隧道开挖过程中开挖面稳定性与地表沉降之间的关系研究

摘要：隧道在应用盾构法开挖的过程之中由于盾构机对地层的扰动作用，会产生地表沉降或隆起，直接影响人们的正常生活生产，并且随着经济技术水平的提高，隧道的直径越来越大，在开挖过程之中遇到的问题就越复杂，因此研究隧道在盾构开挖过程中开挖面的稳定性与地表沉降之间的关系显得相当重要。

关键词：盾构；开挖面；地表沉降

中图分类号：U45文献标识码： A

引言

目前，随着世界范围内人口急剧增长a，地表土地资源越发紧张，人们开始注重地下空间的应用。地铁隧道作为一种有效的应用土地资源的手段很受重视。

我国目前隧道的修建具有以下特点：首先，隧道的长度越来越长，隧道所处的地质环境越来越复杂。其次，隧道在施工过程中经历了从钢钎大锤施工到新奥法施工再到目前的盾构机施工，施工的工艺越来越精良，速度越来越快了，水平也越来越高[1]。因此研究隧道施工过程中的出现的问题显得尤为重要。

1国内外研究现状

盾构施工法在隧道施工的过程中有着比其他方法更加有力的竞争力，它可以在施工的过程中对地面上的影响控制在最小程度，而且对地层性质要求不是很高。所以在国内外隧道的施工中，人们首选盾构施工法，但是盾构法施工也会出现一些问题，比如在施工的过程中和在隧道后续的使用过程中会造成对周围地层的扰动，严重时会导致地面的塌陷，建筑物的倒塌，所以采用盾构施工时要注意开挖面的稳定性问题。

隧道盾构法是使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣、并在盾构机内拼装管片形成衬砌，实施壁后注浆，不扰动围岩而修筑隧道的方法[2]。

人们通过多年来的研究探索，对隧道盾构施工时开挖面的稳定性分析以及与地表沉降量的关系，提出了很多可以借鉴的观点，但对于软粘土中的施工，研究的不是很充分，定性分析多，定量分析少。

我国在盾构技术方面也在近几年取得了相当大的成绩，在理论发展的同时，针对我国的一些特殊地形进行了特殊研究，对已经存在的公式进行修正，从而得到适合中国国情的隧道盾构施工方法。

Peck在1969年提出了地表沉降量的横向沉降值的计算方法；Clough Schimidt Attwell等人在Peck的基础上，提出了盾构在含水塑性粘土的地表沉降槽的宽度计算公式以及地表沉降的经验公式[3]。在对前任研究的基础上为研究隧道在盾构过程之中地表沉降量的问题，为了更加联系工程实际纵向沉降量经常用Peck提出的另一个公式：

（式1）

式中主要参数含义：为沿隧道方向的地表沉降；L为盾构机的长度；为地层损失。

2两种开挖面平衡模型

隧道在开挖的过程之中开挖面的破坏形式有三种：第一种破坏形式土体的锥形体在滑动中沿着圆弧路线滑动，第二种是两个锥形块产生沿着圆弧形路线滑动从而产生破坏，这两个锥形体是相交的关系。第三种破坏情况是在圆弧路径上两个并排位置关系的锥形块产生运动，最终发生破坏[4]。

为了研究开挖面稳定性问题针对以上三种破坏形式提出两种模型，中心平衡模型和合力平衡模型。

中心点平衡模型，取盾构机开挖面的中心点作为参考点，来研究两侧土压力的平衡，来确定最终施加力的大小。并且还能够得到开挖面上的力的分布，进而可以求出开挖面两侧压力差值的分布情况。

盾构机前面产生的土的压力：

（式2）

盾构机应用土压平衡盾构方法在开挖面中心处产生的土压力：

（式3）

施加在开挖面上的支护力的值：

（式4）

合力作用点平衡模式，参考点的位置是合力作用点，在这个参考点上建立平衡方程，来确定所要施加的力的大小，从而可以确定开挖面两侧压力差值分布的情况。

假设在开挖面上的合力的作用点的埋置深度为H(即合力作用点距地表之间的距离)则：

H=（式5）

由于要在开挖面保持压力相平衡，则：

（式6）

盾构机在刀盘附近的支撑力为：（式7）

假定隧道所处的地点是一个土质较软，土层性质较单一的地区，具体数据如下：土的重度为20，，埋置深度为20m，所选用隧道的直径分别为：5m, 10m, 15m。应用以上两种模型研究不同隧道直径的压力值。

