（岩土工程专业论文）软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究.pdf

浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其它个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 乌窭眵 日期：矽c 。年乡月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 岛述癌 日期：如l 。年占月日 导师签名： 曼f 秘劣 日期：瓣 6 月 日 浙江工业大学硕士学位论文 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 题目：软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 摘要 盾构掘进技术是地下建设中采用的一种先进技术，它具有快捷、优质i 经济 和安全等特点，已成为软土地区城市地铁隧道施工的常见工法。然而盾构开挖还 是不可避免地会引起一些环境岩土问题，特别是地表沉降问题。过大的地表沉降 会影响到盾构隧道的安全施工和地表建筑物以及地下设施的正常使用。对于盾构 推进过程中引起软土地层移动和地表沉降的原因及机理，人们还缺乏足够的认识 和工程实践经验积累。因此，如何减少盾构施工对隧道周围土体的扰动以及对地 表建筑物和地下管线的影响，研究盾构隧道开挖过程中地层移动和地表沉降的原 因及机理具有很重要的理论和工程实际意义。 在前人研究工作的基础上，本文以杭州地铁l 号线某区间地铁隧道开挖为研 究背景，利用三维非线性有限元a d i n a 软件对土压平衡盾构隧道施工开挖过程 进行数值模拟与理论分析，其主要工作和结论如下： ( 1 ) 简要概述了盾构隧道开挖引起地表沉降问题和隧道开挖引起地表沉降 的国内外研究现状和成果。 ( 2 ) 简单概述了软土的工程性质和软土地层中常用施工方法一土压平衡盾 构开挖，接着结合软土的工程性质分析了软土地层盾构开挖引起地表沉降的特 征、发展过程和变形机理。 ( 3 ) 首先将s a g a s e t a 提出的地表沉降空间解析公式简化为平面应变公式，对 这个公式进行修正得到一个计算盾构地表横向沉降的解析公式，并结合几个工程 实例的实测值和本文的理论解进行对比分析，结果表明两者拟合较好。最后，利 用该理论解对在建的杭州地铁1 号线某区间隧道的横向沉降槽进行了提前预测。 ( 4 ) 通过对杭州地铁1 号线某区间盾构隧道进行有限元数值模拟，并对计算 结果进行分析，得到了盾构开挖之后的地表沉降沿横向和纵向的变化规律以及不 同深度处地层沉降变化规律。 ( 5 ) 采用有限元数值模拟的方法对隧道相对埋深、土体参数、盾构衬砌材料 和壁后注浆等因素对地表沉降的影响进行分析，通过不同参数值的改变来分析各 因素对地表沉降的影响。 关键词：地表沉降；盾构隧道；软土；数值模拟；解析公式；地层损失 7 i h et h e o r e t i c a ls t u d ya n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fg r o u n d s u b s i d e n c ec a u s e d b ys h i e l dt u m l e le x c a v a t i o ni ns o rs o i l s a b s t r a c t t u l l l l e lc o n s t n l c t i o nt e c l l l l o l o g ) ，埘t l ls l l i e l d “v e nm e m o di sa i la d v a n c e do n eu s e d i i li 蕊饥l c t u r ea 1 1 di sac o m m o nt i l i l i l e le x c a v a t i o nm e t l l o do fm e 臼os u b 、w wi ns o r s o i l sb e c a u s eo ft l l eu 1 1 i q u ec h 觚l c t e 打s t i c sa 1 1 da d v a i l _ t a g e so fq u i c k n e s s ，g o o d n e s s ， e c o n o m ya i l ds a f e 饥e ta 1 b u ti t i si i l e v i t a b l et oc a u s es o m ee n v i r 0 眦e n _ t a la n d g e o t e c l l i l i c a jp r o b l e m sd l l r i n gt 1 1 es l l i e i de x c a v a t i o np r o c e s s ，e s p e c i a j l yt h ep r o b l e mo f 伊o u n ds u b s i d e n c e