（大地测量学与测量工程专业论文）地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究.pdf

摘要 本文以南京地铁盾构隧道为具体研究对象，以南京地区地表沉降监测分析、 监测信息合理快速反馈为研究目标，对地铁盾构隧道施工期引起地表沉降的若干 问题进行了深入的研究。完成的主要研究内容如下： 1 、根据盾构法的施工特点及原理，在明确了盾构施工安全影响因素的基础 上，从监测方案设计原则、监测断面的选择、监测点的布置、监测内容以及信息 反馈等出发，提出行之有效的监测方案；详细分析了掘进模式、土压力选择、壁 后注浆、盾构纠偏等施工控制手段，用来减小盾构施工对周边环境的影响。 2 、通过对盾构推进产生地表沉降机理的论述，在总结了各种理论计算方法 的基础上，结合南京地铁玄武门新模范马路区间的实际情况，实测了大量的横 断面数据，并进行分析研究，得出了盾构推进对地表影响的主区域和次区域，明 确了盾构推进时对横向地表的影响范围，研究结论具有很好的社会效益和经济效 益。通过对比p e c k 法计算值和实测值，验证现有的经验参数是否能很好地满足 南京地区的实际情况，通过对实测曲线的拟合和数值计算得到沉降槽半宽度，从 而改进了南京地区横向地表沉降槽宽度系数k 的取值范围，有助于盾构法在南京 地区的推广和应用。 3 、通过对南京地铁盾构区间实测数据的分析，研究盾构推进过程对纵向地 表沉降的影响过程，总结了南京地区盾构推进时各阶段沉降量占总沉降量的百分 比，比较了盾构施工时距切口不同距离地表的沉降情况，对指导施工有重要意义。 用时间序列动态模型与静态多项式模型分别对纵向地表的沉降值进行预报和外 推，跟实测值进行了对比，取得了良好的效果。时序模型的动态预测具有很好的 实用价值，对于掌握盾构切口前后的地表沉降清况、保护周边环境安全、为后续 工程的设计与施工积累经验有着重要意义。 4 、为了直观、快速地反映和评价监测结果，初步建立了盾构施工监测数据 库，可以随时动态地显示地表沉降曲线以及其与盾构推进施工参数问的相互联 系。为管理人员提供科学化、规范化盾构施工管理的手段，为工程技术人员快速 查询特定信息和分析、预测、评价周边环境安全，并做出决策提供依据。 关键词 ： 地铁隧道盾构施工地表沉降监测方案沉降槽影响范同系数改进沉降历程 时序动态模型可视化系统 a b s t r a c t a b s t r a c t c o m b i n i n g w i t ht h es h i e l dd r i v et u n n e lo fn a n gm e t r o ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o ng r o u n ds e t t l e m e n ta n ds u r v e y i n gm a t e r i a l sf e e d b a c kq u i c k l ya n dr e a s o n a b l y , t h e s e v e r a lp r o b l e m so fgr o u n ds e t t l e m e n td u r i n gs h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o na r ew i d e l y s t u d i e di nt h i sp a d e r t h ep r i m a r yc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： l a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r ea n dt h et h e o r yo f s h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，b a s e do n t h ef a c t o r st h a tc a u s ee f f e c t so ne n v i r o n m e n t ，t h ew o r k a b l em o n i t o r i n gp r o j e c ti s e s t a b l i s h e d ，w h i c hi n c l u d ep r i n c i p l e so fd e s i g n ，t h es e l e c t i o no fm o n i t o r i n gc r o s s s e c t i o n ，t h el a y o u to fm o n i t o r i n gp o i n t s ，m o n i t o r i n gc o n t e n ta n dm a t e r i a l sf e e d b a c k s u c ha s o p e r a t i o np r o g r a m ，s e l e c t i o n o fe a r t h p r e s s u r e ，w a l l b a c kg r o u t i n g ， r e c t i f i c a t i o no fs h i e l dm a c h i r e ，w h i c ha r eu s e dt or e d u c et h ee f f e c to fc o n s t r u c t i o no n e n v i r o n m e n t ，a r ea n a l y z e d i nd e t a i l 