（工程力学专业论文）地铁隧道施工对地下管线变形影响研究.pdf

， 【， ，【 ad i s s e r t a t i o ni n e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d y o nb u r i e dp i p e l i n ed e f o r m a t i o ne f f e c t c a u s e db y t u n n e l i n g b yl i ul i j i a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a ow e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 5 川川_洲724舢8 iiiiy 1 j j1 -1&i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：c 己 思。 学位论文作者签名： 日 期：2 肿君i 侈 学位论文版权使用授权书 芝 也 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，0、， i j 夺 东北大学硕士学 摘要 随着沈阳地铁的施工建设，施工中遇到的地下管线埋设时间久，分布复杂且数量巨 多，相关技术资料掌握不全，为了研究解决城市隧道施工给邻近环境带来的影响，论文 以沈阳地区地铁盾构施工隧道为具体研究背景，根据实测的沈阳地区地表沉降、地下管 线变形数据，结合试验研究手段，对盾构法地铁隧道施工期间引起地表变形及地下管线 变形的问题进行了深入的研究。 论文分析了盾构隧道施工过程中导致其邻近环境变化的机理和因素，并论述了控制 盾构法施工所引起的地表变形的技术措施，总结了计算横向地表变形和纵向地表变形的 方法。 根据沈阳地质特点，计算得出适用于沈阳地区地表沉降变形经验公式的相关参数。 利用试验方法确定了地下煤气铸铁管线的剩余变形能力和承载能力。针对工程的特点及 要求，提出了有效的监测施工方案并进行观测，通过监测数据分析，并与试验结果进行 对比，得到了沈阳地区采用盾构隧道开挖方法所引起地表变形的一些规律和对地下管线 的变形的影响程度，验证了预测公式的准确有效性和监测方案中的适合沈阳地区的煤气 管线变形监控值的合理性，并建议改进管线监控值。 通过分析地下管线的安全影响因素和安全判别方法，提出了对管线的保护措施，为 后续工程的设计和实施提供参考依据。 关键词：盾构法；隧道施工；剩余变形能力；地表变形；管线变形 ， o_i-lr-i 3 j 擎 e j l 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nb u r i e dp i p e l i n ed e f o r m a t i o ne f f e c tc a u s e db y t u n n e lc o n s t r u c t i o n a b s t r a c t t o s t u d ya n ds o l v ea d j a c e n te n v i r o n m e n t e f f e c tc a u s e db yt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ， e s p e c i a l l y i n s h e n y a n g ，t u n n e l i n gi n c r e a s e ，t h e i n b u i l tt i m eo fb u r i e d p i p e l i n el o n g c o n s i d e r a b l y , d i s t r i b u t i o nc o m p l i c a t e da n dt h e a m o u n te n o r m o u s ，d e f i c i e n ti nr e l a t e d t e c h n i q u ed a t a , p a p e rs t u d yt h eg r o u n dd e f o r m a t i o na n dt h eb u r i e dp i p e l i n ed e f o r m a t i o nf o r s h i e l d t u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ，c o m b i n i n gt e s ta n dm e a s u r e dg r o u n ds u r f a c ea n db u r i e d p i p e l i n ed e f o r m a t i o ni ns h