地下工程施工環(huán)境影響和保護(hù)辦法

1、 地下工程施工環(huán)境影響和保護(hù)辦法10.1 基坑開(kāi)挖工程的環(huán)境土工問(wèn)題10.1.1 軟土深、大基坑工程及其環(huán)境土工問(wèn)題1）地表沉降與土層位移多采用地下連續(xù)墻或水泥土攪拌加灌注式排樁為坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，引起的地表沉降與土層位移，由以下6個(gè)部分組成：（1）墻體彈性變位；（2）基坑卸載回彈、塑性隆起、降水不當(dāng)引起的管涌、翻砂；（3）墻外土層固結(jié)沉降；（4）井點(diǎn)或深井降水帶走土砂；（5）墻段接頭處土砂漏失；（6）槽壁開(kāi)挖，地層向槽內(nèi)變形。（1）（3）主要造成了墻后土層位移和地表沉降； （4）（6）則應(yīng)從施工技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)與管理上加以控制，使之減低到最小的允許限度。 2）基坑變形控制的環(huán)保等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)基坑變形控制環(huán)保

2、等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 表10-1保 護(hù)等 級(jí)地面最大沉降量及圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移控制要求環(huán)境保護(hù)要求特級(jí)1.地面最大沉降量0.1%H2.圍護(hù)墻最大水平位移0.14%H3.Ks2.2基坑周?chē)?0m范圍內(nèi)設(shè)有地鐵、共同溝、煤氣管、大型壓力總水管等重要建筑及設(shè)施、必須確保安全一級(jí)1.地面最大沉降量0.2%H2.圍護(hù)墻最大水平位移0.3%H3.Ks2.0離基坑周?chē)鶫范圍內(nèi)設(shè)有重要的干線水管、對(duì)沉降敏感的大型構(gòu)筑物、建筑物二級(jí)1.地面最大沉降量0.5%H2.圍護(hù)墻最大水平位移0.7%H3.Ks1.5離基坑周?chē)鶫范圍內(nèi)設(shè)有較重要支線管道和建筑物、地下設(shè)施三級(jí)1.地面最大沉降量1%H2.圍護(hù)墻最大水平位移0.7%H3.Ks

3、1.2離基填坑周?chē)?0m范圍內(nèi)設(shè)有需保護(hù)的建筑設(shè)施和構(gòu)筑物，地下管線3）基坑施工的時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題（1）基坑施工穩(wěn)定和變形基坑施工穩(wěn)定和變形，與以下各方面密切相關(guān)：基底土方每步開(kāi)挖的空間尺寸（平面大小和每步挖深）。開(kāi)挖順序。無(wú)支撐情況下，每步開(kāi)挖土體的暴露時(shí)間tr。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。KH是因土體流變而折減的被動(dòng)土壓力系數(shù)；基底抗隆起的穩(wěn)定性。Ks（2）基坑施工的時(shí)空效應(yīng)開(kāi)挖一支撐原則：分段、分層、分步（分塊）、對(duì)稱(chēng)、平衡、限時(shí)；對(duì)分段、分部搗筑的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架支撐，注意局部平衡 ； 理論導(dǎo)向，量測(cè)定量，經(jīng)驗(yàn)判斷 ；擯棄以大量人工加固基坑來(lái)控制其變形的傳統(tǒng)作法。（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外主動(dòng)與被動(dòng)土壓

4、力的取值KH值的確定KH是可按基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)得的變形值，經(jīng)反演分析； 基坑保護(hù)等級(jí)土性側(cè)壓力系數(shù)K基坑保護(hù)等級(jí)土性側(cè)壓力系數(shù)K特級(jí)軟粘土硬粘土0.750.550.55.0.40二級(jí)軟粘土硬粘土0.600.450.400.30一級(jí)軟粘土硬粘土0.700.500.450.35三級(jí)軟粘土硬粘土0.600.400.400.20主動(dòng)側(cè)壓力系數(shù)取值表 施工參數(shù)的選擇4）地鐵車(chē)站深大基坑的施工技術(shù)要求（1）先撐后挖，留土堤；(2) 對(duì)支撐施加設(shè)計(jì)軸力(30%70%)的預(yù)應(yīng)力；(3) 每步開(kāi)挖及支撐的時(shí)限tr24h；(4) 坑內(nèi)井點(diǎn)降水以固結(jié)土體、改善土性，減少土的流變發(fā)展?；臃侄巍⒎謱?、分步開(kāi)挖一支撐施工示