2 b a s e do ns o n i cc a l c u l a t i o nm e t h o d so nt r a n s v e r s eg r o u n ds e t t l e m e n t ，t h e m e c h a n i c so fg r o u n ds e t t l e m e n tc a u s e db ys h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o na r ed i s c u s s e d i n c o m b i n a t i o nw i t l lt h es h i e l dd r i v e ns e c t i o nf r o mx u a n w ug a t es t a t i o nt on e wm o f a n r o a ds t a t i o no f n a n j i n gm e t r o ，t h em o n i t o r i n gd a t aa r ea n a l y z e d m a i n l yz o n ea n dt h e s u b o r d i n a t ez o n eo f g r o u n ds g t t l e m e n tc a u s e db y s h i e l dt u n n e l i n gi ss u m m e d u p ，a n d t h ei n f l u e n c ez o n ea r ed e f t n i t e g r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t sa r e g a i n e d c o m p a r e d w i t h t h e c a l c u l a t e dr e s u l t sa n d m o n i t o r i n gd a t a ，t ov e r i f y i f t h ep r e s e n t p a r a m e t e r sc a l la c g o r d w i t ht h er e a ls i t u a t i o no f n a n j i n g t h ed i s t r i b u t i o no f s u r f a c e s e t t l e m e n tt r o u 2 l li so b t a i n e db yo n e d i m e n s i o n a lw a v et h e o r ya n dc a l c u l a t i o n t h e r a n g eo fs u r f a c es e t t l e m e n tt r o u g ht o e f f i c i e n ti s r e t r o f i t t e d t h e s ec o n c l u s i o n sa r e c o n t r i b u t e dt oe x t e n ds h i e l dm e t h o di nn a n j i n g 3 l o n g i t u d i n a lg r o u n ds e t t l e m e n t s c a u s e db ys h i e l dt t m n e l i n ga r ea n a l y z e db y m o n i t o r i n gd a t a t h es e t t l e m e n t si nd i f f e r e n tp e r i o da r ec o n c l u d e d t h es e t t l e m e n t so f d i f 诧r e n td i s t a n c ea w a yf r o mt h ei n c i s i o na r ec o m p a r e dw h i c hp o s s e s s e sa ni m p o r t a n t s i g n i f i c a n c ef o rc o n s t r u c t i o n c o m p a r e dw i t ht h ec a s e so fa p p l i c a t i o nb e t w e e nt h e d y n a m i cm o d e la n ds t a t i cm o d e l ，i ti si n d i c a t e d 廿1 a tt h em e t h o d o f t i m es e r i e sa n a l y s i s i sa l li m p o r t a n ta n da d v a n c e df o r e c a s t i n gm e t h o di ns t a t i s t i c a lf o r e c a s t i n g i tw i l lb e h e l d 缸lt o p r o t e c t t h ee n v i r o n m e n t ，d e s i g no ft h e s u c c e e d i n ge n g i n e e r i n g a n d e x p e r i e n c ea c c u m u l a t i o n 4 i no r d e rt oe v a l u a t et h em o n i t o r i n gd a t aq u i c k l