（地质工程专业论文）地下工程下穿越施工微扰动指标体系研究.pdf

摘要 摘要 随着城市建设的不断发展，交通方面的地铁、隧道工程等地下空间的开发 利用越来越多。城市地下工程可能穿越建筑密集区、老城区，或重要构筑物， 为了控制地下工程下穿越施工对建筑密集城区的扰动度，并为施工过程提供相 应的预警措施，以确保施工对环境影响控制在微扰动的标准之内，建立施工微 扰动的评价指标可谓是“当务之急”。 本文基于顶管施工工艺特点，分析研究了下穿越工程施工过程对环境土体 产生的扰动机理，从应力扰动和应变扰动两个方面入手，研究建立了下穿越工 程施工对环境土体的微扰动评价指标，即孔隙水压力指标、临界应力状态面指 标、以及位移( 模量) 指标。 文章基于室内试验，获取了下穿越施工工程中不同应力路径下，原状土受 扰动后的应力应变曲线、强度特征、以及模量特征，定量分析研究了地下工程 施工扰动，引起环境土体的应力、应变状态变化。结果表明，土的剪切模量在 很小的应变范围内随应变的增大急剧减小，但不同应力路径下剪切模量的变化 幅度不同；微小的应变改变即可引起孔隙水压力的改变。同时，根据土的破坏 面与扰动度的定义，可以界定符合微扰动控制的临界应力状态面。 结合北京西路华夏西路电力电缆隧道顶管施工工程实例，本文对顶管施 工过程对环境影响的现场实测数据进行了分析探讨，并参照本文提出的指标体 系，定量分析了顶管施工过程中，隧道周边不同位置土体受扰动后的应力、应 变状态，评价了施工过程对周边环境的扰动程度。结果表明，本实例工程的施 工过程对环境的扰动程度，处于本文所定义的微扰动范围之内。 关键词：微扰动，下穿越施工，应力状态面，模量，位移 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o n ，t h ee x p l o i t a t i o no fu n d e r g r o u n d s p a c e ，s u c ha sm e t r o ，t u n n e l sa n ds oo n ，i si n c r e a s e d t h eu n d e r g r o u n dp r o j e c tm a y p a s sb e n e a t hs o m eh i g h l yd e n s e l yb u i l td i s t r i c t s ，o l da n dh i s t o r i c a lb u i l d i n g se r e i n o r d e rt ob r i n gt h ed i s t u r b a n c ec a u s e db yu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nu n d e rc o n t r o la n d m a k ep r e c a u t i o n si nc a s et h ed i s t u r b a n c ei sb e c o m i n gs e r i o u s l y , t h ed e t e r m i n a t i o no f i n d e x e sf o re v a l u a t i n gs m a l ls o i ld i s t u r b a n c ed u r i n gu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o nh a s b e c o m eac r u c i a li s s u e b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp i p ej a c k i n gc o n s t r u c t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e m e c h a n i s mo fs o i ld i s t u r b a n c ec a u s e db yu n d e r g r o u n dp a s s i n gt h r o u g hc o n s t r u c t i o n f r o mt h ep o i n to fs t r e s sd i s t u r b a n c ea n ds t r a i nd i s t u r b a n c e ，p o r ep r e s s u r e ，s t r e s s s u r f a c e ，a n dd i s p l a c e m e n t ( m o d u l u s ) a r ec h o s e na si n d e x e sf o re v a l u a t i n gs m a l l d i s t u r b a n c ei n d u c e db yu n d e r g r o u n dp a s s i n gt h r o u g hc o n s t r u c t i o n c o n s i d e