1.4　盾构法隧道施工理论

1.4.1　盾构施工原理

盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及周围土体不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体而修筑隧道的方法。盾构机的所谓“盾”是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力仓、支护周围土体的盾构钢壳，所谓“构”是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体。

盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：

（1）土体开挖与开挖面支护

土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘来切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压仓内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土压仓压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度来保持挖土量与排土量平衡。

（2）盾构推进与衬砌拼装

盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富余量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影响推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。

（3）盾尾脱空与壁后注浆

千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙（其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和），引起较大地层损失。如不采取补救措施，将会引起很大的地层位移和地面沉降。

壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。壁后注浆有两种方式，即通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。

1.4.2　盾构施工对地层的影响

1.地面沉降的规律和特征

在采用盾构法隧道施工过程中，沿隧道纵向轴线所产生的地表变形如下：通常盾构前方的土体受到挤压时有向前向上的移动，从而使地表有微量的隆起，而当开挖面土体因支护力不足而向盾构内移动时，则盾构前方土体发生向下向后的移动，从而使地面沉降，开挖面的上方土体，亦因盾构作用于开挖面推力的大小而使地面隆起或沉降。当盾构通过时，盾构两侧的土体向外移动。当隧道衬砌脱离盾尾时，由于衬砌外壁与土壁之间有建筑空隙，地表会有一个较大的下沉且沉降速率也较大。同时隧道两侧的土体向隧道中线移动。这一阶段的沉降通常称为施工沉降，常在1～2个月的时间内完成。

由于施工过程中对周围土体的扰动，土中的孔隙水压力上升。随着孔隙压力的消散，地层会发生主固结沉降。孔隙水压力趋于稳定后，土体的骨架仍会蠕变，即次固结，地层还会有一定的沉降。由于土体固结发生的沉降称为固结沉降。总之，软黏土地层中的地表运动可分三个阶段：（1）盾构前方隆起或沉降；（2）施工沉降；（3）固结沉降。

地层移动是与具体地质和施工条件密切相关的。地面沉降速率、沉降变化的突然性、沉降范围、最大沉降量、沉降槽的几何尺寸、沉降稳定时间等是沉降的特征。在一定的基本盾构施工条件下，这些沉降特征在很大程度上受到施工细节的影响，但在更大的程度上受到地质条件的影响。

2.地面沉降的原因

盾构隧道施工引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。

（1）地层损失

在盾构施工过程中，实际开挖土体体积减去竣工隧道土体体积得到的体积差值，即是地层损失。其中隧道外围包裹着的压入浆体体积属于竣工隧道体积。一般情况下，以占盾构理论排土体积的百分比Vt（％）来表示地层损失率。为了弥补周围土体的地层损失，必将导致地层发生移动，从而引起地面的沉降。

（2）受扰动土体的固结

在盾构施工过程中，隧道周围土体受到扰动后，使盾构隧道周围产生了超孔隙水压力，并且逐渐形成了水压力区。盾构推入到某处地层时，若盾构机离开此处的地层，这时周围土体表面的应力将释放出来，导致隧道周围的超孔隙水压力下降。随着超孔隙水压力的下降，以及孔隙水的逐渐排出，最后会引起地层发生移动和地面产生沉降。此外，在盾构推进过程中必将产生一定的挤压作用和盾尾后的压浆作用，这些因素会使周围地层的超孔隙水压力变成正值。施工一段时间后，隧道周围土体的超孔隙水压力逐渐消散复原，同时使地层发生排水固结变形，最终引起地面的沉降。

3.地面沉降的估算

派克（Peck）认为，在不排水情况下因施工而引起的地面沉降，其沉降槽的体积等于地层损失的体积，结合这个假定并针对采矿引起地面位移的一种估算方法，派克提出了盾构施工引起施工阶段地面沉降的估算方法。此法假定地层损失是均匀分布在隧道长度上，且地面沉降的横向分布呈正太分布曲线。

1.4.3　盾构施工对邻近结构物的影响

盾构施工对邻近建筑物的影响，其相关研究如下：

（1）丁智[29]将盾构施工中土体损失简化为扰动荷载，同时考虑建筑物荷载，基于弹性半空间的Boussineq解，求得扰动荷载作用下地面最大沉降和建筑物荷载引起的地面沉降；再根据叠加原理和Peck公式，求得邻近建筑物工况下的盾构施工引起的地面沉降值；通过建立建筑物弯曲和倾斜变形控制的地面容许沉降和容许土体损失率，来判断盾构隧道施工是否对邻近建筑物产生损坏，进而确定建筑物的损坏程度，从而采取相应的防护措施。

（2）Schmidt[30]对软土隧道的固结沉降进行了研究，认为盾构开挖引起的地表沉陷部分来自于开挖面和盾尾间隙的地层损失，而更大部分则来自于土体的固结。分析和实测表明，土体非弹性径向位移、开挖面过大的支护压力和隧道发生的应变是引起超孔隙水压力的原因。

（3）Samarasekera和Eisenstein[31]通过隧道直径D、隧道埋深直径比H/D、侧向土压力系数等因素对隧道开挖扰动引起的超孔隙水压力进行了研究，并通过定义有效刚度比来研究其对孔隙水压力的影响，同时采用二维非线性有限元数值模型及非耦合固结理论分析了超孔隙水压力的产生及消散过程。

（4）朱忠隆等[32]采用静力触探试验来研究盾构推进这种动态施工对地层扰动的影响，通过对土层力学参数的试验数据分析，指出在盾构推进过程中将引起一定范围内土体结构性的破坏，使得土体的变形指标压缩模量发生变化，同时土体的强度指标也相应变化。

（5）Yi-Cherng等[33]发表了《基于神经网络进行桩身质量诊断的专家系统》一文，从而将神经网络逐步引入到岩土工程实践中来。

（6）夏江[34]等基于遗传算法对软土地基沉降进行了预测。

（7）任松[35]等分析了城市浅埋隧道开挖地表沉降的主要影响因素，并建立了基于遗传算法的神经网络浅埋隧道开挖地表沉降预测模型。

（8）Guo Qinghao[36]介绍了城市隧道近接下穿既有建筑的施工技术。

（9）吴昌将[37]等结合上海地铁11号线侧穿古建筑的实际工程，采用数值计算和现场实测相结合的方法，对MJS桩基施工预加固与新建隧道侧穿引起的邻近古建筑的沉降进行了深入研究。研究得出：采用隔离桩的保护，大大减少了盾构掘进对地表以及建筑物沉降的影响。

（10）胡大伟[38]以北京地铁10号线二期前泥洼～西局站区间盾构侧穿大从大厦为例，通过建立FLAC3D有限元模型，模拟盾构侧穿大从大厦的全过程，研究大从大厦在盾构侧穿期间的变形特征。通过对比分析地基加固前后大从大厦地基基础的变形特征发现，所采取的加固措施可以有效减小地基基础的变形，从而达到保护建筑物的目的。

（11）苏君哲[39]基于北京地铁6号线青褡盾构区间，重点介绍了下穿平房段的加固措施及工艺。