ya n dt i m e l y ，t h ed a t a b a s ef o r s h i e l d t u n n e l i n gm o n i t o r i n g a r e p r e s e n t w h i c hc a l l d y n a m i cd i s p l a y t h e g r o u n d s e t t l e m e n tc u r v e i tw i l lb et h em e a n sf o rm a n a g es h i e l d t u n n e lc o n s t r u c t i o n n o r m a t i v e l ya n ds c i e n t i f i c a l l y b e s i d e s ，t h ee 1 1 9 i n e e r sc a ni n q u i r es p e c i a li n f o r m a t i o n ， p r e d i c to re v a l u a t i o nt h ee n v i r o n m e n t ，a n d m a k ed e c i s i o nb yt h i sw a y 【k e yw o r d s 】 m e t r ot u n n e ls h i e l dm e t h o d g r o u n d s e t t l e m e n t m o n i t o r i n gp r o j e c t s e t t l e m e n tt r o u g h j n f l u e n c ez o n ec o e f f i c i e n tm e l i o r a t i o ns e t t l e m e n tm e c h a n i s m t i m es e r i e sd y n a m i cm e t h o dv i s u a l i z a t i o ns y s t e m 第一章概论 第一章概论帚一早僦1 = 匕 2 0 世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，世界各国的城市区域逐 渐扩大，城市经济日益发展，城市人口也逐渐上升。由于流动人口以及道路车辆的增 加，城市交通量呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤快；城市道路的相对有限性带来 了人口超饱和、交通阻塞、车速下降、事故频繁、城市绿化面积减少等一系列问题。 行车难、乘车难，不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且制约着城市经济的 发展。另外，道路上汽车排放废气、噪声等环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。 纵观当今世界，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、 资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展战略的 重要途径”“”。城市地下空间作为新型国土资源受到发达国家越来越多的重视。自 1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不少呼吁开发利用 地下空间的决议、宣言和文件。在工程实践方面瑞典、挪威、加拿大、美国、法国、 日本和芬兰等国在城市地下空间利用领域己达到相当规模和水平。城市地下空间的利 用和开发，已成为世界性发展趋势，并以作为衡量城市现代化的标志。向地下要土地、 要空间已成为城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源， 缓减中心城市密度、人车分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持 城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。因此国际上不少学 者提出“2 1 世纪是地下空间开发利用的世纪”。城市向三维空间发展，即实行立体化 的再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径。发达国家的大城市区如纽约、巴黎 都曾出现过由于向上部畸形发展而后呈现“逆城市化”的教训。“逆城市化”表明， 以高层建筑和高架道路为标志的向上部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在 对城市中心区的改造和再开发过程中，逐渐形成了地面空间、地下空间与上部空间的 协调发展的城市空间构成的新概念，即城市的立体再开发。地下空间的充分利用是城 市立体化开发的重要组成部分。立体化的开发结果，扩大了空间的容量，提高了城市 集约度，交通顺畅，商业更繁荣，绿化面积增加。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解决曰益恶化 的城市交通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存 的现代城市轨道交通新格局。地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗 低等优点。从1 8 6 3 年英国伦敦建成第一条地下铁道至今，世界上已有3 5 个国家和地 区的8 0 多个城市修建了约5 0 0 0 公里的地下铁道。