r i n gd i f f e r e n ts t r e s sp a t h sc a u s e db yu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o n ，t h e s t r e s s s t r a i nc u r v e ，s t r e n g t ha n dm o d u l u sc h a r a c t e r i s t i c sa r ee x p l o r e db yl a b o r a t o r y t e s t s t h ec h a n g e so fs t r e s sa n ds t r a i n ，i n d u c e db yc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c ea r e q u a n t i t a t i v e l ya n a l y z e d r e s u l t ss h o wt h a ti ns m a l ls t r a i nd o m a i nt h es h e a rm o d u l u s d e c r e a s e ds h a r p l ya st h es t r a i ni n c r e a s e d b u tt h ec h a n g er a n g eo fs h e a rm o d u l u si s d i f f e r e n ta m o n gd i f f e r e n ts t r e s sp a t h s s m a l lc h a n g eo fs t r a i nw i l lc a u s et h ec h a n g eo f p o r ep r e s s u r e m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ef a i l u r es u r f a c ea n dt h ed e f i n i t i o no f d i s t u r b a n c er a t i o ，t h ec r i t i c a ls t r e s ss u r f a c eo fs m a l ld i s t u r b a n c ei sd e f i n e d b a s e do nt h ei n s t a n c eo ft u n n e l sl o c a t e df r o mw e s tb e i j i n gr o a dt ow e s th u a x i a r o a di ns h a n g h a i ，t h i sp a p e rm o n i t o r e dt h es o i ld i s t u r b a n c ei n d u c e db yp i p ej a c k i n g c o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ed a t a ，t h es t r e s sa n ds t r a i no fs o i li nd i f f e r e n tl o c a t i o n s a r o u n dt h et u n n e la r ea n a l y z e d t h ed i s t u r b a n c ei se v a l u a t e db yt h ei n d e x e s r e s u l t s s h o wt h a td i s t u r b a n c ei nt h i si n s t a n c ei sw i t h i ns m a l ld i s t u r b a n c ed o m a i n k e yw o r d s ：s m a l ld i s t u r b a n c e ，p a s sb e n e a t hc o n s t r u c t i o n ，c r i t i c a ls t r e s ss t a t es u r f a c e ， i i a b s t r a c t m o d u l u s ，d i s p l a c e m e n t i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 届w l 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：李耻豸 汩7 年弓月腭日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第1 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 近十年来，我国城市规模不断迅速扩大，随着地铁工程、轨道交通工程及 城市隧道的逐步规划和建设，在地铁、高速公路、机场跑道、重要保护建筑等 各种不同类型的重要地面和地下建( 构) 筑物下修建地下通道的情况越来越多， 且地铁等地下工程的建设规模不断扩大，强度不断提高；另一方面，城市建设 规模不断扩大，周边环境留给地下工程施工的容许影响空间越来越小，即环境 对地下工程施工过程产生的扰动控制要求越来越高。 