岩土工程测试技术课件第六章.ppt

6 城市地铁区间隧道 盾构施工监测技术 6.1盾构法施工地层变形理论 6.1.1盾构法施工简介 盾构法施工概貌如图6.1所示，其主要步骤为： 1）在盾构法隧道起始端和终端各建一个工作井； 2）盾构在起始端工作井内安装就位； 3）依靠盾构千斤顶推力（作用在已拼装好的衬砌环和 工作井后壁上）将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出； 4）盾构在地层中沿着设计轴线推进，在推进的同时不 断出土和安装衬砌管片； 5）及时向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定 衬砌环位置； 6）盾构进入终端工作井并被拆除，如施工需要，也可 穿越工作井再向前推进。 图6.1盾构法施工概貌图 盾构机刀盘 盾构机始发 盾构管片 6.1.2盾构施工地层变形的原因 造成地表沉降的主要原因包括两个方面：其一是盾构 施工过程中产生的地层损失；其二是盾构隧道周围受扰动 或受剪切破坏的重塑土的再固结。 6.1.2.1地层损失 地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道 体积之差。周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引 起地面沉降。引起地层损失的施工及其他因素是： (1)开挖面土体的三维移动。 (2)盾构对土体的挤压和剪切摩擦。 (3)盾构刀盘的超挖。 (4)改变推进方向引起的超挖。 (5)土体挤入盾尾空隙。 (6)盾尾同步注浆与及时注浆。 6.1.2.2受扰动土的固结 盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道 的周围形成超孔隙水压力区(正值或负值)。当盾构离开该 处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压 力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引 起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作 用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值 的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的 一段时间内消散，在此过程中地层发生排水固结变形，引 起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时 间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉 降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固 结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达 35以上。 从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾 构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力 等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。 盾构推进引起的地层移动因素有盾构直径、埋深、土 质、盾构施工情况等； 客观因素：隧道线形、盾构外径、埋深等设计条件和 土的强度、变性特性、地下水位分布等地质条件； 主观因素：盾构的形式、辅助施工方法、衬砌壁后注 浆、施工管理等情况。 