山东省路桥集团有限公司 山东济南 250021
摘要：目前，我国城市地铁建设迅猛发展，由此引发的地面沉陷、基坑垮塌、周边建筑物损害、重要地下管线等城市生命线工程损害事故时有发生，往往造成严重的经济损失和社会影响。究其原因，多数工程事故都与盾构施工致表沉降的预测失准有关。本文旨在通过室内大型模型试验研究地铁盾构隧道开挖时上覆土层的沉降分布特征，分别测定不同深度地层的沉降值，通过对试验数据的分析与整理，得出沉降沿地层深度的分布规律。
关键词：盾构隧道施工；地层沉降模型；试验分析
1、前言
目前盾构法施工技术日趋成熟，但仍不可避免会引起地层的扰动，导致隧道周围地层变形并引起地表沉降，这种现象在软土地层中尤为显著。近年来，越来越多的盾构隧道穿越建筑密集区、重点建筑保护区和沉降敏感区，地面沉降的科学预测和合理控制成为亟待解决的问题。地层损失是盾构施工引起地表沉降的主要原因。
2、试验方法
本试验以上海软土地区某大直径越江隧道工程为背景，隧道管片外径为14.5m，厚度为600mm。依据现场隧道的实际尺寸、模量相似关系、模型箱的净空尺寸以及测量仪器的精度，并结合同济大学TLJ-150型土工离心机的工作条件，试验选择模型率为150，即试验过程中离心机稳定运转时加速度为150g。
2.1相似关系
令模型的纵向抗弯刚度EImm与原型隧道的纵向抗弯刚度EpIp等效，即需要指出的是，在进行模型隧道设计时，使用的材料为均质铝合金圆筒。而实际工程中的隧道存在纵向和环向的接缝。因此，模型试验得出的隧道模型的内力会比实际工程中的隧道的内力要大，其纵向变形要比实际隧道更均匀。
2.2试验总体布置
确定了模型率和隧道的基本尺寸后，本实验总体布置如图1所示。
图 2 应变片、土压力盒布置图
2.4隧道开挖方案设计
试验采用排液法来模拟隧道地层损失。Marshall[4]使用排液法进行过地层损失的模拟，但是没有进行分段模拟。
为了更真实地模拟盾构推进过程，试验分3段进行，每段模型长度为220mm。试验方法是在隧道模型外部套上3段乳胶膜，外径100mm，在端头处用聚胺酯胶密封牢固，通过隧道模型上预留的接口与外界通过电磁阀连通。试验前在乳胶膜与隧道模型的空隙中注满重溶液，试验时通过电磁阀控制3段乳胶膜依次排出一定量的溶液来模拟施工时的地层损失。
软土中地铁盾构施工的地层损失率一般为1%～2%，本次试验取为0.5%，1.0%，1.5%三种。盾构机的直径为14.88m，则每延米的地层损失量分别为0.870，1.738，2.607m3，由几何相似比得到220mm长液囊的释放液体量分布别8.5，17，34ml，为方便控制可取为10，20，35ml。即施工步骤1排出10ml溶液，即施工步骤2排出20ml溶液，即施工步骤3排出35ml溶液。
3、试验结果
3.1施工期间沉降结果分析
根据纵向布设的位移计，通过稳定阶段的位移计读数之间的差值计算出每个观测点的沉降值。试验中一共布设5个差动式位移计，从玻璃侧看，从左至右依次为土1、隧1、土2、隧2、土3。由布置在隧道表面的两测点可得施工期间隧道结构的沉降–时间关系可以发现施工期纵向沉降–时间关系曲线可用二次抛物线拟合（0<x<90d），隧道结构纵向沉降变化较均匀。
①当地层损失比为0.5%时，地表沉降较平缓，随着地层损失比的增大，地表沉降越来越大；②发生地层损失的区间段也会对邻近隧道段产生一定的影响，但随着距离的增大，这种影响会变小。试验显示，在模拟隧道段2开挖时，隧道段1和隧道段3上方的土层沉降有一个突变，其中隧道段1中的突变量占施工过程中的25.7%，隧道段3中的突变占施工过程的21.3%。