地下工程下穿越施工要从地下天然原状土中穿过，也就难以避免对其周边 土层产生一定程度扰动，而且扰动方式千变万化，影响周围土体工程性质的变 化程度也不相同。地下工程施工引起的环境影响主要包括：施工对周围岩土体 的扰动，引起岩土体变形，可能影响地表建筑和已有管线设施；施工引起地下 水水位变化；还有施工产生的振动、噪声等对周围环境的影响等。 因而，建筑密集的城区工程施工过程中，在确保工程自身安全的同时，环 境影响控制与保护问题，已成为决定工程成败的一个关键因素。针对复杂地质 条件下、城区地下工程施工，开展施工过程对环境土体的微扰动控制技术研究 已越来越受到重视。 地下工程施工对环境土体的扰动表现为：土体中应力、土的结构性、孔隙 水压力、含水量和化学成分的改变【l 】，而且对软土地区来说，尤以扰动对土的结 构性影响最大。土的结构性是指土颗粒和孔隙的形状与排列方式及土颗粒之间 的相互作用力【2 1 ，是天然土体在沉积过程以及沉积后受到各种物理化学作用而产 生的。土结构性的强弱是与土的先期固结压力、沉积条件、沉积时问以及土的 物理化学成分等相关的，绝大多数天然土都有一定的结构性，结构性对土的工 程性质有强烈的影响。天然结构性土与重塑土在各方面均表现出不同的性质。 上海地区浅层土为第四纪沉积层，地质年代较新，比较软弱。土层呈带状 分布，地下水埋藏较浅，平均埋深为0 7 m 。工程实践中遇到的主要问题大都发 生在软粘土和粉性土层中。软粘土具有含水量高、孔隙比大、强度低等特点， 粉性土在机器振动、车辆荷载、地震力等反复作用的荷载下可能产生液化或大 1 第1 章绪论 量沉陷变形。因此，天然地质条件的影响，使得上海地区土层更易于受到临近 地下工程施工扰动的影响。 然而，由于施工引起扰动对环境土体性质的影响机理的复杂性，目前针对 复杂地质条件下、城区地下工程施工过程中的环境影响和保护问题研究，尚停 留在工程实录阶段【3 “】，对施工扰动、特别是微扰动评价指标体系的研究尚未 见报道。 可见，为了合理地分析地下工程建设对土层产生的变形、地表沉降以及对 周围构筑物的影响，维持周围环境的稳定，控制地下工程施工对建筑密集城区 的扰动度，并为施工过程提供相应的预警措施，以确保施工条件在微扰动的标 准之内，建立施工微扰动的评价指标已是“当务之急”。 本文拟针对上海地区软土的特性，在分析研究地下工程下穿越施工引起土 体扰动机理的基础上，考虑实际施工过程中不同应力路径对土体的应力状念、 应变状念的扰动影响，借助室内试验与现场实测资料分析，建立施工微扰动的 评价体系，为上海地区下穿越地下工程的环境保护提供科学依据。 1 2国内外研究现状 1 2 1扰动状态概念 扰动状态概念( d i s t u r b e ds t a t ec o n c e p t ，d s c ) 5 l 为研究施工扰动对土体的影响 提供了一种统一模拟方法。如图1 1 所示，d s c 是基于这样一个思想：材料单元 可被认为是由相对完整( r e l a t i v ei n t a c t ，r i ) 状态和完全调整( f u l l ya d j u s t e d ，f a ) 状 态组成的混合物。在外界荷载作用之前，材料处于相对完整状态或无扰动的连 续介质状态：外界荷载( 机械力、热力、环境力) 的作用，将引起材料微结构的扰 动，致使材料内部微结构发生变化。由于扰动，材料内部的微观结构从( 最初 的) r i 状态，经过一个自组织或自调整过程，最终达到f a 状态。这种扰动可通 过扰动度d ( 或扰动函数) 来定义，它表示观测状态、初始状态与临界状态的关系， 并用宏观观测量来描述扰动的演化，从而对材料的工程性质进行模拟。即 = ( 1 一d 域+ d ( 1 1 ) 式中：d 为扰动度，就是外加荷载对土体材料结构性的破坏程度；上标c ，0 ，f 分别表示观测的状态、相对完整的状态和完全调整状态的响应。 2 第1 章绪论 图1 1d s c 模型示意图 根据式( 1 1 ) ，材料的观测状态可根据材料的两种基准状态响应通过扰动度d 来表达。d 取决于材料的塑性变形、初始条件、温度以及含水量等，可通过材料 的相关参量来描述，如应力应变关系、波速、孔隙水压力、有效应力、孔隙率 等，因此d 具有不同的函数形式【6 j 。 扰动状态是一种微观描述，它从土体结构性出发，设置两种参考状态，通 过加权平均得到实际扰动状念。施工扰动则是一种宏观描述，侧重于通过土工 参数描述扰动对土体结构性的影响。由于施工扰动的方式多种多样，目前土受 施工扰动影响的评价指标缺乏系统研究，作者从前人定义的扰动度出发，先对 取样扰动的研究成果进行综述，然后介绍施工活动对周围土体相关指标的影响。 1 2 2取样扰动评价方法 土样扰动问题，在土力学发展伊始就被人们所注意，并得到了不断地研究 与改进。长期工程实践经验表明，虽然原位检测技术能避免或减弱取样扰动问 题，但直到目前，仍无法完全取代钻探、取样及室内试验的方法。