盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究-本科毕业论文

中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）中文题目盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究英文题目RESEARCHONSUBSIDENCEANALYSISANDTHERELEVANTENCOUNTERINGMEASURESFORTBMUNDERGOINGTHEBUILDINGS姓名学号学院专业班级指导教师职称完成日期2012年05月31日中国矿业大学（北京）本科生毕业论文任务书学院专业班级学生姓名任务下达日期2012年1月18日完成日期2012年5月31日题目盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究专题题目主要内容和要求1、盾构工法的发展和应用盾构工法发展概况。盾构工法在中国的应用。2、盾构施工沉降问题的提出阐述对盾构施工沉降的认识。国内外盾构施工沉降分析及控制技术研究现状。3、对盾构下穿建筑物沉降问题的认识简述盾构下穿建筑物的安全风险。对盾构下穿建筑物沉降规律进行分析与归纳。4、盾构施工引起建筑物沉降控制技术分析分析盾构施工引起建筑物沉降的主要影响因素。阐述控制建筑物沉降的方法及其适用条件和优缺点。工程实例分析与研究。5、结论和展望谈谈自己对盾构下穿建筑物的理解，通过研究人们对盾构下穿建筑物沉降的分析、控制和处理方法得出自己的结论以及对今后发展趋势的展望。对完善盾构下穿建筑物沉降控制方法以保证施工安全，提出自己一家之言。院长签字指导教师签字中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书学院专业班级姓名题目盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究专题题目指导教师评语同学的论文盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究。论文以北京地铁常见的土压平衡式盾构施工法为背景，在阅读国内外盾构工法及盾构施工对建筑物的影响等相关文献后，系统总结了盾构施工引起地表沉降的机理，对盾构下穿建筑物的沉降规律进行了相关分析，同时研究了盾尾同步注浆等主要技术措施对控制周围建筑物沉降的影响，这对盾构下穿建筑物的安全施工有着一定的指导意义。论文篇幅完全符合学校规定，内容完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚，有一定个人见解。同学学习认真，态度端正，时间安排合理，在规定时间内完成毕业论文的全部工作，同意其进行毕业答辩。成绩指导教师签名年月中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书学院专业班级班学生姓名题目盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究专题题目评阅教师评语成绩评阅教师签名年月日中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）答辩及综合成绩学院力学与建筑工程学院学生姓名学号专业班级题目盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究专题题目设计说明书（论文）页，图纸张，其它材料答辩情况回答问题提出问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误回答不清答辩成绩答辩小组长年月日指导教师评价成绩指导教师年月日评阅教师评价成绩评阅教师年月日答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任年月日学院领导小组综合评价成绩学院领导小组负责人年月日摘要盾构法施工已成为我国城市地铁、隧道施工中一种重要的施工方法。盾构隧道施工对周围地层产生扰动，从而引发地层位移，并主要表现为地面沉降以及由地面沉降引起的对周围建筑物的影响。这是盾构隧道设计与施工中非常关注的问题。虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作，但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化，使得研究成果具有一定的局限性。本文针对北京八号线二期第九标段由安德里北街站到鼓楼大街站区间隧道盾构施工引起的地面沉降的影响因素进行了初步探讨。系统地总结了盾构施工引起地面沉降的机理，以及盾构下穿建筑物沉降规律分析。主要研究盾尾注浆等主要技术措施对控制地表沉降以及周围建筑物的影响，得出盾构法施工引起的地表沉降规律。同时也总结了一些现场监测的作用和地表沉降的控制方法。关键字盾构法；地表沉降；下穿建筑物；控制措施；监测。