道±20 m范圍外，隨隧道埋設(shè)的增大，地表變形量增加。

圖4　隧道埋深相同條件地表變形量與摩擦力的關(guān)系
Figure 4　The relationship between surface deformation and friction under tunnel depth same conditions

圖5　摩擦力相同條件下地表變形量與隧道埋深的關(guān)系曲線(xiàn)
Figure 5　The relationship between surface deformation and tunnel depth under the same friction

③ 盾尾間隙引起的地表變形計(jì)算。

Loganathan等人前人工作的基礎(chǔ)上，利用地層損失系數(shù)的概念以及Lee等人提出的間隙參數(shù)的概念，并結(jié)合土在隧道內(nèi)的移動(dòng)方向?yàn)闄E圓形，且分布不均勻的特點(diǎn)(見(jiàn)圖6)，可知，在短期不排水地層中，地表的變形量如式(5)所示。

(5)

式中：g為間隙參數(shù)。

圖6　隧道周邊土體的均勻徑向變形和橢圓形變形
Figure 6　Uniform radial of tunnel surrounding soil deformation and deformation oval

對(duì)(5)式進(jìn)行計(jì)算同樣分2種情況，即：隧道埋深相同條件下，取h=15 m；地層損失率相同條件下，取g=25 mm。計(jì)算結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7　相同隧道埋深條件下地表變形與地層損失的關(guān)系圖
Figure 7　The relationship between surface deformation and ground loss of same tunnel depth

圖8　盾尾間隙相同條件下地表變形與隧道埋深的關(guān)系圖
Figure 8　The relationship between surface deformation and tunnel depth of the same ground loss

由圖7可知：相同隧道埋深條件下，隨盾尾間隙的增加，地表沉降增大。因此在地鐵黃土地層中，盾構(gòu)隧道施工中，要嚴(yán)格控制盾尾間隙。由圖8可知：盾尾間隙相同情況下，在距離隧道埋深±10 m范圍內(nèi)，隨隧道埋深的增加，地表變形減少；在距離隧道埋深±10 m范圍以外，則隨著隧道埋深的增加，地表變形增加。

地表沉降大小則是正面附加推力、盾構(gòu)與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙三者共同作用產(chǎn)生的。因此，對(duì)地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制應(yīng)綜合考慮這三個(gè)因素的影響。

3　地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制

技術(shù)

3.1　工程概述

西安地鐵2號(hào)線(xiàn)的建設(shè)需要穿越明代建筑物的古城墻，該古城墻屬于國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)保護(hù)文物。依據(jù)國(guó)家文物局專(zhuān)家的相關(guān)意見(jiàn)，在進(jìn)行盾構(gòu)施工時(shí)，隧道地表沉降值應(yīng)控制在+15～-15 m，誤差必須控制在1‰，如此可使城墻的穩(wěn)定不受影響，也不會(huì)改變古城墻原貌。以地鐵2號(hào)線(xiàn)某區(qū)間為例。該區(qū)間的具體概況如下：1～2.2 m處屬于素填土，在2.2～11.4 m處新黃土，在11.4～14.8 m處則以古土壤為代表，14.8 m以下直至20 m處，土質(zhì)為老黃土，20 m以下的土質(zhì)則為古土壤。在施工過(guò)程中，主要的施工參數(shù)如下式所示：

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

在進(jìn)行地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降控制之前，首先要對(duì)地表沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。本文利用上述3種因素對(duì)地表變形的計(jì)算分析，可得出最大沉降值為15 mm，已達(dá)到隧道施工沉降值上限，因此，必須進(jìn)行地表沉降控制。

3.2　地表沉降控制技術(shù)

① 科學(xué)設(shè)置正面推動(dòng)壓力，避免超挖現(xiàn)象產(chǎn)生。

科學(xué)設(shè)置正面推動(dòng)面壓力，必須以地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。譬如，在穿越永寧門(mén)城墻段時(shí)，依據(jù)隧道埋深為15～17 m，因此，正面推動(dòng)壓力應(yīng)在1 200～1 500 t。此外，在進(jìn)行具體施工時(shí)，還要依據(jù)施工情況進(jìn)行調(diào)整。為避免超挖現(xiàn)象出現(xiàn)，還要對(duì)每環(huán)的出土量進(jìn)行控制，一般控制在54 m3左右。

② 穿越古城墻時(shí)，要減慢推進(jìn)速度，且確保速度穩(wěn)定，盾構(gòu)控制方向要恒定，避免出現(xiàn)大量值糾偏。

盾構(gòu)的推進(jìn)速度收土壓力、千斤頂總推力等的影響，因此，要綜合考慮。地表沉降與盾構(gòu)推進(jìn)速度密切相關(guān)，當(dāng)推進(jìn)速度過(guò)大時(shí)，土壓力相應(yīng)增大，對(duì)土體擾動(dòng)變回加大。為保證盾構(gòu)順利實(shí)施，對(duì)推進(jìn)速度要嚴(yán)格控制，通�？刂圃�10～15 mm/min，對(duì)每天的掘進(jìn)量也要嚴(yán)格把控，使其控制在8環(huán)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越古城墻時(shí)，盡量保證盾構(gòu)的工作狀態(tài)最佳，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)軸線(xiàn)與糾偏量間的夾角進(jìn)行嚴(yán)格把控，確保糾偏坡度控制在±1‰范圍內(nèi)，平面偏差也要嚴(yán)格控制，使其在±30 mm內(nèi)，且要確保每次的糾偏量低于5 mm。