6.1.3地层位移的特征 按地层沉降变化曲线的情况，盾构隧道施工引起的地 层位移可分为5个阶段： 1盾构到达前的初始沉降。 2盾构到达时的沉降或隆起。 3盾构通过时的推进沉降。 4盾构通过后的盾尾空隙沉降。 5地层后期固结变形。 一般来说，随着地质条件和施工措施的不同，上述各 种沉降并不同时发生，并且沉降的大小和类型也不相同。 随着盾构施工技术水平的改进，盾构机对正面土压力的控 制技术和同步注浆技术可以极大的减小地面沉降。 6.1.4地面沉降及影响范围的预测 派克横向地面沉降分布公式为 距隧道中线处的地面沉降量(m)； 隧道中线处(即)的地面沉降量(m)； 距隧道中线的距离(m)； 沉降槽宽度系数，即沉降曲线反弯点的横坐标(m)， 派克并假定横向沉陷曲线为正态分布曲线。 当横向沉陷曲线为正态分布曲线时， 和沉降槽体积 （一般 认为横向沉降槽体积等于地层损失）有下列关系： 横向沉降槽宽度系数取决于接近地表的地层的强度、隧道 埋深和隧道半径。根据在均匀介质中的试验，可以从几何关系 中近似地得出： 派克纵向沉降分布（根据上海软土隧道情况修正）公式 图6.2地面沉降量及范围预测图 沉降影响范围估算公式： 地面至开挖面中心距离（m）； 隧道外半径（m）； 系数，见表6.1； 土质 盾构类型 砂砾土 砂性土 粘性土 气压式盾构 0.900.550.601.151.250.65 土压平衡式盾构 0.950.600.651.201.300.70 泥水加压式盾构 1.000.650.701.251.350.75 表6.1 系数 ， 表 6.2盾构隧道监测的意义和目的 由于盾构所穿越的地层地质条件千变万化，而施工前 的工程地质勘察的局限性，依据工程地质勘察不可能完全 揭示地质条件和岩土介质的物理力学性质，因此盾构法的 设计和施工方案总是存在一些不足。通过对盾构推进全过 程的监测，掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律， 将监测结果及时反馈，合理调整施工参数和采取技术措施 ，可以极大的减小地层位移，确保邻近建筑物的安全。施 工监测是对周围环境进行积极保护的一个关键措施，是安 全经济的完成整个隧道工程的一个重要保证条件。 施工监测的主要目的是： （1) 通过对监测数据的分析、处理，掌握隧道和周边地层稳定性、变 化规律、确认或修改设计或施工参数，减少地表和土体变形提供依据； （2）以信息化施工、动态管理为目的，通过监控量测了解施工方法和 施工手段的科学性和合理性，以便及时调整施工方法，保证施工安全。 （3）根据监测结果，预测下一步的地表和土体变形，以及对周围建筑 物及其它设施的影响，为采取合理的保护措施提供依据。 （4）检查施工引起的地面沉降和隧道沉降是否达到控制要求； （5）控制地面沉降和水平位移及其对周围建筑物的影响，以减少工程 保护费用； （6）建立预警机制，保证工程安全，避免结构和环境安全事故造成工 程总造价增加； （7）为研究岩土性质、地下水条件、施工方法与地表沉降和土体变形 的关系积累数据，为改进设计提供依据，为类似工程提供经验参考； （8）发生工程环境责任事故时，为仲裁提供具有法律意义的数据。 6.3盾构隧道监测内容及项目选取 6.3.1岩土介质和周围环境的监测 岩土介质和周围环境的监测包括：地下水监测 、土体变形监测、附近建筑物的监测等内容。 1地下水监测 根据对地下水的监测结果，可提出开挖面可能失 去稳定的警报，可以检验降水效果，并能为使用压 缩空气的压力提供依据，还有益于改进挖土运土等 施工方法。监测地下水情况的工作内容包括：地 下水位变化和孔隙水压力的监测；监测井点降水 效果；监测隧道开挖面、隧道及其它渗流处的地 下水渗流水量及带有土粒的渗流。 