3.2工后长期沉降结果分析
本组试验模拟了20a后隧道的纵向沉降情况，考虑到数据繁多，数据处理过程中将每一年内的数据取平均值，并将此作为该年内沉降量，最终一共选取20个点，每一个点分别代表该年内的沉降值。隧道纵向沉降随时间推移趋于稳定，且在地层损失较大处，隧道纵向长期沉降也较大。隧道结构纵向长期沉降可用对数函数拟合，隧道纵向某一测点的长期沉降量可由下面公式求出：
S=alnt+b，（1）
式中，S为隧道纵向长期沉降量，a为纵向长期沉降系数，与地层损失率有关，b为工后第一年隧道结构纵向沉降值（mm）；t为工后时间（a）。
不同地层损失比条件下：①地层损失比大的区段，其地表工后长期沉降量也较大，且在前5a内沉降曲线也较陡峭；②地表纵向长期沉降量也可以用式（1）来表示，式中各参数物理意义同上，取值有所不同；③地表纵向沉降量大约是隧道结构沉降量的2倍。
结合施工期间和工后数据可发现，隧道在施工期间的沉降量大约为1.2cm，工后5～10a内沉降基本稳定，最终沉降量为2.5cm左右，即施工过程中的沉降量占总沉降量的50%。地表沉降在施工期间与地层损失率有关，地层损失率越大，施工期间沉降量就越大。施工期间地表最大沉降量为3.5cm，工后累计沉降量为5.4cm，施工期间的沉降量大约占长期沉降总量的65%，地表沉降在工后10a基本趋于稳定。
3.3隧道纵向力学特性分析
隧道纵向受力情况体现在纵向曲率半径上：①隧道纵向曲率半径在施工期间变化显著，占20a内变化量的60%；②地层损失越大，20a后隧道纵向曲率半径越小，弯矩和内力也就越大，对于结构越不利。因此施工中应严格控制施工参数，避免地层损失过大。
3.4衬砌管片上土压力分析
土压力是衬砌结构受到的主要荷载，影响衬砌上土压力的因素很多。对于盾构隧道，盾构机推进及壁后注浆会使周围土体产生很大扰动。施工完成后受扰动地层的孔隙水压力会逐渐消散，产生较大沉降，给衬砌施加较大的土压力。本组试验对盾构施工过程进行了适当的简化，研究了不同地层损失比条件下隧道管片法向土压力变化历史。
本试验研究的重点是隧道衬砌四周土压力变化历史，为此选取了地层损失比为0.5%和1.0%的2个断面地层损失比为1.0%的断面处#1测点土压力计出现故障，没有得出数据。从2种地层损失比条件下隧道侧向和水平土压力变化历史。分析试验曲线可以得出如下规律。（1）拱腰处的水平向土压力在施工期间，随着地层损失比的增大，有减小的趋势，但量值都是介于主动土压力和静止土压力之间。
（2）隧道拱底处土压力在施工期间，地层损失比为1.0%时有增大的趋势，随着施工过程的结束有减小的迹象；而在地层损失比为0.5%时，土压力有减少的趋势，最终趋近与太沙基松动土压力。这可解释为当地层损失过大时，隧道上方土体荷载的拱效应受到影响，进而可能出现重新分布，导致隧道对下卧层土的挤压而引起土压力增大。
4、结语
参考文献
［1］裴红军，孙树林，吴绍明，等.隧道盾构法施工开挖面稳定性研究方法评析［J］.地下空间与工程学报，2005，1（1）：117－119.
［2］刘纪峰，刘波，陶龙光.基于弹塑性分析的浅埋盾构隧道地表沉降控制［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2009，25（1）：28－33.
论文作者:李若男
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/29
标签：隧道论文; 地层论文; 纵向论文; 盾构论文; 损失论文; 地表论文; 压力论文; 《建筑学研究前沿》2017年第26期论文;