图1图2

根据上面的两个坐标图，可以总结出一些规律：

1、应用两种方法在相同的埋置深度的条件下，三个不同直径的压力差值是不同的，具体关系是：直径越大压力差值的绝对值就越大。

2、心点平衡模式所绘制出来的图形为中心对称的，合力平衡模式却是非对称形式的，因此，如果采用合力点平衡模式有可能会出现超挖或者是欠挖的现象。可得结论对于同一性质地层中进行开挖的过程中，采用中心平衡模式对于隧道的开挖很有利。

3 稳定性系数

由于伴着盾构隧道直径的增大，隧道开挖表面积也会随着增大，开挖面两侧的压力值也会发生很大的变化[5]。为了判断隧道在开挖过程中是否是处于稳定的状态，并在判断在开挖后使用何种支护措施，我们有必要用一个数值来表示隧道的稳定性，即开挖面土体稳定系数：

=(式8)

；为隧道在施工过程中应用土压平衡方法或者是其他方法施在开挖面上的支护力；。

稳定系数的大小会影响到地层的稳定性，稳定系数愈大，土体的稳定性就越差[6]，土体就越容易发生剪切破坏，会增大地层的损失，增大地表的沉降量。如果，稳定系数很小，说明支护力相当大，支护力大于土体产生的土压力这就导致了，地表土体会产生隆起。所以，稳定系数大小的控制是一个很关键的问题。

工程师经过大量的工程实例得出下面的结论

4地表沉降和稳定性系数之间的关系

为研究地表沉降量和稳定性之间的关系，将1式和8式联立可以得到：科洛夫推导在低塑性粘土中稳定性系数和地层损失之间的关系式[7]：

(式9)

，； m为,取值在0.002-0.006之间。

在施工过程之中，要开挖面上方安放大量的监测设备，用来监测地表的变形情况，其中稳定性系数就是一个重要的监测项目。当盾构机逐渐接近并来到放置监控设备的地区时，要紧密观察仪器的数据变化。如果发生数据变化过大，那么就要进行施工的调整，并分析产生现象的原因。在施工过程中由于所施加的推进力要大于土的侧向压力所以在地表一般会产生轻微的隆起。如果地表隆起严重则说明施加的推力过大或者是推进时速度太快，导致地面隆起。如果地面产生严重的塌陷，很可能就是因为推进的速度过慢，土压平衡盾构时所施加的土压力过小。

研究开挖面稳定性与地表沉降量之间关系时选取盾构法施工条件下直径为5m,10m,15m的隧道分别作为研究。分别取隧道开挖面正上方和隧道边缘处做研究总结成下表：

表1隧道中心点上方地表沉降量和开挖面稳定性的关系

(m)

D=5m 0.55

D=10m 1.60

D=15m 3.21

开挖面所处的状态 弹性变形，较稳定 弹性变形、塑性变形 塑性变形开挖面不是很稳定 开挖面失去稳定性

表2 隧道边缘地表沉降量和开挖面稳定性的关系

D=5 0.62

D=10 0.93

D=15 0.73

开挖面所处的状态 稳定，弹性变形 弹性变形、塑性变形 稳定性破坏 破坏，失去稳定

通过研究以上两个表格可得到以下结论:根据隧道中轴线上方土体沉降量的数值，来对隧道开挖面的稳定性进行判断。应用两种方法在相同的埋置深度的条件下，三个不同直径的压力差值是不同的，具体关系是：直径越大压力差值的绝对值就越大。可以说，直径越大，盾构时开挖面上的压力就越不平衡，施工难度就越大。

参考文献

[1] 孙小明 高速公路隧道监控系统的PLC应用分析[J] 软件 2008（3）

[2] 刘建航,侯学渊。盾构法隧道［M］ .北京 中国铁道出版社, 1991

[3] 高俊强,胡灿.盾构推进和地表沉降的变化关系探讨[J]. 南京工业大学学报-自然科学版 2005（4）

[4]高立群 直径盾构正面稳定性研究[D]. 上海 同济大学硕士研究生论文 2003

[5] 许春彦 盾构隧道开挖面稳定性的数值模拟研究［D］.天津 天津大学硕士论文，2008

[6] 蒋严,蒋欣.土体渗透稳定性的填充系数分析计算方法［J］.岩土工程学报2006年03期

[7] 章慧健,仇,王庆.城市地铁盾构施工引起的地表沉降分析[J]. 铁道建筑 2009年09期

作者简介

王桂花:（1988.02-） 女 汉族 白城师范学院土木工程学院教师，安徽理工大学土木建筑学院硕士