ABSTRACTSHIELDTUNNELINGHASBECOMEONEOFTHEMOSTIMPORTANTMETHODSINCHINASURBANSUBWAYANDTUNNELEXCAVATIONSHIELDTUNNELCONSTRUCTIONDISTURBANCEONTHEFORMATIONAROUNDANDINDUCEDFORMATIONDISPLACEMENT,MAINLYPRESENTEDASTHEINFLUENCEONSURROUNDINGBUILDINGSWHICHCAUSEDBYLANDSUBSIDENCEITISTHEKEYISSUEINDESIGNINGANDCONSTRUCTIONOFSHIELDTUNNELALTHOUGHTHEREHASBEENDONESOMERESEARCHONTHISPROBLEM,THELIMITATIONOFTHERESULTSCOULDNTBEAVOIDEDBECAUSEOFTHECOMPLICATEDGEOLOGICALCONDITIONSANDTHECHANGINGCONSTRUCTIONPARAMETERSAIMINGATNINTHTENDERSOFTHE8THLINEBYANDREANORTHSTREETSTATIONTUNNELSHIELDCONSTRUCTIONPROJECTSTOTHEDRUMTOWERSTREETSTATION，THISPAPERPRELIMINARYDISCUSSEDTHEINFLUENCINGFACTORSTHOSECAUSEDLANDSUBSIDENCEANDSYSTEMATICALLYSUMMARIZEDTHEMECHANISMOFLANDSUBSIDENCECAUSEDBYTHECONSTRUCTIONANDANALYSISTHEREGULARPATTERNOFSHIELDBENEATHTHEBUILDINGSETTLEMENTITCONCENTRATEDONTHEINFLUENCEOFTHESURROUNDINGBUILDINGSANDTHECONTROLOFLANDSUBSIDENCEWHICHCAUSEDBYTHEMAINMEASURES,GROUTINGATTHETAILFOREXAMPLE,ANDGOTSOMEREGULATIONOFTHATHEREALSOSUMMARIZEDSOMEEFFECTSOFFIELDMONITORINGANDCONTROLMETHODSOFLANDSUBSIDENCEKEYWORDSSHIELDTUNNELTHESURFACESETTLEMENT,UNDERGOINGTHEBUILDING,ENCOUNINGMEASURESMONITORING目录1绪论12盾构及其工作原理221盾构及其工作原理222盾构的分类2221按断面形状分类2222按支护地层的形式分类3223按开挖面与作业室之间隔板的构造分类323盾构的基本构造324现阶段盾构施工法主要内容525盾构的分类及其使用范围626盾构的选型依据727盾构的发展和发展趋势828盾构在我国的发展与应用9281手掘式盾构的开发与应用；9282网格挤压式盾构的开发与应用9283插刀盾构的开发与应用10284盾构的引进11285国家“863”计划12286中国与国外的差距1429盾构法施工的技术特点与盾构法隧道的优缺点143盾构施工沉降问题的存在与提出1731盾构施工问题的提出1732对盾构施工隆沉原因的简单分析1733盾构施工而对土体的扰动特征1934地层隆沉的发展过程1935地层隆沉的分布范围2336国内外盾构施工沉降分析及控制技术研究现状。244盾构下穿建筑物规律与控制2841盾构下穿建筑物沉降问题的认识与风险28411盾构下穿建筑物沉降问题的认识28412地表移动与变形对周围建筑物的影响28413地表沉降控制基准分析30414盾构下穿建筑物沉降导致的风险3242盾构下穿建筑物沉降导致的风险的控制3343盾构下穿建筑物时的沉降控制35431严格控制土舱平衡压力35432严格控制盾构推进速度35433加强对盾构掘进姿态的控制36434严格控制注浆压力和注浆量36435合理控制注浆材料配合比36436合理确定盾尾油脂用量37437正确选择泡沫剂37438加强对盾构机的维修保养37439加强对值班工程师及盾构操作人员的培训374310建筑物周边止浆帷幕374311建筑物条基及地基加固384312动态跟踪补偿及抬升注浆384313基础加固注浆参数3944盾构下穿建筑物时的沉降监测40441盾构施工地面沉降监测的内容40442盾构施工地面沉降监测方法415工程实例4351工程简介4352下穿平房区概况4453工程地质概况4454下穿平房区沉降控制要求4655主要技术措施46551掘进姿态控制46552土压力控制及土体改良47553严格控制同步注浆和二次注浆49554多次补浆52555出土量控制52556盾尾间隙控制53557下穿平房区施工措施535571盾构下穿平房区地层组段划分535572盾构下穿平房区地层拟定参数545573深孔注浆556结论与展望57参考文献59致谢61英文原文62中文译文64中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）11绪论当今是一个人类文明快速发展的时期。随着经济、文化的进步，人口增多，环境污染等问题也随之而来。原本宽阔的马路显得拥堵不堪，骑车尾气肆意排放。城市也以成为了拥挤，污染的代名词。“地铁”地下铁道，简称地铁，亦简称为地下铁，狭义上专指在地下运行为主的城市铁路系统或捷运系统；但广义上，由于许多此类的系统为了配合修筑的环境，可能也会有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都会地区各种地下与地面上的高密度交通运输系统。地铁的出现缓解了城市拥堵，环境污染等等问题，是新时代交通的先行者。中国最为世界上最大的隧道及地下工程施工市场，前景广阔。随着我国工程建设领域法制和法规的完善、对工程建设项目综合效益的要求和环境保护意识的提高，对施工技术和管理的要求日渐提高。在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地形区段普遍要求采用浅埋暗挖法和盾构法。盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等有点。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展和不断成熟，盾构法越来越受到重视和亲睐。但是由于地质条件和施工工艺的限制,盾构推进过程对地表的改变是不可避免的,过大的地层损失,可导致较大的地面沉降,对地面建筑物、地下管线等设施产生不利影响甚至会导致破坏,引起较大的经济损失。