盾构施工引起的固结沉降

Verruijt 和 Booker半无限半空间平面内浅层隧道的弹性解 式（2）
• 为计算方便，扰动土体固结沉降计算只考虑了竖 向固结沉降。实际上，土体的固结是三维的，如 果将扰动土体视为欠固结土，计算其三维固结沉 降，则计算结果将与实测值更吻合。对于有地下 水存在的情况，考虑水土耦合效应对固结沉降的 影响也是值得研究的课题之一。
参考文献
• 马达君.软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理 论与数值研究[硕士学位论文].浙江工业大学.2010 • 敖日汗，张义同.盾构施工引起的固结沉降分析 [J]. 岩土力学, 2011 • 刘纪峰.考虑盾构施工扰动土体固结的地层沉降计 算.辽宁工程技术大学学报（自然科学版）,2009
• 指从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾 构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降。 这部分沉降主要是盾构推进过程中对土的扰动所 致。另外，在盾构推进时，其轴线并不总能保持 与隧道轴线一致，必然引起土体的部分受压和部 分松弛而产生附加地面变形。此外，盾构为修正 蛇形和曲线推进而进行超挖，也会使周围土体松 弛范围扩大而助长了地面下沉。有时，由于盾构 千斤顶漏油回缩引起盾构后退，开挖面土体失去 平衡造成土体坍塌或松动，也是地面沉降的原因 之一。
⑤ 后续沉降—长期
• 指固结和次固结引起的沉降，这主要是由于 孔隙水压力逐步重新达到长期的平衡状态而引起 有效应力变化而引起的。这部分变形也可能表现 在衬砌的变形上。根据我国上海地区经验，地面 后期固结变形多数只占地面总变形量的比例较小 (约为 5%~30%)。但在孔隙比和灵敏度较大的软 塑和流塑态粘土中，次固结沉降往往要持续几年 以上，它所占总沉降量比例也可能高达 35%以上。
固结沉降中孔隙水压力的研究
• 盾构隧道周围土体受到盾构施工的扰动后，便在 盾构隧道周围形成超孔隙水压力区。当盾构离开 该处地层后，隧道周围的孔隙水压力便下降。在 孔隙水压力下降的过程中，即超孔隙水压力逐步 消散的过程中，孔隙水逐渐排出，引起地层移动 和地面沉降，即固结沉降。由此可见，对于长期 固结沉降理论的分析，关键在于对隧道周围孔隙 水压力的研究。
② 开挖面前的沉降或隆起—盾构到 达时
• 当盾构机(开挖面)距观测点较近(约几米)直 至开挖面位于观测点正下方之间，由于开挖面的 位移、盾构机的推力过大等所引起的开挖面土压 力失衡，引起地层沉降或隆起。这是由于土体的 应力释放或盾构开挖面的反向土压力作用产生的 地基变形。
③ 推进沉降—盾构通过时
盾构施工引起的固结沉降
纵向沉降
表1盾构施工引起位移的原因与机理
阶段 1 沉降类型 初始沉降 盾构工作面前方变 形 盾构通过是的沉降 主要原因 应力扰动 孔隙水压力减 少有效应力增 加 孔隙水压力减 少有效应力增 加 应力释放 变形机理
土体受挤压而密 实
工作面处施压， 过大隆起，过小 沉降 施工扰动，盾构 与土体间剪切错 动，出渣 土体失去盾构支 撑，管片背后注 浆不及时 土体后续时效变 形
孔隙比减少， 固结
主体压缩产生 弹塑性变形 弹塑性变形
2
3
4 5
盾尾空隙沉降 固结沉降
应力释放
弹塑性变形 蠕变压缩
应力松弛
① 先行沉降—盾构到达前