e n y a n g p a p e ra n a l y z e st h ef a c t o ro fa d j a c e n te n v i r o n m e n te f f e c tb ys h i e l dt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n , a n dd i s c u s s e st h em e a s u r et oc o n t r o ld e f o r m a t i o n ，a n ds u m m a r i z e st h ec o m p u t e rm e a n si n c r o s ss e c t i o na n dv e r t i c a ls e c t i o n a c c o r d i n gt h eg e o l o g i c a lf e a t u r e so fs h e n y a n g ，p a p e rc a l c u l a t et h ep a r a m e t e r so fe m p i r i c a l f o r m u l af o rd e f o r m a t i o n ，f i xt h ec a p a b i l i t yt ol o a do f g a s c a s ti r o nb u r i e dp i p e l i n e a g a i n s tt h e d e m a n do fp r o j e c t ，p a p e rp u tf o r w a r de f f e c t i v em o n i t o rp r o g r a ma n do b t a i nt h er u l eo fg r o u n d d e f o r m a t i o na n dt h ee f f e c t e dr a n g eo fb u r i e dp i p e l i n ef o rs h i e l dt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ， m e a n w h i l e ，c e r t i f i e dt h ea c c u r a c yo fe m p i r i c a lf o r m u l aa n dt h ej u s t i f i a b i l i t yo fm o n i t o r i n g v a l u e ，a n dr e c o m m e n d e d t oi m p r o v em o n i t o r i n gv a l u eo f p i p e l i n e b ya n a l y z i n gt h ee f f e c t so fb u r i e dp i p e l i n es a f e t ya n ds e c u r i t yd i s t i n g u i s hf a c t o r , p a p e r p r o p o s e dp i p e l i n ep r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rt h ef o l l o w - u pp r o j e c tt op r o v i d et h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no fr e f e r e n c e k e y w o r d s ：s h i e l dm e t h o d ；t u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n ；r e m a i n i n gd e f o r m a t i o nc a p a b i l i t y ；g r o u n d s u r f a c ed e f o r m a t i o n ；b u r i e dp i p e l i n ed e f o r m a t i o n i i i 0 通 东北大学硕士学位论文 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 研究现状1 1 3 选题意义与研究内容7 1 3 1 选题意义7 1 3 2 研究内容8 第2 章盾构施工引起地表变形规律及预测9 2 1 盾构法概述9 2 1 1 盾构法9 2 1 2 盾构机的分类及基本构造9 2 1 3 盾构法施工的一般步骤。1 2 2 2 盾构法施工引起地表变形的机理及因素1 2 2 2 1 盾构法施工引起的地表变形机理。