t 1 1 i s 、航1 1a f r e c tm en o m a lu s ea i l dt h es a 尼l yn m n j n go ft h es h i e l d n m e l 锄dt h eg r o u i l ds 证i a c eb u i l d i n ga 1 1 d u 1 1 d e r g i o u l l df a c i l i t i e s i fn l eg r o u n d s e t t l e m e n ti st o o m u c h p e o p l es t i l l l a c k e n o u 曲k n o w l e d g ea n de n g i n e e r i i l g e x p 甜e n c eo nt h ec a u s e so fs o ns o i lm o v i l l ga 1 1 dg r o u 芏l ds e t t l e m e n td 嘶n gs h j e l d m o v i n gf o n a r d h e n c e ， i th a u s i i n p o r t a n tt l l e o r e t i c a la 1 1 d e n g i i l e e r i n g p r a c t i c e s i 鲥f i c a l l c et or e d u c et 1 1 ee 丘e c to fs 1 1 i e l de x c a v a t i o no nt 1 1 ed i 鼬a 1 1 c eo fs o i l s a r o u n dm et u n n e la n dt 1 1 ee 虢c to nt l l es 叫a c eb u i l d i n g sa j l du n d e r g i o u i l dp i p e l i n e s ， a i l dt os t l l d ym ec a u s e sa r l dm e c h a m s m so fs 仃a t u mm o v i n ga r l d 铲o u n ds u b s i d e n c e d u 血gt i l ep r o c e s so fs k e l dt i m e le x c a v a t i o n b a s e do n 也er e s e 踟c hr e s u l t so b t a i n e da 1 1 dt a k e n l ee x c a v a t i o no ft l l es u b w a v c e n a i l lt u 衄e 1s e c t i o no fh a n g z h o um e 仃ds u b w a yl i n e 荐1f o re x 锄p l e ，廿1 en u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dn l e o r e t i c a la n a l y s i si sm a d eo f 吐l ee x c a v a t i o np r o c e s so f 也ee a n h p r e s s u r eb a l a i l c et ) ，p e s 1 1 i e l de x c a v a t i o nu s i n gt 1 1 e3 - dn o l l l i n e a rf i n i t ee l e m e n t s o 仃w a r ea d i n a t h em a i nc o n t e n t so ft b j sp 印e rc a nb es l l i l l m a r i z e da sf 0 1 l o w s ： ( 1 ) ab r i e f 砷d u c t i o ni sm a d eo nt 1 1 ep r o b l e mo fg r o l l i l ds u b s i d e n c ec a u s e db y t l l r m e ls 1 1 i e l de x c a v a t i o n ，a i l dt l l er e s e a r c hs 铷sa n dr e s u l t so b t a i n e da th o m ea 1 1 d a b r o a do f 戗l eg r o u n ds e t t l e m e n tb yt u 姗e le x c a v a t i o n ( 2 ) ab r i e fi i l _ 仃o d u c t i o ni sm a d eo nt l l ee n g i n e e r i n gp r o p e n i e so fs o rs o i l sa i l dn l e s l l i e l de x c a v a t i o nm e t h o dc o m m o i l l yu s e di 1 1t l l es o rs