不少城市如伦敦、巴黎、纽约、东 京、莫斯科已形成四通八达的地铁线网，运量占交通量的5 0 以上。 根据预测和分析，2 l 世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随 更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务0 1 。北 京地铁建设规划总里程要达到6 0 0 公里；广州拟建1 4 条地铁线：南京拟建7 条地铁 线；成都、苏州、青岛、杭州、沈阳等城市都正在筹建地铁线，预计在本世纪初，可 能要建造大约3 3 条地铁和轻轨线路，总长在原有地铁线的基础上增加6 5 0 公里。至 河海大学硕士研究生论文 2 0 3 0 年，我国地铁通车里程将达到1 0 0 0 公里，将大大促进城市轨道交通的发展。 地铁隧道施工通常采用的方法有明挖法、矿山法、新奥法和盾构法，近年来，随 着地下掘进技术、精密导向技术的逐渐成熟，盾构法作为地铁隧道施工的一种优选方 法，由于其对地面建筑物影响小、施工方便、自动化程度高、节省人力、一次成洞、 不受气候影响、开挖时可控制地面沉降和在水下开挖时不影响水面交通等特点等优 点，它在地铁隧道施工中的应用已经越来越广泛“1 。在国内，盾构技术除在上海较为 成熟的使用外，在广州、南京及深圳都开始了广泛的应用，而北京也放弃了传统的明 挖法和矿山法，大多数区间都采用了盾构法施工。盾构隧道施工期间的安全监控是工 程安全施工的重要保障，其中施工引起的地表沉降是最重要的研究课题之一。本文以 南京地铁一号线盾构施工区间为研究对象，详细研究了盾构法引起地表沉降的若干问 题，得出了可靠的结论，为盾构法在南京的广泛使用积累了经验。 1 1工程概况5 3 南京地铁南北线一期工程，南起小行，向北经中华门、沿中山南路、中央路到鼓 楼，再沿玄武湖畔至南京火车站，而后沿小红山至终点迈皋桥：向西经沙洲、青石埂 延至奥体中心，形成南京主城区中轴线的快速轨道交通走廊。线路贯穿南京主城区的 中心腹地，把城市中心区商业、金融、文化、综合服务等繁华区及对外交通口等客流 集散点连接起来，同时连接南北两个工业区，是南京南北线客流走廊的骨干交通线。 线路总长度2 1 7 2 k m ，其中地下线1 4 4 3 k m ，地上线7 0 2 k m ，过渡段0 2 7 k m 。共设车 站1 6 座，其中小行站、中华门站、红山动物园站、迈皋桥站4 座为高架车站，安德 门站为地面车站，奥体中心站、元通站、中胜站、三山街站、张府园站、新街口站、 珠江路站、鼓楼站、玄武门站、新模范马路站、南京站站1 1 座为地下站。在小行设 车辆段一处，占地6 9 公顷，指挥控制中心设在珠江路。各站之间，除鼓楼站南北区 矿山法隧道区间外，其余皆为盾构隧道。 地铁南北线一期工程建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹 市中心，施工难度大，国产化率要求高( 经中国国际工程咨询公司评估，综合国产化 率为7 1 ) ，项目总投资8 5 亿元。地铁南北一期工程建设，不仅可以极大地缓解城市 中心交通拥挤、阻塞状况，方便广大市民安全、便捷、舒适、清洁地出行，而且对于 保持南京古都风貌，提高环境质量，拉动地方经济，实施可持续发展战略，有着十分 重要的意义。 1 2本课题研究的意义 城市地铁盾构施工是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，盾构的施工将不可 避免地扰动土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。无论盾构隧道施 工技术如何改进，由于旌工技术工艺质量及周围的环境和岩土介质的特点，其施工引 起的地层移动是不可能完全消除的。地铁线路一般都会穿过人口密集、交通繁忙、地 第一篷凝琵 面建筑物林立、地下管线密集的繁华地段，这对旌工弓i 起的地表沉降和变形控制要求 很高，施工的方法如稍有失误，将会造成不可估量的损失。近年柬发生的地铁施工事 酸，更；| 起了久襄对麓王安全戆关注。锈懿，2 0 0 3 年7 胃1 嚣凌装，上海辕瀵交逶 四号线越江隧道联络通道因为大量泥砂潲入，引起隧道受损及周边地区地面沉降，造 成三幢建筑物严重倾斜，以及防汛墙出现裂缝、沉陷等险隋。 因此盾孝句施工推进要与保护城市环缓和经济、社会意义协调越来。对地表沉辫的 骚测趸分j 蘩癸嚣手菠，尽管有时缓变形镦夺，所遗戏懿危害 塾不大，然两要完全控 制地表变形愚不可能的。只能根据地表变形的控制要求，采取有效的措施来减小沉降， 使得周边环境稳定。随着地铁建设的发展，对盾构掘进时地表沉降相关问题的研究， 不仅具有巨大酌社会、经济效益，丽虽典有光明匏懿爨。 露京枣处于长江下游每长江三角潮】茭灞衔接部位，嚣乾濒褡长江，区域缝鼷榴造 处于新生代“宁镇隆起带”。市内地势起伏大，向两北倾斜，地形已准平原化。所 处地貌单元为侵蚀、剥蚀残丘与河流阶地相间。南北线市中区地下线自南而北穿过不 嗣地貔单元，沿线建质、水文地震条转，磐工程问题复杂。各隧闽隧道涂珠江鼹 鼓楼，鼓楼玄武门为岩、软混合型矿由法区闻隧道外，钓惫台三由衡，三 山街张府网为流沙盾构区间隧道；张府园新街口，新街口珠江路，新模范马路 兹武门，玄武门南京站为软土盾构区间隧道。由于地下线工程环境复杂，设计施工 中部姆工程环境趣题歹l 入熬点予鞋磅究，莠授班基炎遴雩亍安全维护秘莲测。因鼗，对 堍表沉降的薪究具有重大意义： 1 、监测工作在施工过程中起到“日醚睛”的作用，准确预测预报变形影响，而地 袭沉降是监测的主要内容。