（安全技术及工程专业论文）软土地层土压平衡盾构施工对邻近构筑物的影响.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文介绍了盾构法施工技术及土压平衡盾构的工作原理 并对目前国内 外盾构穿越构筑物的影响研究进行了总结分析 通过介绍软土地层的特点 深入分析了盾构施工对地表沉降的影响机理 以及对影响范围内不同基础形 式的构筑物影响机理 结合杭州地铁一号线5 号盾构工程实例 选取了穿越 杰邦大厦与艮山门货运站营业大楼的实测数据进行了分析 并对这两个实例 进行了数值模拟 通过数据分析以及数值模拟计算的结果提出了盾构施工过 程中对构筑物的影响因素 并通过分析主要施工参数 提出了合理的取值范 围 最后通过借鉴类似工程经验以及相关规范 总结出了适用于杰邦大厦与 艮山门货运站营业大楼的控制标准 并提出了软土地层中盾构穿越邻近构筑 物的施工控制措施 关键词 软土地层盾构隧道邻近构筑物数值模拟控制标准 西南科技大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h es h i e l dt u n n e l i n gt e c h n o l o g ya n de p bs h i e l dw o r k i n gp r i n c i p l e sa r ei n t r o d u c e d i nt h i st h e s i sa n dt h ei n f l u e n c eo nt h es t r u c t u r e so fs h i e l dc o n s t r u c t i o na th o m ea n d a b r o a da r ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h eg r o u n ds e t t l e m e n tm e c h a n i s mo ft h es h i e l d c o n s t r u c t i o na n dt h ee x t e n to fd i f f e r e n tf o u n d a t i o n so fs t r u c t u r e sa r ei n d e p t ha n a l y z e d b yi n t r o d u c i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o f ts o i l b a s e do nh a n g z h o um e t r ol i n e 1n o 5 s h i e l dp r o je c te x a m p l e t h em e a s u r e dd a t ao ft h ej i e b a n gb u i l d i n ga n dt h eb u s i n e s s b u i l d i n go fg e n s h a n m e nf r e i g h t s t a t i o na r es e l e c t e dt ob ea n a l y z e d a n dt a k et h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h et w oi n s t a n c e s n l ee f f e c t i v ef a c t o r so nt h es t r u c t u r e sd u r i n g t h ec o n s t r u c t i o na r e p r o v i d e db yt h ed a t aa n a l y s i s a n dt h er e s u l t so fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sr e a s o n a b l ev a l u er a n g e a n da l s ot h er e a s o n a b l ev a l u er a n g ei s p o s e db yt h ea n a l y s i so f t h em a i nc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s f i n a l l y t h ec o n t r o ls t a n d a r d s w h i c ha r es u i t a b l ef o rt h ej i e b a n gb u i l d i n ga n dt h eb u s i n e s sb u i l d i n go fg e n s h a n m e n f r e i g h ts t a t i o na r es u m m a r i z e dl e a r n i n gf r o mt h ee x p e r i e n c eo fs i m i l a rp r o j e c t s a n dt h e c o n s t r u c t i o nc o n t r o lm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r dw h e nt h es h i e l di