2土体变形监测 土体变形观测可包括如下项目： （1）地表变形 用普通水准仪观测隧道中心线上预设的地表桩以及观 测与隧道中心线相垂直的地表桩，进行纵向和横向地面变 形监测。 （2）地下土体沉降 观测盾构顶部正上方土体中一点的沉降量和在盾构正 上方的垂直线上几个点的沉降量，以确定影响地层损失的 因素。特别是对盾构正上方一点的沉降观测，比观测地表 沉降更为敏感，对确定施工因素更为有效。为了研究的目 的，还要观测离开盾构中心线的深层土体的沉降量。 3）地表水平位移及应变观测。 这种观测主要是对设在垂直于隧道轴线的断面上的地 表桩进行观测，以随时分析建筑物的安全问题。 （4）地下土体的水平位移量测。 沿盾构前方、两侧设测点，用测斜仪以量测盾构推进 中由于扰动引起的土体水平位移，从中可研究减少盾构扰 动的施工措施。 （5）土体回弹观测。 为了观测在盾构施工中盾构底部以下土体的回弹量，以 分析这种回弹量可能引起的隧道下卧土层的再固结沉陷(这 种隧道的再固结沉陷也要引起地表沉降)，可在盾构前方的 一侧埋设深层回弹桩。 （6）盾尾空隙中坑道周边向内移动的观测。 通过衬砌环上的压浆孔，埋置观测桩于衬砌环外的土 体中，观测隧道周边土体自开始脱出盾尾后的位移发展过 程，了解土体挤入盾尾空隙的速度；根据观测结果，及时 调整隧道内的气压压力或改进压浆工艺，以尽量减少盾尾 空隙导致隧道周边的内移，从而减少对隧道周围土体的扰 动及地表沉降。 3附近建筑物的监测 对附近建筑物的监测可以确定施工对建筑物的影响， 保证重要建筑物和公用设施的安全和正常运用，并对处理 损坏问题取得法律依据，监测包括： 监测建筑物在盾构穿越前后的变化； 建筑物在施工过程中的沉降监测； 建筑物的水平位移及应变量测； 建筑物墙身和地板的倾斜观测； 公用管道的应变观测及其地基沉降和水平位移观测； 当穿越铁路时，监测两条轨道的轨面和轨道枕木下地基面 的沉降量、水平位移、沉降差及沉降速率。 6.3.2盾构隧道结构的监测 盾构隧道结构的主要监测内容包括： 隧道各衬砌环自脱出盾尾后的沉降观测； 隧道应变的量测，包括用应变计量测结果计算结构构件 的轴力和弯矩； 隧道收敛位移量测； 隧道外侧的水土压力或水压力的量测； 预制管片凹凸接缝处法向应力量测。 6.3.3施工进程中的监测 为了能够充分分析各种问题和现象，并且为施工阶段 控制盾构的姿态提供资料，需要有一整套有关施工程序的 记录与相应的观测数据记录。每环隧道施工记录应包括以 下项目： 记录各环压浆时间、点位、压力、数量及浆配比； 盾构偏离设计轴线的水平及垂直偏差； 盾构千斤顶推进记录，包括各环每一次推进的开始和停止 时间，干斤顶开启只数、编号和压力； 从设计图中估计曲线隧道的理论土层损失，仔细量测并记 录排土量； 影响观测数据的环境因素，如温度及附近的施工活动等； 意外的不正常土层损失。 序号 监测对 象 监测类 型 监测项 目监测 元件与仪器 1 隧道结构 结构变形 隧道结构内部收敛 收敛计 ，伸长杆尺 隧道、衬砌环沉降 水准仪 隧道洞室三维位移 全站仪 管片接缝张 开度 测微计 结构外力隧道外侧水土压力 压力盒、频率仪 隧道外侧水压力 孔隙水压力计、频率仪 结构内力轴向力、弯矩 钢筋应力传感器、频率仪、环向应变 计 螺栓锚固力、管片接缝法向接触力 钢筋应力传感器、频率仪，锚杆轴力 计 2 地层 沉降 地表沉降水准仪 土体沉降分层沉降仪、频率仪 盾构底部土体回弹深层回弹桩 、水准仪 水平位移 地表水平位移经纬仪 土体深层水平位移测斜仪 水土压力 水土压力(侧、前面)土压力盒、频率仪 地下水位监测 井、标尺 孔隙水压孔隙水压力探头、频率仪 相邻环 境 周围建(构)筑物 地下管线 铁路、道路 沉降水准仪 水平位移经纬仪 倾斜经纬仪 建(构)筑物裂缝裂缝计 表6.2盾构隧道施工监测项目和仪器 6.3.4监测项目的选取 盾构法隧道施工监测项目的选取一般要根据每个工 程的具体情况、特殊要求、经费投入等因素综合确定， 目的是要使施工监测能最大限度地反映周围土体和建筑 物的变形情况，避免出现周围环境的破坏。