盾构施工引起的地表沉降

1、盾构施工引起的地表沉降盾构施工引起的地表沉降 北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京 Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works，Beijing 2008年5月 报告人： 袁大军 教授 主要介绍内容主要介绍内容 二、盾构法施工原理 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 舱、支护周围土体的盾构

2、钢壳，所谓构是指构成隧道衬砌 的管片和壁后注浆体，如图2-1所示。 图2-1 盾构机组成图 盾构法施工是一个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影 响与施工技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工 引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不 开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因素才能 得出符合实际情况的结果。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，通过切削刀盘的切削前方土体。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

3、调节。因为土压平衡式盾 构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的，为使土 压舱压力波动较小，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，来保持挖土量和排土量保持平衡。 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。如图2-2所示，壁后注浆是通 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 注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。 注浆压力一般取1.11.2倍的静止土压力，通常采用 0.30.4MPa，略大于隧道拱底的土压力，为拱顶土

4、压力 的2倍以上。压浆量一般为理论注浆量(盾尾空隙)的 140180%。 图2-2 盾尾空隙和壁后注浆 三、三、 3.1 所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的土壤体积与理 论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失体积占盾构 理论排土体积的百分比份Vs()来表示。 圆形盾构理论排土体积就V0为： 式中：r0-盾构外径 L-推进长度 单位长度地层损失量的计算公式为： 2 00 V =rL 0s VVV 地层损失地层损失一般可分为三类： 第一类第一类：正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响， 认为人们的操作过程是认真、仔细的，完全合乎预定的操作规程， 没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工

5、现场的客观条件， 如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。一般地说这种 沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽体积与地层 损失量是相等的。在均质的地层中，正常地层损失引起的地面沉 降也比较均匀。 第二类第二类：非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作 失误而引起的地层损失。如盾构操作过程中各类参数设置错误、 超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变 化的特征，然而，一般还可以认为是正常的。 第三类第三类：灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动， 甚至形成暴发性的崩塌，引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾 构施工中遇到地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜

6、 体等不良地质条件。 (2) 固结沉降 由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地 层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引 起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主同结沉降和次固结 沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结 沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。 主固结沉降与土层厚度有着密切的关系。土层越厚，主固结 沉降占总沉降的比例越大。因此，在隧道埋深较大的工程中，施 工沉降虽然很小，但主固结沉降的作用决不可忽视。 在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降 往往要持续几个月，有的甚至要几年以上。它所占总沉降的比例 可高达35以上。

7、 从理论上讲，盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指施 工沉降(也称瞬时沉降) 、主固结沉降及次固结沉降三者之和。 如果不考虑次固结沉降，总沉降应等于地层损失造成的施工 沉降和由于地层扰动引起的主固结沉降之和。固结沉降是由 于施工引起地层孔隙水压消散造成，不同地层固结沉降值占 总沉降比例相差迥异，而次固结沉降（由于地层土体原有结 构破坏引起的蠕变沉降）除流塑性软粘土地层外通常都较小， 一般都不考虑。 3.2 3.2 地表沉降的表现形式和机理地表沉降的表现形式和机理 3.2.1 纵向地表沉降纵向地表沉降 盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为 初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空

8、隙 沉降和长期延续沉降等五个阶段。见表3-1。 （1）初期沉降 它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，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。 （2）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，由于各种 推进参数(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

9、。 国际上一般用超载系数OFS来衡量开挖面土体的稳定性。 超载系数OFS与开挖面土体损失的关系见图3-3。 图图3-3 超载系数与土体流失的关系图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。 （3）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，盾构受到三个力的作用。总推力、表面摩擦阻力及正 面土压力。

10、按理论计算，总推力的表达式为： 式中: Ps盾构总推力 P0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： 式中： 土的密度 隧道的平均埋深(指地面至隧道中心的距离) 土的有效内摩擦角 s0 P =P I R tan I RH H 图3-4 即时沉降和长期延续沉降的比较直方图即时沉降和长期延续沉降的比较直方图 （5）长期延续沉陷 它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉 降。粘土地基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扰动。它的滞 后时间与盾构的种类、地质条件、施工质

11、量等因素有关。 3.2.2 横向地表沉降横向地表沉降 在包括有“隧道掘进引起地表沉陷”议题的国际土力 学地基基础墨西哥会议上，Peck的“state of the art report”的报告是十分有名的。其中提出的沉降槽形状近 似于概率论中的正态分布曲线。 3.3 地层沉降的分布范围分析 地面沉降的分布模块是三维的(图3-5)。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。 图3-5 粘土地基变形模型示意图 3.4 盾构施工工艺对地表隆沉的影响 （1）盾构掘进参数的选择的影响 它同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有着联 系。其具体表现为： 1)盾构严重超挖(