sp a s s i n gt h r o u g ht h e a d j a c e n ts t r u c t u r e si ns o f ts o i ls t r a t u m k e y w o r d s s o f ts o i l s h i e l dt u n n e l a d j a c e n ts t r u c t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n t r o ls t a n d a r d 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 li 页 目录 1 绪论 1 1 1 研究背景及意义 1 1 2 盾构法施工技术 1 1 2 1 盾构法施工简介 1 1 2 2 土压平衡盾构工作原理 3 1 3 国内外研究现状 4 1 3 1盾构隧道施工对周围土体变形的影响研究 4 1 3 2 盾构穿越对构筑物的影响分析及处理措施 6 1 3 3 盾构穿过构筑物时施工参数及措施研究 8 1 4 本论文主要研究内容 9 2 软土地层盾构施工对邻近构筑物的影响分析 1 0 2 1 软土地层特性 1 0 2 2 盾构施工引起地表沉降的机理分析 1 l 2 2 1地层扰动的影响因素 1 1 2 2 2 地表沉降规律 1 2 2 3 盾构施工对邻近构筑物的影响机理 1 5 2 3 1盾构施工对浅基础的影响机理 1 5 2 3 2 盾构施工对桩基础的影响机理 1 9 2 4 小结 2 3 3 盾构施工对邻近构筑物的影响分析 2 5 3 1 工程概况 2 5 3 1 1 概述 2 5 3 1 2 区间地质情况 2 7 3 1 3 周边构筑物 3 0 3 2 监测方案与成果分析 3 3 3 2 1 监测方案 3 3 3 2 2 监测程序 3 4 3 2 3 监测成果分析 3 5 3 3 盾构穿越邻近建筑物的数值模拟 4 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第1v 页 3 3 15 号盾构穿越杰邦大厦的数值模拟 4 2 3 3 25 号盾构穿越艮山门货运站营业大楼的数值模拟 4 6 3 4 主要施工参数分析 4 8 3 4 1 土仓压力 5 0 3 4 2 推进速度 5 1 3 4 3 注浆压力与注浆量 5 2 3 5 小结 5 6 4 软土地层盾构施工对邻近构筑物的控制研究 5 8 4 1 邻近构筑物变形的控制标准研究 5 8 4 1 1 盾构邻近施工时的主要问题 5 8 4 1 2 邻近构筑物的控制标准 5 9 4 1 3 对邻近构筑物的影响预测 6 3 4 2 土压平衡盾构穿越邻近构筑物的控制措施 6 4 4 2 1 盾构施工控制措施 6 4 4 2 2 邻近构筑物的保护措施 6 5 4 2 3 信息化动态控制 6 5 4 3 小结 6 6 5 结论与展望 6 7 5 1 结论 6 7 5 2 展望 6 7 致谢 6 9 参考文献 7 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果 7 4 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1 研究背景及意义 随着我国经济的不断发展 城市化进程的不断推进 城市规模不断扩大 在城市中心地区人口众多 交通阻塞 建筑物空间拥挤 基础设施落后 严 重影响了社会经济的发展 为实现可持续发展战略 解决人口增加及生活需 求与城市用地日益短缺的矛盾 开发地下空间已经刻不容缓 有学者认为 2 1 世纪将成为人类开发地下空间的世纪 卜 目前我国已经建成通车的有北京 上海 广州 深圳 南京 沈阳 天 津等城市 正在建设的有成都 杭州 宁波 苏州 武汉 西安等城市 根 据国家发改委最新公布数据显示 我国目前已经批准立项修建地铁的城市有 2 2 个 而达到修建地铁条件的城市一共有5 2 个 在未来十年将投资近九千 亿进行地铁建设 由此可见 在未来几十年我国的地铁建设事业将稳步发展 在地铁建设过程中 不可避免要遇到大量的工程技术问题 其中之一就 是盾构施工引起的地表沉降及对邻近构筑物的影响 由于规划和历史原因 地铁工程建设所选择线路主要区段均在城市的主城区 地铁隧道线路将不可 避免的在既有构筑物或地下管线的下方穿过 受盾构施工机理和地质情况的 限制 在盾构掘进时 盾构刀盘前方 切口环位置和盾尾将形成沉降槽 引 起地面隆起和沉降 如沉降或隆起超过建构筑物或管线允许的变形控制极限 造成地面建构筑物和管线的变形 开裂 甚至建筑物倒塌 e 叫 可能带来的纠 纷对施工产生不可忽视的影响 不但影响施工进度和施工安全 并且会造成 严重的社会不良影响 因此 研究盾构隧道对周围建筑物的安全性可能造成 的影响和程度 并采取相应措施 确保穿越时建筑物的安全有重要意义 同 时对保证工期 提高经济效益亦具有重要的技术价值和经济意义 本文就是 根据软土地层中土压平衡盾构施工对邻近构筑物的影响机理 并应用 p l a x i s 模拟软件和杭州地铁实测数据对杭州地铁施工过程中穿越构筑物进 行了较为系统的分析 1 2 盾构法施工技术 1 2 1盾构法施工简介 盾构法隧道施工 是在地表以下土层或松软岩层中采用盾构机暗挖隧道 一 西南科技大学硕士研究生学位论文 第2 页 一一 一 一 的 种施工方法 经过近二百年的应用与发展 从气压盾构到泥水加压盾构 以及更新型的土压平衡盾构 己使盾构法能适用于任何水文地质条件下的施 