地铁盾构隧道施工引起土体变形及环境保护措施研究

摘要：笔者利用现场实际测量以及模拟测量等办法，对盾构隧道施工引起的土地变形作出了阐述，并对其环境保护措施进行了分析。

关键词：地铁盾构；隧道；土地变性；环境保护

盾构法是指在钢材料的圆筒状盾式支撑构造的保护下，维持挖掘面平稳的同时向前挖掘，并在其尾端设置管片的衬砌构件，再让拼接完成的衬砌为支点将盾构向前掘进。法国工程专家布吕纳尔通过观测蛆虫在船的木料中打洞，并从身体中排放一类粘液加固洞穴的现象受到启迪，从而创造出了盾构法。布吕纳尔在1825年到1841年在英国伦敦泰晤士河下，利用矩形盾构建设成了全球第一条水底通道。然后，盾构法技术通过近200年的实际应用，以它的优势成为了软土区域隧道以及市政管线建设的主要施工方法。

一、 盾构法引起土地变形的情况分析

（一） 地层损失

1. 开挖面土地位移

当使用盾构法进行挖掘时，挖掘面土地因为水平切削挤压应力比原始侧向应力为小，那么挖掘面土层向各盾构中位移，引发地层损失而致使盾构上端的地面下沉；当盾构掘进时，假如正面土层的推应力比原始侧向应力为大，那么正面镀层向上方或前方位移，引发欠挖现象致使盾构前端或上端土地突起。

2. 盾构后退

在盾构暂时停止掘进后，因为盾构掘进使千斤顶漏油回缩而造成盾构后退，并让挖掘面土层坍塌或变松，形成地层损失。

3. 变更土地方向

盾构在曲线掘进、纠偏、抬头掘进抑或叩头掘进时，其挖掘断面呈现出椭圆的形状，因而引发地层损失。盾构轴线与隧道轴线间的角度偏大，那么造成土层扰动和超挖情况所引发的地层损失就会更大。

4.伴随盾构掘进而位移的盾构的正方向的阻碍物，让地层在盾构通过后生成裂隙，同时没有办法第一时间进行压浆填充，引发地层损失。

5.盾壳位移对土层的摩擦以及剪切。

由于篇幅有限，其它地层损失情况，此处不再一一赘述。

（二） 地基变形

1. 地基变形分析

在盾构掘进的过程中，左右地基变形的要素大概有线形、盾构外径、覆盖厚度等规划条件。另外，挖掘引发的挖掘面的坍塌、地下水位太低、强大的推力、盾构挖掘时的超挖、偏离中线、周围地基的扰动、盾壳与土层间的摩擦、盾构挖掘中所生成的尾端裂隙、壁后注浆压力、衬砌的形变、衬砌的水泄露等情况均是引发地基变形的诱因。盾构的挖掘对建筑物的作用是：假如伴随盾构的挖掘，地基发生形变，那么建筑物的外力条件和承受压力的能力都将发生改变。外力条件的变更伴随地基变形的程度相异而不同，可以将其分成四类：

1） 土层的应力释放所生成的弹塑性形变。

2） 有效土压力的增大导致的固结形变。

3） 附加土压力生成的塑性形变。

4） 随着土层的物理性质的改变而生成的弹塑性形变与蠕变。

因为此种外力条件的变更，建筑物将形成下沉、倾塌和断面形变等等情况；其变形情况与建筑物相应的隧道计划条件、建筑物与盾构间的地基土层的特性、建筑物的构造特征（断面形状、强度、变形特征）等元素密切相关。盾构掘进对建筑物的影响见图1。

图1 盾构挖掘中的地基变形

二、 盾构施工的环境保护措施研究

（一）盾构始发SEW工法

盾构始发SEW工法的原理：使用玻璃纤维原料为主要原料的挡土墙取代盾构始发洞穴范畴内的围护结构。在始发井围护结构动工时，挡土墙先设置在钢筋笼中并沉放到槽孔中，之后浇灌混凝土；而玻璃纤维是一类脆弱原料，始发时盾构设备能够切削挡土墙，并通过围护结构，对玻璃纤维实施切割，减少了洞穴的凿除这一工程。