这主要是因 为原位测试技术需要大量的工程经验积累，数据判断带有不少人为因素，对仪 器设备依赖性较高，适用范围有自身限制等；相反，室内土工试验则具有灵活、 直观性强及易于控制等优点。 因此，针对地下工程施工扰动评价问题，前人基于大量的研究，依据施工 扰动的特点，从原位测试与室内试验等不同的角度提出了相应的扰动度定量评 价方法。 ( 1 ) 残余孔隙水压法 3 第1 章绪论 h o v r s l e v ( 1 9 4 9 ) 1 1 认为饱和土的不排水抗剪强度取决于原始有效应力状态 和含水量。土体受取样扰动后，假设土体的原位应力解除，含水量没有发生变 化。根据有效应力原理，孔隙水压可表示为： u p ；一r z k 。一a ( 1 一k 。) 】 ( 1 2 ) 式中，丫一土的容重； z 一取土深度；k o 一静止侧压力系数；a 一孔隙水压系 数。 扰动度h 可定义为残余孔压u ，与孔隙水压1 1 d 的比值： 九：生 “p ( 1 3 ) 当k = 0 ，表示土样完全扰动；当x d = 1 ，表示土样未被扰动。 ( 2 ) 体积压缩法 s c h m e r t m a n n ( 1 9 5 3 ) f 7 1 根据室内小荷载压缩试验的e 1 9 p 曲线，采用孔隙 比作为评价扰动度的指标。如图1 ，扰动度k 由下式计算： e 九。石 ( 1 4 ) 式中，a e 为在压力p c 作用下，理想压缩曲线和实际压缩曲线的孔隙比差值； a e o 为在压力p c 作用下，理想压缩曲线和完全扰动曲线的孔隙比差值。 l g 麒对敦) k p a 蔓 壁 图1 2 体积压缩法( 据s c h m e r t m a n n ，1 9 5 3 ) 由上式可知，扰动指数越小，土样所受扰动越小，根据扰动指数可对土样 的扰动程度进行评价，见表1 1 。 4 第1 章绪论 表1 1 扰动指数分类评价标准 扰动指数扰动程度 0 7 非常大扰动( 重塑) 上式中的扰动指数一般大于0 ，只能反映取样扰动引起孔隙比的扰动情况， 不能反映出加载和卸载时扰动工况，因此也具有一定的局限性，不能全面地描 述各种不同扰动影响下土体性状的变化情况。 ( 3 ) 不排水模量法 饱和土受扰动后，不排水模量的改变最为显著。l a d d 和l a m b e ( 1 9 6 3 ) 8 l 首先 提出用不排水模量作为评价扰动度的指标，扰动度h 由下式计算： 九= ( 1 5 ) 式中，e s o 为原状土不排水割线模量，指应力达到峰值强度5 0 时的割线斜率； 陋s o j 为重塑土不排水割线模量，指应力达到峰值强度5 0 时的割线斜率；【乞j 为 “理想土样的不排水模量。所谓“理想土样”是指只经受应力解除而没有遭 受任何其它扰动影响的土样。 综上所述，对于取样扰动的研究，目前主要从土的孔隙水压力、孔隙比及 不排水模量的改变作为指标来评价取样扰动的程度。 1 2 3施工扰动的评价方法 虽然对取样扰动的研究成果可以借鉴，但它与土体受施工扰动影响有着很 大的区别，截至目前，有学者从影响施工扰动的因素出发，建立了土体受施工 扰动的扰动度计算方法。 ( 1 ) p q e 评价法 张孟喜( 1 9 9 9 ) 1 9 j 重点考虑了施工扰动引起黄土应力状态、应力路径及孔隙比 ( 密实度) 的变化，如果土体受到扰动后，沿着扰动应力路径及孔隙比变化路 径达到破坏曲面，此时扰动程度最大，即扰动度h = 1 ，按照p - q e 坐标系统中的 5 第1 章绪论 应力路径中平均应力p 、偏应力q 、及孔隙比e 增量矢量和的相对值定义为扰动 度k ，即， 】卸2 + 幻2 + a e 2 、p j + q ；+ e ； ( 1 6 ) 式中，卸为扰动引起的应力p 值增量；却为扰动引起的应力g 值增量；a e 为 扰动引起的孔隙比e 值增量：pr 为从初始状态到破坏曲面的p 值增量；q ，为从 初始状态到破坏曲面的q 值增量；p ，为从初始状态到破坏曲面的孔隙比e 值增 量。 ( 2 ) 力学参数法 徐永福( 1 9 9 9 ) 【l o 】把施工扰动分为应力扰动和应变扰动两类，根据现场监测结 果研究，定义了一个施工影响度： d ；1 一m d m o ( 1 7 ) 式中，m d 、m 。别为土体受施工扰动影响后和未受施工扰动影响的力学参数。 为反映盾构施工引起周围土体的应力扰动程度，定义应力扰动比r 为： 尺；擘 “ ( 1 8 ) 式中，、吼分别为土体的原位有效应力和受盾构掘进影响后的有效应力。 并定义应力影响扰动影响度d 为： d 一1 一尺 ( 1 9 ) 式中，d 为应力扰动影响度，d 0 1 】。应力扰动影响度越大，周围土体应 力扰动程度越高；d = o ，周围土体没有应力扰动；d = 1 ，周围土体应力扰 动最大。 ( 3 ) 切线模量法 黄斌( 2 0 0 6 ) 【1 1 】通过三轴试验和固结试验，提出了用切线模量来建立在固结与 塑性失稳综合作用下，土体受扰动的程度。 渊一( 一封积叫一等) 式中，口2q 一，q 、0 3 分别为土体最大、最小主应力；幻为扰动引起的口值 6 第1 章绪论 增量；舰为沿应力路径从初始状态到极限状态q 值增量；a e 为孔隙比值增量； o c r 为初始状态下土样的超固结比；a 为e 1 矿坐标平面上压缩曲线斜率；j r 为e 1 妒坐标平面上回弹曲线斜率。 ( 4 ) n a g a r a j ( 1 9 9 0 ) 1 1 2 1 分别从结构屈服应力和弹性模量的角度给出土体扰动 程度的评价方法，它们分别是： 肋：鱼二堡1 0 0 s d ；姓1 0 0 e 啦 式中为原状土的结构屈服应力；呸为扰动土的结构屈服应力； 的弹性模量；瓦为扰动土的弹性模量。 ( 1 1 1 ) 毛为原状土 根据结构性土体的上覆压力、结构屈服应力与不排水强度的关系： 量；笠。渊盯 吼 ( 1 1 2 ) 可以将式( 1 i i ) 推导出： s d ；墅蔓1 0 0 3 “ ( 1 1 3 ) 式中瓯和爱为受扰动前后的不排水强度，可以通过原位十字板剪切实验测定， 该公式从不排水强度的角度出发，是一个很好的原位测试土体扰动度的方法。 ( 5 ) 王令忠( 2 0 0 7 ) 【1 3 1 等根据文酬1 4 】提出的结构性软土的折线形原位压缩曲线 ( 见图1 3 ) ，将室内试验曲线进行校正得到了扰动土的原位压缩曲线，进而得 到原位扰动度： 肋。1 一堕 r ( 1 1 4 ) 其中兄为天然未扰动土结构屈服应力与上覆自重应力之差，咒为扰动土结构屈 服应力与上覆自重应力之差该公式通过校正得到了原位压缩曲线和扰动土的 原位压缩曲线，从而避免了取样扰动的影响。 根据结构性土体的上覆压力、结构屈服应力与不排水强度的关系得到扰动 度计算公式： 7 第1 章绪论 f d ；肇五f d ：丝 一或 墨一1 ( 1 1 5 ) 其中，踮和瓯，分别为土体受扰动前、扰动后以及完全扰动的不排水强度，墨 和算为土体受扰动前后的灵敏度。 2 0 r 1 8 卜 自重应力； z 。n e l 结构屈服应力 彳且g ，z c o n e - 2 ，、转折应力 立1 4 二、? ，原能压缩曲线 錾压缩状态转折线、。、 - - 3 1 2 一 lz o n e - 3 1 0 ” 、1 ll o 8 重塑十试验曲线j 0 6 一 j 1 1 01 0 01 0 0 01 0 0 0 0 固结压力k p a 图1 3 扰动土的原位压缩曲线的校正 这种方法在使用时，可以直接通过原位测试扰动土体的不排水强度或灵敏 度得到土体的扰动度，使用比较方便。 综上所述，对于施工过程对土体的扰动，前人主要从土的应力状态、应变、 应力路径、孔隙比、结构应力角度来定义受施工扰动的程度。 1 3 本文主要研究内容 本文以地下工程下穿越( 顶管) 施工引起的土体扰动为研究主线，通过室 内试验和现场实测的手段，对地下工程下穿越施工引起土体微扰动综合评价进 行研究，建立了地下工程下穿越施工引起土体微扰动综合评价指标体系，并结 合北京西路一华夏西路电力电缆隧道工程顶管施工标段施工实例，进行了必要的 验证分析。论文开展的工作，为上海地区等类似的软土地区的下穿越地下工程 的环境保护做出了有益的尝试。 本文主要开展了以下几个方面的工作： 8 第1 章绪论 ( 1 ) 系统归纳分析了地下工程施工过程对周围环境扰动的概念、评价指标 与评价方法的研究成果，分析比较了各种方法的优缺点； ( 2 ) 基于顶管下穿越工程施工工艺特点，分析研究了施工过程对环境土体 扰动的产生机理，研究建立了下穿越工程施工对环境土体的微扰动评价指标； ( 3 ) 基于业已确定的下穿越工程施工对环境土体的微扰动评价指标，通过 室内试验手段，定量分析研究了地下工程施工扰动，引起环境土体的应力、应 变状态变化； ( 4 ) 结合实际工程，依据现场实测数据，定量分析了顶管施工过程中，隧 道周边不同位置土体受扰动后的应力、应变状态，就此下穿越工程施工对土体 的扰动进行了评价。 9 第2 章下穿越丁程施下微扰动指标体系 第2 章下穿越工程施工微扰动指标体系 2 1 下穿越工程施工引起的土体扰动机理分析 地下工程下穿越施工不可避免地要对周围土体产生扰动，引起土体变形， 导致地面建筑物倾斜、开裂乃至坍塌，既有隧道或地下管线断裂、破损，道路 路面破损等一系列的环境岩土问题。研究施工过程对周边环境土体的物理力学 性质的影响，建立施工微扰动指标体系，对于安全施工与环境保护具有非常重 要的理论与工程实际意义。施工过程中，环境土体因施工扰动引起的变化主要 有： 土体应力的改变； 含水量及孔隙比的变化； 土体结构性部分破坏； 化学成分分离与混合等。 其中，含水量改变还意味着孔隙水压力的改变，它与应力的改变属于应力 状态改变的范畴。土体结构性破坏微观上表现为粒问相对位移，宏观上表现为 弹性模量和剪切模量等土性参数的改变，土体的弹性模量和剪切模量与土体粒 间位移有关。因此，土体微观结构改变体现了土体应变状态的改变。施工扰动 对土体的影响主要可以概括为应力状态和应变状态两方耐1 5 j 。 地下工程下穿越施工过程中，由于地面交通和建筑环境的限制，常常不能 采用传统的明挖法施工技术，而采用对地面和周围环境干扰较小的暗挖法施工 技术，即非开挖技术。到目前为止，暗挖施工技术主要有两类工法：盾构隧道 工法和顶管隧道工法。鉴于拟选用的依托工程，本文将结合顶管施工工况和不 同的影响因素分析施工扰动对周边环境土体的影响。 