1 2 2 2 2 盾构法施工引起地层移动的影响因素。1 7 2 2 3 盾构法掘进对土体扰动的变形控制。18 2 3 经验公式分析。2 2 2 4 沈阳地区盾构施工地表变形分析预测2 3 第3 章盾构施工对地下管线变形影响的预测方法及试验研究2 5 3 1 管线情况调查和管线的失效模式2 5 3 1 1 管线设施状况的调查。2 5 3 1 2 管线的失效模式分析。2 5 1 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 2 地表最大沉降值和管线平面上的最大沉降值的关系2 8 3 3 煤气管线的压力分级3 0 3 4 试验分析3 l 3 4 1 试验目的3 2 3 4 2 试验材料说明3 2 3 4 3 加载程序及设备3 3 3 4 4 试验现象及结果分析3 5 第4 章地表沉降与地下管线变形的实测分析3 9 4 1 工程概况及工程地质和水文地质资料3 9 4 2 工程现场管线分布情况4 0 4 3 监测方案原则和内容4 1 4 3 1 监测方案的设计原则4 1 4 3 2 监测断面的选择及监测频率4 1 4 4 监控报警值的确定4 2 4 4 1 监控报警值的确定原则4 2 4 4 2 监控报警值的确定依据4 3 4 4 3 周围建( 构) 筑物的监控报警值4 3 4 4 4 地面变形的监控报警值4 4 4 4 5 地下管线的监控报警值4 4 4 5 地表沉降与地下管线变形监测4 5 4 5 1 监测仪器及精度4 5 4 5 2 地面沉降点的布设与监测4 6 4 5 3 地下管线观测点的布设与监测4 7 4 6 实测结果分析4 8 4 6 1 地表沉降的数据分析4 8 4 6 2 地下管线变形的数据分析5 3 第5 章地下管线安全性判别及保护措施5 5 v 东北大学硕士学位论文 目录 5 1 地下管线的安全性判别方法5 5 5 2 地下管线的保护措施5 6 第6 章结论5 9 参考文献6 1 致谢6 3 v i 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 随着城市建设的迅猛发展，开发利用地下空间已成为我国城市现代化发展的必然选 择，但是各类地下工程的大规模兴建对周围环境造成诸多不利影响的事件时有发生。以 往城市地下工程的设计、施工多从强度、稳定性方面考虑，随着城市建筑物越来越多， 地下管网越来越密集，地下工程本身也在向深、大方向发展，周围环境对地下工程施工 的要求也越来越高。 对于从事地下工程建设人员来说，必须了解、研究工程施工时对周围环境的影响程 度，并在事先及施工过程中采取有效的保护措施，将环境影响降低到最小程度。 城市地铁隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，施工开挖不可避免地 将扰动地下岩土体，使其失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。隧道在开挖过 程中由于地层物质被挖出，自洞室临空面向地层深处一定范围内地层应力将发生调整， 宏观表现为地层移动与变形。对于浅埋地铁隧道，这一范围将波及到地表，形成地表沉 降槽，甚至可能形成地面塌陷，导致道路路面破损、地下已有管线破坏以及建筑物、构 筑物的损坏，严重影响人民生命财产安全及工程的顺利进行，造成重大经济损失和社会 影响。因此，城市中进行地铁隧道施工时，要与保护城市中有历史意义、经济意义和社 会意义的设施协调起来，根据地表保护的要求，采取有效措施减小变形，以使房屋、道 路、管线等不至于造成损害，生态环境不至恶化。 如何减少地铁隧道施工对周围土层的扰动，最大限度地降低施工对邻近建( 构) 筑物 及地下管线的影响，以及对受影响的建筑物及地下管线如何采取保护措施，是加固还是 迁移，一直是人们所关心的问题。由此可见，城市地铁隧道施工引起的地层移动及对地 下管线影响的研究具有较大的意义。有关这类问题的理论建立和问题的解决将为城市地 铁隧道工程施工时对周围环境程度评价及保护提供理论依据。 1 2 研究现状 城市地铁隧道施工往往处于建筑物、道路和地下管线等设施的密集区，从而导致城 市地铁隧道建设中各种工程环境问题日益突出。因而在城市地铁隧道施工中，必须保证 施工对于已有的设施所造成的影响在允许的范围内。作为城市环境保护的一个新兴课 题，许多国内外学者对城市地下工程施工对地层及邻近管线的影响研究作了很多工作， 得出许多有意义的结论，为科学评价城市地铁隧道施工对地层及邻近管线的影响提供了 北大学硕士学位论文第1 章绪论 一 定的理论基础。 地下管线是埋设在地下的管线和电缆的总称，各种城市地下管线种类繁多，主要 括给排水管线、燃气管线、电信电缆、电力电缆、工业管线等。 城市地铁隧道施工往往处于地下管线的密集区，地下管线作为城市的生命线，在城 地铁隧道施工中必须保证其安全。