将监测数据与预测值相比较判断前期施工工艺和簏工参数 跫否雩毒盒颈疑要求，爨礁定帮凌纯下一步游蕤工参数，骰驽售惑豫旋工； 2 、对地袭沉降分析研究后的结粜应精于信息化度馈来优化设计，研究地层特性、 地下水条件簿与地面沉降的关系，以作为改进设计的依据。使设计达到优质安全、经 济合理、施工快捷的目的。通过设计计舞和工程实践姻对比分析，在工程问题研究方 嚣爵望取褥突酸发震； 3 、可以了解地层与隧道结构闻的橘互作用力及为建立和调熬膳构土压平衡的施 工参数提供依据，如确定鹰构设定土压、掘进速度、进排土量等，控制地层扰动，减 小变形，确保施工裁间结构本身及周边环境的安全，阉丑曹为以岳类议工程积累经骏和 箍供据导； 4 、为高效、经济地建设南京地铁掇供技术支持； 5 、对确定地铁保护区范围提供技术支持，为区内工程建设和地铁旎工提供保障， 并从两获得起好的社会效益。 1 3 本课题研究的发展状况 由于盾掬糍工羯边环境复杂，建筑物、穆筑扬密集，囊然地痰环境多变，a 们鼹 工程环境阀纛酌研究，丈多缝子经验总结输段，丽萋勰遴论数字善艺、模型纯的研究成 河海大学硕上研究生论义 果不多。如区间地下线施工沉降槽宽度、地面隆沉及对环境影响等等。有时虽采用数 值分析法、模型试验法等方法加以确定，但结论常常令人难以置信，甚至不如经验判 定有效。这就迫使人们在地铁建设中采取边施工、边试验、边改进的方法，即人们常 说的“摸着石头过河”的办法进行施工。常常为了安全，采用各种手段进行严格监测， 并不惜花费巨资，在结构设计、施工方法、环境保护方面采用保守策略。 在城市地铁盾构施工中，引起的地表沉降的原因很多。地表变形不仅与隧道埋深、 断面尺寸和施工方法、支护手段有关，而且受工程的水文地质条件的影响。随着计算 机应用的推广，针对盾构施工安全中的地表沉降这一核心问题，近几年来一些新的思 路和方法涌现出来。大量的学者在原有岩土力学公式的基础上，探索了一些新的理论 方法i ”8 。 i 、r b p e c k 通过对隧道地表面沉降槽形状的观察以及对大量的实测数据数据分 析之后，于1 9 6 9 年在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上首次提出了地表沉降 曲线近似呈概率中的正态分布曲线的概念。认为施工中引起的地表沉降是在不排水的 条件下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层的损失量，建立了地表沉降横向分布的 估算公式。 2 、同济大学岩土工程系对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行 计算分析：并与现场测试结果对比，提出了考虑到固结因素的p e c k 修正公式。 3 、刘建航等在p e c k 法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律， 提出了负地层损失的公式，得出了地面沉降量的纵向分布估算公式。 4 、数值法：对地层移动和地表沉降的预测国内外都进行了大量的数值模型研究， 其主要方法有：有限元法；边界元法；半解析法等。 5 、波兰学者李特威尼申提出了随机介质理论，刘宝深等在随机介质概念的基础 上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式；随机介质理论是把地层移动看成一个随机 过程，并用柯莫哥洛夫方程表示。其本质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方 法，预测盾构隧道沉降结果与实际情况难免会有一定差距。 6 、除了根据变形体的地质条件、力学条件以及应用变形几何分析法获得的变形 量作定性的解释与预报外，愈来愈多的测量学者开始致力于定量的解释与描述。定量 预报有两种途径：一是先通过变形观测的物理解释，建立起变形与变形原因之间正确 的函数关系再进行预报；二是直接对变形观测获得的时间序列，采用有关的数学理论 与方法进行预报。通称为网络智能预报系统，包括卡尔曼滤波和灰色系统理论等。 7 、上海隧道股份有限公司等单位建立了盾构旎工的专家系统，可以对隧道旌工 后的地表沉降进行评价。 以上的方法研究的深入程度不一样，一些已经很成熟，比如p e c k 法等；而一些 新兴的方法，比如网络智能预报系统等还处于初期研究阶段，未得到大规模的应用。 1 4 本文研究的主要内容 盾构施工引起的地表沉降监测是一项复杂的系统过程，监测方案的没计与反馈是 第一章概论 整个监测过程的基本内容，如何正确确立旋工的峪测方案以及快速、直观地反映监测 结果，是当前研究内容中的不足之处。而对于监测的核心内容地表沉降，尽管 已研究了上述多种方法，但因各地区施工方法、施工状态千差万别，同时使用的盾构 类别也不同，可以说目前尚未研究出能考虑所有影响因素的地层沉降预测方法。虽然 围绕这一问题已做了不少的研究工作，由于在不同地质条件、断面形状各异的条件下 施工，对其的研究只能局限于某一地区，鲜有概括总论性的结论，一个地区的研究成 果并不能推广到不同地区。 本文结合南京地铁南北线一期工程的盾构区间隧道，对地表沉降问题进行了一些 研究和探讨： 1 、在阅读大量文献的基础上，对盾构施工期的地表监测研究的发展状况进行了 综述，阐明了研究意义。 2 、根据盾构施工原理和技术特点，概括了地表变形的影响因素，对监测内容、 实施方案等进行了经验总结，提出了盾构掘进时的一些施工控制方法，为进行信息化 施工创造条件。 3 、详细解释了盾构推进对地表影响的机理，结合南京地铁南北一号线玄武门站 新模范马站盾构掘进时的地表沉降监测数据，得出了盾构推进对地表影响主区域和次 区域，明确了盾构推进时对横向地表的影响范围。通过对比计算值和实测值，改进了 p e c k 法沉降槽宽度系数，使之符合南京的实际情况。 