为此,本文以理论研究与实际工程例子来说明,阐述盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）22盾构及其工作原理21盾构及其工作原理盾构，其英文名为“SHIELDMACHINE”，是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械（见图21和22）。它是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体5，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护的作用，承受周围图层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。图21盾构的外形图22盾构的结构22盾构的分类221按断面形状分类单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”（见图232425）中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）3图23单圆盾构图24双圆盾构图25非圆盾构222按支护地层的形式分类主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式和土压平衡支护式五种类型。223按开挖面与作业室之间隔板的构造分类全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。23盾构的基本构造盾构机主要由1）刀盘切削系统；2）推进系统；3）加泥注浆系统；4）螺旋输送机系统；5）管片拼装系统；6）盾尾密封系统；7）数据采集与监控系统；8）后配套设备及电器设备。以下分别简单介绍盾构机的各个部分（1）刀盘切削系统刀盘采用中心支撑或中间支撑或两边支撑方式，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑等系统组成。掘进时，刀盘直接与开挖面接触并旋转切削土体，切削下来的土体在密封舱内与外加泥中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）4或水充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大降沉。（2）推进系统盾构机的推进是靠设置在支撑环内侧的盾构千斤顶的推力作用在管片上，进而通过管片产生反推动力使盾构前进的。（3）加泥注浆系统注浆分为同步注浆、管片二次注浆和堵水注浆三种，其中同步注浆效果直接影响到地面沉降。同步注浆系统可根据地层与地面构筑物状况，进行双液或单液注浆。注浆压力和注浆量均可自由设定与调节。此外，还配有一套注浆管路清洗系统，从而保证衬背注浆系统正常使用。（4）螺旋输送机螺旋输送机采用液压驱动，可根据密封舱内土压力伺服控制，是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键。螺旋输送机还设有断电紧急关闭出土口装置，以保证隧道的施工安全。（5）管片拼装系统用于隧道管片拼装。该设备可实现绕轴向回转、径向提升和轴向等三个自由度的移动，由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。（6）盾尾密封系统结构型式为三排二室钢丝刷。采用电动油脂泵注入油脂，每推进一环注入一次，可保证盾尾在压力下不渗漏。（7）数据采集与监控系统采用PLC系统，可对挖掘数据进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。（8）后配套设备配套设备主要由以下几部分组成管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。（9）电气设备盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）5器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。24现阶段盾构施工法主要内容盾构法是一项综合性的隧道施工技术。隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。盾构法施工的概念流程如图26所示。图26盾构法施工流程示意图1盾构；2盾构千斤顶；3盾构正面网格；4一一出土转盘；5一出土皮带运输机；6管片拼装机；7管片；8压浆泵；9一压浆孔；10出土机；11由管片组成的隧道衬砌结构；12在盾尾空隙中的压浆；13后盾装置；14竖井中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）6构成盾构法的主要内容是先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。主要有地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。25盾构的分类及其使用范围盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的区别主要是盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同而言。为此盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，即手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾、构机械式盾构。1手掘式盾构是结构最简单、配套设备少、因而造价也最低，制造工中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）7期短。