但各种地下管线由于种类繁多，管线材质、接头类 及初始应力各异，加之分属部门不同，执行保护标准存在差异，从而加大了地铁隧道 工中管线保护的难度。下面将从地下管线初始应力、管一土相互作用、管线破坏模式、 线变形分析四个方面进行说明目前的研究现状。 地下管线初始应力 地铁隧道开挖之前地下管线就承受的应力称为管线的初始应力，它是由管线内部工 作压力、上覆土压力、动静荷载、安装应力、先期地层运动及环境影响等因素共同作用 的结果。一般说来，管线安装垫层没有充分压实或由于其他原因导致不均匀沉降，管线 就会出现管段应力增加或接头转角增大现象；管线内外压力不同会导致管段产生环向应 力；上覆土压力与动静荷载的作用会使管段横断面趋于椭圆，同时伴随管段应力的改变； 同样，管线埋置土层的不同也会导致管身不同的应力状态，比如，管线埋置于温差较大 的土层就会使管身产生应变，而管线周围土体湿度的变化也会引起管身的腐蚀从而降低 管线的强度。 t m d 与o r o u r k e 分析了作用在铸铁管上的内部压力、温度应力、重复荷载及安装 应力，计算了低压管在综合作用下拉应力与弯曲应变的典型值，认为作用在管线上的初 始应力大致为管线纵向弯曲应变o 0 2 籼0 4 时对应的应力值泓1 。m o s e r 进行了螺旋肋 和低劲性加肋钢管的试验，结果显示这些管线的性能很大程度上受土壤密度的影响国 内学者王绍周等对各类压力管进行了支座荷载、轴向应力等方面的研究工作，提出了初 始应力计算的理论方法及相应的计算公式。 埋地管线的实际受力情况为三维应力状态，当管径较小且埋深较浅时内外压力引 起的径向应力和环向应力相对较小一般都小于其抗拉、抗压强度而隧道开挖对他们影 响又很小对管线的安全不起控制作用可以只考虑由于隧道开挖而在管线中引起的纵 向弯曲应力或接头脱开应力。 2 管土相互作用 地铁隧道施工中，因周围土体受到施工扰动产生位移，带动邻近管线发生不均匀沉 降和水平位移。同时，由于管线的刚度大约为土体的1 0 0 0 - 3 0 0 0 倍，必然会对周围土体 的移动产生抵抗作用。a t t e w e l l 认为地铁隧道施工引起的土体移动对管线的影响可从隧 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 道掘进方向与管线的相对空间位置来确定，当隧道掘进方向垂直于管线延伸方向时，对 管线的影响主要表现在管线周围土体的纵向位移引起管线弯曲应力的增加及接头转角 的增大；当隧道掘进方向平行于管线延伸方向时，对管线的影响主要表现为周围土体对 管线的轴向拉压作用。而管线对土体移动的抵制作用主要与管线的管径、刚度、接头类 型及所处位置有关啪1 。 由于大部分地下管线埋置深度不大，通常可以假设在管线直径不大时，地下管线对 周围土体移动没有抵抗能力，它将沿土体的移动轨迹变形。一些研究成果也表明了这种 假设的可行性：c a r d e r 与t a y o r 采取足尺试验研究了埋置深度0 7 5 m ，直径1 0 0 r a m 的铸 铁管置于不同土体中时在邻近开挖影响下的性状改变情况，试验成果表明管线的移动轨 迹与所处地层土体移动轨迹相吻合；n a t h 应用三维有限元模拟分析了管径7 5 m m 至 4 5 0 m m 的铸铁管在埋深1 0 m 条件下对邻近开挖的响应，分析结果表明，管径小于1 5 0 m m 的铸铁管线对地层的移动几乎没有任何抵抗能力；a h m e d 等采用二维及三维有限元模拟 了深沟渠的开挖对邻近铸铁管线的影响，计算得出在假定管线与周围土体不出现相对位 移时，管线的附加应变小于铸铁管线的允许极限强度数值；m o l n a r 等对芝加哥l t w i e 医 疗研究中心工程中深基坑开挖对邻近地下管线影响的研究中假设管线与周围土体一起 移动的情况下，管径1 5 0r n l n 5 0 0r n l n 的地下管线预测变形值与现场实测数据相符n 羽。 但是，当地下管线直径增大到一定程度后就会对周围土体移动产生抵制作用，这同 时也增大了管线破坏的风险。国内学者蒋洪胜等曾对上海地铁一号线某段盾构法施工对 上部管径2 6 m 的合流污水管产生的影响及处理的措施进行过研究。深圳地铁已有的实 测结果也表明位于大直径( 2 m ) 的管线上的地表沉降值小于没有管线时的地表沉降值。尽 管大管径管线抵抗土体移动时会增加管线自身的应力，但由于管线自身强度较大( 主要 针对灰铁管线) 而不会导致管段产生大的附加应力。总的来说，对于管径较大的管线， 在隧道施工中要引起重视，特别是对地层运动比较剧烈，管材、接头比较脆弱且运营年 限久的大管径管线要进行专门的风险评估。 3 地下管线的破坏模式及允许变形值 考察地下管线在地层移动及变形作用下的主要破坏模式，一般有两种情况：一是管 段在附加拉应力作用下出现裂缝，甚至发生破裂而丧失工作能力；二是管段完好，但管 段接头转角过大，接头不能保持封闭状态而发生渗漏。