o i ll a y e r ab a l a n c eo fe 釉 p r e s s u r et y p es 王1 i e l de x c a v a 五o n n l e i l ，b a s e do nt h ee n 西n e e r i n gp r o p e r c i e so fs o r s o i l s ，i ti sa j l a l ) ，z e do fm ec h a r a c t e r i s t i c s ，d e v e l o p i n gp r o c e s sa 1 1 dt l l es e t t l e m e n t i i 浙江t 业大学硕士学位论文软七地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 d e f o n n a t i o nm e c h a l l i s mc a u s e db yt u i m e ls h i e l di ns o rs o i l s ( 3 ) f i r s t l y ，吐1 ea i l a l y t i c a lf o m u l a u eo ft h eg r o u i l d 仃a n s v e r s es u b s i d e n c ep r o p o s e db y s a g a s e t aa r es i m p l i f i e di n t ot l l ep l a n es t r a i na n a l y t i c a lf o 册u l a e a r e r 锄e n d m e n t ， t 1 1 ef b n i l u l a ef o rm e 野o u i l d 饥m s v e r s es u b s i d e n c ea r eg o t t e na i l dt h er e s u l t so b t a i n e d b yt h ea 1 1 m y t i c a lf o m u l a ea r ec o m p a r e da n da i l a l y z e d 谢t hs e v e r a lf i e l dt e s t i n gr e s u l t s a th o m ea 1 1 da b r o a d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt l l e ya 铲e ev e 巧、1 1 f i n a l l y ，t l l eg r o 吼d 仃a n s v e r s es u b s i d e n c ec m 、，e so fc e n a i l lt u j m e ls e c t i o no fh a n g z h o um e 仃os u b w a y l i n e 群1a r ep r e d i c t e di i la d v a l l c e ( 4 ) t h ec h a n g i n gl a wi so b t a i n e do ft 1 1 e 廿- 觚s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a jg r o u i l d s u b s i d e n c e 锄dg 眦as e t t l e m e n ta td i n e r e md e p t ha f t e re x c a v a t i o no ft m m e ls m e l d ， u s i n gm ef e 玳呦e r i c a ls i m m a t i o no fc e r 面n 仙胁e ls e c t i o no fh a l l g z l l o um e 仃o s u b w a yl i n e 群1a n dt h ea 1 1 a l y s i so ft l l ec a l c u l a t i o nr e s u l t s ( 5 ) u s i n gm em m l e r i c a ls i r r l u l a t i o nm e t h o do ff i i l i t ee l e m e m ，t h ee 舵c ti sa n a l y z e d o n 也e 伊o u n ds u b s i d e n c eo ft i l i m e l sr e l a t i v eb u r i e dd e p t h ，t h em e c h a n i c a lp a r 锄e t e r s o fs o i l s ，t h em a t 翻a l so fs h j e l d1 i n i n ga 1 1 db a c kg r o u t i n g ，e ta 1 ，a 1 1 di sr e v e a l e db y c h a n g i n gt h ev 2 l l u e so f d i 丘b