其开挖面可以根据地质条件决定，全部敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑。在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构。在地质条件良好的工程中得到广泛应用。2挤压式盾构的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从胸板局部开口处挤入盾构内，然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度小，效率也成倍提高。在特定条件下可将胸板全部封闭推进，那就是全挤压推进。挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。在挤压推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。3半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖，根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。土体较硬可安装软岩掘进机。半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优点除可减轻工人劳动强度外，其余均与手掘式相似。4机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装上一个与盾构直径一般大小的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖。当地层土质好，能自立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构，反之如地层土质差，又不能采用其它地层加固方法，此时，采用闭胸机械式盾构比较合适26盾构的选型依据盾构法施工的地层都是复杂多变的，因此对于复杂的地层要选用较为经济的盾构是当前的一个难题。在选择盾构时，不仅要考虑到地质情况、中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）8盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征，同时，还要逐个研究以下项目1开挖面有无障碍物；2气压施工时开挖面能否自立稳定；3用气压其它辅助施工法后开挖面能否稳定；4挤压推进、切削土加压推进时，开挖面能否自立稳定；5开挖面在加水压、泥压、泥水压作用下，能否自立稳定；27盾构的发展和发展趋势271盾构机问世至今已有近180年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近30年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解决，使盾构机有了很快的发展。据不完全统计，目前国外盾构机的主要制造厂有18家，集中在日本和欧美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川岛播磨重工，德国的海瑞克公司、维尔特公司，美国的罗宾斯公司，加拿大的罗法特公司等。各个厂家可以根据不同的地质条件和不同的工程对象，以及使用单位的不同要求，设计、生产出不同直径、不同类型、以及有特殊要求的盾构机，以满足用户的需要，其工艺和设备先进。在发达国家,使用盾构施工已占隧道总量的90以上。国外盾构经历了四个发展阶段一是以BRUNEL盾构为代表的手掘式盾构；二是以机械式、气压式盾构为代表的第二代盾构；三是以闭胸式盾构为代表中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）9（泥水加压平衡式、土压平衡式）的第三代盾构；四是以大直径、大推力、大扭矩、高智能化、多样化为特色的第四代盾构。272盾构的发展趋势，国际上盾构技术日趋完善，盾构技术的发展趋势是微型和超大型化、形式多样化、高度自动化和高适应性。28盾构在我国的发展与应用281手掘式盾构的开发与应用；我国盾构的开发与应用始于1953年，东北阜新煤矿用手掘式盾构修建了直径26M的输水巷道。1962年2月，上海城建局隧道工程公司结合上海软土底层对盾构进行了系统的试验研究。研制了一台直径416M的手掘式普通敞胸盾构，两种有代表性的底层进行掘进实验，用降水或气压来稳定粉砂层及软粘土层。在经过反复论证和地面试验后，选用由螺栓连接的单层钢筋混凝土管片作为隧道衬砌，环氧煤焦油作为接缝防水材料。隧道掘进长度68M，实验获得了成功，并采集了大量的盾构法隧道数据资料。282网格挤压式盾构的开发与应用1965年3月，有上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的2台直径58M的网格挤压盾构，于1966完成了2条平行的隧道，隧道长660吗，地面最大沉降达10CM。1966年5月，中国第一条水底公路隧道上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程设计院设计、江南造船厂制造的直径1022M网格挤压盾构施工（图27），辅以气压稳定开挖面，在水深16M的黄浦江底顺利掘进隧道，掘进总长度1322M。打浦路隧道于1970年底通车。此次所用的网格盾构有所改进，敞开式施工可转换为闭胸式施工。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）10图27网格挤压盾构1973年，采用一台直径36M的水力机械化出土网格盾构和2台直径43M的网格挤压盾构，在上海金山石化总厂修建了1条污水排放隧道和2条引水隧道。1980年，上海市进行了地铁1号线试验段施工，研制了1台直径6412M网格挤压盾构，采用泥水加压和局部气压施工，在淤泥质粘土底层中掘进隧道1130M。