管线的破坏可能主要是由其中一 种模式控制也可能是两种破坏模式同时发生。对于焊接的塑料管与钢管由于接头强度较 大可能只需计算其最大弯曲应力就能预测管线是否安全，但对于铸铁管及球墨铸铁管， 尤其是对运营年代长的铸铁管，由于其管段抗拉能力差且接头处柔性能力不足，两种破 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 坏模式均有可能出现。 a t t e w e l l 定义了地铁隧道施工引起的地下管线破坏模式，对于柔性管( 主要为钢管及 塑料管) 由于屈服作用产生过度变形而使管段发生破裂；而对于刚性管( 主要为脆性灰铁 管线) 破坏的主要模式有：由纵向弯曲引起的横断面破裂、由管段环向变形引起的径向 开裂和管段接头处不能承受过大转角而发生渗漏三种情况。高文华认为，对于焊接的大 长度钢管的破坏主要由地层下降引起的管线弯曲应力控制：对于有接头的管线，破坏主 要由管线允许张开角和管线允许的纵向和横向抗弯强度所决定。 为保证地铁隧道施工过程中邻近管线的安全，现行的一般作法是控制管线的沉降 量，地表倾斜及管接缝张开值。这些控制值的确定是基于若干规范和工程实践经验确定 的。然而，在实际工程应用中存在地下管线的变形不易量测以及对柔性接头管线的接头 转角无法实测的尴尬。并且，由于没有统一的理论控制标准，使得这些控制值的确定带 有一定的随意性，缺乏理论研究成果。m o l n a r 综合前人研究成果，通过理论计算与实测 资料相比较给出了各类管线的允许弯曲应力与允许接头转角值，可为进一步研究提供参 考。 4 地铁隧道施工引起地下管线的变形分析 地铁隧道施工引起的地下管线影响因素较多，对于地下管线进行准确的受力变形分 析是地下管线保护研究的基础，目前对地下管线的受力变形研究主要有解析法与数值模 拟法。 ( 1 ) 解析法 a t t e w e l l 基于b l i n k e r 弹性地基模型提出隧道施工对结构与管线的影响评价方法。根 据管线位置与地层运动方向的不同，分别计算了管线垂直与平行地层运动时管线的弯曲 应力与接头转角，研究了大直径与小直径管线在地层运动下不同的反应性状，讨论了理 论分析的实际应用可行性，给出了管线设计方法，是较早的比较系统的研究成果。廖少 明、刘建航也基于弹性地基梁理论提出地下管线按柔性管和刚性管分别进行考虑的两种 方法，其计算模型如图1 1 ，建立地下管线的位移方程n 们为： 亡= 冷 k l + k 图1 1 弹性地基梁计算模型 f i g 1 1c a l c u l a t e dm o d e lo f e l a s t i cg r a d eb e a m 4 ， 东北大学硕士学位论文 式中：五= d 4 w+41 4w p = 奇 ，k 为地基基床系数，k = k l + k 2 e 。管线的弹性模量； ，。管线的截面惯性矩； g 作用在管线上的压力。 对于柔性地下管线，在地层下沉时的受力变形可以从管节接缝张开值、管节纵向受 弯及横向受力等方面分析每节管线可能承受的地基差异沉降值，或沉降曲线的曲率，进 而分析地下管线的反应。 高田至郎等根据弹性地基梁理论将受到地基沉降影响的四种情形下的地下管线进 行模型化处理，提出了计算管线最大弯曲应力、接头转角、最大接头伸长量的计算公式。 段光杰根据w i n k e r ( 1 8 6 7 ) 地基反作用模型，讨论了由地铁隧道不同施工方法引起的地层 损失对周围地下管线的影响，在管线处的地层径向变形和地层轴向变形两种影响下，分 别总结了管线垂直于隧道轴线和平行于隧道轴线两种位置情况下，管线变形、应变和转 角等参数与地表最大沉降值的关系。高文华利用b l i n k e r 弹性地基梁理论分析了基坑开 挖导致的地下管线竖向位移和水平位移，推导了相应的计算公式，讨论了引起地下管线 变形的因素：基床系数、沉陷区长度及地下管线对应的地表沉陷量，给出了不同管线变 形控制标准及安全度评价准则。 m o l n a r 基于以下两种假设，一是假设管线是连续柔性的，当管线随土体移动时只在 管段上产生弯曲而不在接头处产生转角，由于管段轴向位移很小，认为管线移动时不发 生轴向应变，管线弯曲服从b e m o u l l i - - n a v i e r 理论；二是假设管段是刚性的，管线移动 所产生的位移全部由接头转角提供，接头不产生抵抗力矩，允许接头自由转动，接头转 角只在纵向产生，认为管线上扭矩为零，推导了地下管线在周围土体发生移动时的弯曲 应力及接头转角计算公式，分别为： 弯曲应力的计算公式： o r ，= + e x f z “( ) 土e z f x “( r )( 1 2 ) 矾管线i 点的弯曲应力； e 管线的弹性模量； 为，z ，分别为管线外部纤维到中性轴的侧向及纵向距离； z 。( z ) ，x 。( z ) 分别为管线在z 点的纵向及侧向曲率。 