监测项目的 选择时，考虑因素较多，如施工场地的工程地质和水文 地质情况、盾构隧道的设计方案和施工工艺、隧道施工 影响范围内建筑物（构筑物）或大型公用管道与隧道轴 线的相对位置及其结构特点等，另外设计提供的变形控 制值和安全储备系数也是考虑因素之一。这里需要注意 的是施工进程中的施工观测和记录，在所有情况下都是 需要的。 监测项 目 地 表 沉 降 隧 道 沉 降 地 下 水 位 建筑物 变 形 深 层 沉 降 地 表 水 平 位 移 深层位移、衬砌变形和沉 降、隧道结构内部收敛等 地下水位 情 况 土 壤 情 况 地下水位 以上 均匀粘 性 土 砂土 含漂石 等 地下水位 以下，且 无控制地 下水位措 施 均匀粘 性 土 软粘 土或粉 土 含 漂 石 等 表6.3 盾构隧道基本监测项目的确定 注： 必须监测项目；建筑物在盾构施工影响范围以内，基础已作加固，须监测；建筑物在盾 构施工影响范围以内，但基础未作加固，须监测。 上表中建筑物的变形系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降、水平位移和裂缝。 监测项 目 地 表 沉 降 隧 道 沉 降 地 下 水 位 建筑物 变 形 深 层 沉 降 地 表 水 平 位 移 深层位移、衬砌变形和沉 降、隧道结构内部收敛等 地下水位 情 况 土 壤 情 况 地下水位 以下，用 压缩 空气 软粘 土或 粉土 砂土 含漂 石 等 地下水位 以下，用 井点降水 或其它方 法控制地 下水位 均匀 粘性 土 软粘 土或 粉土 砂 土 含 漂 石 等 续表6.3 盾构隧道基本监测项目的确定 注： 必须监测项目；建筑物在盾构施工影响范围以内，基础已作加固，须监测；建筑物在盾 构施工影响范围以内，但基础未作加固，须监测。 上表中建筑物的变形系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降、水平位移和裂缝。 6.4.1监测方案的制定 监测方案的制定步骤： （1）收集和阅读有关场地地质条件、周围环境和相邻 结构物构造的有关材料； （2）现场踏勘，重点掌握地下管线和道路的走向，相 邻结构物的状况； （3）拟订监测方案初稿，提交建设单位等讨论审定。 初步通过后提交由市政道路监察部门召集主持各相关主管 单位参加的协调会议。方案通过后，监测工作始能正式实 施。 （4）监测方案在实施过程中可根据实际施工情况适当 调整与补充，但大的原则一般不能更改，特别是埋设元件 的种类和数量、监测频率和报表数量等应严格按商定的方 案实施。 监测方案设计的内容： （1）工程概况； （2）监测目的； （3）监测内容； （4）监测方法：元件埋设、监测仪器、监测频率； （5）监测成果：当日报表、监测总结报告； （6）监测费用：材料费用、人工费用、成果整理费用。 上述内容应根据工程实际情况和委托单位具体要求适当取 舍和调整。 6.4.2监测点的布置 6.4.2.1监测点布置原则 （1）按监测方案在现场布设测点，当实际地形不允许 时，在靠近设计测点位置设置测点，以能达到监测目的为 原则。 （2）为验证设计参数而设的测点布置在设计最不利位 置和断面，为指导施工而设的测点布置在相同工况下最先 施工部位，其目的是为了及时反馈信息，以修改设计和指 导施工。 （3）地表变形测点的位置既要考虑反映对象的变形特 征，又要便于采用仪器进行观测，还要有利于测点的保护 。 （4）深埋测点（结构变形测点等）不能影响和 妨碍结构的正常受力，不能削弱结构的刚度和强度 。 （5）各类监测测点的布置在时间和空间上有机 结合，力求同一监测部位能同时反映不同的物理变 化量，以便找出其内在的联系和变化规律。 （6）测点的埋设应提前一定的时间，并及早进 行初始状态数据的量测。 （7）测点在施工过程中一旦破坏，尽快在原来 位置或尽量靠近原来位置补设测点，以保证该测点 观测数据的连续性。 6.4.2.2地下水的监测点布置 图6.3监测隧道周围地层地下水位的水位观测井 1全长水位观测井；2监测特定土层的水位观测井；3接近盾构顶部水位观测井；4隧 道直径范围内土层中水位观测井；5隧道底下透水地层的水位观测井。 6.4.2.3土体变形的监测点布置 地表变形和沉降监测需布置纵(沿轴线)剖面 监测点和横剖面监测点，纵(沿轴线)剖面监测点 的布设一般需保证盾构顶部始终有监测点在监测 ，所以，监测沿轴线方向监测点间距一般小于盾 构长度，通常为35m一个测点，出洞区30m范 围内测点宜加密。监测横剖面布设，当埋置深度 2 （ 为隧道宽度）时，2050m布设一个 ；2 时，1020m布设一个； 时，10m布设一个。在横剖面上从盾构轴线由中 心向两侧按测点间距从25m递增布测点，布设 的范围为盾构外径的23倍，如图6.4所示。 图6.4盾构推进起始阶段土体变形测点布设实例 土体深层位移测孔一般布置在隧道中心线上，尤其是 盾构正前方一点的沉降，为了研究目的也可监测离开盾构 中心线一定距离的土体深层沉降。 地下土体的水平位移监测应沿盾构前方、两侧设测孔 ，用测斜仪量测;土体回弹观测点设在盾构前方一侧的盾 构底部以上土体中。 隧道沉降由衬砌环的沉降反映出来，衬砌环的沉降监 测是在盾构施工全工程中通过在各衬砌环上设置沉降点， 曲线段每l0m 设一个点，直线段每20m 设一个点，设在拱 底块的两肩上，按时测量其高程变化。 6.4.2.4附近建筑物、道路及管线监测点的布置 对于建筑物来说，监测点应布置在建筑物变形变化 较显著的部位，如建筑物的四周角点、中点及内部承重墙 （柱）上，并应沿建筑物周长每隔1012m设置一个监测 点，在每幢建筑物上面至少设置二个观测点，对于工业厂 房每根柱子均应埋设监测点，如有裂缝的需进行裂缝观测 ，必要时应拍照存档。 道路沉降监测必须将地表桩埋入道面下的土层中才能 比较真实地测量到地表沉降，铁路的沉降监测必须同时监 测路基和铁轨的沉降。 地下管线沉降监测点的布设，对重点保护的管线应将 测点设在管线上，并砌筑保护井盖，一般的监测也可在管 线周围地面上设置地表桩。管线监测点的间距按1520m 间距进行设点。 6.4.3监测频率的确定 监测工作从隧道掘进开始到全线贯通后，延长1个月 止。对地表沉降、邻近地下管线、邻近建(构)筑物的监测 ，应在盾构掘进施工前精确测定2 次取平均值为初始值。 各监测项目在前方距盾构切口20m，后方离盾尾30m的监 测范围内，通常监测频率为12次d；其中在盾构切口 到达前一倍盾构直径时和盾尾通过后3d以内应加密监测， 监测频率加密到为2次d，以确保盾构推进安全；盾尾通 过3d后，监测频率为1次d，以后每周监测1-2次直至变 形稳定。当观测变化较大时可增加观测频率。 6.5盾构邻近或穿越构造物时的保护措施 6.5.1盾构邻近或穿越构造物时可能出现的问题 盾构机通过时产生的地基变位分成三部分：盾构机通 过前的地基变位、盾构机通过时的地基变位、盾尾脱离时 的地基变位。盾构机通过前的地基变位和盾构机的推力相 关，推力大可能导致地基隆起，推力小则可能使地基凹陷 ；通过时的地基变位的原因在于盾构机于地层之间的摩擦 以及超挖和弯曲导致地层损失；通过后的地基变位原因则 在于盾尾的空隙和注浆等几方面的因素。 如果在施工期间隧道内出现涌水或者其他原因致使地 下水位下降时，也会引起地面的大面积沉降。在软弱地基 中，因土体的扰动而产生的影响可能会持续数月之久，期 间也可能产生较大的后续沉降。