工 从而使盾构法在公路隧道 地下铁道 水工隧道及小断面市政等方面得 到广泛应用 采用盾构法修建的隧道称为盾构隧道 断面一般为圆形 也可 采用矩形 马蹄形 双圆形和多圆形 盾构法隧道具有不影响地面交通 减少对附近居民的噪声和振动影响 施工易于管理 施工不受风雨等气候条件影响等优点 已被广泛应用于国内 外的隧道建设中 目前国内的地铁区间隧道的施工中 绝大多数都是采用盾 构法进行施工 盾构法的主要施工工序是 开挖 支护 注浆 施工概况见图1 1 其 施工的主要步骤是u o 麓土储舱和辩斗 扯 乍 龙紧车 泥浆竺理设备 罾 f堪 孺霸孽翕 竖井 皮带运输机盾构机 皇 芦l 制j 7 拈制 一 一 皇 一i 一 一 一 k一 一 一 车站 c 一 钟辑需露烈垂霸釜裂 一 一 j 一 j 图卜1 盾构法施工概况 1 f g 卜1 s h i e i dc o n s t r u c t i o no v e f v i e 1 0 1 建造竖井 盾构出发竖井和接收竖井 或者基坑 出发基坑和接收 基坑 以供盾构安装就位 2 把盾构主机和配件分批吊入出发竖井中 并在预定进发掘进位置上 组装成整机 随后调试其性能使之达到设计要求 3 盾构从竖井或基坑墙壁上的开口 可人工开口 也可由盾构刀盘直 接掘削 处进发 沿隧道的设计轴线掘进 盾构机的掘进是靠盾构前部的旋 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 转掘削刀盘掘削土体 这里把刀盘掘削的地层面称为掘削面 掘削土体过程 中必须始终维持掘削面的稳定 即保证掘削面上的土体不出现坍塌 为满足 这个要求必须保证刀盘后面土舱内土体对地层的反作用压力 称为被动土压 芝全地层的土压 称为主动土压 靠舱内的出土器械 螺旋杆传送系统或者 吸泥泵 出土 靠中部的推进千斤顶推进盾构前进 由后部的举重臂和形状 保持器拼装管片 也称隧道衬砌 及保持形状 在盾尾可以拼装一至二环预 制的隧道衬砌环 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 以防止隧道及地面下沉 在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的 土方 4 盾构掘进到达预定终点的竖井或基坑时 盾构进入该竖井或基坑 掘进结束 随后检修盾构或解体盾构运出 1 2 2土压平衡盾构工作原理 土压平衡盾构的基本原理是 随着盾构推进 对由旋转刀盘切削下来进 入密封舱内的土体 通过安装在密封舱内的螺旋输送机以及出土口上的滑动 闸门或螺旋式漏斗等排土机构进行排土 一边维持开挖面稳定状态 一边将 盾构向前推进 土压平衡盾构原理如图1 2 所示 图卜2土压平衡盾构原理示意图 f i g 1 2 s h e m a t i co fe a r t hp r e s s ur eb a i a n c es h i e i d 根据不同地层条件 上述使开挖面维持稳定的机构 基本上可以分为两 种类型 一种是适用于土体内部摩擦角小而富有流动性的粉土 粘土等粘性 土地层的开挖面稳定 另一种是适用于土体内部摩擦角大 流动性差 透水 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 系数高的砂土 砂砾等砂质土地层的开挖面稳定机构 其稳定机理如下 1 粘性土层切削面的稳定机理 因刀盘切削下来的土体粘结性受到破坏 故变得松散易于流动 即使粘 聚力大的土层 碴土的塑流性也会增大 故可通过调节螺旋输送机转速和出 土口处的滑动闸门对排土量进行控制 对塑流性大的松软土体也可采用专用 土砂泵 管道排土 地层含砂量超过一定限度时 土体塑流性明显变差 土 仓内的土体发生压密 固结 致使碴土难于排送 盾构推进被迫停止 解决 这个问题的措施是向土仓内注水 空气 膨润土或泥浆等注入材 并做连续 搅拌 以便提高土体塑流性 确保碴土的顺利排放 2 砂质土层切削面的稳定机理 就砂 砂砾的砂质土地层而言 因土颗粒间的摩擦角大故摩擦阻力大 渗透系数大 当地下水位较高 水压较大时 靠掘削土压和排土机构的调节 作用很难平衡切削面上的土压和水压 加上切削土体自身的流动性差 在无 其它措施情况下 掘削面稳定困难 为此 开发了向掘削面压注水 空气 膨润土 粘土 泥水或泥浆等添加材 不断搅拌 改变切削土的成分比例 以此确保掘削土的流动性 止水性 使掘削面稳定 根据稳定切削面机理的不同 土压平衡盾构大致分为以下几种类型 见 表1 1 1 3国内外研究现状 各大城市在使用盾构法修建地铁的过程中 遇到了大量的穿越构筑物的 工程问题 促使相关学者对盾构隧道穿越建筑物的相关问题进行了大量研究 本论文涉及的研究主要集中在以下几个方面 1 3 1盾构隧道施工对周围土体变形的影响研究 盾构隧道施工对构筑物造成影响和破坏的原因是盾构施工不可避免的引 起了周围土层的变形 从而对邻近构筑物基础等产生了影响 为此 要研究 盾构施工对构筑物的影响 必须从研究盾构施工时形成的地层位移场入手 1 9 6 9 年r b p e c k 通过分析大量地表沉降观测数据 提出了地表沉降槽符合 正态分布曲线的概念 认为地层移动是由地层损失引起的 并认为施工引起 的地表沉降是在不排水的条件下发生的 从而假定地表沉降槽体积等于地层 损失体积 n l 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 表卜1土压平衡盾构的种类 t a bie 1 1t y p e