5 - 北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 0 图1 2 管线弯曲应力计算模型 f i g 1 2c a l c u l a t e dm o d e lo fp i p e l i n eb e n d i n gs t r e s s 接头转角的计算公式 图1 3 管线接头转角计算模型 f i g 1 3c a l c u l a t e dm o d e lo f p i p e l i n ej o i n ts t r i k i n ga n g l e 旷c o s 。丽2 謦2 糠2 渤2 n 3 ，j 瞒l j i 十s i i ) 、l p 畸+ & + 由 占庸管线上i 与点之间侧向位移差值； p 庸管线上i 与_ ，点之间沉降差值； 疗管段长度。 对于同一条管线分别进行以上两种临界状态下的分析，将计算值与允许值进行比 较，即可预测管线的安全状况。 解析法虽然能够较好地预计开挖引起的地表或地层沉降的大小和影响范围，但不能 很好地考虑土体与结构物的相互作用。 ( 2 ) 数值模拟法 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 采用数值模拟方法，能够较好地考虑隧道开挖引起的地层位移与管线的相互作用， 得到较为满意的结果。 李大勇等考虑了基坑围护结构、土体与地下管线的耦合作用，建立了地下管线、土 体以及基坑围护结构为一体的三维有限元模型口 。分析了地下管线的管材、埋深、距离 基坑远近、下卧层土质、管线弹性模量与周围土体弹性模量比等因素对地下管线的影响 位移，应用s i n g h a l 柔性接口中密封橡胶圈产生的拉拔力、弯矩及扭矩，研究了基坑工 程中邻近柔性接口地下管线的受力与变形，得出了管线柔性接口的拉拔力p 。并且总结、 归纳了地下管线的安全性判别方法及地下管线的工程监测和保护措施。a h m e d 利用有限 元模型计算了地下管线在邻近深基坑开挖时的附加弯曲应力，建议对铸铁管线由附近地 层移动引起的弯曲应变值最大可取为0 0 5 ，对球墨铸铁管线弯曲应变最大可取为 0 1 5 。吴波等基于a n s y s 软件平台，将地下管线模拟成三维弹性地基梁，建立了隧道 支护结构一土体一地下管线耦合作用的三维有限元分析模型，对施工过程进行了仿真分 析，并对地下管线的安全性进行了预测，给出了管线安全性的评价标准n 2 1 汹1 。 对于施工对地下管线的影响的研究虽然从解析计算、数值模拟等方面有了较为深入 的研究和发展，但是对于一定的施工方法所带来的管线安全问题等相对研究还是相对较 少的。 1 3 选题意义与研究内容 1 3 1 选题意义 随着城市建设的发展，我国城市地铁的建设已经进入了高速发展的时期。城市地铁 隧道施工过程中会给周围的环境带来不同程度的影响，严重者将危害生产建设和人民生 命财产安全，因此，近年来，关于隧道工程施工给周边环境造成的影响与危害的研究已 经引起学术界和工程界的注意和重视。大量的隧道工程建设实践表明，隧道施工过程会 给周围的建筑物、地下构筑物或地下管网带来不同程度的影响，地下工程施工会使周围 的地层和地面产生变形，严重者会造成建筑物产生不均匀沉降、开裂，甚至倒塌。对于 管线来说，管线会因地表沉降而产生变形、甚至断裂；接头部位会因为扭角过大或变形 过大产生破坏，导致煤气泄漏、水管破裂等问题。 由于管线的变形很难实测，并且管线的变形参数很多，如接头的转角，扭矩等，如 果能够将管线的变形参数与地表最大沉降值建立一定的函数关系，那么，就可以根据最 大沉降值，可以求出管线的变形参数，如果超出允许值，则说明所采用的工法不能保证 地下管线的正常运营，必须调整施工参数。 本课题将在一定程度上对改善砂性土因隧道施工引起的地面沉降理论及对地下管 7 o，- 一8 - 东北大学硕士学位论文第2 章盾构隧道施工引起地表变形规律及预测 第2 章盾构施工引起地表变形规律及预测 2 1 盾构法概述 2 1 1 盾构法 盾构法( s h i e l d d r i v e nt u n n e l i n g ) 是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种隧道施工 方法。盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道 施工机械，现代盾构机的自动化程度越来越高n 羽。 从世界范围内来看，盾构法隧道施工技术正在朝长距离、大直径、大埋深、复杂断 面和高度自动化的方向发展。日本新建成的东京湾海底隧道盾构机直径达1 4 4 m ，隧道 埋深2 0 m ，海底洞段长9 5 k m 1 ；英法合建的英吉利海峡隧道，盾构机直径7 8 2 m ，隧 道埋深达l o o m ，海底段长达3 9 k m 。