摘要：根據巖溶區盾構施工的特點，分析了巖溶區盾構施工引起周邊地面沉降的原因。巖溶區，溶、土洞發育強烈，溶洞中富含水、沙，盾構施工很容易掘穿溶洞，引起涌水、涌沙和坍塌，造成土體固結沉降和地面沉陷;另外盾構在正常掘進過程中，造成隧道周圍圍巖變形，應力釋放也是引起沉降的重要原因。通過Midas GTS軟件對建立的典型模型進行計算分析，推導了盾構掘進在圍巖應力釋放和滲流兩種情況下對周邊環境影響程度和范圍的規律，并提出相應的處理措施，為巖溶區盾構施工提供參考和建議。

　　關鍵詞：巖溶區,盾構施工,應力釋放,滲流,環境影響

　　引言

　　隨著我國軌道交通工程的迅猛發展，盾構施工技術已經成為城市地下隧道施工的主要方法。與此同時，盾構施工引起環境問題也越來越多，地鐵線路修建一般是通過城市的辦公、商業、居住中心，周邊建(構)筑物密集，一旦發生工程事故，影響巨大。

　　目前對盾構隧道施工對周邊環境影響的研究主要存在以下不足：

　　(1)將隧道結構穩定以及地表建構筑物的安全作為主要研究對象，未從整個地層位移場進行分析考慮 [1-2]。國內研究大多針對地表上的建筑物的結構部分如柱、墻等開展研究，即只考慮了由局部位移場引起結構內力重分布的情況，未考慮場地應力及變形耦合。

　　(2)目前的研究主要分析了普通地層下的盾構施工，對于巖溶區的盾構施工鮮有提及，對于巖溶區施工的地層特點、計算分析、施工方法及注意事項缺少研究。

　　針對以上問題，在前人研究基礎上，本文主要通過數值方法分析盾構施工地程中遇到的溶洞、土洞坍塌涌水、涌砂引起的地面沉降與完好地基中掘進的異同點，研究巖溶區盾構施工對周邊環境的影響，提出巖溶區盾構施工的建議，為相關工程實踐提供參考依據。

　　1 巖溶區地面沉降原因分析

　　形成地面沉降的兩個最主要因素是：

　　(1) 土層應力重分布引起的地層變形：盾構施工中，隧道襯砌環與土體之間存在施工間隙，通過同步注漿填充這些空隙，如果注漿不及時或者不飽滿的話，就會引起地層應力重分布，引起地層變形、地面沉降。

　　(2) 固結沉降：盾構掘進時對地層產生擾動，引起地下水位發生變化，使盾構隧道周圍地層有效應力增加，土顆粒之間會在產生擠壓，出現固結沉降。

　　地層應力重分布主要是施工引起，而地層固結沉降是因為孔隙水壓力變化產生的。盾構法施工引起隧道周圍地表總沉降為施工沉降和固結沉降之和。

　　巖溶區的溶洞發育大都在石灰質基巖中，溶洞以及土洞有部分沒有填充物，空洞中主要是水，盾構掘進引發地基變形的原因主要有以下幾點：

　　(1) 撐子面水土壓力不平衡造成地層應力損失;

　　(2) 盾尾空隙和管片后注漿不足，造成地層應力重分布;

　　(3) 盾構機切割溶洞或土洞，造成溶、土洞涌水、涌沙，撐子面難以保持平衡，造成土層水頭損失，土體固結沉降;

　　(4) 盾構處于上軟下硬的地層條件下，盾構刀盤下部切割巖體，上部切割土體，由于掘進面土層特性不均勻，造成下部巖體，掘進緩慢，而上部切割較容易，地層應力損失較多，水頭損失較大，綜合影響地面沉降。

　　2 計算模型及參數選取

　　2.1 計算模型建立

　　計算模型如圖1所示，隧道直徑D=6.0m，隧道頂埋深H=9.7m，兩盾構隧道中心距離為13m。地面房屋距離隧道為2.5m。土體本構采用為莫爾—庫倫模型，管片混凝土本構采用彈性模型。土體單元為平面單元，管片單位為梁單元。邊界條件采用鏈桿支座。

　　模型計算采用MIDIS GTS巖土模塊，采用了地層結構法進行二維平面計算分析。

　　2.2 基本假設

　　(1)地層巖土材料為均質、各向同性的單一材料組成;