r e n tp a r a m e t e r si nt l l r n 1 ( e yw o r d s ：q o l ds u b s i d e n c e ；s h i e l dt u l l l l e l ；s o rs o i l s ；n 啪甜c a l ls i m u l a t i o n ； a n a l 如c a lf o m u l a ；g r o u l l dl o s s 1 1 l 浙江工业大学硕士学位论文 软士地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 摘要 a b s t r a c t 目录 1 绪论1 1 1 1 2 1 3 1 4 2 软土地层土压平衡盾构施工引起地表沉降的机理分析1 0 2 1 软土的工程性质及变形特征1 0 2 1 1 软土的工程性质1 0 2 1 2 软土的变形特性1 1 2 2 土压平衡式盾构机简介1 2 2 2 1盾构施工技术简介1 2 2 2 2 土压平衡式盾构机设备简介1 3 2 2 3 土压平衡式盾构特点及适用范围1 3 2 2 4 土压平衡式盾构工作原理及工艺流程1 4 2 3 软土地层盾构掘进引起地表沉降的机理分析1 5 2 3 1地表沉降特征与发展过程1 5 2 3 2 软土地区盾构掘进引起地表沉降的机理1 7 2 4 本章小结1 9 3 软土地层盾构隧道施工引起地表横向沉降的解析研究2 0 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 v 1 2 2 j 9 ! 状出现 提究容的研内题降究问沉研和道要景义隧主背意外的究究内文研研国本 0 o 2 3 4 6 9 2 4 2 2 2 2 2 2 2 3 3 i rf 析 一 分 r ： 及 ji0 贝 i 一 预 一 一 一 一 一 一 一仑一 ，t p 一 理 一 ? 的一 i 一 一 一 一 一 一 一酋日 一 ttl 。 p ，- ： 一 降 算 正沉 计 修一向 一义的一 的一横定数一题式析道的参理问公分隧 数失原变降例铁结参损法应沉实地小言隙层像面表程州章引问地镜平地工杭本 浙江工业大学硕上学位论文 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 4 软土地层中地铁盾构施工引起地表沉降的数值分析3 5 4 1 数值模拟软件简介及材料模型的确定3 5 4 1 1a d i n a 软件的特点3 5 4 1 2 a d i n a 软件的基本功能介绍3 6 4 1 3 材料模型的确定3 7 4 2 工程概况3 7 4 3 模型建立4 0 4 3 1 计算假定4 0 4 3 2 建模过程4 0 4 4 计算结果分析4 3 4 4 1 地表横向沉降分析4 3 4 4 2 地表纵向沉降分析4 5 4 4 3 隧道横截面不同深度处地层沉降规律4 7 4 5 本章小结5 0 5 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的影响因素分析5 1 5 1概j 苤5 1 5 2 相对埋深h d 对地表沉降的影响5 l 5 3 软土压缩模量的影响5 4 5 4 盾构衬砌材料的影响5 5 5 5 壁后注浆的影响5 6 5 6 本章小结5 9 6 结论与展望6 1 6 1 本文总结6 1 6 2 存在的不足与展望6 2 参考文献6 3 v l 浙江工业大学硕士学位论文 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 1绪论 1 1 研究背景和问题的提出 近年来，随着我国经济的高速发展和城市人口密集程度的不断增加，我国的 城市化水平正在快速提高。与此同时，也使其面临着人口膨胀、交通拥挤、停车 困难等一系列问题。目前，城市建设中面临的主要问题首先表现在城市交通阻塞、 行车速度缓慢、停车困难。作为城市功能中最活跃的因素，交通己成为影响城市 可持续发展的最关键问题，交通解决不好，完全可能导致整个城市的瘫痪。其次， 由于城市基础设施落后于城市面积的扩展和城市人口的增长，造成城市生活和工 作环境不断恶化。为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁，大 力开发和利用地下空间已成为城市现代化发展的必然选择。“地下空间的开发利 用”是指对地表以下地层空间实体进行有序开发和合理利用。现代城市中的地下 地铁、共同沟、地下街、地下车库、地下变电站、能源储蓄仓以及城市防灾设施 ( 如人防工程、雨水贮留设施) 等，都是城市地下空间开发利用的具体形式。为了 缓解城市发展和土地资源紧张的矛盾，大力开发和利用地下空间，向地下要空间、 要发展，以实现城市的可持续发展已提到议事日程上来，世界各国地下空间的开 发与利用已进入一个新的历史阶段【l 】。在发达国家的大城市，地铁已成为主要客 流交通线，过江隧道、地下道路、地下人行道、地下停车场等也在不断建设，地 下空间的开发与利用已出现了“地下街”和“地下综合体”的结构体系。