这两项工程的顺利完成，把世界盾构法隧道施工技 术推进到了一个新阶段。盾构法主要用于软弱、复杂等地层的地铁隧道施工。 盾构法施工有以下优点口： l 、地面作业很少( 除竖井外) ，隐蔽性好，因噪声、振动等因素引起的环境影响小。 2 、隧道施工的费用和技术难度基本不受覆土深度的影响，适宜于建造深埋隧道。 3 、穿越河底或海底时，不影响通航，也不受气候的影响。 4 、穿越地面建筑群和地下管线密集的区域时，对周围环境影响较小；自动化程度高、 劳动强度低、施工速度较快。 盾构法施工存在的缺点如下： l 、施工设备费用较高。 2 、覆土较浅时，地表沉降较难控制。 3 、施作小曲率半径隧道时掘进较困难等。 盾构隧道的基本断面形状是圆形，因圆形断面抵抗地层中的土压力和水压力效果较 好，衬砌拼装简便，构件通用性强、易于更换，因而应用广泛。 2 1 2 盾构机的分类及基本构造 盾构机的类型很多，按开挖方式不同可将盾构机分为：手掘式盾构机开挖和出 土可用人工进行；半机械式盾构机大部分的开挖工作和出土由机械进行；机械式盾 构机从开挖到出土均采用机械。 从盾构技术的发展进程来看，手工挖掘式、半机械挖掘式趋于淘汰，取而代之的是 自动化程度非常高的全机械化操作。 - 9 东北大学硕士学位论文第2 章盾构隧道施工引起地表变形规律及预测 表2 1 盾构分类及其运用范围 t a b l e2 1t h es p e c i e sa n da p p l i c a t i o ne x t e n to fs h i e l dm a c h i n e 挖掘方式构造类型盾构类型 开挖面稳定措施适用地层附注 普通盾构临时挡板、支撑千斤项地质稳定或松软均可 辅以气压、 将开挖面分成几层，利用砂的 敞胸 棚式盾构 砂性土 人工井点降 安息角和棚的摩擦 水及其他地 人工挖掘 层加固措施网格式盾构利用土的钢制网状格栅的摩擦粘性淤泥 ( 手掘式) 胸板局部开孔，依赖盾构千斤顶 半挤压盾构软可塑的粘性土 闭胸 推力，土砂自然流入 全挤压盾构胸板无孔，不进土淤泥 土质坚硬稳定 反铲式盾构 手掘式盾构装上反铲挖土机 半机械式敞胸 开挖面自立 辅助措施 旋转式盾构手掘式盾构装上软岩掘进机软岩 旋转刀盘 敞胸 单刀盘加面板，多刀盘加面板软岩辅助措施 式盾构 不再另设 局部气压盾构面板和隔板间加气压多水松软地层 辅助措施 机械式含水地层、冲击层、 泥水加压盾构面板和隔板间加压力泥水 辅助措施 闭胸 洪积层 面板和隔板间充满砂容积产生的 土压平衡盾构压力与开挖面处的地层压力保持淤泥、淤泥混砂辅助措施 平衡 按照对开挖面土体支承保持稳定方法，有敞胸式盾构机和闭胸式盾构机之分，敞胸 式盾构机适用于自稳性好的土层，闭胸式盾构机依靠气压、液压或土压进行开挖面的压 力平衡。不同支撑类型的盾构机对土体介质的适应情况不同，正确选择盾构机是隧道施 工成败的关键。 盾构机的通用、标准外形是圆筒形，盾构机的壳体由切口环、支承环和盾尾三部分 组成，借外壳钢板连成整体h 1 。 - l o - 东北大学硕士学位论文第2 章盾构隧道施工引起地表变形规律及预测 管片拼装器 管片 盾构推进千斤顶 盾尾空隙 图2 1 盾构机的构造简图 f i g 2 1s t r u c t u r a ld r a w i n go fs h i e l dm a c h i n e 1 切口环部分 它位于盾构机的最前端，施工时切入地层并掩护开挖作业。切口环前端设有刃口， 以减少切入时对地层的扰动，切口环的长度主要决定于支撑、开挖方法，以及槽上机具 和操作人员的工作回旋余地等。大部分手掘式盾构机切口环的顶部比底部长，犹如帽檐。 有的还设有千斤顶操纵的活动前檐，以增加掩护长度。机械化盾构机的切口中容纳各种 专门挖土设备。在局部气压式、泥水加压式和土压平衡式盾构机中，其切口环部分的压 力高于隧道内的常压，故切口环与支撑环之间需用密闭隔板分开。 2 支撑环部分 支撑环紧接于切口环后，位于盾构机的中部。它是一个刚性较好的圆环结构。地层 土压力、所有千斤顶的顶力以及切口、盾尾、衬砌拼装时传来的施工荷载均由支撑环承 担。支撑环的外沿布置盾构推进千斤顶。大型盾构机的所有液压、动力设备，操纵控制 系统，衬砌拼装机具等均设在支承环位置。中、小型盾构机则可把部分设备移到盾构机 后部的车架上。正面局部加压盾构机，当切口环内压力高于常压时，支承环内要设置人 工加压与减压闸室。 3 盾尾部分 盾尾一般由盾构机外壳钢板延长构成，主要用于掩护隧道衬砌的安装工作。盾尾末 端设有密封装置，以防止水、土及注浆材料从盾尾与衬砌之间进入盾构机内。盾尾密封 装置损坏时，还要在盾尾部分进行更换。因此，盾尾长度要满足以上各项工作的进行。 盾尾厚度从结构上考虑应尽可能减薄，但盾尾除承受地层土压力外，遇到隧道纠偏及弯 预测 因素 图2 2 盾构法( 土压盾构) 施工示意图 f i 9 2 2a b r i d g e dg e n e r a lv i e wo f s h i e l dc o n s t r u c t i o n 盾构法施工的概貌如图2 2 所示， 其主要步骤为： l 、在盾构法隧道的起始端和终端各建一个工作井。 