根据实际观测，当隧道开挖面距地面观测点 还有相当距离(数十米)的时候，就可以观测到地 面开始沉降。对于软粘土地层，由于土的渗透系 数很小，土的固结和盾构隧道的开挖速度相比无 疑很慢，此时隧道的开挖面处的排水固结很难影 响到数十米之外的地层。这部分沉降主要还是由 于开挖导致的应力释放、重分布所致，而不是由 于地下水流动和水位降低而造成的。
• 盾构通过后，受挤压的土体卸荷回弹。随着管片 的施加及盾尾注浆的施工，受挤压后卸荷的这部 分土体将再次受到挤压作用。其中盾构上方（ 45º -φ/2）范围内的土体扰动最为明显（图 1）， 这部分扰动土体的固结变形对沉降的影响较大。 另外，盾构推进过程中盾壳与周围土体之间产生 摩阻力，使盾壳周围较小区域内的土体产生剪切 变形。对于有地下水存在的情况，盾构施工将引 起地下水位的升降和一定区域内超孔隙水压力的 变化，造成土体性质及应力状态等一系列复杂的 变化。由此而引起的地层变形，均可看为施工扰 动损伤带来的固结沉降。
模拟过程为：建立初始地应力场；去除开挖隧道的地层 单元，将隧道一次性开挖完毕，同时在隧道周围土体处 施加径向应力，使得隧道起拱线处产生的超孔隙水压力 等于 2.2 节中计算所得的值；将所有的节点位移置 0， 添加衬砌单元，通过 FLAC3D中的流-固耦合模块计算 土体在固结时间内的排水变形量（固结沉降）
• Lee 以上海地铁 2 号线的相关监测资料为背景， 分析了隧道周围孔隙水压力分布及消散规律。 • Bobet将隧道衬周围土层分为两种极限边界条件 （完全排水与不排水），得到了线弹性各向同性 饱和土体中因隧道开挖引起的周围土体的应力和 位移值，同时提出隧道周围土层施工期间沉降和 长期固结沉降的解析解，但仅对施工期间的沉降 进行了实例分析。 • Wongsaroj等对伦敦某隧道建模进行了长期固结 沉降数值分析，并根据不同的土体渗透系数探讨 了不同深度处的土层的固结沉降量。魏纲 引入应 力释放率建立了工后长期固结沉降的计算公式， 但对应力释放率取值还须做进一步研究。
实例分析
• LEE 1999 上海2号线
• 与图2比较
• 在固结沉降开始后，即超孔隙水压力开始消散的 40 d 内固结沉降速率减小得很快，而后沉降速率逐 步减缓。
根据盾构法施工原理，在施工过程中，要在 盾构前方施加支护压力比前方主动土压力和水压 力的合力略大。这样，在盾构推进过程中，根据 支护压力和前方压力的比值大小，在盾构周边一 定范围内的土体将先受到一定程度挤压作用，在 这种挤压作用下，一部分土体被压实，还有一部 分土体被挤到盾构前方，随盾构推进而挖出。对 于盾构周边土体压实和超挖导致的变形，可用式 （2）进行计算。
• 饱和土体中任一平面上受到的总应力总可分为有 效应力和孔隙水压力两部分，其间关系总是满 足 σ= σ ′ +u σ--总应力、σ ′--有效应力 、u--孔隙水压力。
为方便研究，不考虑盾构推进过程中的挤压 及盾尾的压浆作用。在隧道施工的过程中，土层 开挖卸载，将打破原有的受力平衡。在土体围压 的作用下，隧道周围土体中将产生超孔隙水压力
④ 盾尾空隙沉降—盾构通过后
• 指盾构机的尾部通Байду номын сангаас观测点的正下方时所产 生的沉降。这是尾部空隙(即管片拼装后与盾构外 壳之间空隙)的土体应力释放所引起的弹塑性变形。 盾尾空隙一般通过对隧道外围及时压浆来充填。 如充填压浆不及时、压浆量不足或压力不适当时， 会使盾尾后周边土体失去原始三向平衡状态，而 向盾尾空隙中移动，造成地层损失，特别是含水 不稳定地层更是如此。另外，隧道衬砌脱离盾尾 后，作用在衬砌上的土压力和水压力将使衬砌产 生变形，也会导致地面少量的沉降。