so fe a r t hp r e s s ur eb aa n c es hieid f u j i t a 通过分析日本大量不同盾构施工得到的监测数据 得出黏土中取 i o 5 z 此结果和实际结果一致 并和施工方法无关 1 2 o r e i l l y n e w 1 9 8 2 通过分析英国粘性土层隧道工程实测值后提出了 沉降槽宽度系数i 是隧道埋深z 的近似线性函数 且和隧道施工方法 隧道 直径没有关系 并给出了线性公式r 1 m a i r 通过总结3 5 篇关于钻孔隧道引起沉降的会议论文后提出 在硬黏 土中使用敞开式盾构修建的隧道 其地层损失率在1 2 之间 使用用封 闭式盾构修建的隧道 砂土地基中地层损失率小于0 5 在软黏土中地层损 失率在1 2 之间 1 4 a t t w e l l 提出可通过借鉴盾构的掘进速度和选择的掘进方法以及推导的 土体应力松弛速率 对地层损失进行估算 或参照类似的隧道工程实例选择 一个合理的正面面积百分比 黏土一般可以取正面面积的0 5 2 5 e 1 5 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 k u w a h a r a t 6 1 等利用离心模型试验对由盾尾空隙引起的地层位移进行了 研究 得到了与工程实测数据相一致的结果 并讨论了盾尾空隙导致地层位 移的机理 日本的s h i n i c h i r oi m a m u r a 等i 1 采用一种微型盾构机进行隧道开 挖和衬砌脱出盾尾过程的离心模型试验 研究在不同的隧道埋深条件和有盾 尾间隙情况下衬砌顶部土压力及地面的沉降情况 刘招伟 王梦恕 董新平通过以广州地铁二号线某区间盾构隧道为背景 介绍了由盾构法施工引起的地表沉降的分析方法 对比分析现场监测结果后 总结了地表沉降规律f l s 张书丰 孙树林 吴凯结合南京地铁某区间的盾构隧道施工监测数据 提出了盾构推进对地表影响的主区域和次区域 并明确了盾构推进时对地表 的影响范围 通过数值计算和对实测曲线的拟合得到沉降槽半宽度 改进了 南京地区地表沉降槽宽度系数的取值范围 1 9 1 魏纲充分考虑了土体的初始应力场 并假定土体是均匀线弹性材料 通 过向盾构机周围土体施加向外侧的椭圆形径向位移来模拟盾构挤土过程 在 假定小应变情况下 推导了半无限空间中土体位移场的近似解析解1 2 0 吴全中通过分析地铁区间盾构隧道掘进时控制地表沉降的重要因素 对 广州地铁某区间控制地表沉降的掘进模式做了研究 2 h 沈培良 张海波 殷宗泽根据上海地铁某区间隧道盾构推进时引起的地 面沉降的实测数据 提出了地铁盾构隧道地表沉降预测公式以及参数确定方 1 2 2 o 高俊强 胡灿根据上海某超长盾构隧道工程监测实例 提出了盾构推进 的变化规律和地表沉降的5 个阶段 即 前期沉降阶段 开挖面前的隆沉 通过期间沉降阶段 盾尾间隙沉降阶段和后期沉降阶段 2 3 易宏伟通过采用沿隧道纵向 垂向离散 横向引入解析函数的半解析方 法 将盾构施工过程中三维问题简化为二维问题 从而实现了盾构施工过程 中的土体扰动与地层移动的模拟计算与分析 徐前卫 朱合华 廖少明等开展土压平衡盾构的掘削模型试验 研究在 不同埋深 不同刀盘开口率以及不同土性时的千斤顶顶进推力的变化规律 并结合地铁隧道工程实例 应用推导的推力计算公式确定盾构顶进推力 h 1 3 2盾构穿越对构筑物的影响分析及处理措施 盾构施工将引起一定范围内地层的变形 对于位于影响范围内的构筑物 由于地基土体的变形而导致其外力条件和支承状态发生变化 而外力条件的 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 变化又将使已有建筑物发生沉降 倾斜和开裂等现象 对于基础埋深较浅的 建筑物 其基础四周地层移动的影响可以忽略 仅考虑基础底部土层变形的影 响 且为方便分析 认为底部变形和地表变形一致 其受到的影响主要来自 地表垂直变形和水平变形 对深基础而言 建筑物不仅受到基础底部土层变 形的影响 还受到基础四周地层变形的影响 j b b u r l a n d 对伦敦地铁延伸段盾构隧道开挖引起的建筑物破坏做了 分析研究 通过计算最大拉应变来确定潜在的破坏种类和风险级别 并通过 详细评估 对风险级别较高的建筑物采取相应的保护措施 2 6 h m r o u e h 等采用三维有限元方法对盾构隧道与地表建筑物进行了数值 模拟 通过对比忽略建筑物与考虑建筑物产生的附加应力两种条件下的模拟 结果 提出了忽略建筑物的自重会导致隧道开挖所引起的沉降计算结果明显 偏小 2 7 j e n c k0 等运用三维有限差分软件对盾构施工和建筑物进行了数值模拟 在模拟过程中对盾构施工进行了简化 考虑了地层损失 并研究了建筑物刚 度对地表位移的影响 z s 刘江峰 漆泰岳 吴占瑞以杭州地铁1 号线某区间工程实例为背景 采 用f l a c 3 d 软件模拟盾构下穿密集房屋群对地表沉降和建筑物变形的影响 并 提出了有效的加固措施 2 9 j 夏元友 张亮亮 王克金结合武汉地铁工程实例 采用数值模拟方法对 地铁盾构穿越汉口火车站时地面及建筑物桩群进行模拟 分析了盾构穿越一 般底层和穿越群桩基础两种不同的情况的位移情况 从而对盾构隧道对城市 地面以及建筑物的影响做出评价 提供了盾构穿越建筑物施工安全控制的建 议1 30 1 刘建海以广州地铁某地铁区间盾构施工为背景 通过三维有限元模型预 测盾构向前推进时土压力设定引起的地表沉降值 对盾构施工变形问题进行 研究 