1982年，上海外滩的延安东路北线越江隧道工程1476M圆形主隧道采用上海隧道股份设计、江南造船厂制造的直径113M网格挤压水力出土盾构施工283插刀盾构的开发与应用1986年，中铁隧道集团研制出半断面插刀盾构（图28），并成功用于修建北京地铁复兴门折返线。半断面插刀盾构将“盾构法”与“浅埋暗挖法”紧密结合，取消了小导管超前注浆，在盾构壳体和尾板的保护下，进行地铁隧道上半断面的开挖。半断面插刀盾构能全液压传动、电控操作、可自行推进、转向、调头。能有效控制地面沉降，减轻工人劳动强度，施工速度较快，日均进尺达34M。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）11图28半断面插刀盾构（1986年）284盾构的引进1990年，上海地铁1号线工程全线开工，18KM区间随到引进了7台由法国FCB公司制造的634M土压平衡盾构。1996年，上海延安东路隧道南线工程，总长1300M，采用从日本引进的1122M泥水加压平衡盾构施工（图29）中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）12图291122M日本泥水盾构285国家“863”计划1）土压平衡盾构的开发2002年8月，国家科技部将63M土压平衡盾构的研究设计列入国家“863”计划。通过公开招标，第一批3项设计课题分别由国内盾构设计、制造与施工的两家优势企业中铁隧道集团有限公司和上海隧道工程股份有限公司为主承担。在国家“863”计划的引导下，中铁隧道集团完成了63M土压平衡盾构的结构设计、盾构控制原理流程图设计、盾构液压系统、电气系统、流体输送系统以及元器件的选型；完成了盾构系统刀具的研究设计、开发与制造，完成了盾构泡沫添加剂、盾尾密封油脂的开发应用研究，并实现了产品化。2004年7月15日，中铁隧道集团研制的刀盘（图210）及刀具。2005年3月26日，上海地铁2号线成功贯通，标着着中铁隧道集团承担的“863”计划土压平衡盾构关键技术研究取得阶段性成果。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）13图210中隧集团研制的刀盘成功用于上海地铁2004年5月，中铁隧道集团有限公司与日本小松公司联合制造了1台63M土压平衡盾构（图211）图211中铁隧道集团与小松联合制造的土压盾构2008年4月研制成功了我国第一台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构（图212）中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）14图212国内首台复合式土压平衡盾构286中国与国外的差距虽然中国在盾构的研制方面已有了一定的成功经验和技术积累，但仍然存在大量的技术问题，盾构电液控制系统的研究与开发相对滞后。目前，国产中小型盾构电液系统主要元器件，如液压泵、液压马达、高性能电液控制器等几乎全部依赖进口。液压技术已经成为制约中国盾构技术发展的主要瓶颈之一。长期以来我国采用盾构法施工的隧道掘进机几乎全部依赖于进口，其中德国和日本多家盾构制造商在中国市场的占有率超过了90。处于绝对垄断地位。目前，国内除中铁隧道集团和上海隧道股份公司自主制造盾构外，其它厂商制造的国产盾构均以合资生产面目出现，采用的合作方式是“国外设计，关键件进口，钢结构件国内加工，整机在国内组装出场。”29盾构法施工的技术特点与盾构法隧道的优缺点盾构法是利用盾构在地面以下进行暗挖隧道的一种施工方法，盾构法施工的主要技术特点如下（1）对城市的正常功能及周围环境的影响很小。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）15除盾构竖井处需要一定是施工场地以外，隧道沿线不需要施工场地，无需进行拆迁而对城市的商业、交通、住居影响很小。（2）盾构是根据隧道施工对象“量身定做”的。盾构是适合于某一区间隧道的专用设备，必须根据施工隧道的断面大小、埋深条件、围岩的基本条件进行设计、制造或改造。当将盾构转用于其他区间或其他隧道时，必须考虑断面大小、开挖面稳定机理、围岩粒径大小等条件是否相同，有差异时要进行针对性的改造，以适应其他地质条件。盾构必须以工程为依托，与工程地质紧密结合。（3）对施工精度的要求高。区别于一般的土木工程，盾构施工对精度的要求非常之高。管片的制作精度几乎近似于机械制造的程度，由于断面不能随意调整，对隧道轴线的偏离、管片拼装精度也有很高的要求。（4）盾构施工时是不可后退的。盾构施工一旦开始，盾构就无法后退。由于管片内径小于盾构外径，如果要后退必须拆除已拼装的管片，这是非常危险的。盾构法隧道具有的优点如下（1）在盾构支护下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，能较经济合理地保证隧道安全施工。（2）盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实行自动化、智能化和施工远程控制信息化，掘进速度较快，施工劳动强度较低。（3）地面人文自然景观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工干扰；在松软地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径速度，具有经济、技术、安全、军事等方面的优越性。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）16盾构隧道施工法的缺点是（1）盾构械造价较昂贵，隧道的衬砌、运输、拼装、机械安装等工艺较复杂。（2）在饱和含水的松软地层中施工，地表沉陷风险大。