中国工程院 王梦恕院士认为：“中国确实需要地下交通，地铁将不单是城市发展的需要，也 是未来地下资源开发的必然”【2 j 。毫无疑问，地下隧道与构筑物等的修建是一条 能够从环境和经济角度解决城市日益增长的社会经济问题的有效途径。“1 9 世纪 是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，2 1 世纪则是人类开发利用地下空间的世 纪。”2 l 世纪我国将迎来一个地下空间的开发高潮。 地下铁道由于其运输能力大、效率高等特点在人们的日常生活中发挥着不可 替代的作用，特别是一些人口密集的大中城市，地铁等地下运输通道可以很好地 解决城市交通拥挤问题。最近几年来，随着我国社会的进步、经济的迅速发展， 我国许多城市的地铁等一系列地下铁道建设开始进入大发展阶段，如北京、上海、 广州正在拟建地铁网络系统，深圳、南京、杭州、天津等城市也在兴建和拟建地 铁和轻轨等交通系统。 尽管地下铁道有着众多的优点，但在建设的同时也会引发一系列的环境岩土 问题，尤其在软土地区建设时引起的地表沉降问题。例如，2 0 0 8 年1 1 月1 5 日杭州 萧山湘湖段发生地铁施工塌方事故，造成萧山湘湖风情大道7 5 米路面坍塌，并下 浙江1 = = 业大学硕士学位论文 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 陷1 5 米，正在路面行驶的约有1 1 辆车辆陷入深坑，严重影响了地面交通的正常运 营。2 0 0 5 年1 1 月3 日9 时3 0 分左右，北京东三环长虹桥、农展桥之间的外环辅路上， 一根直径3 0 0 毫米的地下自来水管爆裂，路面上有两处相距2 0 米左右、面积十余 平方米的大坑。现场负责指挥的禹通市政工程有限公司朝阳所的石先生表示，此 次事故可能是由于附近地铁线路施工，而导致地层不均匀沉降，管线承受的压力 不均导致破裂。事发两周前，这个地方曾发生过类似的事件。上述种种隧道开挖 事故告诉我们隧道开挖产生的地表沉降会对周边及邻近建筑物造成较大的危害， 轻则开裂，重则倒塌。可见，如何预测并在施工中控制地表沉降是地下隧道工程 建设的重要任务。多年来，隧道开挖引起的危害及其评价一直受到国内外工程界 与学术界的关注，研究由于开挖造成的环境危害及其周边建( 构) 筑物的保护方案 与标准成为目前迫切需要研究的问题。我国目前尚没有一个完整的地铁开挖引发 的建筑损害评价标准，相关的学术性研究也较少。 图1 1 杭州地铁萧山湘湖段事故图1 2 地铁1 0 号线施工造成农展桥辅路塌陷 开挖和修建地铁等地下工程，有明挖法、盾构法、暗挖法等，每种方法都有 其优缺点及适用范围和条件，而盾构法以其较多的优势成为城市地铁隧道开挖的 主要施工方法，特别是在软土地区及一些软岩和不稳定岩层地区。在推进过程中， 盾构法是在自身刚性支护的保护下在前方开挖土体，并在盾尾进行衬砌拼装和壁 后注浆。该施工方法已成功地进行许多软土地区地下隧道的施工开挖。但是，众 多工程实践均表明，尽管盾构法的施工技术已经发展得比较成熟，但还是不可避 免地会对土体产生扰动，从而引起不同程度土层的移动和变形。当这种变形和沉 降超过一定的限度时，就有可能危及周围建筑物及其基础和地下管线的安全，引 发一系列环境岩土问题。因此，施工前应该很好的预估盾构施工对周围建筑物的 安全性可能造成的影响和程度，从而采取相应的措施，以确保建筑物的安全【4 】。 其中，如何减少盾构施工对周围土体的扰动以及对地表建筑物和地下管线的影 响，一直是人们所关心的问题。因此，盾构法施工对地层的扰动机理及其产生的 地表沉降和变化规律成为目前岩土工程领域一个很重要的研究方向。 1 2 研究意义 2 浙江工业大学硕士学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 地表沉降是地铁盾构隧道施工过程中最需要重点关注的问题，大的地层下沉 会对周围附近的建( 构) 筑物造成危害。例如，对城市交通道路的损坏、路面的开 裂、下陷等；地下原来的排污、输水等管道受到地铁隧道施工引起地层沉降而破 裂，致使污水上溢等；地下隧道施工开挖通过既有桥梁等设施时，导致桥梁桩基 础的沉降，或者由于地层的沉降产生相对于桩的负摩擦，使之丧失原有承载能力， 从而降低整座桥梁的承载能力与安全使用性能。在隧道开挖引起地表沉降的控制 方面，国内做得多的是对地层沉降进行观测，并根据经验确定一个最大允许沉降 值，以此来控制施工和检修、加固隧道。例如，在北京等地【5 一，一般规定地下 开挖造成的地表沉降上限值为3 0i l u n ，但是这个值是根据经验制订出来的，没有 系统的研究依据，应用的地区限制性比较大。即便是在3 0i m n 的范围内，不同的 结构也有不同的力学响应，损害程度也是不一样的。因而，根据这个标准来制定 建筑物的加固措施不一定合适，以此作为依据会造成施工困难，提高造价，有可 能会造成大量的成本浪费和经济损失。另外，不同的地质条件对沉降也有不同的 敏感反应，对于某些延性较好的土层，就算隧道开挖引起较大的沉降，其整体表 现还是稳定的、安全的；而对于某些脆性岩石，当隧道开挖之后可能较小的沉降 就可能引发整体倒塌，从这方面也能看出一个具体的沉降限值在不同的地质条件 下是不能通用的。 