盾構(gòu)施工引起地表沉降

1、盾構(gòu)施工引起的地表沉降盾構(gòu)施工引起的地表沉降北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗(yàn)研究中心 北京 Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works，Beijing2008年5月 報(bào)告人： 袁大軍 教授主要介紹內(nèi)容主要介紹內(nèi)容 盾構(gòu)法施工是一個(gè)非常復(fù)雜的工程過(guò)程，它對(duì)周圍環(huán)境的影響與施工技術(shù)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。早在1969年P(guān)eck就指出盾構(gòu)法施工引起的地層損失以及對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)的影響與施工的具體細(xì)節(jié)是分不開(kāi)的。因此，理論分析時(shí)只有準(zhǔn)確把握盾構(gòu)施工的主要因素才能得出符合實(shí)際情況的結(jié)果。盾構(gòu)施工階段主要包括以

2、下幾個(gè)主要的技術(shù)環(huán)節(jié)： （1）土體開(kāi)挖與開(kāi)挖面支護(hù)）土體開(kāi)挖與開(kāi)挖面支護(hù)土壓平衡式盾構(gòu)施工過(guò)程中，通過(guò)切削刀盤的切削前方土體。挖土量的多少由刀盤的轉(zhuǎn)速、切削扭矩以及千斤頂推力決定，排土量的多少則是通過(guò)螺旋排土器的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)。因?yàn)橥翂浩胶馐蕉軜?gòu)機(jī)是借助土壓艙內(nèi)土體壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面土水壓力的，為使土壓艙壓力波動(dòng)較小，施工中要經(jīng)常調(diào)節(jié)螺旋排土器的轉(zhuǎn)速和千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度，來(lái)保持挖土量和排土量保持平衡。 所謂地層損失是指盾構(gòu)施工中實(shí)際挖除的土壤體積與理論計(jì)算的排土體積之差。地層損失率以地層損失體積占盾構(gòu)理論排土體積的百分比份Vs()來(lái)表示。 圓形盾構(gòu)理論排土體積就V0為： 式中：r0-盾構(gòu)外徑 L-推進(jìn)

3、長(zhǎng)度 單位長(zhǎng)度地層損失量的計(jì)算公式為：200V =rL0sVVV 地層損失地層損失一般可分為三類： 第一類第一類：正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響，認(rèn)為人們的操作過(guò)程是認(rèn)真、仔細(xì)的，完全合乎預(yù)定的操作規(guī)程，沒(méi)有任何失誤。地層損失的原因全部歸結(jié)于施工現(xiàn)場(chǎng)的客觀條件，如施工地區(qū)的地質(zhì)條件或盾構(gòu)施工工藝的選擇等。一般地說(shuō)這種沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽體積與地層損失量是相等的。在均質(zhì)的地層中，正常地層損失引起的地面沉降也比較均勻。 第二類第二類：非正常地層損失。這是指由于盾構(gòu)施工過(guò)程中操作失誤而引起的地層損失。如盾構(gòu)操作過(guò)程中各類參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、超挖、壓漿不及時(shí)等。非正常地

4、層損失引起的地面沉降有局部變化的特征，然而，一般還可以認(rèn)為是正常的。 第三類第三類：災(zāi)害性地層損失。盾構(gòu)開(kāi)挖面有突發(fā)性急劇流動(dòng)，甚至形成暴發(fā)性的崩塌，引起災(zāi)害性的地面沉降。這常是由于盾構(gòu)施工中遇到地層中水壓大的貯水和透水性強(qiáng)的顆粒狀土的透鏡體等不良地質(zhì)條件。 (2) 固結(jié)沉降 由于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用，對(duì)地層產(chǎn)生擾動(dòng)，使隧道周圍地層產(chǎn)生正、負(fù)超孔隙水壓力，從而引起地層沉降稱為固結(jié)沉降。固結(jié)沉降可分為主同結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。主固結(jié)沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密；次固結(jié)沉降是由于土層骨架蠕動(dòng)引起的剪切變形沉降。 主固結(jié)沉降與土層厚度有著密切的關(guān)系。土層越厚，主固結(jié)沉降占

5、總沉降的比例越大。因此，在隧道埋深較大的工程中，施工沉降雖然很小，但主固結(jié)沉降的作用決不可忽視。 在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾個(gè)月，有的甚至要幾年以上。它所占總沉降的比例可高達(dá)35以上。 從理論上講，盾構(gòu)法施工引起隧道周圍地表沉降是指施工沉降(也稱瞬時(shí)沉降) 、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降三者之和。如果不考慮次固結(jié)沉降，總沉降應(yīng)等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動(dòng)引起的主固結(jié)沉降之和。固結(jié)沉降是由于施工引起地層孔隙水壓消散造成，不同地層固結(jié)沉降值占總沉降比例相差迥異，而次固結(jié)沉降（由于地層土體原有結(jié)構(gòu)破壞引起的蠕變沉降）除流塑性軟粘土地層外通常都較小，一般都不

6、考慮。 3.2 3.2 地表沉降的表現(xiàn)形式和機(jī)理地表沉降的表現(xiàn)形式和機(jī)理3.2.1 縱向地表沉降縱向地表沉降 盾構(gòu)推進(jìn)引起的地面沉降按地表沉降變化規(guī)律可分為初期沉降、開(kāi)挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和長(zhǎng)期延續(xù)沉降等五個(gè)階段。見(jiàn)表3-1。 （1）初期沉降 它是指當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)挖面到達(dá)某一測(cè)量位置之前，在盾構(gòu)推進(jìn)前方的土體滑裂面以外產(chǎn)生的沉降。因初期沉降的量較小，而且，不是所有的盾構(gòu)施工工程都會(huì)發(fā)生的，所以一般不被人們覺(jué)察。據(jù)部分實(shí)測(cè)資料分析斷定，初期沉降是由于固結(jié)沉降所引起的，其中包括盾構(gòu)施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。（2）開(kāi)挖面沉降(或隆起) 它是指開(kāi)挖面到達(dá)某一測(cè)量位置時(shí)，在它

7、正前方的那部分地面沉降。不同盾構(gòu)類型構(gòu)成不同的隧道開(kāi)挖方式，由于各種推進(jìn)參數(shù)(如盾構(gòu)推進(jìn)速度、最大推力等)的差異，使開(kāi)挖面的土體應(yīng)力狀態(tài)也截然不同，這便形成了覆蓋層的土壓增加或應(yīng)力釋放。 國(guó)際上一般用超載系數(shù)OFS來(lái)衡量開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定性。超載系數(shù)OFS與開(kāi)挖面土體損失的關(guān)系見(jiàn)圖3-3。圖圖3-3 超載系數(shù)與土體流失的關(guān)系圖超載系數(shù)與土體流失的關(guān)系圖 當(dāng)超載系數(shù)小于1時(shí)，開(kāi)挖面為彈性變形，土體損失小于l；當(dāng)超載系數(shù)大于l、小于4時(shí)，開(kāi)挖面為彈塑性變形，土體損失在24之間；當(dāng)超載系數(shù)大于5時(shí)，開(kāi)挖面為塑性變形，土體損失大于4。如果開(kāi)挖面的垂直應(yīng)力小于開(kāi)挖面的支承力，超載系數(shù)為負(fù)值時(shí)，開(kāi)挖面土體向著盾構(gòu)的反方向位移，地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。（3）尾部沉降 它是指盾構(gòu)通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的地面沉降。在整個(gè)盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)受到三個(gè)力的作用?？偼屏?、表面摩擦阻力及正面土壓力。按理論計(jì)