2 1 1 施工引起的土体应力改变 下穿越工程的隧道或地下洞室掘进中，隧洞不同位置土体所受的应力不同， 因而土体的应力状态即可作为衡量土体扰动程度的标准。图2 1 为隧洞不同位 置处的应力状态，拱顶与底部附近土体a ，e 单元，竖向卸载，侧向荷载基本 1 0 第2 章下穿越。i ：程施一j ：微扰动指标体系 不变；侧壁边墙附近c 单元，侧向卸载，竖向荷载基本不变，而在边墙与拱顶、 底部的结合部b 、d 单元，两个方向均卸载。 图2 1 隧洞不同位置处的应力状态 顶管施工对土体的扰动是由于施工过程引起周围土体内部附加应力改变而 造成的。魏纲1 1 6 】等指出受顶管施工扰动的土体可分为7 个扰动区( 见图2 2 ) ， 分别是挤压扰动区、剪切扰动区、卸荷扰动区、卸荷扰动区、剪切扰 动区、注浆剪切扰动区和固结区。各扰动区土体所受到的施工扰动应力 不同，扰动作用也不相同。 挤压扰动区内土体距离丌挖面较远，主要承受挤压应力作用而产生挤压 变形，随着掘进机的推进，挤压应力随之增大，土体所受水平应力也会有所增 加。 剪切扰动区内的土体，一方面由于开挖导致应力松驰，土体所受水平应 力减小；另一方面又由于顶进推力和平衡泥浆的压力，土体所受水平应力又有 所增加。当这两方面引起的应力变化能够维持水平应力基本不变时，施工对该 部分土体的扰动最小。 卸荷扰动区内的土体，在项管推进时，其所受水平和竖直方向应力均有 所增加，并导致地表产生隆起变形。掘进机通过后，由于掘进机与后续管节之 间的管径差，加上泥浆中水份逐渐流失，使该区土体应力松驰，结果是导致地 表沉降变形。 卸荷扰动区位于管道下方，扰动机理与区基本相同，但由于区土体 的深度比区大，其抗剪强度要明显大于区。加上掘进机与后续管节的重力 压载作用，区土体遭受的扰动程度要明显小于区土体。 掘进机推进过程中外壳与周围土体之间产生摩擦阻力，该力作用的结果是， 在掘进机外壳周围土体中产生剪切扰动区，该区的特点是范围较其他区小。 第2 章下穿越工程施r t 微扰动指标体系 当不注浆时，注浆剪切扰动区内土体受到管道与周围土体之间的剪切摩 擦力，注浆可以减轻摩擦效果，该区的范围与注浆压力、注浆量、注入地层的 部位、顺序和管道外径等有关。 在固结区，顶管管道周围土体受施工扰动后，将形成超静孔隙水压力区。 随着掘进机向前推进，超静孔隙水压力下降，孔隙水消散，土体发生固结作用， 土层将产生沉降。 图2 2 顶管施工扰动分区图( 据魏纲， 2 0 0 4 ) 2 1 2 含水量及孔隙比的变化 施工过程中的工程施工降水、以及可能遇到的暴雨等引起的地下水位升降， 均将引起土体含水量的变化，从而引起土体强度、承载力的变化。含水量的变 化可能会引起土体的压缩性变化，从而使地面产生差异沉降。实践表明，随着 含水量的增加，土体的压缩性增加，不大的应力增量将产生可观的沉降，导致 地面沉降增大，地表出现裂缝、危及相邻建( 构) 筑物的安全。 天然的软土体大多具有结构性，在沉积过程中，土体内可能形成一些大的 孔隙，施工过程能够对这些大孔隙产生明显的影响。而土体孔隙的改变直接影 响着土的密实度、抗剪强度、承载力、固结状态及渗透性等。 1 2 第2 章下穿越丁程施t 微扰动指标体系 2 1 3 土体结构性部分破坏 土结构性与土的形成过程有关，即与土的沉积环境、各种沉积力、土颗粒 性质及土颗粒表面力、以及沉积后各种地质力的作用有关，土结构性是上述因 素综合作用的最终产物。从广义上讲，其对土的力学特性有很大的影响。 对于灵敏度很高、结构性很强的土体，当受到外来因素的扰动时，土粒间 的胶结物质以及土粒、离子、水分子所组成的平衡体系受到破坏，土的强度降 低和压缩性增大，其内部结构和应力状态均会发生变化。扰动改变了土体的应 力和应变状态，压缩指数随扰动度增加而减少，结构性软土压缩指数随扰动度 增加而减少的幅度较大，结构屈服应力随扰动度增加而减小，二者之间基本呈 线性关系1 1 u j 。 2 1 4 化学成分分离与混合 在项管施工中，为了将管土之问的干摩擦变为湿润摩擦，以降低摩擦阻力， 常采用注浆处理；同时，注浆还可以起支撑作用，注浆压力可使隧洞保持稳定； 另外，通过泥浆向管道周围土体的渗透作用来改良土质。总之，顶管施工中的 注浆处理将改变土体原有的化学成分，结果对地基土产生有利扰动。 2 2 施工微扰动的评价指标 综上所述，随着城市建设的不断发展，交通方面的地铁、隧道工程等地下 空间的开发利用越来越多。城市地下工程可能穿越建筑密集区、老城区，或重 要构筑物，为了合理的分析这些地下工程建设对土层产生的变形、地表沉降以 及对周围构筑物的影响，维持周围环境的稳定，控制地下工程施工对建筑密集 城区的扰动度，并为施工过程提供相应的预警措施，以确保施工条件在微扰动 的标准之内，建立施工微扰动的评价指标可谓是“当务之急 。 2 2 1 微扰动的界定 显然，在复杂地质条件下、建筑密集城区地下工程施工过程中，下穿越施 工工程引起土体的扰动越小，则对周围环境的影响便越小。但何谓微扰动一直 是学术与工程界共同关心的问题。s c h m e r t m a n n ( 1 9 5 3 ) 1 5j 根据室内小荷载压 缩试验的e 1 9 p 曲线，提出扰动度的表达公式，并给出了扰动程度评价等级的 1 3 第2 章下穿越工程施工微扰动指标体系 概念。