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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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