5、意5）變形監(jiān)控變形監(jiān)控工作的內(nèi)容主要包括： (1)施工工況實(shí)施情況跟蹤觀察；（2）日夜不中斷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與險(xiǎn)情及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)； （3）定量反饋分析，信息化設(shè)計(jì)施工；(4) 及時(shí)修改、調(diào)整施工工藝參數(shù)；(5) 及時(shí)提出、檢驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)措施。軟土基坑工程控制變形的設(shè)計(jì)程序框圖10.1.2 深基坑周?chē)乇沓两捣治?)支護(hù)結(jié)構(gòu)變位引起地表沉隆估算方法地表沉降曲線為正態(tài)分布：地表沉降范圍為：墻體水平位移ymax為墻后地表沉降max的倍 沉降曲線包絡(luò)面積Fs與支護(hù)結(jié)構(gòu)變位曲線包括面積Fw之比為：基坑開(kāi)挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降 地表沉降曲線包括面積Fs 支護(hù)結(jié)構(gòu)變位曲線包絡(luò)面積Fw計(jì)算最小二乘原理

6、可理可得下列方程組：若知道支護(hù)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)坐標(biāo)（0，c）和極值點(diǎn)（zm,ym），可由式（10-7）算得：2）減少沉降的措施使。具體措施為：（1）采取剛度較大的地下連續(xù)結(jié)構(gòu)；（2）分層分段開(kāi)挖，并設(shè)置支撐；（3）基底土加固；（4）坑外注漿加固；（5）增加維護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度和墻外圍幕；（6）盡量縮短基坑施工時(shí)間；（7）降水時(shí)，應(yīng)合理選用井點(diǎn)類(lèi)型，優(yōu)選濾網(wǎng)，適當(dāng)放緩降水漏斗線坡度，設(shè)置隔水帷幕；（8）在保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)回灌系統(tǒng)；（9）盡量減少降水次數(shù)。10.1.3 深基坑開(kāi)挖引起臨近地下管線的位移分析地下管線位移計(jì)算可按豎向和水平兩個(gè)方向的位移分別計(jì)算。地表沉陷范圍設(shè)沉陷區(qū)長(zhǎng)度取基坑邊長(zhǎng)的2倍，寬度取為：縱向沉

7、陷曲面:縱向沉陷曲面取為拋物面，頂點(diǎn)位于00線（中軸線）上，AA、BB上總的沉陷值為零。（2）地下管線豎向位移計(jì)算圖10-6地下管線位移曲線(a)鉸支座情況;(b)固定支座情況沉陷曲線地面超載傳至地下管線頂部的豎向荷載為q1：I區(qū)（沉陷區(qū)）的豎向位移方程y(x)：II區(qū)（非沉陷區(qū)） y(x)：雷洛夫函數(shù) 豎向位移方程中常系數(shù)的確定應(yīng)根據(jù)邊界條件，確定地下管線豎向位移方程中的常系數(shù)，邊界條件不同，求得的常系數(shù)亦不同，從而得到不同的位移方程。 （3）地下管線水平位移微分方程的求解地下管線水平位移方程（4）地下管線合理計(jì)算模型分析進(jìn)行地下管線豎向位移分析時(shí)，按固定支座的彈性地基梁分析是能滿足實(shí)際要求