（3）需要设备制造、气压设备供应、衬砌管片预制、衬砌结构防水及堵漏、施工测量、场地布置、盾构转移等施工技术的配合，系统工程协调难。（4）建造短于750M的隧道经济性差；对隧道曲线半径过小或隧道埋深较浅时，施工难度大中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）173盾构施工沉降问题的存在与提出31盾构施工问题的提出我们的世界进入了告诉发展的阶段，人口增多，交通拥挤，环境污染。这些实实在在的问题一直困扰着我们，随之而来的是人们的聪明才智高度的运用于社会的各个方面。地铁也应运而生，盾构法是今后城市地铁隧道的主要施工方法。我国虽然在盾构法隧道施工方面已取得了一定的技术积累，但在与之相关的地质工程领域内，仍然存在许多尚待解决的理论和技术问题。盾构法施工定将成为今后城市地铁隧道的主要施工方法。盾构在软土层中进行掘进施工，会引起底层移动而导致不同程度的地面和隧道沉降，当沉降达到一定程度时就会影响地面建筑、地下设施和隧道本身的正常使用。因而，对于地面沉降的范围以及沉降量得估算就成为国内外不得不关注的问题了。32对盾构施工隆沉原因的简单分析盾构法隧道施工引起的地面沉降有以下几点原因1由于推进量和排水量不等的原因，开挖面水压力与土仓内水压力产生不平衡，导致开挖面失去平衡状态，从而发生地基变形。开挖面水土压力小于土仓水土压力时产生地基下沉，大于压力仓时产生地基隆起。2土体因地下水位下降。来自开挖面的涌水或管片漏水时，地下水下降使地基的有效应力增加，引起固结沉降而使地基下沉。3即由于开挖卸荷土体发生弹性或塑性变形而导致的沉降，发生在盾构刀盘到达切口前3M至切口后LM处中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）184盾构推进时，由于盾构的壳板与围岩摩擦和围岩的扰动从而引起地基下沉或隆起。特别是蛇形修正和曲线推进时的超挖是引起围岩松动的原因。5盾构通过时，即由于盾壳和土层间的摩擦剪切力导致土体向盾尾空隙后移而发生的弹塑性变形，发生在盾尾通过切口后1M至盾尾脱出处。6盾尾空隙沉降，即由于尾部空隙增加且沉陷、底土扰动而发生的沉降，发生在盾尾脱出至继续推进1M处。7同步注浆和二次注浆没有掌握好注浆压力。或者浆液质量不过关，导致土体沉降。8管片的变形和变位。管片螺栓紧固不足时，管片容易变形，盾尾空隙的实际量增大，盾尾脱出后外压不均等使管片变形和变位，从而增大地基下沉。9长期延续沉降，即由于土体蠕变产生的塑性变形导致的沉降，发生在盾尾通过后约100H。由此可见，地面沉降主要是弹塑性剪切变形、主固结变形和蠕变压缩变形三者叠加而成。10水压力的合力是一种向上的浮力,若拱顶处竖向土压力和自重静荷载的合力大于浮力，其差值将是作用在隧道底的竖向土压力地基抗力。若浮力大于拱顶竖向土压力和自重的合力,隧道将可能浮起,须施作二次衬砌以增加隧道重量或在地面堆载的措施。净水压力（如图31）中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）19图31净水压力33盾构施工而对土体的扰动特征1土层距隧道垂直距离越远，土体扰动越小；距隧道垂直距离越近，土体扰动程度越大。也就是说随着与隧道垂直距离加大，土体扰动程度呈现衰减性，土体扰动范围则呈现扩散性的特点。2在盾构前方主体扰动存在同331的规律，随着与盾构水平距离的增大而呈现衰减性和扩散性的特点。3盾构对前方土体的挤压扰动程度大于对侧向土体的剪切扰动程度。34地层隆沉的发展过程盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化可分为初期沉降、开挖面沉降或隆起、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。1初期沉降它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，也就是在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降的量较小，而且不是所有的盾构施工工程都会发生的，所以一般不被人们觉察。据部分实测资料分析断定，初期沉降是由于固结沉降所引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水或孔隙水的下降。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）202开挖面沉降或隆起它是指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式。由于推进各种参数如盾构推进速度、最大推力等的差异，使开挖面的土体应力状态也截然不同，这便形成了覆盖层的土压增加或应力释放。国际上一般用超载系数OFS来衡量开挖面土体的稳定性。开挖面的超载系数越大土的自立性就越差，开挖面向盾构方向的位移量或土体损失量也就越大，开挖面的沉降因此而产生。超载系数OFS与开挖面土体损失的关系见图33所示。图33超载系数与土体流失的关系图当超载系数小于1时，开挖面为弹性变形，土体损失小于L；当超载系数大于L，小于4时，开挖面为弹塑性变形，土体损失在24之间；当超载系数大于5时，开挖面为塑性变形，土体损失大于4。如果开挖面的垂直应力小于开挖面的支承力，超载系数为负值时，开挖面土体向着盾构的反方向位移，地面出现隆起现象。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）213尾部沉降它是指盾构通过时产生的地面沉降。在整个盾构推进过程中，受到三个力的作用。它们是总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。