同时结合现场实测数据的对比分析 总结了地表沉降规律 刘波等以广州地铁某区间隧道下穿某7 层框架结构建筑物为例 采用数 值模拟方法分析了该施工诱发地层变形的空间效应问题 并考虑了不同工况 下施工引起的地层变形对建筑物的影响 扪 耿倩男针对广州地铁三号线盾构隧道工程穿越大量建筑群的施工情况 通过采用a n s y s 有限元理论计算方法 分析盾构隧道施工在通过该区间时与 地面建筑物的相互影响 提出了相应的地面房屋基础处理方案并验证房屋基 础处理方案的可行性 3 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 许江等采用2 d 有限元结构分析程序 分析了不同状态下地表建筑物地 基基础及其地下隧道围岩的应力与位移演变规律 探讨了地下空间围岩与地 表建筑物基础之间的相互影响 3 4 姜忻良等利用a n s y s 有限元软件建立三维非线性有限元模型 研究了盾 构法地铁隧道穿越建筑物时对建筑物自身沉降和内力的影响 3 s 1 李淼依托具体工程实例 通过分析实测数据研究邻近地表建筑物的存在 对其盾构隧道施工的影响 研究得出 地表建筑物的存在以及建筑物基础与 地基的相互作用提高了盾构隧道穿越地基土层的刚度 对盾构隧道引起的地 表沉降有控制作用1 3 6 1 3 3 盾构穿过构筑物时施工参数及措施研究 陈丹锡结合上海地铁建设的工程实例 采用理论计算与实测分析两种方 法 对盾构近距离穿越危房的地层位移场和房屋沉降的特性及其影响因素 房屋安全分析方法进行了分析研究 并对盾构在高灵敏度软土地层中近距离 穿越危房的微扰动控制方法进行了总结 3 7 夏晨欢结合上海轨道交通1 1 号线某盾构区间工程 从使用特制管片 合 理设定盾构土仓压力 高密度监测 优化浆液配比 二次补浆 杜绝盾尾漏 浆等各技术角度对盾构穿越倾斜楼房的微扰动控制技术进行全面研究 3 s 王勇结合上海市轨道交通明珠线二期工程鲁班路站一西藏南路站区间隧 道工程穿越南北高架 合流污水0 3 0 0 0 管道 多幢3 6 层无坚固基础的砖混 结构建筑物等实际工程情况 论述盾构邻近建筑物时施工必须的技术措施 如对建筑物情况的详尽勘查 合理地设制相关的技术参数 加强监测工作等 以确保盾构施工安全 顺利地进行 3 9 吴向州结合广州几个典型的盾构过建 构 筑物群的工程实例 对盾构穿 越建 构 筑物所引起沉降的理论进行了分析和阐述 讨论了盾构过建筑物前 如何预测基础的受力情况 并采用相应的预加固措施 同时对盾构穿越建筑 物时如何选择掘进参数及确定监测方案进行了阐述c 4 0 1 路明鉴以上海地铁m 8 线盾构施工穿越虹口足球场 中原证券大厦 曲 阳小区 梅园村酒家 沙泾港桥等为背景 研究正面加注泡沫剂 对临近建 筑结构进行加固 调整盾构推进参数等系列控制措施 李立结合不同的工程实例 介绍了隔断法 注浆加固法 桩基托换法等保 护方法在地铁区间隧道穿越建筑物基础时的应用及施工技术措施 并总结其 适用条件1 4 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 本论文主要研究内容 针对目前盾构穿越构筑物研究的不足 在已有的工程经验和研究结果基 础上 本文结合杭州地铁l 号线的工程实例 针对5 号盾构穿越的杰邦大厦 以及艮山门货运站等构筑物的特点 通过现场收集的实测数据及其他相关资 料 利用数值模拟等手段 进行分析研究 找出盾构穿越影响构筑物的主要 因素 以期能为软土地层中土压平衡盾构穿越构筑物的施工提供参考 本文 主要包括以下几个方面 1 盾构隧道穿越区域地面及建筑物变形控制标准研究 隧道在开挖时 由于释放应力的作用 将使洞周的地层发生位移 位移场如波及建筑物基础 则会引起上部建筑物的变形 为了确保既有建筑物的安全 须根据结构的特 征和已使用的年限 以及隧道的结构型式 地层信息 施工效应等 制订合 理的地面及建筑物变形控制标准 2 盾构隧道对建筑物影响及控制措施研究 盾构隧道施工引起的周围 土体的变形研究 盾构推进对建筑物影响研究 盾构隧道引起建筑物工后长 期变形研究 控制建筑物变形的工程措施研究 3 盾构穿越建筑物的施工参数研究 结合杭州地铁工程的特点 根据 地面建筑物的不同类型 基础形式 基础与隧道的空间关系以及地面建筑物 在施工期的沉降控制标准和总沉降控制标准 对盾构掘进参数进行优化设计 4 盾构穿越建筑物后实测数据分析研究 在盾构穿越建筑群以后 结 合盾构掘进参数 区间隧道 建筑物和地面监控量测数据对穿越效果进行评 价 并对前期的研究和预测结果进一步完善和修正 为类似盾构隧道施工提 供参考 5 使用数值分析软件结合具体工程进行模拟分析 根据计算结果对施 工提出合理建议 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 2 软土地层盾构施工对邻近构筑物的影响分析 在地铁施工中 往往要通过大量人口密集区 因此不可避免要穿越各种 形式的地面建筑物 在国内外盾构施工中已遇到大量此类工程问题 如成都 地铁1 号线盾构2 标 在施工中先后正穿四川省经委安监局办公楼 冶金宾 馆和万福桥等建筑 杭州地铁1 号线艮山门到火车东站区间要穿越大量浅基 础建筑群 广州轨道交通3 号线沥大区间盾构穿越长度两百余米的村庄 其 大部分为木桩基础或天然基础 1 西安地铁永宁门至钟楼盾构区间旁穿钟楼 在占 奇 在盾构施工过程中由于对土体的扰动 使得其影响范围内的构筑物基础 产生附加力 从而对构筑物的安全构成威胁 同时构筑物的变形又引起周围 土体的运动 对隧道的变形及内力产生影响 