对于已经存在的结构物而 言，地基的变化也就相当于结构物的支承条件发生变化， 导致结构物的承载能力下降、甚至破坏，变形过大以至侵 入净空，不均匀沉降造成周边建筑物或地下管线破坏或不 能正常使用等。因此，施工中应对受影响的地面建筑物及 地下管线予以保护。 表6.4 地层变形对地下管线影响的初步估计 地表最大沉降值 /mm 脆性材料（灰口铁、石棉水泥、粘土制品） 延性材料（钢、延性铁、非受 火压力容器、聚乙烯） 10 与其他原因（如安装、交通荷载、季节变 化等）相比管线应力增加并不显著 10地层变形对管线的影响应详细评 价 25 管线应力肯定会有显著增加，小直径管线 有可能损坏 50 大直径管线有可能损坏 管线应力可能会有显著增加， 地层变形对管线的影响应详 细评价 表6.5 建筑物在不同沉降差下的反应 建筑结构类型 /L（L为建筑物长度，为差 异沉降） 建筑物的反应 一般砖墙承重结构，包括有内 框架的结构；建筑物长高比小 于10；有圈梁（天然地基） 达1/150 分隔墙及承重砖墙产 生相当多 的裂缝，可能发生结构性破坏 一般钢筋混凝土框架结构 达1/150发生严重变形 达1/150 开始出现裂缝 高层刚性结构（箱型基础、 桩基） 达1/250可观察到建筑物倾斜 有桥式行车的单层排架结构 的厂房（天然地基或桩基） 达1/300 桥式行车运转困难，不调整 轨面水平难运行，分隔墙有裂 缝 有斜撑的框架结构 达1/600 处于安全极限状态 对沉降差反应敏感的机器基础 达1/850 机器使用可能发生困难，处于 可运行的极限状态 6.5.2盾构施工影响范围的的判断 图6.5基底压力扩散示意图 6.5.3 保护对象的确定 1）对已有建筑物和地下管线进行调查。 主要针对I区的建筑物和管线开展较为充分的调查研 究，调查的主要内容包括三个方面：地基调查、结构物（ 管线）调查、资料收集。 2）确定已有建筑物（管线）的容许变形量。 确定其容许值时一般考虑两方面的因素：结构物的 功能；要维持结构物的基本使用功能；确保结构物的安 全性； 3）估算已有建筑物（管线）由于盾构施工可能产生 的变形量。 影响预测分析的方法一般包括：计算分析、经验类比 、模型试验等。 6.5.4 保护措施 保护措施可分为结构物加固、基础托换、地基加固 、隔断墙等几类方法。 1）结构物加固 对盾构施工影响范围内的既有结构物进行加固处理 ，增强结构物本身抵抗变形的能力。具体又可分为： 结构内部加固和对下部基础结构进行加固两种方式， 内部加固有加劲、加固墙体、增加支撑等方式；对下 部基础结构的加固有加固桩、网状桩和锚杆等手段。 2）基础托换法 当盾构施工需要将建筑物的桩基切断或可能使其产生 过大的变形时，常采用基础托换予以保护。可以预先在隧 道两侧或单侧影响范围外设置新桩基和承载梁，以代替或 承托原基础；也可从隧道的内部对基础进行托换，并且把 隧道的衬砌作为托换结构的一部分，如图6.6所示。 图6.6基础托换 3）地基加固 加固盾构机周围的地基，其目的就是增大盾构机周围的土 体强度，减轻盾构机掘进时周围的土体的松弛和扰动，使地基 变形不至于太大。如果遇到的结构物本身地基承载力不足，那 么小的扰动也可能导致较大的沉降出现，这时则可以有针对性 地加固结构物的地基，通过提高结构物地基承载力来控制结构 物的沉降量。具体的操作方法多采用化学注浆、旋喷桩、深层 搅拌桩、树枝桩等地基加固施工方法，如图6.7所示。 图6.7通过加固盾构机周围的地基来控制邻近施工的变形 4）隔断法 隔断法就是在盾构机与结构物之间建立一道屏障， 从而避免或减少盾构施工对建筑物基础的影响，使地 基变位被阻挡在影响结构物变位之外。通常的方法就 是在盾构机与结构物之间打入排桩、连续旋喷桩或者 地下连续墙，它们应按承受盾构通过时的侧向土压力 和地基下沉而产生的负摩阻力进行验算，以确定适当 的配筋和埋置深度。