4 、在对国内外盾构施工引起地表沉降历程总结的基础上，分析了玄武门站新 模范马站区间地表沉降历程，总结了在盾构推进不同阶段时地面沉降量的大小，对于 掌握盾构切口前后不同距离的地表沉降情况有重要的意义。利用时间序列动态模型与 静态模型分别对纵向地表的沉降值进行预报和外推，并跟实测值进行了对比。 5 、介绍了盾构隧道施工监测系统数据库的功能、数据结构和系统内容，利用 d e l p h i 语言编制了盾构推进施工状态动态可视化数据库查询器，可以直观、快速地 反映地表沉降监测结果与各地质参数、施工参数之间的关系。 河海人学硕i ：研究生论! = 第二章监测方案的设计 盾构掘进过程中引起地表沉降的影响因素是很多的，实际产生的变化是各种因素 的综合，只要综合考虑这些因素，制定恰当的监测方案，精心施工，便能做到把地表 沉降控制在允许范围内“。如何准确地反映盾构施工对环境的影响，确定引起变化的 关键因素，能迅速地调整施工参数和改变设计方案等，这是大家所关心的问题。因此， 合理确定监测方案是首要的工作。 2 1 盾构法施工技术与原理 盾构法施工是非开挖施工技术的一种手段，非开挖施工技术是指利用各种岩土钻 掘的设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工 技术。盾构法是现阶段在软弱地层中修建地铁、交通隧道以及各种用途管道的最先进 的施工方法之一。它与传统的挖槽铺管的施工方法相比，具有不影响交通、环保、施 工时间短、成本低、应用广泛等许多特点。 2 1 1 盾构机。” 盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传 感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏 等功能。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。 l 、盾构的基本组成 盾构是由承受外部荷载的钢壳和在其保护下进行开挖、组装衬砌及具有掘进功能 的设备组成。 切口环 切1 3 环位于盾构的前方，作为挖土和挡土部分。切口环保持着工作面的稳定，并 作为把开挖下来的土砂向后方运送的通路。切口环的形状多为直角和倾斜形，也有阶 梯状。 支撑环 支撑环作为切口环与盾尾的连接部分，其内部作为安装切削刀盘的驱动装置、排 土装置、盾构千斤项等的空间，或作为进行推进操作的场所。支撑环是盾构的主体结 构，承受作用于盾构上的全部荷载。 盾尾 在盾尾中安装有组装机，盾尾的最小长度必须保证衬砌组装工作的进行。 隔板和平台 隔板和平台一般均安装在支撑环内，组成h 形、l 形等形状，形成一定的空1 自j ， 用于安装支撑开挖面的千斤顶，保护配管和机器及堆渣设备等，同时也作为支撑环的 加强构件。 2 、盾构机的分类 6 第二章监测方案的设计 根据盾构头部的结构，可以将其大致分为闭胸式和敞开式。盾构机根据其适用的 土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。 具体见图 图2 1 盾构的分类 闭胸式盾构，通过密封隔板在隔板和开挖面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥 水的压力舱内的压力，以保证开挖面稳定性的盾构型式：敞开式盾构是指开挖面全部 或大部分敞开的盾构型式，以开挖面能够自立稳定为前提。 盾构机问世至今已有近1 8 0 年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近3 0 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。国外主要生产厂家有日本三菱重工、人崎重工、日立 造船、德国海伦克内希特( h e r r e n k n e c h ta g ) 公司等。我国从9 0 年代以来，已成功地 研制了直径3 8 6 3 4 m 的土压平衡盾构掘进机1 0 余台，用于地铁隧道、引排水隧道、 电缆隧道工程，技术水平己接近国际先进，在隧道导向技术、监控技术方面的研究也 达到了国际先进。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差 距，在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。 2 1 2 盾构法施工原理” 盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在 防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌 作业。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、旌工速度快、一次成洞、 不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不 影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济 合理。其施工的基本条件： 1 、位置上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井： 河海大学硕士研究生论文 2 、隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于6 m ： 3 、相对均质的地质条件； 4 、如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建( 构) 筑物之间所夹土( 岩) 体加固处理的最小厚度为水平方向1 o m ，竖直方向1 5 m ； 5 、从经济角度讲，连续的施工长度不小于3 0 0 m 。 