他认为扰动度h 由理想压缩曲线和实际压缩曲线的孔隙比差值、与理想 压缩曲线和完全扰动曲线的孔隙比差值的比值来确定，当k 0 3 时，可以认为 土体处于轻微扰动的范畴。 参照s c h m e r t m a n n 的判别标准，本文针对不同的评价指标，借用h 0 3 作 为微扰动的判别依据。 下穿越工程施工前后，地表变形、隧道变形、周围建筑物的变形、周围管 线的变形、隧道结构内部收敛、隧道管片内钢筋应力、管片间螺栓锚固力的值 均可以作为评判施工扰动对周围环境影响的指标。由于本文着重从施工对土体 状态影响的宏观角度进行研究，故这里选取地表沉降变形作为施工扰动的评价 参数。 工程施工过程中，往往根据具体工程需要选取一定的监测项目，并依据相 应的变化值控制标准，当实测值达到或超过此标准时，就认为有可能发生安全 事故。有关变形测量规范中很少有控制标准的明确规定，但大都遵守一个不成 文的规定，即在浅埋暗挖地铁施工过程中，地表沉降值控制在3 0 m m 以内。实 际上，地表沉降控制标准不能一概而论，对于特殊地质条件和特殊工程环境， 地表沉降控制标准的制定，应根据地铁或其城市地下工程施工范围内的环境( 建 筑物、管线等) 状态进行分析。王梦恕等【1 7 】通过对北京地铁1 2 个浅埋暗挖隧道、 7 个浅埋暗挖车站地表沉降值的统计分析表明，大多数暗挖区间隧道的地表沉降 值在2 0 m m 。6 0 m m 范围内。本文所依托的北京西路华夏西路电力电缆隧道工 程，处于上海的软弱粘土地层中，周围环境要求较为严格，地面位移变化限制 要求较高。显然，地表沉降值在2 0 m m 6 0 m m 范围已经不能满足施工微扰动的 控制要求。 因此，参照上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定中的 有关规定，本文界定地下工程下穿越施工引起的土体微扰动的控制标准为：顶 迸过程中，隧道绝对沉降量及水平位移、 l o m m ( 包括各种加载和卸载的最终位移 量) ，速率3 m m d 。 2 2 2 受施工扰动土的应力状态指标 基于上述界定的微扰动概念，本文拟选取下列指标作为下穿越工程施工对 周围土体扰动的控制参数。 2 2 2 1 孔隙水压力指标 1 4 第2 章下穿越t 程施t 微扰动指标体系 土体是由颗粒( 固相) 、气( 气相) 和水( 液相) 所组成的三相体系，土体介质的 力学行为受土体颗粒间压力、孔隙水压力及气压力的控制。t e r z a g h i 提出了孔隙 水压力理论，对饱和土而言，土体总应力等于土体有效应力和孔隙水压力之合， 用它可以解释土体的力学行为以及土体的强度、变形等参数的变化。 地下工程下穿越施工对周围土体施加的外荷载( 或附加荷载) 将引起扰动，在 隧道周围形成正的或负的超孔隙水压力区。不排水条件下，冲击荷载作用引起 土样剪切变形，伴随孔压上升。对灵敏度高、结构性强的软粘土，外部扰动荷 载的作用( 如轻微的激振力) 并不足以破坏土体的微结构，也不致造成土体结构强 度的完全丧失，但微小的剪应变即可使土颗粒之问的连接得以松动，土颗粒之 问的连接被“激活”，薄膜水向孔隙水转化，从而激发出较高的孔隙水压力。伴 随孔压上升，有效应力降低，土体强度下降。 鉴于此，可通过监测土体孔隙水压力变化，以实现施工对土体扰动的评价。 早在1 9 4 9 年，h o v r s l e v 就提出了用孔隙水压力值的改变量作为计算扰动度的方 法，即扰动度h 可定义为残余孔压u ，与孔隙水压u p 的比值： 九：生 “p ( 2 1 ) 当h = 0 ，表示土样完全扰动；当h = 1 ，表示土样未被扰动。 同时，大量的实践表明，采用孔隙水压力作为参数来研究施工过程对周围 土体扰动是可行且有效的。宋永辉【1 8 l 通过分析现场超孔隙水压力监测的数据， 对盾构隧道施工中土体扰动进行了研究。通过土体超孔隙水压力和有效应力间 的必然联系，得出超孔隙水压力引起的地面沉降，对盾构扰动引起的地面沉降 进行预测和评价。易宏伟【1 9 1 发现，盾构推进过程中，与地表沉降指标相比，孔 隙水压力反应大约要快0 5 - - - l d ，即采用监测孔隙水压力变化指标来反映施工过 程对环境的影响，比地层沉降监测过程具有超前性和灵敏性。璩继立【刎根据上 海合流污水工程，比较孔压与地表沉降关系成发现：孔压变化与地层隆起变化 相一致，但孔压的反映较地表沉降变化快且敏感，在峰值出现时差上，大约快 0 5 1 天。其原因是前者为力系，反映即时，后者是力系作用的结果，反映必然 是滞后的。同时还可以推算出4 0 m b a r 的孔压变化将出现1 0 m m 的地表沉降或隆 起。因此通过监测孔压的变化来判断地层的扰动以预测地层的变形，进行超前 预测预报，具有一定的优越性，应引起工程界的重视。鉴于此，孔隙水压力可 1 5 第2 章下穿越工程施工微扰动指标体系 以作为评价土体受扰动的指标，且其的变化超前性可以有效地为不良施工状况 作出预警，以确保施工质量及时校正，以满足环境控制的要求。 