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盾构施工在黄土地层中地表沉降探讨 　　摘要：盾构在地铁区间的特殊地段施工, 必须作好充足的施工准备和施工技术措施。文中通过实例探讨了黄土地区盾构施工技术。 　　关键词：黄土地区 盾构施工 沉降 　　中图分类号：U45 文献标识码：A 　　前言 　　黄土地层具有湿陷性等特殊的物理力学特性，盾构是地铁隧道的主要施工方法之一，但有关地铁盾构施工诱发的地表沉降特性预测的研究成果目前还很少，急需开展黄土地层地铁盾构施工诱发的地表变形规律预测方法研究，目的是为盾构施工地表沉陷监测方案的制定和盾构施工参数的确定提供理论依据，以保证隧道盾构安全施工。 　　一、盾构施工影响地表变形因素及力学模型 　　1 影响因素 　　盾构施工时引起地表变形的因素主要有以下几点： 　　（1） 正面附加推力 　　盾构施工时，为了维持开挖面土体的稳定，必须保证有足够的附加推力。正面附加推力一般控制在± 20 kPa之间，当附加推力太大时，会引起开挖面前方土体的隆起，推力太小时会导致地表下沉。 　　（2） 盾构与土体之间的摩擦力 　　盾构推进时，盾壳与周围土体是紧密接触的，盾构机的向前推进会带动周围土体的移动，土体受到扰动后的重新固结会导致地表发生沉降。 　　（3） 盾构开挖引起的盾尾间隙 　　为了使盾构能够顺利推进，通常盾构的刀盘外径要大于盾构壳的外径，从而在盾构壳外围产生一定厚度的间隙，改变推进方向引起的超挖，土体挤入盾尾空隙等因素都会引起土体的地层损失，从而产生地表沉降。 　　2 计算模型 　　盾构施工时的基本力学计算模型如图1 所示。在本文的研究过程中，做了以下几个方面的假定: 　　( 1) 土体为不固结不排水的均质线弹性半无限体; 　　( 2) 将盾构机的推进视为直线推进，不考虑蛇形推进、纠偏、超挖等的因素。 　　( 3) 将盾构机的受载视为均布受载，即土体与盾构机的摩擦力沿盾构机均匀分布，正面附加推力按圆形均布荷载考虑。 　　( 4) 仅考虑盾构推进时的空间位置变化，不考虑时间效应。 　　 　　二、盾构施工引起的地表变形理论解 　　1 正面附加推力引起的地表变形计算 　　根据图1，在盾构机工作面的圆形区域内选取面元微分rdrdθ，利用Mindlin解公式可以推导出在水平圆形荷载作用下半无限土体中任一点( x，y，z) 在附加推力作用下引起的土体位移竖直方向上的位移计算公式为: 　　 　　式( 1) 很难直接积分出来，在本文中采用数值计算方法进行计算。盾构施工时为了维持开挖面的稳定，其正面附加推力一般控制在P = ± 20 kPa 之间，对于黄土地层取E =2． 8 MPa，μ =0． 30，则G =1． 076 9，西安地铁衬砌管片半径为D =3． 0 m，在实际开挖时存在超挖，故取D = 3． 05 m。对于相同隧道埋深时，x = 10 m，h = 15 m; 而对于相同正面附加推力时，取x = 10 m，P = 10 kPa。经计算可得地表竖直方向沉降量随正面附加推力及隧道埋深的变化情况。 　　分析图2 可知，在相同隧道埋深条件下，地表垂直方向位移量随正面附加推力增大而增大。盾构正面附加推力大于维持开挖面稳定所需压力时，会导致地表的隆起; 小于维持开挖面所需推力时会导致地表的沉降。 　　 　　分析图3 可知，在相同正面附加推力作用下，地表垂直方向位移量在距隧道轴线± 15 m 范围内随隧道埋深增加而减小，而在距隧道轴线± 15 m 范围以外，地表位移量却随着隧道埋深的增加而增大，但增加量很小。 　　 　　 2 盾壳与周围土体之间的摩擦力对地表变形计算 　　当盾构机向前推进时，摩擦力会带动土体移动，从而引起地面变形。 　　根据图1，取盾构机表面的微分面积rdrdθ，利用Mindlin 解，通过直接积分可得，盾壳与土体之间的摩擦力引起的地表垂直方向位移计算公式为: 　　 　　 　　式中L———盾构机的长度( m) ; 　　p1———盾构机与土体之间单位面积的摩擦力( kPa) ，盾构机与土体之间的摩擦力p1等于正压力σN乘以摩擦系数f，即: p1 =σN × f。 　　摩擦力引起的地表位移计算参数取值和正面附加推力引起的位移计算参数一样。对于相同隧道埋深时，取x = 10 m，h = 15 m，对于相同摩擦力时，取x =10 m，p1 = 4 kPa。经计算可得地表竖直方向位移量随盾壳与土体间摩擦力及隧道埋深的变化情况。对图4 分析可得，摩擦力的作用地表会产生隆起，在相同摩擦力作用下，地表垂直方向位移量随盾壳与土体之间的摩擦力的增大而增大，竖向位移量的增大量与摩擦力的增大量两者呈正比关系。因此，可采取一些措施减小盾壳与土体之间的摩擦力。 　　 　　对图5 分析可得，在相同隧道