8、的，是較合理計(jì)算模型。 本講要點(diǎn)地表沉降曲線的分析方法；地下管線的位移分析方法；10.2 地下水對(duì)環(huán)境的影響10.2.1 1）地下水位上升的情況（1）淺基礎(chǔ)地基承載力降低;（2）砂土地震液化加劇；（3）建筑物震陷加?。?）土壤沼澤化、鹽漬化；（5）巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象；（6）地下水位的凍脹作用的影響；（7）對(duì)建筑物的影響；（8）對(duì)濕陷性黃土、崩解性巖土、鹽漬巖土的影響；（9）膨脹性巖土產(chǎn)生脹縮變形10.2.2 地下水位下降的情況地下水位下降往往會(huì)引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂縫的產(chǎn)生和復(fù)活以及地下水源枯竭，水質(zhì)惡化等一系列不良地質(zhì)問(wèn)題，并將對(duì)建筑物產(chǎn)生不良的影響

9、。1）地表塌陷2）地面沉降3）海（咸）水入侵4）地裂縫的復(fù)活與產(chǎn)生5）地下水源枯竭，水質(zhì)惡化6）對(duì)建筑物的影響10.2.3 地下水位與地面沉降在天然條件和人為因素的影響之下，區(qū)域性地面標(biāo)高的降低，稱(chēng)為地面沉降。 主要影響因素，可以分為天然影響因素及人為影響因素，其中，地下水位波動(dòng)對(duì)地面沉降具有重要的影響。天然影響因素主要有兩類(lèi)： 海平面相對(duì)上升及土層的天然固結(jié)，導(dǎo)致地表沉降； 地震的沖擊作用，引起地面沉降。人為影響因至少主要有三類(lèi)：抽汲地下液體及表層排水導(dǎo)致地面沉降的有關(guān)因素；開(kāi)采地下深處的固體礦藏，也可能引起地面沉降。巖溶地區(qū)，塌陷是導(dǎo)致地面沉降的主要影響因素。 因過(guò)度開(kāi)采地下水，中國(guó)華北地

10、區(qū)出現(xiàn)世界罕見(jiàn)的漏斗區(qū)，面積已經(jīng)達(dá)到4萬(wàn)平方公里，目前仍在擴(kuò)大之中。華北平原形成了30多個(gè)小漏斗區(qū)。河北省、天津市、山東德州市的漏斗區(qū)連成一片，面積為中國(guó)之最。 在沿海地區(qū)，漏斗區(qū)域極易引起海水內(nèi)侵，咸水?dāng)U散。秦皇島市區(qū)已經(jīng)遇到這一問(wèn)題。滄州，超采地下水最深已達(dá)米，比水平面低七八十米。上海1999年，中心城區(qū)平均沉降量為毫米。 引起上海地面沉降的原因主要是開(kāi)采地下水、市政工程及高層建（構(gòu)）筑物的建設(shè)。上海中心城區(qū)的地面沉降在1921年1965年為快速沉降時(shí)期，年均沉降毫米，之后的十幾年呈現(xiàn)緩慢沉降態(tài)勢(shì)。西安市一九九五年以前，迫于西安市生活用水的緊張，許多開(kāi)采承壓水的自備井紛紛涌現(xiàn) .城市規(guī)劃區(qū)

11、出現(xiàn)七個(gè)較大的下降漏斗，沉降幅度最高超過(guò)五百毫米。著名的大雁塔因此而傾斜，建于明代的西安鐘樓則下沉了三百九十五毫米。 封井限采后，地面沉降已大大緩解。 阜新新邱區(qū) 沉陷區(qū)地表沉降深度平均為.米，水平移動(dòng)距離為.米。沉陷區(qū)的道路很有特點(diǎn)，坑坑相扣，坡坡相連，道路兩側(cè)的房屋、院墻和地面，隨處都能看到裂縫，最粗的裂縫手指都能伸進(jìn)去。 地下有“喀吧喀吧”的響聲，似悶雷。 地面沉降研究現(xiàn)狀 （1）地面沉降機(jī)理分析經(jīng)過(guò)若干學(xué)者的研究表明:抽水引起地層壓密而產(chǎn)生地面沉降,是有效應(yīng)力增加的結(jié)果。（2）地面沉降理論與模型的發(fā)展土層產(chǎn)生壓縮，一般認(rèn)為，固結(jié)是主固結(jié)和次固結(jié)兩部分組成。 經(jīng)典彈性地面沉降理論 準(zhǔn)彈性

