地铁隧道施工引起地面沉降的原因分析

发布时间：2014-07-28 18:23

　　一、地层损失
　　地层损失，是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差。在实际施工中，不可避免地会造成土层损失。为了弥补这种损失，隧道周围土体会进行自然地移动，土体移动就会使得地面发生沉降。为了能够有效分析土体移动对地面沉降的影响，将着重论述导致地层损失的关键因素。
　　（一）开挖面土体的运动
　　开挖面土体的运动包括两种情况。在盾构掘进过程中，由于开挖面土体受到的水平支护应力小于最初侧向应力，使得开挖土体向盾构内移动，直接导致盾构上方地面发生沉降；在盾构推进过程中，由于开挖面土体受到的推动力大于最初侧向应力，使得土地向前或向上运动而导致盾构上方的土体隆起。
　　（二）盾构后退
　　为了减少盾构施工对土体的扰动，会借助千斤顶驱动盾构，使其切口贯入土层，然后在切口内进行土体的开挖和运输。可是缩回所有千斤顶后，会产生较大的盾构后退现象，使得开挖面土体倒塌而导致地面沉降。
　　（三）挤入盾尾空隙的土体
　　由于盾尾后侧建筑空隙的压浆工作实施的不到位，在压浆量不足、压力不当等的影响下，使得盾尾后坑道周围土体失去了最初的平衡状态，逐渐向盾尾空隙中运动，引起土层损失。尤其盾构在粘性土质推进中，这是引起地层损失的重要因素。
　　（四）推进方向的影响
　　在盾构施工中，盾构轴线主导着盾构推进的方向。实际上，盾构在土体推进中所形成的开挖断面并不是圆形，也是椭圆。而盾构轴线是影响这个椭圆是否规范形成的关键因素。因此，它主导着盾构推进的方向。当盾构轴线偏离隧道轴线时，就会产生偏角。偏角越大，对土体的扰动程度和损害程度就越大，进而引起地层损失。因此，盾构的推进方向也会给地层带来损失。
　　（五）穿过障碍物后产生的空隙
　　在盾构推进中会遇到正面障碍物的阻碍，当盾构穿过它并使它移动后，会在地层中留有空隙。如果不能及时进行压降填充，则会引起土层移动而导致地面沉降。
　　（六）盾构机的影响
　　在盾构掘进与推进的过程中，盾构机会对地层产生摩擦和剪切，破坏地层结构与土体构成。在一定程度上引起地层损失，使得地面沉降。
　　（七）隧道衬砌的沉降
　　由于受到长期的荷载影响，使得隧道衬砌自身产生沉降，从而产生地面沉降。在隧道衬砌沉降非常严重的情况下，将会造成严重的地层损失，地面沉降也将更加明显。
　　二、扰动土体的固结压密
　　（一）超空隙水压力
　　扰动土体产生固结严密的主要原因，是土体受到盾构施工的扰动后，由于盾构推进的挤压，导致水压力上升，在隧道附近土层中形成超孔隙水压力区。超孔隙水压力，是指地下饱和水受到挤压时产生的水压力。当盾构停止作业离开后，由于土体表面应力的释放，超孔隙水压力逐渐消散，笔耕文化传播，孔隙水得以排出。在孔隙水排除的过程中，土体逐渐固结压密，引起地层变形和地面沉降。
　　土体由于空隙水压力的变化而产生的地面沉降，叫做主顾结沉降；在土体受到盾构扰动后，盾壳仍然处于持续变形状态，导致地面沉降叫做次固结沉降。因为粘性土的空隙比和灵敏度较大，次固结沉降的持续状态也会较长，这是导致粘性土体沉降的主要原因。
　　（二）土体强度
　　土体强度，是指土体在破坏前能承受的最大应力。当土体受到盾构扰动后，使土层遭到破坏，其所能承受的最大应力也逐渐削弱，导致土体丧失了原始强度。随着土体强度的减弱，土层逐渐移动和变形，产生地面沉降。
　　（三）土体稳定性
　　土体稳定性，是指处于一定时空条件的土体，在各种力系（自然的、工程的）的作用下可能保持其力学平衡状态的程度，取决于土体强度和变形两种因素。当土体强度减弱时，土体中各点产生的法向应力和剪应力会导致土体发生移动和变形，使得盾构正上方土体失去稳定性，从而引起地面沉降。
　　三、地表沉降槽宽度系数
　　地表沉降槽的宽度系数，影响着地面沉降的范围与程度。它的变化主要和两个方面有关，一是盾构埋深，二是盾构半径。
　　（一）盾构埋深
　　盾构埋深，是指盾构施工中盾构作业的深度，也可形象称之为隧道深度。尽管隧道施工中有不同数值的盾构埋深，但它与沉降槽宽度系数的关系却有着一定规律。通常情况下，随着盾构埋深的增大，宽度系数逐渐增大，地表沉降槽横向影响范围也会逐渐增大，而地面沉降却会逐渐减少。因为盾构埋深越大，盾构离地表的距离就会越大，对地表土层的扰动程度就会越小，因此地面沉降也会较小。反之，盾构埋深越小，地表沉降槽宽度系数就会越小，而此时地面沉降呈现的状态是范围小而深。可见，盾构埋深与宽度系数几乎是同增长同减少关系，可与地面沉降之间却是此消彼长的关系。
　　（二）盾构半径
　　一般情况下，盾构半径和地表沉降槽宽度系数之间，也是同增加同减少的关系，但与地面沉降却不是此消彼长的关系。宽度系数随着盾构半径的增大而逐渐增大，地面沉降范围也会随之增大。     

 

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