盾构法的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土 壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时 文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖 掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构法施工主要由稳定开挖面、挖掘及 排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要 方面。 2 1 3 盾构法施工过程“1 1 、出发和到达 开始推进时利用竖井内临时设置的管片等作为后备向前推进，从出发口进入地层， 沿所定的方向向前推进。所谓到达，就是保持围岩稳定的同时把盾构沿着所定的路线 推进到竖井的到达面。 2 、盾构的推进 盾构推进时必须根据围岩条件，适当地开动千斤顶，在保证工作面的同时，沿所 定路线方向准确地进行推进。推进时注意的问题有： ( 1 ) 推进时，正确地使用所需台数和必要位置的千斤顶，使之产生推力，按设计 的线路方向行走或进行必要的纠偏； ( 2 ) 不能使开挖面的稳定受到损害； ( 3 ) 不应使衬砌等后方结构受到损害； 3 、压气施工 在含水、砂土地层和软弱粘土地层中用盾构法施工时，会发生开挖面涌水、土层 坍塌等情况，从而影响盾构的推进。在这类地层中施工，需要同时使用稳定地基的辅 助施工方法，气压或局部气压施工，是常用的稳定地基施工方法。 4 、衬砌、压注及防水 衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。在推进完成后，必须迅速地按照所定的方法正确、 良好地完成一次衬砌的施工。一般衬砌是在推进完了后迅速地将几块管片组成环状， 必须使盾构处于可随时进行下一次推进的状态。二次衬砌是在一次衬砌防水、清扫等 作业完全结束后进行。 必须采用与围岩条件相适合的注浆材料及注浆方法，在盾构推进的同时或其后立 即进行注浆，将衬砌背后的空隙全部填实，防止围岩松弛和下沉。 2 2 监测方案的设计 采用盾构法在软土中修建地铁隧道，会引起地层移动而导致不同程度的地面和隧 第二章监测方案的设计 道沉降。引起地表沉降的因素很多，如开挖模式、注浆量、注浆开始时间、土压仓压 力、地下水位、盾构姿态、推进速度、注浆量等“。除了这些施工参数外，一些外在 与内在荷载，如水压力、隧道自重、上覆荷载等，施工过程中必须综合考虑这些因素， 根据地层情况，制定合适的旌工方案，精心施工，把地表沉降控制规定范围内、保持隧 道结构稳定是完全可能的。本节作者在总结了南京地铁各盾构区间的监测情况后，提 出了可行的监测方案。 2 2 1 监测方案设计原则 施工监测是一项系统工程，监测工作的成效性与选用的监测方法和测点的布置有 直接关系。根据对南京地铁盾构区间监测工作的总结，可以归纳为以下五条原则： l 、可靠性原则：可靠性是监测方案设计中所考虑的最重要的原则。为确保其可靠性， 必须做到监测采用可靠的仪器，监测期间保护好测点。 2 、层次原则：有四点具体含义， 在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目； 在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法： 在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪器； 考虑分别在地表、地下管线上布点以形成具有一定测点覆盖率的监测网。 3 、重点监测关键区的原则：在具有不同地质条件和水文地质条件、周围建筑物及地 下管线，其稳定的标准是不同的。稳定性差的地段应该进行重点监测。 4 、方便使用原则：为减少监测与施工之问的干扰，监测方案的设计应尽量做到方便 实用。 5 、经济合理原则：系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的先进性，以降 低监测费用。 2 2 2 监测断面的选择 监测断面按照工程的需求、地质条件以及施工象件的选择，布置时需注意时空关 系，采取重点与一般结合、局部与整体结合，使测网、测面、测点形成一个系统、能 控制整个工程的各关键部位。 盾构始发和到达由于竖井开挖及加固土体对地层已有扰动，盾构推进时这些地段 易发生土体坍塌和引起较大的地表沉降，危及地面构筑物和地下管线的安全，特别是 盾构始发还没有建立起土压平衡，盾构推进会引起较大变形。从国内外现有资料来看， 盾构施工所发生的各种重大事故大多发生在始发和到达处，因此对盾构始发和到达处 需重点监测，监测点间距和测试频率应加密。 监测断面可分为主要监测断面和辅助监测断面，主断面可埋设各种仪器，进行多 项监测，这样既可以保证了监测重点，又降低了费用。 2 2 3 监测内容 地表沉降监测是监测的主要内容之一，其它监测内容可以提供参考。“。监测分为 以下内容： l 、地表隆沉监测 掌握盾构推进时地表沉降规律、盾构推进对地表的影响程度及影响范围，以指导 河海大举硕士研究生论文 蓬王稆酸僚藏工安全。 2 、毪瑟建筑物的下沉凝颧斜篮铡 在建筑物周围设置测点，观测盾构穿越前后地酾建筑物下沉以及倾斜，据以判定 建筑物的安全性，以及采用的工程保护措施。允许下沉值及倾斜德可参考国家设计规 范”1 。 