12、地面沉降理論取消了關(guān)于含水層組的滲透系數(shù)K、比貯水系數(shù)Ss、壓縮系數(shù)Mv視為常數(shù)的假設(shè)，仍采用Terzaghi的一維豎向固結(jié)理論的假設(shè)。 地面沉降的流變學(xué)理論次固結(jié)作用對(duì)地面沉降的影響 、粘彈性地面沉降理論，彈塑性地面沉降理論 。本講要點(diǎn)理解地下水位的上升與下降對(duì)巖土工程的影響；了解地面沉降研究現(xiàn)狀（3）抽水壓密引起地面沉降的研究方法 黑盒模型完全以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方法，所觀察到的地面沉降與總抽水量的有關(guān)。 非耦合模型 半耦合模型 完全耦合模型抽水壓密導(dǎo)致地面沉降的計(jì)算模型僅作了解。（1）Gambolati-Freeze模型；（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4 人工

13、回灌與地面回彈對(duì)地下含水層（組）進(jìn)行人工回灌，則有利于穩(wěn)定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水壓力增大，土顆粒間的接觸應(yīng)力減小，土層發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致地面回彈現(xiàn)象，減緩地面沉降已初步得控制。 地面回彈模型的建立與求解是一個(gè)非常復(fù)雜 的系統(tǒng)課題。10.2.5 控制地面沉降的措施1）統(tǒng)一制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃；(綠色GDP)2）制定各種政策，合理控制開(kāi)采地下水；(經(jīng)濟(jì)杠桿)3）人工補(bǔ)給地下水（技術(shù)手段）4）治理措施（濱海、濱江地段）5）巖溶塌陷導(dǎo)致地面沉降的防治措施（以防為主，并結(jié)合填充）10.3 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)環(huán)境影響的理論與預(yù)測(cè)10.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)中的環(huán)境問(wèn)題10.3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動(dòng)機(jī)理1）

14、水和泥漿的擾動(dòng)地下水含量和紊流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，泥水盾構(gòu)大量泥漿外排回灌。 2）對(duì)不良土層的影響流砂，引起局部土體坍塌 。3）周?chē)馏w應(yīng)力狀態(tài)的變化原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等復(fù)雜的應(yīng)力路徑。 盾構(gòu)推進(jìn)前方土體分區(qū)圖 其中區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)未發(fā)生變化，土體的水平、垂直應(yīng)力分別為h，v。由于推力引起土體擠壓加載p，區(qū)和區(qū)土體承受很大的擠壓變形，區(qū)h、v均有增加；區(qū)只有h變化。區(qū)土體受到大刀盤(pán)切削攪拌的影響，處于十分復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。 土體擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)的摩爾圓 土體擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)的摩爾圓Pz+PwPj ，盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)是不可避免的 4）土體性質(zhì)的變化擾動(dòng)后土體的本構(gòu)關(guān)系、物理力學(xué)參數(shù)的必然變化。覆土層出

15、現(xiàn)附加的間隙或裂縫，隧道糾偏時(shí)加載不均勻。5）土體的位移影響盾構(gòu)機(jī)前后、左右、上下各部位土體的位移的狀態(tài)不同。 刀盤(pán)前部范圍內(nèi)土體表現(xiàn)為向下、向刀盤(pán)開(kāi)口內(nèi)移動(dòng)，（）D范圍內(nèi)深層土表現(xiàn)為向推進(jìn)方向移動(dòng)，表層土向上向前移動(dòng)。 盾構(gòu)機(jī)后的土體表層土表現(xiàn)為垂直的下沉，深層土隨盾殼拖帶向前的水平移動(dòng)，土體和漿液固結(jié)次固結(jié)沉降都使土體產(chǎn)生向下的位移變形。 10.3.3 土體受盾構(gòu)掘進(jìn)拓動(dòng)的特點(diǎn)1）盾構(gòu)周邊土體因開(kāi)挖而卸荷變形（1）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，按收斂約束曲線繪制的p-u-t關(guān)系 （2）土體應(yīng)力釋放與隧洞支護(hù)的關(guān)系如圖所示。2）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)周邊上體超孔隙水壓力分布及其變化3）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土體受施工擾動(dòng)的變形與地表