权衡到玻璃纤维的抗拉性和钢筋混凝土不相上下，挡土墙的厚度能够保证洞穴的稳固性；在盾构始发开始之前，也应恰当地减少端头加固工序。

某市地铁5号线的盾构区域，隶属珠江三角洲冲击平原，地形稍有起伏。隧道土层由淤泥、淤泥质砂层以及中粗砂层构成。隧道的覆土层由淤泥层以及淤泥质砂层构成。本地铁隧道采取日本某品牌的泥水盾构机进行挖掘，到达120米后就穿过注浆，过江段隧道全部是全断面砂层，砂层渗透情况良好；隧道底端有少部分的卵石层、红层岩以及强中风化层。

本区域在我国的地铁盾构始发中创造性地使用了SEW工法，保障了盾构机在珠江始发时，端头不产生突水、流砂、地面沉降以及管线损坏等环境岩土工程难题。

盾构机始发井地处某一处岛屿，围护结构采取地下连续墙的模式进行稳固。在洞穴范畴内设置了6个由玻纤原料组成的柱状元件（见图2）。

图2 玻纤元件图

元件与连续墙钢筋相连，预先制订后输送到施工场所与连续墙钢筋焊接。连续墙施工应关注以下内容：

1.装设钢筋笼时，应利用气焊或电焊的手段，并避免玻纤遭到损坏，规避火花四溅的情况产生。

2.吊放钢筋笼的时候，应规避玻纤元件邻近的钢筋笼形变。吊钢筋笼时，要用尼龙绳。

3.浇灌混凝土时――尤其是浇灌玻璃纤维元件的少量混凝土时，应严厉管控玻纤元件的浇灌高度，玻纤元件的部分混凝土浇灌速率应控制在4m/h以内。

盾构始发时的关键挖掘数据是：工具刀在切割玻纤原料时（见图3），盾构设备掘进速度应管控在2.5-3mm/min；挖掘面切口水压应管控在50-70kPa间；推力管控在400-600tf范畴之中（1tf=9806.65kN）。

图3 盾构始发图

（二）暗挖导洞群桩基托换工法

某市地铁5号线的一个盾构区域内，经过一栋街楼。该街楼一共有4层框架结构，1200mm的人力挖孔桩基础。该街楼所处地段繁荣，它的地面首层能够双向通行8辆车，可谓车水马龙。车道中间的绿化带下端有一个体积是3000立方米的地下压力水池，它能够负责附近多栋高层建筑物的供水。其地下埋设有6根给排水管与50多条电信光缆。由于临近地铁车站展位和埋深等情况，区域内隧道要穿过的6根桩必须托换。

因为楼道周围的环境比较繁杂，采取常规地面托换的效果并不理想。笔者通过解析和研究，明确了以暗挖导洞群桩基托换工法实现托换。被托换桩所在的土层由上而下是：杂填土、粉质粘土、可塑和硬塑残积土、全风化-微风化的泥质粉砂岩，桩的底端是微风化岩。

笔者将暗挖导洞群布置在硬塑残积土――强风化层中，在线路中部设立环保竖井，布置了一道呈东西走向的主导洞和与地面垂直的6个支导洞，构成地下托换工法。而且，有3个支导洞在主导洞的背面；其它三个在南面；邻近的两个导洞距离在5米上下。在支导洞进行人力挖空托换桩，浇灌托换梁，采取桩梁托换系统，一口气托换6根隧道内的桩。之后，在支导洞中再人力植入凿桩竖井以凿除隧道内的桩梁。

由于篇幅所限，还有一部分环保措施此处不再赘述。

结束语：

在不远的将来，中国城市轨道交通设施必将不断扩建，盾构施工中的环境岩土工程难题的研讨也将变得更为频繁。因为岩土体工程特性，需要对盾构施工有关工艺、工法、原料、设施以及实验模式等等进行创新性研究。

参考文献：

[1] 王忠昶，王海涛，朱训国等.地铁盾构双隧道施工诱发的地层变形规律分析[J].中国铁道科学，2013，34（3）：53-58.

[2] 张治国，黄茂松，王卫东等.遮拦叠交效应下地铁盾构掘进引起地层沉降分析[J].岩石力学与工程学报，2013，（9）：1750-1761.

[3] 闫朝涛.地层加固对风险地段地铁盾构隧道施工的影响[J].城市轨道交通研究，2014，17（6）：107-110.