由于盾构施工的特殊性 外部 施工条件的局限性 加之软土地层的特性 使得研究盾构推进时对邻近构筑 物的影响十分必要 在保证邻近构筑物安全的前提下 在特殊的地质条件及 施工要求下进行盾构施工己成为当前迫切解决的问题 2 1 软土地层特性 软土是指天然孔隙比大于1 0 且天然含水量大于液限的细粒土 包括 软粘土 松散细砂 杂填土 泥灰土等 淤泥和淤泥质土是软土的典型代表 软土在我国分布广泛 在沿海和河流的中下游及湖泊附近地区 地表下第四 纪松软覆盖层深厚 如杭州 宁波等地的滨海相沉积软土 上海的三角洲相 沉积软土 闽江口平原的溺谷相沉积软土等 其主要工程特性是 1 含有大量细颗粒 有机质含量高 颜色以深色为主 如灰色 褐色 暗绿色等 2 含水量及孔隙比大 重度小 天然含水量在3 0 以上 孔隙比大 于1 0 天然容重在1 5 1 9 k n m 3 3 强度低 承载力小 灵敏度高 具有较明显的流变特性 片架结构 软粘土更是如此 应力 应变的关系是包括时间因素在内的复杂的积分方程 式的关系 4 高压缩性低渗透性 压缩系数一般在o 5 2 m p a 之间 渗透性小 沉降速度慢 固结周期长 5 抗剪强度低 自稳能力差 一般情况下 软土的粘聚力为1 0 k p a 西南科技大学硕士研究生学位论文第 页 左右 内摩擦角在0 5 0 2 2盾构施工引起地表沉降的机理分析 2 2 1地层扰动的影响因素 盾构隧道开挖会引起土层损失 由于土体的变形和运动 其反映到地面 上就体现为地表的沉降 根据国内外多项实际工程经验 造成地表沉降的主 要因素有隧道覆土厚度 盾构机尺寸 地质条件以及施工条件等方面 从整 体来看引起地表沉降的因素是很复杂的 但是主要有以下几个方面 1 盾构隧道掘进时前方土体的松动和坍塌 主要通过控制盾构舱内土 压力来平衡围岩压力 进而控制地表沉降的大小 也就是说当土仓压力大于 围岩压力时 会造成开挖面上方土体上隆 当土仓压力小于围岩压力时 会 造成开挖面上方土体下沉 2 盾构机与围岩之间的土体挤压与剪切摩擦作用 当盾构机向前掘进 时 势必推动周边的土体向前移动 这种移动表现在盾构机附近的土体发生 侧移 而导致开挖面后方漏空 地表产生下沉 开挖面前方土体挤压 地表 产生上隆 3 盾构推进过程中对孔隙水压力平衡的破坏 在盾构推进的过程中 会破坏地下水的平衡 土体开挖后 地下水被截断 向隧道内排泄 隧道上 方土体排水固结 从而引起地表沉降 或者由于隧道注浆堵水 衬砌防水密 封后地下水径流受阻 土体饱和膨胀 从而引起地表隆起 4 盾尾空隙 当盾构机尾部脱出后 围岩和管片之间存在一定的间隙 为土体下沉提供了空间 若注浆不及时或者注浆压力和注浆量的过大或者过 小 都可能造成引起较大的地层扰动 5 盾构机推进过程中的姿态 在掘进过程中 由于人为操作等原因使 得盾构机的行进并不是完全按照设计路线前进的 而是在允许的误差范围内 蛇形前进 这样的波动增大了对土体的扰动 也增加了地表沉降的可能性 在盾构推进过程中 盾位纠偏 仰头推进 叩头推进 曲线推进等都会造成 超挖现象 使实际开挖面形状偏大于设计开挖面 从而引起地层损失 实际 轴线与设计轴线偏离越大 所引起的地层损失也越大 6 围岩的固结沉降 在盾构机穿越后 后期受扰动土体的重新固结也 会增加地表沉降的幅度 同时同步注浆浆液的固结也会产生地层扰动 就影 响因素而言 一般有水文地质条件 施工参数 设计参数和盾构机械本身等 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 7 操作不当或地质条件突变 施工操作失误或推进方向地质情况突然 发生变化打破原有平衡状态 以往的掘进模式不适合现有的地层条件 引起 地层扰动 需要指出的是 以上影响地表沉降的因素并不是独立存在的 而是相互 影响的 比如在不同的地质条件下 由于施工参数的不同 或者施工人员的 操作水平不同 都可能造成隧道成形质量的差异 因此在实际工程中 不仅 要重点分析单个因素对地表环境的影响 还要综合考虑多方面因素对地表沉 降的影响 2 2 2 地表沉降规律 2 2 2 1 盾构推进的空间变形特点 盾构推进中引起的地层位移是不可避免的 在空间上具有三维性 它随 着盾构机的推进沿纵向而不断向前发展 就像轮船在海上航行时产生的水波 出现的地面沉陷槽也随之扩大 地层的空间移动状况见图2 一l 区域 盾尾空酸 图2 1盾构掘进中的地层变形特征堙1 fig 2 1 g r o u n dd e f o r m a tio nc h a r a c t e ris tic ins hieldc o n s t r u c tio n 妇 2 2 2 2 横向变形 根据大量的工程实践经验 当盾构推进的地层中土质均匀时 地表横向 变形接近于一个凹槽 其沉降规律可以用著名的p e c k 曲线描述 如图2 2 所 示 该曲线为一正态分布的曲线 在隧道正中心的沉降达到最大 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 2 i i 矗 i 0 ii 厕 x 受 占n m 多争一 娃久黼牢 图2 2横向沉降槽曲线 fig 2 2 t r a n s v e r s os e t l ie m e n t1 r o u g h 同时p e c k 在假定地层开挖不排水的条件下 提出地表沉降槽的体积等于 地层损失的体积 并根据这个假设给出了地面沉降量的横向分布估算公式 所谓地层损失 是指实际开挖土体体积和竣工体积之差 竣工隧道体积包括 隧道外围包裹的压入浆液体积 