在深厚软土地区，由于受地下水分布及土质条件差异的影响以及盾构施工质 量的差异，隧道在开挖过程中各个区域的沉降变化区别较大，而且其地表沉降的 很大一部分来源于土的固结沉降，所以在开挖过程中控制地表沉降的时候，仅靠 一个经验的限值是行不通的，对不同的工程要进行具体问题具体分析，进行动态 沉降控制分析，从而最大程度地减小地表的沉降，保护周围建筑物及地下管线的 安全。 由此可见，在盾构设计施工阶段，非常有必要预测盾构隧道施工引起的地层 变形，保护已有结构物和地下管线，使之免受隧道施工的影响，这就需要在以往 量测数据和专家经验的基础上，继续深入研究引起隧道沉降的影响因素、地层沉 降机理以及隧道开挖所引起的地层变形，做到具体问题具体分析，从而采取相应 的措施来减小隧道地面变形，降低对周围环境的影响，以便取得良好的综合效益。 1 3 国内外隧道沉降研究现状 地铁隧道开挖将引起地表的沉降变形，造成地表下陷，在开挖经过的上部地 表形成一个凹槽( 图1 3 ) 。位于该凹槽范围内的地表建筑物将不同程度地受到隧道 引起的地层运动的影响，其影响的程度根据沉降槽的范围而定。 3 浙江工业大学硕士学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 图1 3 地铁隧道开挖引起的地表沉降三维效果图 从国内外的研究成果来看，对隧道开挖引起地层变形的计算方法主要可以分 为：经验法、解析法和有限元法。 ( 1 ) 经验法 在地表横向沉降槽的研究方面，p e c k ( 1 9 6 9 ) 【7 】通过对大量地面沉降数据及工 程资料的分析，首先提出地面沉降槽呈拟正态分布，认为土层移动由土体损失引 起。假定土体不排水、体积不可压缩，则沉降槽体积等于土体损失的体积，并假 定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，提出了隧道横向地面沉降估算公式： 2 s ( x ) = k e x p ( 一吾) ( 1 1 ) 趾= 忐 ( 1 - 2 ) 式中，融) 为沉降量( i m n ) ；o 为隧道中心线处的最大沉降量( i 姗) ：k 为隧道单 位长度地层损失( 垅3 朋) ，k = 圪石r 2 ；x 为距隧道中心线的距离( m ) ；f 为沉降槽 宽度系数( m ) ，由查图表或公式扛 道中心深度；9 为土的内摩擦角； z _ l 泫求得。其中z 为地面至隧 历t a l l ( 4 5 。兰) 圪为地层体积损失率；r 为隧道开挖半径。 后来，许多学者对p e c k 公式作了进一步研究，如o i r e i l l y 和n e w s ( 1 9 8 2 ) 8 1 通过 对各种地质条件下开挖隧道时地面沉降的观测资料进行统计，得到3m 0 5 m p a 以) 、强度低( 不排水抗剪强度小于2 0l ( p a ) 和具有灵敏性和结构性的土层，包 括淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉土等。按其地质成因，可分为滨海环境沉积软土、 海陆过渡环境沉积( 三角洲沉积) 软土、河流环境沉积软土、湖泊环境沉积软土和 沼泽环境沉积软土。这类软土的工程性质包括： ( 1 ) 天然含水量高。软土的天然含水量一般大于液限，呈软塑或半流塑状态， 液限一般在4 0 6 0 ，天然含水量大于3 5 ( 一般为3 5 哆扣8 0 ) ，饱和度大于 9 5 。 软土的天然含水量虽然大于液限，但只要不被破坏和扰动，仍可处于软塑状 态。然而一经扰动，其结构将受到破坏，从而变成流塑状态。 ( 2 ) 孔隙比大。软土的孔隙比大于1 0 ，一般介于1 0 2 0 之间，最大可超过 2 o ，山区的软土可能还要更大一些。 ( 3 ) 透水性低。软土的透水性很低，其渗透系数一般为1 o 1 0 气1 o 1 0 墙c 州s ， 垂直方向的渗透系数通常比水平方向的要小一些，对地基排水固结不利，常使建 筑物沉降趋于稳定的时间加长。同时，在加载初期，地基土中常出现较高的超孔 隙水压力，影响地基的强度。 ( 4 ) 压缩性高。软土属高压缩性土，压缩系数口1 2 一般大于o 5m p a 1 ，介于 0 5 1 5m p 矿1 之间；压缩指数约为o 3 5 o 7 5 ，其压缩变形大部分发生在垂直压 力为0 1m p a 左右。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 ( 5 ) 具有触变性。粘性土的抗剪强度随时间恢复的胶体化学性质称为触变 性。软土一经扰动，其强度将被削弱，但当扰动停止后，又逐渐恢复絮凝结构， 强度又得到恢复。触变性的大小可用灵敏度s 。表示，即： s = 吼g ：( 2 1 ) 式中，吼为天然状态下的无侧限抗压强度； 坏后的无侧限抗压强度。 灵敏度划分界限见表2 1 。 g ：为保持含水量不变而结构遭到破 表2 1 灵敏度划分界限 l 灵敏度s 。 11 22 44 88 1 6 1 6 l 灵敏程度非灵敏土低灵敏土中灵敏土高灵敏土特灵敏土流动土 软土的灵敏度一般在3 4 之间，个别可达8 9 。