按理论计算，总推力的表达式为PSPORI式3式中PS盾构总推力PO正面土压力RI表面摩擦阻力表面摩阻力可根据摩擦桩的表面摩阻力求法得出RIHTG式4式中土的密度H隧道的平均埋深指地面至隧道中心的距离土的有效摩阻角由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中就会产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在推进过程中盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松驰另一部分的土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松驰的部分则带来了地面沉降。4盾尾空隙沉降它发生在盾尾部通过之后。引起沉降的原因是因为盾构尾部空隙增加使得地表沉陷，隧道周围土层被扰动。在土力学上表现为，土的应力释放，密实度下降。一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大2。这里有两中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）22个原因首先盾壳材料有一定的厚度；其次是由于施工需要，使盾壳内与衬砌间必须留有一定的空隙。这些“建筑空隙”如不及时地充填，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。5长期延续沉降它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。图34是即时沉降和长期延续沉降的比较直方图。它较好地证实了以上观点。在粘土中，长期延续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是、土层的本身性质和隧道周围土体受挠动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。图34即时沉降和长期延续沉降的比较直方图35地层隆沉的分布范围地面沉降的分布模块是三维的见图35。随着盾构推进，所设的观测点处的沉降量逐渐增加，沉降区域的宽度也日趋扩展。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）23图35粘土地基变形模型图仅仅考虑垂直位移，地面沉降在沿隧道轴线的横段面上一般呈正态分布曲线。在粘性土中，沉降的增量实质上是相等的，而且在竖直方向上扩展速度也是均匀的。但是，对于砂性土来说，沉降增量及扩展速度的最大值出现在隧道顶部，并且朝着地表突然减少。这种现象提示粘土土层中，盾构周围的土层如同一块土体一样是逐渐变形的；而砂土中，盾构周围的土体却是局部而又断续地塌落。这种区别反映出各种性质的土体成拱能力。36国内外盾构施工沉降分析及控制技术研究现状。盾构穿越既有地铁线路、下穿浅基础建筑或文物保护建筑等这类对沉降要求非常敏感的区段,对沉降控制要求很高。因此,盾构掘进施工前掌握不同地层的沉降规律,制定完善的施工控制措施,确保穿越区域地面沉降不超过控制标准,显得非常重要。盾构施工沉降实质上是隧道施工引起的地层位移问题。扰动的影响范围和程度取决于很多因素,包括盾构型式、地层性质、地下水位、隧道上部荷载、施工参数如土仓压力、刀盘扭矩、中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）24推力、出土量、注浆量、注浆压力、盾尾间隙等、施工管理以及其他施工条件,其机理非常复杂。国内外许多专家学者对隧道施工引起的地基变位问题进行了深入的研究。PECK在分析大量地表沉降观测数据的基础上,提出了地表沉降槽符合正态分布曲线的概念,如图51所示。他认为地层变形由地层损失引起,施工引起的地面沉降是在不排水的条件下发生的,从而假定地表沉降槽体积等于地层损失体积。于是，他结合采矿引起地面位移的估算方法，提出了隧道施工沉降槽的形状近似与概率论中正态分布曲线，（如图38）。图38隧道施工地面沉降曲线1981年，英国DURHAM大学教授ATTEWELL也假定沉降槽的曲线形式为正态分布曲线，他提出了下列的公式（34）2NIZKR式中为常数，粘土取1；砂土取063082中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）25常数，粘土1；砂土取036097N隧道中心埋深Z隧道半径RSMAX地面最大沉降量1982年，OREILLYNEW氏对英国粘土地层的11处19例及回填土地层的6处16例工程实测数据加以回归分析，提出了沉降槽的宽度和隧道埋深的关系式在粘性土层中，；在砂性土层，单位为米。0431IZ0281IZ为了实际使用的方便，将上面两个槽宽简化为I（56）IKZ其中K为常数，粘土取05；砂土取025室内模拟实验是指在实验室内针对某一工程具体条件，依照相似理论建立模型，进行模拟分析，然后得出地层运动规律的研究方法。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）264盾构下穿建筑物规律与控制41盾构下穿建筑物沉降问题的认识与风险411盾构下穿建筑物沉降问题的认识由于城市地下轨道交通的建设多处于市区的繁华地段，周围密集的建筑物群和分布复杂的地下管线，且不乏具有一定历史价值的风貌建筑物，这些都增添了施工的难度盾构法以高效的施工效率、灵活的地层适应性和对周围地层及其邻近的既有建筑影响小等优点，被广泛应用在城市地铁工程中采用盾构法施工，不但要对盾构隧道施工本身的安全加以考虑，而且更应对盾构推进过程中周围环境的影响加以考虑由于盾构施工中地层的开挖不可避免地对土体产生扰动并使得隧道周围地表发生位移和变形，当位移和变形超过某一极值时，必将危及周围地面上的既有建筑、道路设施和地下管线等的安全使用因此，加强对城市轨道交通工程盾构过程中地表沉降问题的研究，准确预见盾构施工中可能发生的地面上邻近既有建筑物的沉降和变形，确保邻近既有建筑物、构筑物的安全性和正常使用性，以及轨道工程自身的安全和顺利施工都具有十分重要的意义412地表移动与变形对周围建筑物的影响在隧道施工的过程中，地层应力状态随之改变，相应地，地表和地层将会发生移动和变形。