地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比 表示 上 s x 趾p 2 i 2 2 1 s m a x 一 怎 篆 2 圪万r 2 2 3 二生 一 肱 2 41 一2 彪 k 2 刀t a n 4 5 0 一缈 2 禺 式中 s 俐一地面沉降量 m x 一距隧道轴线的横向水平距离 口广隧道轴线地面最大沉降量 m 所d 鼬一盾构隧道单位长度土体损失量 圪一地层体积损失率 口一内摩擦角 卜沉降槽宽度系数 f 一沉降槽宽度系数 m 即沉降槽曲线拐点离隧道轴线的水平距 根据以上计算方式可以看出 只需知道沉降槽宽度系数i 和底层体积损 西南科技大学硕士研究生学位论文第14 页 失率吮就可以确定以上公式 2 2 2 3纵向沉降 软土地层中土压平衡盾构在推进方向上可分为5 个阶段 如图2 3 所示 图2 3盾构纵向沉降过程哺1 f i g 2 3 s h i e i dv e r t i c a is e t t ie m e n tp r o c e s s 1 先期沉降 该阶段是指自隧道开挖面距地面观测点还有相当距离开 始 直到开挖面到达观测点之前所产生的沉降 主要是由于土体受挤压 使 其有效应力增加而引起的 2 开挖面前部下沉 该阶段是指开挖面距观测点很近时直至开挖面位 于观测点正下方之间所产生的沉降或隆起现象 它是由于盾构推进引起土体 应力状态改变而产生的变形 当这部分土体受到挤压时地表即隆起 3 盾构通过时下沉 指从开挖面到达观测点的正下方之后直到盾构机 尾部盾构机尾部通过观测点为止这一期间所产生的沉降 其原因是盾构外壳 与土层之间会形成剪切滑动面 剪切滑动面附近的土层内产生剪切应力 剪 切应力引起地表变形 盾构机推进速度越快 剪切应力越大 地表位移也越 大 4 盾尾间隙沉降 指盾构机的尾部通过观测点的正下方之后所产生的 沉降 是盾尾空隙的土体应力释放所引起的弹塑性变形 这种沉降速率很大 但只要当支护结构及时施作以后就能控制 沉降量一般较小 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 5 后续下沉 指固结和蠕变残余变形沉降 主要是地基扰动所致 这 些沉降多非同时发生 地基条件和施工状况不同 沉降的类型也有所不同 前面四种变形可以通过选择机械和施工参数加以控制 但无论什么样的机械 和施工参数 盾构推进总会在一定程度上扰动土体 因此 后期固结变形总 是或多或少的存在 并且无法消除 地面后期固结沉降与地面即时变形量有 很好的对应关系 地面即时变形越大 周围土体的扰动程度越大 地面后期 固结变形也越大 一个震源点产生的微地震信号称为微地震事件 其震源点的位置就是岩 石破裂的位置 微地震事件的实质是一个围岩应力 应变 变形 开裂 失 稳及破坏等一系列动态演变过程的一种表现形式 目前已取得公认的微地震 监测信息参数主要包括 震源定位 震源半径 发震时刻 震级大小 微地震 能级 震矩 峰值振动速度 应力降及震源破裂模式等b 训 测量这些监测 信息参数及它们与掘进的关系 不仅有助于对危险区做出正确评价和判断 而且也可对灾害的发生做出预测并及时报警 2 3盾构施工对邻近构筑物的影响机理 由于浅基础技术简单 造价低 工期短等特点 一般低层和多层工业与 民用建筑物都采用天然地基浅基础 而对于高层建筑必须满足地基基础稳定 性的要求 采用浅基础难以满足此要求 因此一般对于高层建筑采用深基础 常用的深基础包括 桩基础 大直径桩墩基础 沉井基础 地下连续墙 箱 桩基础和高层建筑深基坑护坡工程等 其中以桩基础应用最广 4 4 下面就对 浅基础和桩基础分别进行分析 2 3 1盾构施工对浅基础的影响机理 盾构施工将引起一定范围内地层的变形 对于位于影响范围内的建筑物 由于地基土体的变形而导致其外力条件和支承状态发生变化 而外力条件的 变化又将使已有建筑物发生沉降 倾斜 断面变形等现象 因此 外力条件 和支承状态有无变化及变化程度 将随已有建筑物与盾构隧道的位置关系 地基土的性质 已有建筑物的结构条件和刚度等的不同而不同 外力条件的 变化类型主要有以下4 种 4 5 1 地层应力释放引起的弹塑性变形 导致建筑物地基反力的大小和分 布发生变化 这主要由开挖面坍塌 盾构蛇行与超挖 盾尾间隙的产生 衬 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 砌变形等引起 2 因有效覆土压力的增大而导致的土体压密沉降 使建筑物地基的垂 直土压力增大 这主要是由各种因素导致的水位下降而引起 3 因土体负载而导致的弹塑性变形 使建筑物地基的土体压力增大 这主要是由盾构推力过大 盾构与周围土体间的摩擦 壁后注浆压力等引起 4 因土性变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降 引起建筑物地基的反 力分布发生变化 它主要是由于盾构施工对周围土体的扰动而使土性发生变 化所引起 2 3 1 1 盾构旌工对上部构筑物的变形影响 盾构推进对上部构筑物的变形主要表现为其形成的沉降槽对上部结构的 作用 这些变形参数包括 地基土体的竖向位移 沉降 基础两角点的差异 沉降 水平位移 压缩应变 拉伸应变 沉降曲线的曲率半径 斜率等 根 据已有研究 相关变形参数的横截面的状态如图2 4 所示 一 tl r啭 1 图2 4 沉降槽横截面上的竖向位移 水平位移与水平应变 fig 2 4s c h e m a ticdia g r a mo