16、沉降盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的土體沉降機(jī)理沉降類(lèi)型原 因應(yīng)力擾動(dòng)變形機(jī)理初始沉降土體受擠壓面壓密孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加孔隙比減小，土體固結(jié)盾構(gòu)工作面前方的沉降(土體隆起)工作面處施加的土壓力過(guò)大：上隆，過(guò)?。撼两悼紫端畨毫υ黾樱倯?yīng)力增加土體壓縮，產(chǎn)生彈塑性變形盾構(gòu)通過(guò)的沉降土體施工擾動(dòng)，盾構(gòu)與土體間剪錯(cuò)，出土量過(guò)多土體應(yīng)力釋放彈塑性變形盾尾空隙的沉降 土體失去盾構(gòu)支撐，管片后背注漿不及時(shí)土體應(yīng)力釋放彈塑性變形土體次固結(jié)沉降土體后續(xù)時(shí)效變形(土體后期蠕變)土體應(yīng)力松馳蠕變變形周?chē)馏w變形位移主要是主固結(jié)壓縮、彈塑性剪切以及粘性時(shí)效蠕變?nèi)咧g的疊加與組合。土體受擾動(dòng)的土層厚度r與隧道壁徑向位移w

17、間的關(guān)系為：盾構(gòu)軸線上方地表中心沉降與土體受施工擾動(dòng)范圍的關(guān)系地表沉降與施工條件的關(guān)系 地表中心總沉降與覆蓋土層厚度/隧道外徑（H/D）及土層性質(zhì)的關(guān)系本講要點(diǎn)人工回灌；盾構(gòu)對(duì)周?chē)馏w的應(yīng)力影響盾構(gòu)引起地面沉降的影響因素10.3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的影響范圍盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程可以看成是柱孔擴(kuò)張過(guò)程。a為隧道半徑;R為塑性區(qū)外半徑;p為擴(kuò)張壓力。盾構(gòu)周?chē)馏w可以分為兩個(gè)變形區(qū)，即塑性變形區(qū)Dp和彈性變形有區(qū)De，塑性區(qū)的大?。赐獍霃絉）取決于擴(kuò)張壓力p和隧道半徑a。柱孔擴(kuò)張示意圖 內(nèi)壓力p與塑性區(qū)外半徑R、隧道半徑a的關(guān)系式： 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體擾動(dòng)的變形控制1）維護(hù)盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定及其控制方法量控制對(duì)

18、土壓平衡盾構(gòu)而言，控制艙壓使與前方自然水土壓力相平衡；控制排土量和掘進(jìn)速度，以維護(hù)開(kāi)挖面的穩(wěn)定；減少前方土體擠壓（欠挖時(shí)）與松動(dòng)（超挖時(shí)），防止前方土體塑性破壞和塌方。（1）控制方法一按軟土地區(qū)土壓力平衡盾構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)，?。?應(yīng)控制在0.03MPa 尚需滿足隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定條件 （Broms,1989）； （2）控制方法二壓力差與開(kāi)挖排土量間呈線性關(guān)系變化，則： M-100=a(pi-po ) a為斜率系數(shù)，a=50/E；E為土體彈性模量，對(duì)于粘性土可取E=100cu。100-2.8M100+2.8 由此可得控制方法二為：開(kāi)挖排土量的允許變化率等于土體開(kāi)挖體積理論值的2.8%。此值變化幅度小，在實(shí)踐上較難掌握。上海地區(qū)在軟粘土中使用局部擠壓盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)排土量控制在理論土方量的8090左右時(shí)，地表可不發(fā)生隆起現(xiàn)象。2）同步注漿與二次注漿的注漿的時(shí)間、漿壓和漿量控制（1）同步注漿同步注漿是指沿盾尾外殼安設(shè)多根注漿管的同步注漿系統(tǒng)，屬于一種充填注漿。(30mm時(shí)，需要進(jìn)行糾偏。（2）改正糾偏的措施調(diào)整分組千斤頂推力；沿縱縫和環(huán)縫，墊貼一定厚度的楔形軟