通常情况下，隧道施工所产生的是快速变形，即在较短时间内引起较大位移，这将对周边建筑物造成更大的危害。直接开挖损害和间接开挖损害是隧道周边构筑物损害的两种方式。直接开挖损害是指在离隧道开挖较近范围内对象所受的损害。另外，在离开中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）27挖范围较远的地方，也有开挖影响的存在，例如开挖周边大范围地下水变化产生的影响，这种影响称为间接开挖损害。通常情况下，有以下几种形式的开挖损害地表沉降损害当地表均匀沉降时，周边构筑物整体也会产生均匀下沉。一般情况下，较小的均匀下沉不会对构筑物的正常使用带来大的影响，但当沉降量较大时，而构筑物所处环境的地下水位又浅时，会对建筑物的正常使用产生影响，另外，如果建筑物地基长时间被水浸泡，其强度会降低，这对建筑物的长期使用是不利的。地表倾斜损害地层均匀沉降不会对地面构筑物造成严重的危害，但不均匀沉降会对构筑物产生较大影响，这是因为不均匀沉降导致地面原始坡度发生改变，这对于底面积小而层高较高的建筑物来说，可能会引起其重心偏移，从而导致附加应力重分布，建筑物将受到不均匀的载荷，以致其结构内应力发生改变，直到引起破坏。地层的非均匀沉降，对于民用建筑，如普通居民楼来说，会严重影响其使用。对于施工周边有铁路等设施的地段，地层倾斜会使铁路的坡度以及其整个排水系统发生倾斜变化，这样可能导致污水倒灌，铁路的运营将会受到严重影响。地表曲率损害曲率的存在将使地表变成曲面,在通常情况下，将地表相对下凹称为负曲率，地表相对上凸称为正曲率。建筑物在负曲率的影响下，其中间部分凸起，墙体将产生正八字和水平裂缝。如果建筑物过长，在重力的作用下，建筑物中央的底部可能发生断裂，以致于其被破坏。相反，建筑物在正曲率的作用下，其两端部位悬空，墙体产生倒八字裂缝，如果正曲率现象严重，建筑物屋架或者梁的端部将发生从墙体抽出的现在，从而造成建筑物倒塌。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）28地表水平变形损害拉伸和压缩是地表水平变形的两种形式，这两种形式的变形对构筑物的影响很大，特别是拉伸变形，这是因为建筑物的抗拉能力远小于其抗压能力。当地表发生压缩变形时，墙体会产生水平裂缝，严重时纵墙会发生褶曲，屋顶会鼓起。地面构筑物受地表拉伸变形的影响很大，当构筑物所处地表属于拉伸区时，地基的外向水平推力作用于基础侧面，外向摩擦力作用于基础底面，并且大多数建筑物抗拉伸强度弱，较小的拉伸变形就能导致建筑物开裂甚至破坏。构筑物也会受地面压缩变形的影响，同拉伸变形一样，其影响也是通过其基础底面摩擦力和侧面推力来施加的，只是作用力的方向和拉伸时刚好相反。一般情况下，构筑物有抵抗较大压缩变形的能力，也就是说压缩构筑物对拉伸作用的敏感程度比压缩作用高。不过，要是由于压缩作用产生了较大的变形，它造成的破坏程度可能比拉伸带来的破坏程度更大，并且有压缩带来的破坏主要发生在结构薄弱的地方。地表的水平变形对地下管道的影响也很大。当地下管道受到拉伸作用时，可能是管道接头出现裂缝，发生漏气漏水的现象，严重时造成接头被拉开当地下管道受到压缩作用时，管道可能发生接头被压入的情况，严重时甚至会导致接头被压坏，以至于管道出现裂缝。地表植被也可能受到地表变形和移动的影响。当施工导致地下水位下降时，植被生长所需供水就会受到影响植被的根部也可能受到地层内部裂缝的影响而损害，从而发生病虫灾害等。以上对隧道开挖对地表损害的几种形式进行了分析。但是在实际工程中，隧道周围建筑物受到不可能只是一种形式的破坏，而通常是多种变形共同作用的结果。中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）29413地表沉降控制基准分析在隧道施工过程中，一般采用两种方法来评价其对周边构筑物的影响。第一种是直接法，即根据地表及构筑物的变形值及其允许变形值来判断构筑物是否安全，如果不安全，则需要采取有效的措施来控制变形，以保证构筑物能够正常使用。第二种方法是事先根据构筑物的正常使用要求来确定地表允许变形值，再确定施工方法，指导施工。在实际工程中，是通过确定地表沉降值来指导施工的。1按地面环境要求分析地表下沉控制标准层在进行地下工程施工时，应该要求地面交通不受太大影响，能够确保其正常使用。同时，地下管线及地面构筑物也要能安全使用。通常情况下，在进行地面施工时，地表是均匀沉降的，这样对地面交通不会造成太大影响，因此可以不考虑对地面交通的影响。2按地层与结构稳定要求分析地表下沉控制标准一般情况下，地表下沉量受到施工规模、结构尺寸、构筑物埋藏深度和施工方法等因素的影响，在控制地表下沉量时，通常是根据当地地质条件建立试验模型，通过数值模拟来分析和指导设计与施工。所有的地面和地下构筑物都有其特有的结构强度和安全系数，即有抵抗地层变形的能力。当构筑物在施工影响下发生的变形值在其允许范围内时，观测不到其受到的损害。不同类型的构筑物，由于它们的基础和上部结构的不同，其抵抗变形的能力也不同。通常情况下，根据构筑物受到损害后所带来后果的严重程度来确定其所需安全等级。市区进行地下浅埋工程建设时，设计施工承包的单位，通常要在投标文件中提出控制地表下沉的标准。由于地质条件、工程情况的复杂特殊性，尤其是施工细节中的偶然性因素，在实际的工程施工中必须对每个具体的工程确立一个控制地表下沉的基准值来作为施工监测指标，以此来保中国矿业大学（北京）2012届本科生毕业设计（论文）30障地下管线的使用与地面上建筑物的安全，还要确保地下工程围岩和结构的稳定性。地表沉降给城市环境带来了诸多危害，比如地下埋设管线的变形、断裂而导致不能正常使用及地面建筑的过度倾斜。一般采用的地面沉降控制值既考虑了环境要求，也参考了现有的建设