ft h es e t tle m e n tt r o u g h p a r a m e t e r s 当建筑物基底受到来自图2 4 中土体的变形时 会在结构内部的梁柱以 及基础发生相应的变形和内力改变 以上变形参数对结构的影响效果是不一 样的 对于砖石等结构来说 沉降 水平位移及拉伸应变是主要的破坏因素 而对某些尺寸的结构来说 曲率的影响则是主要的 对钢筋混凝土的结构 差异沉降有时则是最大的破坏因素 下面对主要的三种破坏因素进行说明 1 地表不均匀沉降 倾斜 建筑物一般对地面均匀沉降 或隆起 并 不敏感 造成建筑物破坏的原因主要是不均匀沉降 或隆起 地表的沉降 或 西南科技大学硕士研究生学位论文第17 页 隆起 差值常导致结构构件受剪扭曲而破坏 尤其框架结构一般对沉降 或隆 起 差值比较敏感 地表的倾斜则对底面积小 高度大的建 构 筑物影响较大 能使高耸建 构 筑物的重心发生偏斜 引起应力重分配 倾斜大时 还会使 建筑物的重心落在基础底面积之外而使其发生折断或倾倒 但这种情况很少 2 地表曲率 由于地表曲率变化造成对建筑物的损害程度较大 在负 曲率地表相对下凹作用下 建筑物的中央部位悬空 使墙体产生正 八 字 裂缝和水平裂缝 如果建筑物长度过大 则在重力作用下 建筑物将会从底 部断裂 使建筑物破坏 在曲率 地表相对上凸 的作用下 建筑物的两端将 会部分悬空 使建筑物产生倒 八 字裂缝 严重时会出现房架或梁的端部 从墙体或柱内抽出 造成建筑物倒塌 建筑物因地表弯曲而导致的损害是一 种常见的隧道开挖损害形式 这种损害与地基本身的力学性质有关 更与开 挖引起的地表变形有关 3 地表水平变形有拉伸和压缩两种 它对建筑物的破坏作用很大 尤 其是拉伸的影响 建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力 由于建筑对地表拉伸变形非常敏感 位于地表拉伸区的建筑物 其基础侧面 底面均受自地基底外向摩擦力作用 基础侧面受来自地基底外向水平推力作 用 建筑物抗拉伸作用的能力很小 不大的拉伸变形足以使建筑物开裂 地 表压缩变形对于其上部建筑物作用的方式也是通过地基对基础侧面推力与底 面摩擦力施加的 其力的方向与拉伸时相反 一般建筑物对压缩具有较大的 抵抗能力 但若压缩变形过大 同样可以对建筑物造成损害 在盾构施工中 地表隆起或沉降是动态发展的过程 因此 对建筑物的 影响也是一个动态发展的过程 一般情况下 建筑物首先受地表隆起的影响 正曲率 然后受下沉的影响 负曲率 且下降的幅度越来越大 此外 建 筑物的破坏往往是几种变形共同作用的结果 在一般的情况下 地表的拉伸 和正曲率同时出现 地表的压缩和负曲率同时出现 2 3 1 2构筑物抵抗变形的性能 当构筑物受到来自盾构推进引起的变形时 结构本身在不同条件下有不 同的响应 这包括 基础的刚度 上部结构的刚度 结构所处沉降槽的位置 基础的宽度 结构的尺寸及形式等等 不同的结构形式对抵抗变形也许是关键的 箱形基础 筏板基础的整体 刚度显然较独立基础 条形基础要好 因而能抵抗沉降 差异沉降 水平位 移 拉压应变等多种形式的地基土体的变形 而独立基础对抵抗拉压应变 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 差异沉降的能力相对弱些 因而在隧道修建过程中产生较大的位移 从而导 致正常使用功能上的丧失 现选取其中两个要素进行分析如下 1 基础刚度 基础的刚度变化是一个重要的因素 图2 5 列举了刚度 变化时基础与地基土体的相对变形情况 其中 a 为绝对刚性基础在沉降槽中 的沉降 由图可知该工况下基础只发生刚性位移 b 为绝对柔性基础在沉降 槽中的变形 它完全顺从于沉降曲线的线形变化 c 展示的是基础与地基均 发生变形的情况 它符合大多数工程实践 弋 董 图2 5凹陷区域中基础各种可能的变形 f i g 2 5 d e f o r m a t i o nir lt h ef o u n d a t i o np i t 2 结构所处沉降槽的位置不同 一般地来说 上部结构相对于隧道中 心的位置决定了结构自身的内力与变形的响应情况 图2 6 所列为基础处于 沉降槽中心的情况 及隧道中心与结构中心重合 图2 6 展示了基础处于沉 降槽不同部位的情况 a 表示基础一部分处于正曲率区一部分处于负曲率区 的情况 b 表示基础处于正曲率区的情况 2 3 1 3 构筑物的破坏形式 1 上部结构的破坏形式 上部结构的破坏以裂隙的发生与发展为特征 而裂隙的位置与形式则与处于沉降槽的位置有关 根据已有研究 砖石结构 等剪切破坏一般有正八字形破坏及反八字形破坏 如图2 7 所示 其中正八 字形的裂隙开展模式多发生在沉降槽的下凹段 反八字形多发生在上凸段 拉伸破坏的模式如图2 8 所示 2 基础的破坏模式 基础梁板的破坏为弯曲破坏与剪切破坏 其裂缝 的出现与开展如图2 9 所示 但是 在各种荷载的作用下 有时是弯曲与剪 西南科技大学硕士研究生学位论文第19 页 切综合作用的情况 需要区别对待 a s e t t l e m e n tt r o u g h 图2 6基础处于沉降槽正负曲率区域变形的情况 f i g 2 6 t h ed e f o r m a t io no ff o u n d a t io n iy in gi nt h ear e ao fp o s i t iv ea n d n e g a tiv ec u r v a t u r eo fs e t tle m e n tt r o