地铁隧道盾构法施工对环境的影响研究吴浩凯

地铁隧道盾构法施工对环境的影响研究吴浩凯

吴浩凯

（中建八局城市轨道交通分公司210000）

摘要：随着我国城市地铁的大力发展，盾构法作为安全、环保、快速的建设手段，在地铁隧道修建中得到了广泛应用，已逐渐成为国内外研究的热点．。尽管盾构法施工隧道技术已发展得很成熟，但不可避免地产生对土体的扰动，引发不同程度的地层位移和变形。当地层位移和变形超过一定的限度时，就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列岩土环境工程问题。本文对目前我国在盾构法隧道施工中的环境工程问题进行了探讨。

关键词：地铁隧道；盾构法施工；环境影响

1、前言

近年来，随着我国经济的快速发展和城市建设的大力推进，我国城市交通流量大幅上升，交通拥塞、城市环境日益恶化已成为各大城市普遍存在和亟待解决的重要问题．城市地铁作为一种安全、快捷、高效、环保的交通形式，迅速成为许多大城市解决交通问题的首要选择。盾构法施工会对周围环境产生一定程度的影响。例如：盾构法施工将引起不同程度的地面沉降、盾构法施工过程中导致的地下水疏排而引起一定范围的地面沉降、地震作用也会对盾构法施工的隧道产生一定的影响。

2、盾构法施工中的地面沉降分析

地面沉降，是指由于盾构法施工而引起隧道周围地层的松动和沉陷。它直观表现为地表沉降。受其影响隧道附近地区的基础构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。由盾构法施工而引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形成地面沉降的二个主要因素。

2.1土体损失

隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等问题而比以隧道断面积计算出的量大得多。这样，使盾构隧道与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填满，引起地层运动，产生施工沉降（也称瞬时沉降）。土的应力因此而发生变化，随之而形成：应变—变形—位移—地面沉降。所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失盾构理论排土体积的百分比Vs（％）来表示。

圆形盾构理论排土体积V0为：

V0=π•r2•L（式1）

式中r0——盾构外径

L——推进长度

单位长度地层损失量的计算公式为：VS=VS（%）•π•r02（式2）

地层损失一般可分为三类：

第一类正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响。认为人们的操作过程是认真、仔细的，完全合乎预定的操作规程，没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件，如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。这是因为在实际施工中无论选用何种类型的盾构都不可避免的产生地面沉降。一般的说这种沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的。在均质的地层中正常地层损失引起的地面沉降也比较均匀。

第二类非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构驾驶过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征，然而，一般还可以认为是正常的。第三类灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或遇到地层中的贮水。

2.2固结沉降

固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。

3、盾构法施工引起的附加应力对环境的影响

以盾构前进方向为x轴，铅垂方向为z轴，垂直于盾构前进方向为y轴，建立坐标系，如图1所示。盾构轴线距地表距离为H，隧道半径为r。通过数值模拟，可求得盾构推进在土中引起的附加应力分布。

水影响范围，应用比奥的“真三维固结理论”或太沙基的“拟三维固结理论”计算。

5、复杂条件下盾构隧道结构服役性能

既有地铁盾构隧道结构将受到新建建（构）筑物近接施工、车辆振动、弥散电流等因素的影响，越江线路隧道还将受到高水压、侵蚀介质等长期作用，结构受力状态十分复杂．

由于城市交通走廊的限制，地铁区间盾构隧道往往只能采用重叠隧道方式，从而造成了大量近接既有隧道施工情况的出现，在这种情况下，新建隧道的施工顺序、位置关系等均影响既有隧道结构的受力状态．同时，对于新建隧道，当既有隧道位于其上方时，新建隧道施工产生的围岩扰动以及开挖造成的卸载作用，不但使既有隧道结构内力增加，还会造成新建隧道受荷复杂化．

此外，对于越江地铁，可能穿越硬岩、粘性土层、砂性土层等地层物理力学属性差异显著的区段，如何控制水下复杂环境地铁区间盾构隧道结构的纵向不均匀变形值得深入研究．同时，盾构在穿越全断面岩层、砂土硬岩复合地层等复杂地段时，可能出现注浆空洞问题，尤其是裂隙岩层中注浆浆液散逸，这将导致地层对管片衬砌结构的腔固效果不佳，使衬砌结构处于极不稳定状态．从结构安全角度研究注浆空洞、岩腔腔固效果不佳等特殊工况下管片衬砌结构的受力状态，并提出相应的控制对策至关重要．

对于地铁隧道，在其运营期受到的动荷载主要是列车振动荷载．列车振动荷载一方面将通过轨道、隧底传至地铁盾构隧道结构，另一方面将通过轨道、隧底传至盾构隧道后，再传至隧道周边围岩，进而通过围岩反作用于隧道结构．通常，联络横通道、竖井、车站等与区间隧道空间交叉部位结构形态和刚度的改变，将使其成为隧道中对列车动荷载反应最为敏感和最为脆弱的部位．在列车连续振源循环振动荷载的作用下，极易导致这类交叉结构出现疲劳损伤甚至开裂破坏．

6、结语

地铁隧道盾构法施工引起的地面沉降按时间先后可以分为5个阶段，每个阶段的变形机理都不相同：①先期沉降的变形机理为土体压缩产生的弹塑性变形；②盾构到达时沉降的变形机理为土体固结；③盾构通过时沉降的变形机理为土体的弹塑性变形；④盾尾空隙沉降的变形机理为土体的弹塑性变形；⑤长期延续沉降的变形机理为土体的蠕变压缩变形。

参考文献：

［1］王全贤．大直径盾构隧道在北京地铁工程中的应用［J］．都市快轨交通，2012（5）：99-104．

［2］黄娟，彭立敏，李晓英，等．隧道振动响应研究进展［J］．中国铁道科学，2009，30（2）：60-65．