12、欠挖)引起的地面沉降(隆起)。 2)在用一些自动化程度较高的盾构机具进行推进时，推 进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力、注浆压力和 盾构总推力等参数的设定不合理。 3)注浆量不足或注浆不及时，是引起地面沉降较主要的 原因之一，直接影响“建筑空隙”的充填。 4)在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对沉降的影响是 不容忽视的。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一 个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然在其 轨迹上留下一个如图3-4所示的面积，引起地面扰动。 5)盾构后退。较长时间的盾构停止推进，千斤顶会因漏油而 缩回，从而引起盾构后退，这样势必造成开挖面土体稳定 失衡，土的内聚力减

13、小。 图图3-6 3-6 因盾构纠偏所造成的地层扰动示意图因盾构纠偏所造成的地层扰动示意图 （2）盾构选型及注浆的影响 它与规划、设计和当地的地质情况等因素有直接关系。 这类原因引起的沉降通常发生在整个盾构施工过程中，并延 续到施工结束后的较长一段时间。它可具体分为以下几点： 1)设计阶段的盾构选择，特别是盾构外径、盾尾空隙等 尺寸的选定。这一切将直接影响“建筑空隙”的大小。 2)由于注浆材料本身的体积收缩，使填充孔隙的材料在 一段时间后出现萎缩。 3)盾壳移动对地层的摩擦和剪切，造成对临近土体的扰 动。 4)在土压力的作用下，隧道衬砌的变形会引起少量的地 层损失。 四、 n盾构施工对建筑物影

14、响机理分析 n邻近建筑物的盾构施工控制措施 n典型实例 4.1 盾构施工对建筑物影响机理分析 盾构施工将引起一定范围内的土体位移和变形。对于 位于影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会导 致其外力条件和支承状态发生变化，而外力条件的变化又 将使已有建筑物发生沉降、倾斜、断面变形等现象。因此 ，外力条件的变化将随已有建筑物与盾构隧道的位置关系 、地基土的性质、已有建筑物的结构条件和刚度等的不同 而不同。外力条件的变化主要由以下原因导致: (1)土体应力释放引起的弹塑性变形，导致建筑物地 基反力的大小和分布发生变化； (2)因覆土压力的增大而导致的土体沉降，使建筑物 地基的垂直土压力增大；

15、(3)因土体负载而导致的弹塑性变形，使建筑物地基的土体 压力增大； (4)因土体力学性状变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降， 引起建筑物地基的反力分布发生变化。而产生这些原因主 要是由于盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩擦、壁后 注浆压力、盾尾建筑空隙和开挖面超挖等因素引起的。 图4-1 隧道邻近建筑物施工示意图 对于基础埋深较浅的建筑物，其基础四周地层移动的 影响可以忽略，仅考虑基础底部土层变形的影响，可以认 为底部变形和地表变形一致。地表沉降会使建筑物产生整 体下沉，若沉降过大，会造成一定损害，尤其对于砌体结 构，这种垂直沉降使砌体中存在着垂直方向下沉力，形成 水平裂缝。同时不均匀沉降将导致

16、地表倾斜，使建筑物产 生结构破坏裂缝。地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏 斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发生变化，严重 时使建筑物丧失稳定性而破坏。 深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响， 还受到基础四周地层变形的影响。由于桩基础埋深较深， 当沉降过大时，基础刚度发挥作用，使得建筑物破坏相对 较小。同时，土的侧向变形易引起桩的侧向变形和内力变 化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化。 4.2 邻近建筑物的盾构施工控制措施 盾构隧道开挖势必引起土体的沉降及变形，当地表沉 降及变形达到一定程度时将对周围存在的各类建筑物造成 影响，从而造成其正常使用功能的丧失。 上海地铁4号线流沙突水

17、事故引起地面大幅沉降，造成 3栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部坍塌并引起管涌 ，如下图（图4-2）所示。 图4-2 上海地铁4号线引起的建筑物倾斜 4.2.1 主动控制措施 主动控制措施是指从盾构施工工艺上进行控制，优化 盾构施工工艺进行地面沉降控制主要建议通过以下几个方 面： （1）首先在试验段根据现场土质、盾构覆土厚度、地下含 水情况及以往经验初步制定一系列盾构操作工艺参数。然 后根据试验段监测资料及施工经验对盾构掘进的技术工艺 参数进行修正至最优化。 （2）保持开挖面稳定 根据不同地质状况选择的合理施工参数，通过控制推 进速度和出土量来控制土仓压力，保证土仓压力与开挖面 压力平衡，始终