根据有效应力原理，孔隙水压力可以通过比较有效应力和总应力路径求得， 孔隙水压力为： a u = p - p 7 ( 2 2 ) 式中：p = ( o r - + 仃：+ c r 3 ) 3 ，p 7 = + 仃! + 叫) 3 。 土体可能经受的应力路径有轴向压缩、轴向伸长、侧向压缩和侧向伸长等 情况。盛树馨掣2 1 1 室内试验研究成果表明，对于正常固结饱和粘土，不论压缩 还是伸长试验，尽管施加的总应力路径显著不同，所得到的有效应力路径是一 致的。b i s h o p 等【矧在k o 条件下三轴试验结果也得到类似的结论，这就是所谓的 有效应力路径唯一牲。 由上式可知，不同总应力路径下的孔隙水压力显然不同。可见，研究孔隙 水压力的变化规律，应该考虑应力路径的影响。 2 2 2 2 临界应力状态面 地下工程开挖的卸荷过程改变了地基土的初始应力状态，土体的力学特性 也会随之变化，且不同施工扰动产生的不同应变状态对应着不同的应力状态。 为了较为准确的探求在复杂条件下土的性状，评价土体受施工扰动的影响，特 别是控制施工微扰动的要求，分析施工中在比较小的土体应变范围内土体的应 力状态具有一定的指导意义。换句话说，如果我们能够给出土体的极限应力状 态面，利用土的当前应力状态与极限应力状态的关系，结合具体的微扰动控制 标准，即可以用来判断施工对周围环境所产生的扰动是否在预期范围之内。因 此，通过建立土体的临界应力状态曲面，再结合土受扰动后的当前应力状态即 可以评价土体受施工扰动的程度。 由第一节的内容可知，地下工程施工引起土体应力状态的改变与土体所经 历的具体应力路径密切相关，不同的应力路径下，土的应力应变特性有着极大 的不同。一般认为，应力路径的不同，土的强度参数也不同，由此导致的土体 强度及变形特性也不同，或者说，对于理想的均质土来说，无论是排水或固结 不排水，三轴压缩或三轴伸长等不同应力路径，其有效强度指标c 、尹值差别不 大，而对于各向异性土即带有层状构造的土样来说，不同的应力路径三轴试验， 不仅对强度参数产生很大影响，而且对应的变形指标也有很大差异。因此，应 1 6 第2 章下穿越下程施。r 微扰动指标体系 力路径三轴试验作为三轴试验的一个特殊条件，对实际工程应用研究很有意义。 国内外已有许多人对不同应力路径的应力应变关系进行了研究。 l a d e 和d u n c a n 【冽通过对砂土试验研究表明，当起始应力状态和终了应力状 态相同，但应力路径不同时，应力应变曲线是不同的。刘维宁【2 4 j 针对基坑工 程中地层的应力应变关系和抗剪强度指标等工程物理特性，由于丌挖施工作 用而发生不同程度的变化这一现象，提出了开挖作用分区的新概念，并用新的 应力路径分类方法来表达这种分区。由此，研究了开挖作用对基坑周围地层的 影响规律。刘熙嫒等p j 采用三轴剪切试验对基坑开挖卸荷过程中土体的应力路 径进行模拟，研究了由于侧向卸荷对土体坑剪强度指标产生的影响，并分析了 产生这一现象的原因。刘国彬【2 6 2 9 】对上海地区有代表性的原状软土，用应力路 径三轴仪模拟基坑和隧道施工过程中的应力路径进行了不同类型的卸荷试验， 发现软土的应力应变关系与应力路径密切相关。并提出基坑开挖卸荷的残余 应力概念，建议了一个可考虑实际应力路径影响的基坑隆起量的实用计算方法， 并给出了工程计算实例。黄质宏等【驯采用不同应力路径试验以模拟红粘土在实 际受荷过程中的应力应变过程，研究结果表明，随着应力路径的不同，应力 应变曲线有较大的差异，土体达到破坏时的偏应力增量值不同。总应力强度指 标与应力路径密切相关，但应力路径对有效应力强度指标影响不大。在工程实 践中应根据实际的受力情况、应力状态来确定相应的应力路径，以正确、合理 地测定红粘土的力学参数。张文剥3 l l 通过应力路径试验分析了天然地基土在不 同的应力路径以及不同固结应力比下的变形规律，试验证明应力路径和固结应 力比对土体的变形特性有很大的影响。在固结不排水的试验条件下，应力路径 和固结应力比对土体的总应力强度指标、应力应变关系、剪切过程中的胀缩趋 势有较大的影响，而对土体的有效强度指标没有影响。因此，为了准确地计算 特定应力路径下土体的变形，有必要进行与实际加载情况相符合的应力路径试 验来确定土体的变形参数。 由此可知，根据地下工程施工中的不同应力路径，研究土体的应力应变关 系，进而确定土体的极限应力状态面，对施工微扰动的评价具有广泛的工程应 用价值。 2 2 3 受施工扰动土的应变状态指标 地下工程的设计不仅要保证工程开挖面本身和围护结构的稳定安全，还要 1 7 第2 章下穿越：程施工微扰动指标体系 了解周围土体的变形情况，这样才能正确评估施工过程对周围环境可能造成的 影响，并采取相应的措施以确保开挖施工的顺利进行。从目前上海地铁基坑工 程设计的原则来看，出于对周围环境的控制，变形控制是其设计的主要原则。 应变状态改变对土体性质影响是施工扰动的主要方面。下穿越施工中，不同位 置土体应变量不同，其相应受扰动程度不同。对于相同的土质而言，施工前后 土体应变改变量越大，其受到的扰动越大；相反，应变改变量越小，其受到的 扰动越小。与土体应变相关联的土体位移值，以及相关的物理力学指标可以作 为评价微扰动的标准。 顶管施工通过施工产生的附加应力对土体发生作用