③ 盾構(gòu)施工過(guò)程中，要進(jìn)行同步注漿，確保漿液飽滿(mǎn)。

在進(jìn)行同步注漿過(guò)程中，要對(duì)注漿壓力進(jìn)行控制，如果注漿壓力太小，則會(huì)降低漿液填充速度，使得填充不充分，當(dāng)空隙存在條件下，會(huì)增加地表的變形量；當(dāng)壓力過(guò)大，也會(huì)導(dǎo)致管片外的土層被漿液擾動(dòng)，導(dǎo)致施工后期產(chǎn)生沉降，引起盾尾漏漿。所以，對(duì)注漿壓力要進(jìn)行嚴(yán)格把控。一般來(lái)講，同步注漿壓力與盾尾入口密切相關(guān)，通常要稍微超過(guò)靜止時(shí)水壓與土壓之和，并以填補(bǔ)為主。由于每環(huán)壓漿量為建筑空隙的1.5～2倍，因此，注漿量一般在3.6 m3以上，注漿壓力為0.15～0.25 MPa。對(duì)漿液進(jìn)行合理配比，確保漿液在進(jìn)入間隙后6～8 h內(nèi)初凝。

④ 及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

當(dāng)管片脫落盾尾5環(huán)時(shí)，便要開(kāi)始進(jìn)行二次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿大小一般為同步注漿量的30%。由于原有漿液凝固，產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，導(dǎo)致空隙產(chǎn)生，因此要進(jìn)行多次、少量補(bǔ)漿的模式對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充。二次注漿的時(shí)間應(yīng)依據(jù)地表沉降情況進(jìn)行決定。當(dāng)盾構(gòu)穿越古城墻時(shí)，要確保每推進(jìn)6環(huán)便進(jìn)行一次環(huán)箍注漿。兩個(gè)環(huán)箍間要進(jìn)行多次補(bǔ)漿，補(bǔ)漿位置應(yīng)設(shè)置在環(huán)箍之后的第二環(huán)以及第四環(huán)的位置，而注漿位置則應(yīng)控制在隧道頂部與其毗鄰處的接環(huán)管片位置。補(bǔ)漿時(shí)間則在環(huán)箍補(bǔ)漿之和大概12 h左右進(jìn)行補(bǔ)漿。且應(yīng)分為兩次進(jìn)行，每次間隔24 h。為確保多次補(bǔ)漿對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的影響，要確保盾構(gòu)推進(jìn)的連續(xù)性，并在最末處的臺(tái)車(chē)上安裝一補(bǔ)漿罐車(chē)，使其具有漿液儲(chǔ)備能量，漿液儲(chǔ)備量應(yīng)控制在7.5 m3。

⑤ 嚴(yán)格把控盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾尾間隙勻稱(chēng)。

通常情況下，盾構(gòu)姿態(tài)與盾尾處漏漿密切相關(guān)。在推進(jìn)過(guò)程中，盾尾處漏漿，會(huì)引起地面發(fā)生沉降。因此，盾構(gòu)在進(jìn)行推進(jìn)時(shí)，要對(duì)盾構(gòu)的推進(jìn)軸線(xiàn)進(jìn)行嚴(yán)格把控，使其與設(shè)計(jì)軸線(xiàn)吻合，并確保使其均勻分布在盾尾四周的間隙處。為保證盾尾處不漏漿，通常以盾尾油脂壓注量作為基礎(chǔ)，確保盾尾油脂量的注入量超過(guò)正常值的20 kg。

⑥ 對(duì)施工過(guò)程嚴(yán)格控制，確保盾構(gòu)在穿越古城墻過(guò)程中連續(xù)進(jìn)行。

盾構(gòu)機(jī)的機(jī)重高達(dá)300 t，因此，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，如果由于意外造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致地面沉降。為保證盾構(gòu)機(jī)連續(xù)推進(jìn)，因此，在進(jìn)行推進(jìn)之前，要對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行全面徹底檢測(cè)，并對(duì)可能存在的缺陷與故障做好檢測(cè)。

4　結(jié)論

本文以西安地鐵為研究對(duì)象，首先基于土力學(xué)理論，對(duì)引起地鐵黃土地層中盾構(gòu)隧道地表沉降的因素進(jìn)行分析，然后利用半解析法以及數(shù)值分析法分析各因素對(duì)地表沉降的影響規(guī)律。實(shí)踐證明，該方法可以很好的預(yù)測(cè)地表沉降值，可以為地表沉降的監(jiān)測(cè)方案提供借鑒與參考。同時(shí)，該方法還證明影響沉降的主要因素為正面附加推力、盾構(gòu)與土體之間的摩擦力以及盾尾間隙。在此基礎(chǔ)上，提出了隧道施工穿越古城墻的新方法，增強(qiáng)了土體力學(xué)性能參數(shù)，提高了經(jīng)濟(jì)效益，降低了地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降現(xiàn)象。該模式在西安地鐵上應(yīng)用，成功降低了地鐵盾構(gòu)隧道地表沉降量。