18、保持开挖面稳定。 （3）及时进行盾尾壁后同步注浆和二次注浆 注浆是盾构法施工控制地面沉降的关键工序。盾构掘 进过程中进行壁后同步注浆，盾构穿越后及时进行二次注 浆，根据不同地质条件选择单液或双液注浆及合理的注浆 压力、注浆量及注入时间，严格检查浆液配比及质量，保 证注浆效果。 （4）保持良好的盾构姿态，纠偏幅度不宜过大 在邻近建筑物影响范围内曲线掘进时，根据盾构姿态 合理使用仿形刀和千斤顶编组顶进，纠偏幅度不宜过大， 尽量保持机体平稳推进，避免由于机体扰动周围土体和超 挖引起地层损失，对地面沉降控制造成不利影响。 （5）保证管片拼装质量，防止隧道渗漏 隧道渗漏对地面沉降影响较大，施工中要保证管

19、片 拼装质量。在曲线施工中，利用尾间隙自动测量系统，准 确掌握管片在盾构机内位置，根据盾构姿态正确排列管片 ，确保成型隧道质量。 （6）针对不同土质调整增加泡沫和泥浆的比例，并监测出 土量 土质变化导致出土不畅时，会引起土仓压力波动。针 对土质的变化，要及时调整加泡沫和泥浆的比例，使切削 下来的土体在土仓内充分混合后具有良好的塑流性，顺利 地从螺旋输送机排出；随时监测出土量，避免由于出土量 过大引起地层损失。 （7）保持施工持续性，避免停机 在邻近建筑物保护区域内施工，应尽量避免停机或不出 现停机现象。 （8）保持良好的盾尾密封效果 盾构掘进过程中，保证连续压注盾尾密封油脂，防止盾 尾漏水漏浆

20、，避免地下水和注浆浆液流失导致地面沉降。 （9）实行监测信息化施工 盾构施工期间对施工影响范围内的沉降观测点及城墙进 行监测，根据监测结果及时反馈项目部管理人员，据此随时 根据情况调整掘进参数和注浆参数，必要时再及时二次注浆 ，控制地面沉降，确保邻近建筑物的安全。 4.2.2 被动控制措施 被动控制措施主要指通过隔断、托换、土体加固等方法 来保护周围建筑物。对于对地面变形比较敏感且影响后果比 较严重的建筑物，仅通过盾构各施工参数的优化可能不能满 足安全控制要求，故还需要采取有效的工程保护措施。常见 的工法主要有： （1）隔断法 隔断法指在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾 构隧道和建筑物间

21、设置隔断墙等措施，阻止盾构机掘进造成 的土体变形，以减少对建筑物的影响。该法需要建筑物基础 和隧道之间有一定的施工空间。隔断墙墙体可由密排钻孔灌 注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成，主要用于承受由隧道施 工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力，使 之减少建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向 位移，还可以在墙顶部构筑联系梁并以地锚支撑。 图4-3 桩基托换示意图 （2）桩基托换 桩基托换是以特定的桩取代原桩作为建筑物的传力杆件， 与原有地基形成多元化桩基并共同分担上部荷载，缓解和改善 原有地基的应力应变状态，直至取得控制沉降与差异沉降的预 期效果。在隧道开挖过程中，往往会遇到建筑

22、物桩基侵入隧道 净空的情况，此时对桩基进行托换处理，将建筑物原来的基础 托承到不受施工影响的新桩基上，从而减少隧道开挖中地层变 形对建筑物的影响，解决了隧道穿越既有建筑物的安全问题。 托换处理主要有门式桩梁、片筏基础、顶升及树根桩等方法。 (3) 土体加固 土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固。 前者通过增大盾构隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止 周围土体产生扰动和松弛。从而减少对近邻建筑物的影响，保 证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基。提高 其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施 一般采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。 (4) 建筑物加固 该法实际上是对建筑物本身进行加固，使其结构刚度 加强，以适应地基土变形而引起建筑物变形的一种工程保 护方法。对建筑物本体进行加固的措施有多种，如可以通 过加筋、加固墙、设置支撑等来直接对建筑物上部结构进 行加固，或通过加固桩、锚杆等对建筑物基础进行加固。 实际工程中需要根据建筑物的结构和基础特点选用相适应 的方法。 隔断墙、桩基托换和注浆等作为隧道开挖造成建筑物 损害的治理措施，均有其特定的最佳使用条件，有些情况 下也可以相互配合使用以减少建筑物保护代价。 4.3 典型实例 西安市是我国历史悠久的文明古都，是国家级历史文化名