　　(2)地下水流動規律滿足Darcy定律。

　　2.3 材料參數選取

　　根據隧道所處的地層，以及莫爾—庫倫模型需要的計算參數，列出土層參數見表1：

　　2.4 計算分析工況

　　根據盾構在巖溶區施工的特點以及可能發生的工程風險，計算分析時主要從圍巖應力釋放和涌水、涌沙引起滲流兩個方面進行考慮。

　　(1)隧道開挖時，管片后注漿不飽滿，引起應力釋放對周邊建筑群影響，針對這種情況的分析，主要用在隧道開挖后，通過設置不同圍巖應力釋放比例來研究地層的變形情況，具體計算采用四種方案進行對比分析：

　　① 注漿效果良好，圍巖應力釋放10%;

　　② 注漿效果較好，圍巖應力釋放20%;

　　③ 注漿效果一般，圍巖應力釋放30%;

　　④ 注漿效果較差，圍巖應力釋放40%;

　　(2)巖溶區盾構施工很容易打穿溶洞，造成撐子面失衡，引起地下水的滲流，土體固結沉降，因此針對這種情況，主要分析隧道斷面不同滲流量對環境的影響，計算時也設置了四種工況：

　　① 正常滲水量9.75m3/d;

　　② 2倍正常滲水量19.5m3/d;

　　③ 3倍正常滲水量29.25m3/d;

　　④ 10倍正常滲水量97.5m3/d;

　　3 結果分析

　　3.1 圍巖應力釋放計算結果

　　(1)根據管片不同注漿工況，得出管片頂部沿豎向深度四條沉降曲線(見圖2)。從圖中得出：

　　① 注漿越及時、越飽滿、圍巖應力釋放越小，地面沉降也越小。

　　② 從四條沉降曲線上得出，豎向位移變化曲率突變點都在6.5m左右，隧道開挖豎向影響范圍沿隧道中心一倍隧道直徑范圍(1D)。

　　(2)地面沉降沿水平向的沉降曲線見圖3，從圖中可知：

　　① 地面沉降呈現倒馬鞍狀，隧道正上方地面沉降最大，隧道兩邊地面沉降逐漸減小趨勢。

　　② 沉降的水平影響范圍達到5倍隧道直徑(5D)。

　　3.2 滲流固結計算結果

　　⑴根據隧道開挖不同滲流量的分析，得出滲水量與地面沉降的關系，隧道頂土層沿豎向沉降曲線見圖4。其中涌水量為97.5m3/d時，地面最大沉降為30.04mm;隧道開挖過程正常滲水量為9.75m3/d時，地面最大沉降為9.96mm;從下圖中得知：

　　① 隨著涌水量的增加，地面沉降越大，而且其引起的沉降比圍巖應力釋放引起的變形要大的多。

　　② 滲流引起的固結沉降，往往是地表的沉降最大，而靠近開挖面的變形則較小，這是由于各層土體固結在地面形成累加效應的結果。

　　(2) 地面沉降沿水平向的沉降曲線見圖5，從圖中得出：

　　① 兩個隧道上方地面沉降最大，隧道兩邊地面沉降逐漸減小;隨著涌水量的增加，沉降量迅速增加。

　　② 隨著滲流量的增加，地面水平影響范圍基本保持不變，水平影響范圍主要與隧道埋深有關，根據圖5，水平影響范圍達到10倍的隧道埋深(10H)。

　　4 結論

　　(1) 巖溶區盾構施工引起的環境變化，主要隧道開挖，造成土體變形，圍巖應力釋放以及溶、土洞涌水、涌沙，地下水滲流兩種原因造成的。地下水的滲流，土體固結沉降對周邊環境的影響范圍和程度都要比圍巖應力釋放引起的變形要大的多，造成的破壞也更嚴重。

　　(2) 圍巖應力釋放引起的沉降，豎向影響為隧道中心周圍1倍隧道直徑范圍內(1D)，水平影響為5倍隧道直徑范圍內(5D);

　　(3) 滲流引起的沉降，豎向影響范圍從隧道中部一直影響到地面，水平影響范圍主要和隧道埋深有關，一般在10倍隧道埋深范圍內(10H);

　　(4) 溶巖區盾構施工，遇到溶洞、上軟下硬等不良地層，需要有專項施工方案。溶、土洞可采用地面注漿的方法，對其進行填充處理，防止施工時出現涌水、涌砂、坍塌情況出現;對于上軟下硬地層采用注漿加固和地面鉆孔爆破等措施，先期對其進行處理。

　　參考文獻：

　　[1]郭軍，地鐵隧道開挖誘發的地表沉降對鄰近建筑結構的影響研究. 碩士論文 [D] 北京工業大學. 2005.

　　[2]卿偉宸、廖紅建、，錢春宇，地下隧道施工對相鄰建筑物及地表沉降的影響[J] 地下工間與工程學報. 2005, 1(6): 960–978.