3 、姥下管线髓测 施工区段地下管线众多，主要有上、下水管、煤气管道、电力管道、通讯篱道等， 由于施工影响范围内地朦不同程度的沉陷，可能会弓i 起地下管线的变形、断裂而直接 莛及其歪露蔹嗣，葚至萼| 发灾难瞧攀簸。 通常豁测手段有抱箍式、壹接式和模拟式三种( 表2 1 ) 。幽予各种管线慰沉降影 响的敏感性和耐受力因疑材质、连接方式、接口材料、对变形的允许指标及施工质量、 使用年限不同而有较大熬异，为确保安全，一般以沉降耐受力最低的污水管作为沉降 控稍基准磺究惑象。绞据结秘在委常经瑟跨箕受瓣戆应力痤小予萁允许应力这一嚣 准，管道在地层沉降时产生的变形成小于或等于冀允许应力的相应变形范围，即： i s = ( k i + f ) 2 一i 2 式中； 8 】= o e o _ 一允许拽废力e 一弹幢攘量i 溺降槽半宽嶷 表2 1 蛰线盗测豹三幂秘实施模式 监测方式测点布置优点缺点 精菠裹 制俸一拖薤鑫定簌管线上，艳攘上挥接埋潺肄磐镁鹱舜挖 抱箍式能真实发靛管线的交蓐情 测杆，路面布置相虑的保护措施受袈捧限制 况 明挖至管线顶部，利用突出部位( 闸门开管线埋深较大藏水位较高 直接式开控量小 关等) 佟灸测点时不遥含慕塌 选择代表性管道，打入钢筋头至管邀预部简单品行、避免了开挖对 模拟式精度较低 作为测点 交通的影响 4 、管片毒重密交彩釜撼 量测隧道管片衬砌发生的变形，梭验变形是否在允许范围内，包括拱项下沉、营 片收敛，用来判断采用的结构形式的合理性。管片相对位移控制在直径的0 1 1 0 0 内。 5 、辕蘩熬满瑷嚣。 除了上述四个主要j j 矗测内容外，还要进行一些辅助内容的溉测，可以更好地了解 施工对周阐环境的影咖。比如，土体的水平位移监测，可以掌握盾构穿越前艏周围土 体的位移攥德；地下水位监测，了解鼹梅施工期间地下水位的变化情况，为确定盾梅 稚力提撰参数；垂卷蓬力薤灏，了瓣艨筏攘透过撵孛土压力懿大小襄分毒疆溅：联络 通道的拱顶下沉、净空收敛等。 2 2 4 监测点的布设 第二章监测方案的设计 监测点布设有以下原则： 1 、点的类型和数量的确定应结合工程性质、地质条件、设计要求、施工工艺以 及监测费用等因素综合考虑； 2 、验证设计数据而设的监测点应布置在设计中的最不利位置和断面， 工而设的测点应布置在相同工况下的先施工的部位； 3 、表面变形点的位置除了应确保良好地反映监测对象的变形特征外， 采用仪器进行观测以及有利于测点的保护； 为指导施 还要便于 4 、深埋监测点不能影响结构的正常受力，不能削弱结构的变形刚度和强度； 5 、在实施多项监测项目测试时，各类监测点的布置在时间和空间上应有机结合， 力求在同一监测部位同时反映不同物理量的变化情况，以便找出其内在的联系和变化 规律。 图2 2 为盾构隧道主断面的监测点布置示意图。 妻堕型 ，j l 、 ，。i r i l 。 一- 、一 、1 一。+ 图2 2 监测主断面测点布置图 2 2 5 信息反馈 监测资料是为信息化施工服务的，信息化施工就是在施工过程中，对实时收集的 数据进行分析，根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整，并反馈到下一施 工过程，对下一阶段的施工过程进行分析和预测，从而保证施工安全、经济地进行“。 及时地掌握可靠的信息是信息化施工中的分析、预测的基础，监测的一个主要目的是 为施工服务，作为施工中的信息，监测数据的迅速快捷处理，能指导施工的监测管理。 信息化施工的管理过程如图2 3 所示 信息化施工的过程可以分为三个过程啪1 ： 1 、基于观测值的日常管理 实时采集盾构隧道结构的变形、内力、地表沉降等数据，每天比较观测值和管理 值，监测工程的安全性以及是否与管理值相差过大。 2 、现状分析和对下阶段的预测 利用观测结果推算施工参数，根据新的施工参数计算分析，判断现阶段的施工参 数的合理性和盾构隧道结构的安全性，并预测下一阶段的工程结构以及周边环境的变 河海大学硕士研究生论文 形及稳定。 3 、调整设计方案 根据预测结果调整设计方案，必要时改变施工方案，重新进行设计。 图2 3 信息化施工的监测管理过程 2 3 施工控制 盾构施工对周边环境的影响，主要是由于地层的扰动，使土体的原有受力平衡被 打破，其变形机理将在第三章阐述。控制好地面沉降，也就达到了环境保护的目的， 因此在施工中应根据监测数据的变化，不断进行施工参数的调整来控制地表的隆沉， 使之控制在+ l o m m 一3 0 r a m “”之间。 2 3 1 掘进模式选择 盾构掘进根据不同的地质条件采用敞开式、半敞开式和土压平衡式三种掘进模式 以适应硬岩、软硬混合地层和含水软岩的掘进。 采用土压平衡工况掘进时，使刀具切下的土砂充满碴仓，并呈流塑性控制开挖面， 用螺旋输送机和调整装置保持排土与切削量平衡，维持碴仓土砂一定的压力，抗衡开 挖面的土压和水压，用碴仓和螺旋输送机内的土砂获得止水效果，配合同步注浆系统 和必要的二次注浆，保持开挖面稳定，防止地下水涌出，控制地表隆沉。 采用土压平衡模式时，碴土应有良好的流塑状态、良好的粘一软稠度、低的内摩 擦角和低的透水性。当满足不了要求时，需给开挖面、混合仓和螺旋输送机内注入外 ：b i n 对碴土进行改良，使开挖土具有流动性和止水性。对于易流动、内摩擦角小、渗 透系数小的粘性土地层，通过刀盘和螺旋输送机的搅拌，切下的土一般具有塑流性， 对于粘着力大不易流动的土可以向碴仓注水，使土得到适合的流动性；对于流动性差、 内摩擦角大、渗透系数大的砂性土地层，切下的土流动性差，充满碴仓和螺旋输送机 的土使刀盘、输送机的扭矩和千斤顶推力增大，影响掘进。另外压缩的土体止水性差， 捧二二帚临测方案的设计 当地下水压高时，易爨现喷发理象。这时要注入添船刘，馊歼挖土具有滚动性秘止水