2 、盾构机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) 将盾构机从起始工作 井的墙壁开孔处推入。 4 、盾构机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 、及时的向衬砌背后的空隙注浆，防止地层移动和固定衬砌位置。 6 、施工过程中，适时施作衬砌防水工作。 7 、盾构机进入终端工作井后拆除，如果施工需要，也可穿越工作井再向前推进或掉头推 进。 2 2 盾构法施工引起地表变形的机理及因素 2 2 1 盾构法施工引起的地表变形机理 盾构法隧道施工技术在经历了一百多年的发展之后，已具有很大的进步，其施工对 周围环境的影响也在逐步减小，但需要指出的是由于岩土体的开挖，岩土体的扰动对洞 室周围地层产生位移和变形的影响是不可避免的。 当地层变形超过一定范围之后，就会危及施工临近的建筑物和地下管网的安全，引 - 1 2 - 东北大学硕士学位论文 起一系列的环境岩土体问题 的意义。 盾构推进引起的地表变 地层损失是指盾构施工 包括衬砌外围包裹的注入浆 盾构理论排土体积为积2 三( 层损失中，发生地层移动， 式中： 圪一盾构隧道单位长度的地层损失量( m 3 聊) ，取决于地层条件、隧道埋深、施工 技术水平、盾构类型等诸多因素，目前尚难给出确定的解析式，根据统计，在采用适当 技术和良好操作的正常施工条件下，圪( - 1 1 i1 0 ) y ，对于粘性土尚可根据其稳定 系数n 进行计算( 当地层损失率控制在1 以下时，n = 1 2 ；当地层损失率控制在 0 5 11 ，n = 2 4 ；当地层损失率较大时，n = 4 6 ) 。 巧= 2 v c 学e x p ( n 1 ) ( 2 2 ) 正- y 盾构隧道单位长度的理论体积； g 粘土的不排水抗剪强度； e 粘土的弹性模量； 粘土的泊松比。 1 o 2 第2 阶段第3 阶段第4 阶段 1 1 ，1 ，7 1 0 4 5 6 7 钐8 图2 3 纵向地表变形过程 f i g 2 3p r o c e d u r eo fl i n e rg r o u n dd e f o r m a t i o n 1 3 _ 盾构到达前的变形： 从半无限平面介质在均匀圆形荷载作用之下的三维模型简化分析，盾构前进中心线 变形为蚓： u = 4 ( 1 一2 ) a p h o e ( k ) 一( 1 一r o h 2 0 ) f ( k ) x e ( 2 3 ) 式中：e ( 七) ，f ( 七) 为与介质特性有关的积分常数，e ( 七) = r ，4 1 - k 2s i n 2p d p ， f ( 七) = f , , 、( 1 - k 2s i n 2 ) 2 d p ；a 0 - - p c p 。，p c 为刀盘压力，仇为中心线处静止水平土 压力；为泊松比：凡为盾构半径；h 。为盾构中心埋深；e 为弹性模量。 2 盾构到达时的地面变形 在开挖面靠近观测点并到达观测点正下方这个过程中所产生的沉降和隆起，是由于 盾构机的正面土压力偏小或者过大等原因导致开挖面土压失衡，开挖面压力又与盾构机 的推进速度和出土量等施工参数密切相关。当盾构机的正面土压力等于开挖面静止土压 力时，掘进对土体的影响最小：当盾构机推力不足，其正面土压力小于开挖面的静止土 一1 4 东北大学硕士学位论文 第2 章盾构隧道施工引起地表变形规律及预测 压力时，开挖面土体下沉；当盾构机推力过大则会引起开挖面土体隆起。当正面土压力 偏离静止土压力一定范围内时，地层变形处于线弹性阶段，而且变化的斜率较小；如果 偏离较大的话，则土体发展为塑性变形。推进速度由千斤顶的推力和进土量决定，推进 速度过快或过慢都不利于盾构机的姿态控制，速度过快易使盾构机上抛，速度过慢易使 盾构机下沉。总体来讲这是一种因土体的应力释放或者盾构开挖面的反向土压力、盾构 机周围的摩擦力等作用而产生的地基变形。 当盾构到达时的地面变形： 当刀盘压力p ，满足： p o - - c 。c o s # p 。sp o + c 。c o s # ( 2 4 ) 式中：c 。为土体无侧限抗压强度；为土体内摩擦角。这时土体处于弹性状态，当 承载系数控制在1 o 的范围内，则地层移动为： u = p 。一p o ) r r( 2 5 ) 当，= h 。时，所得到的刚好为地表的位移。 若以不满足( 2 4 ) 时，则地层处于弹塑性或塑性状态， 其地表移动表示为： u = ( 1 - u ) r ；( c 。毋) ( 2 6 ) 式中：胄。为塑性圈半径，且： j 挈c 托。! r p 础o e x p 【( 以协p 托”)