当软土地基受震动荷载后， 易产生侧向滑动、沉降及底面两侧土挤出等现象。 ( 6 ) 具有流变性( 蠕变性) 。软土在荷载持续作用下，压缩变形随时间延长而 增加的特性称为流变性。通常流变速度很小，每年只移动几厘米，但持续时间很 长，有的达数十年。在剪切力作用下，土体长期出现缓慢的剪切变形，这对建筑 物地基的沉降有较大影响，不利于斜坡、堤岸、码头等的稳定。 ( 7 ) 具有不均匀性。由于沉积环境的变化，软土层中可能局部夹有厚薄不等 的粘土层，在水平和垂直方向上分布的差异明显，作为建筑物地基易产生差异沉 降。 ( 8 ) 抗剪强度低。软土的抗剪强度很低。抗剪强度的大小与施加荷载的速度 和排水固结条件有关。软土的天然不排水抗剪切强度一般小于2 0k p a ，其变化范 围约在5 2 5k p a 。排水固结条件下，软土的抗剪强度将产生显著变化，固结速率 越快，强度增长越快。 2 1 2 软土的变形特性 在外荷载作用下，土体将产生沉降变形。软土的沉降可分为瞬时沉降和固结 沉降。其中固结沉降包括主固结沉降和次固结沉降。主固结沉降是固结沉降的主 要部分，是指饱和或接近饱和的粘性土在外荷载作用下，随着超静孔隙水压力的 消散，土骨架产生变形所造成的沉降( 固结压密) 。主固结沉降速率取决于孔隙水 的排出速率。次固结沉降是指主固结过程( 超静孔隙水压力消散过程) 结束后，在 有效应力不变的情况下，土骨架仍随时间继续发生变形所造成的沉降。这种变形 的速率与孔隙水排出的速率无关，而取决于土骨架本身的蠕变性质。 在骨架应力作用下，由于颗粒表面所吸附的水( 气) 的粘滞性、颗粒的重新排 浙江工业大学硕士学位论文 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 列和骨架体的错动具有时间效应，因而土体变形与时间有关。另方面，土体内 部应力的调整，也与时间有关。土体变形和应力与时间有关的现象称为土的流变。 流变是软土的重要工程性质之一。由于粘性土的流变性，土体在相对稳定的状态 下随暴露时间的延长而产生移动是不可避免的。 软土具有固结和流变的特性，因此软土地区的隧道变形具有以下特点： 变形量大； 变形持续时间长； 影响范围广。 2 2 土压平衡式盾构机简介4 2 l 2 2 1 盾构施工技术简介 土压平衡式盾构又称削土密封式或泥土加压式盾构，这种盾构是在局部气压 盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的。该盾构的前端有一个全断面切削刀 盘，在盾构中心或下部有长筒形螺旋运输机的进土口，其出口在密封舱外。其施 工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的土砂， 并保持一定的土压力。 图2 1 土压平衡盾构机 土压平衡式盾构( e p b s ) 自1 9 7 4 年在日本首次使用以来，以其独特的优势已 广泛应用于世界各地的隧道工程中。1 9 8 4 年上海市隧道工程公司在我国首次应 用从日本引进的烈3 6m 土压平衡盾构建成了芙蓉江下水道总管工程。1 9 8 8 年 又自行研制了烈3 5m 加泥式土压平衡盾构，成功地穿越了软弱粘土和砂性土交 错的复杂地层，建成了上海市南电缆过江隧道。目前，土压平衡式盾构在全国各 地的地铁、市政、能源等工程建设中得到广泛的应用。实践证明，土压平衡式盾 构因其能较好地控制地表沉降、保护环境、适应在市区和建筑密集处施工等优点， 1 2 浙江工业大学硕士学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 在我国正走向普及，特别是在沿海软土地区，土压平衡盾构机受到了广泛的应用。 2 2 2 土压平衡式盾构机设备简介 土压平衡式盾构掘进机几乎能适应全部的软弱地层，并能有效地保持开挖面 的稳定和减少地面的沉降，施工的安全性及可操作性高，其总体性能己在上海、 广州、南京及深圳等地铁隧道建设中得到大量工程实绩的证明。 在刀盘扭矩力和推进油缸顶力的作用下，盾构在土层中利用布置在刀盘上的 切割刀，对土体进行切削。切削下来的土体经刀盘进入土槽并进入土舱，通过配 备的加泥系统对充满土舱的切削土进行改良，使其具有良好的流塑性，通过可控 制转速的螺旋输送机，控制土舱的出土量，使土舱内的改良土保持一定的压力， 使之与开挖面的土压力保持动态平衡，从而达到控制地面沉降的目的。 土压平衡式盾构可以分为两类：一类是在粘性土地层中将开挖下来的土体直 接充填在切削腔内，用螺旋输送机调整土压，使土舱内土体与开挖面水土压力平 衡；另一类是在砂性土地层中向开挖下来的土砂中加入适量的水或泥浆、添加剂 等，通过搅拌以匀质、具有流动性的土体充满土舱和螺旋机，达到工作面的稳定。 土压平衡式盾构机的系统组成如图2 2 所剥3 8 】，包括刀盘切削系统； 推进系统；加泥与注浆系统；螺旋输送机系统；管片拼装系统；盾 尾密封系统；皮带输送机系统；数据采集与监控系统；后续台车系统； 管片吊运系统。 切削刀盘三 亡 仿形刀注浆设备 一一 l ll 一液盘马达 霉至鬣 n y 一 l 卜一，= 厂 l 管片拼装机 rrr 卞：= ，、2 = 鱼尾刀 亡 搅拌翼 盾尾密封钢丝刷 图2 2 土压平衡式盾构主机构造图 2 2 3土压平衡式盾构特点及适用范围 土压平衡式盾构是在局部气压盾构和泥水加压盾构基础上发展起来的，在施 工过程中主要特点有： ( 1 ) 施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省技术措施费，并对环 浙江工业大学硕上学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 境无污染； ( 2 ) 根据土压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了 地表变形； ( 3 ) 对掘进土量和排土量能形成自动控制管理，机械化施工程度高，施工速 度快。 土压平衡盾构掘进一般不需辅助技术措施，本身具备改善土体的性能，通过 对各种土体的改良，能适应多种环境和地层的要求，可在砂砾、砂、粉砂、粘土 等压密程度低、软、硬相间的地层以及砾层、砂层等地层中使用。 2 2 4 土压平衡式盾构工作原理及工艺流程 土压平衡盾构掘进机是利用安装在盾构最前面的全断面切削刀盘，将正面土 体切削下来进入刀盘后面的贮留密封舱内，并使舱内具有适当压力与开挖面水土 压力进行平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而达到控制地表沉降的目 的。在出土时由安装在密封舱下部的螺旋运输机向排土口连续地将土渣排出。 螺旋运输机是靠转速控制来掌握出土量，出土量要密切配合刀盘切削速度， 以保持密封舱内始终充满泥土而又不致过于饱满。这种盾构避免了局部气压盾构 的主要缺点，也省略了泥水加压盾构投资较大的控制系统、泥水输送系统和泥水 处理等设备。 建造竖井 拼装衬砌 推进开挖 构机安装就位e l 安装千斤顶 尾壁后注浆k 衬砌脱出盾 装衬砌 正 进开挖 堡墅鲞缰e 二今运垂垂垂垂蒌王二匡互亟亘习 图2 3 土压平衡式盾构施工工艺流程 土压平衡式盾构的主要施工工序是：开挖、支护、注浆p9 。即先在隧道某 段的一段建造竖井或基坑，以供盾构机的安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开 孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。在推进 过程中受到的地层阻力，可通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的隧道衬砌结 构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。在施工过程中，盾构机是一个既能支承地层 压力又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢管结构。在钢管结 构的前端设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段内部安装顶进所需 的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以拼装一至二环隧道衬 砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向紧靠盾尾 后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及 1 4 浙江工业大学硕士学位论文软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究 地面下沉，并在盾构推进过程中不断从开挖面排除适量的土方，其施工工艺流程 如图2 3 所示。 2 3 软土地层盾构掘进引起地表沉降的机理分析 土是由固体、液体和气体组成的三相体系。国内外众多学者研究指出，在软 土地区采用盾构法修建隧道而引起地层位移和地表沉降的主要原因是因施工过 程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、衬砌结构的变形、土体的固结和次 固结作用等。因此，很有必要分析软土地层中盾构法施工而引起地表沉降的特征 与发展过程和沉降机理。 2 3 1 地表沉降特征与发展过程 ( 1 ) 地表纵向沉降 隧道开挖引起的土层变形都不是瞬间达到最终值的，而是随着时间推移逐渐 累积并最终稳定下来，具有明显的“空间效应”和“时间效应”。地层纵向沉降与许 多因素有关，如工程地质水文条件、开挖工艺、开挖方式、断面型式、支护时间 与刚度、地层原始应力的变化等。纵观国内外的各种划分方法【删【5 8 】【5 9 】，盾构隧 道施工引起的地表沉降可以划分为以下5 个阶段( 图2 4 ) ： 先行沉降一盾构到达前 根据实际观测，当隧道开挖面距地面观测点还有相当距离( 数十米) 的时候， 就可以观测到地面开始沉降。对于软粘土地层，由于土的渗透系数很小，土的固 结和盾构隧道的开挖速度相比无疑很慢，此时隧道的开挖面处的排水固结很难影 响到数十米之外的地层