沉降控制-原理與案例課件

沉降控制——原理與案例

沉降控制——原理與案例

1、前言2、地基沉降（或隆起）的原因與發(fā)生機理3、地基變形的規(guī)律4、防止地基變形的措施和施工實例5、幾點體會沉降控制——原理與案例

１、前言近幾年來，我國城市軌道交通（地鐵）建設的發(fā)展十分迅猛。地鐵隧道的施工工法有明挖法、礦山法和盾構法等工法。盾構法具有施工速度快、地基沉降變形小等特點。隨著盾構法隧道施工技術的發(fā)展和人們對盾構隧道施工工法的認識的加深，盾構隧道施工法正日益得到廣泛的使用,僅廣州地鐵三號線就投入了21臺次盾構施工，四號線投入了12臺次盾構機施工，地鐵五號線投入了18臺盾構機施工，六號線將投入16臺次施工。盾構法施工產(chǎn)生變形（沉降或隆起）是不可避免的，因而其沉降控制的重要性就不言而喻了。由盾構施工所導致的地基變形的大小，因線路、覆土厚度、盾尾空隙量等設計條件、地基條件而異。但是，通過選擇適當?shù)氖┕し椒ê图訌娛┕す芾?，一般可以把地基變形控制在最小限度以內。為此，應選擇適合地基并具有開挖面穩(wěn)定裝置的盾構型式，進行認真的推進管理，同時妥當?shù)剡M行一次襯砌、壁后注漿，做好施工地基變形控制。2、地基沉降（或隆起）的原因與發(fā)生機理2．1開挖時的水、土壓力不均衡土壓平衡式盾構或泥水加壓式盾構，由于推進量與排土量不等的原因，開挖面水壓力、土壓力與壓力艙壓力產(chǎn)生不均衡，致使開挖面失去平衡狀態(tài)，從而發(fā)生地基變形。開挖面的土壓力、水壓力小于壓力艙壓力時產(chǎn)生地基下沉，大于壓力艙壓力時產(chǎn)生隆起。這是由開挖時開挖面的應力釋放，附加應力等引起的彈塑性變形。2．2推進時圍巖的擾動盾構推進時，由于盾構的殼板與圍巖摩擦和圍巖的擾動從而引起地基下沉或隆起。特別是蛇行修正和曲線推進時引起的超挖，是產(chǎn)生圍巖松動的原因。2．3盾尾空隙的發(fā)生和壁后注漿不充分由于盾尾空隙的發(fā)生使盾殼支承的圍巖朝著盾尾空隙變形而產(chǎn)生地基下沉。這是由應力釋放引起的彈塑性變形。地基下沉的大小受壁后注漿材料材質及注入時間、位置、壓力、數(shù)量等影響。另外，粘性土地基中的壁后注漿壓力過大是引起臨時性地基隆起的原因。2．4一次襯砌的變形及變位接頭螺栓緊固不足時，管片環(huán)容易變形，盾尾空隙的實際量增大，管片從盾尾脫出后外壓不均等使襯砌變形或變位，從而增大地基下沉。2．5地下水位下降來自開挖面的涌水或一次襯砌產(chǎn)生漏水時，地下水位下降而造成地基下沉。這一現(xiàn)象是由于地基的有效應力增加而引起固結沉降。

圖3.1盾構推進時地基變形的分類施工過程中可通過監(jiān)測結果來確認這些現(xiàn)象的有無及其程度，修正后續(xù)區(qū)段的施工方法。①先期沉降：是在盾構機到達前發(fā)生的下沉。對于砂質土，先期沉降是由地下水位下降引起的。對極軟弱粘土，先期沉降則由于開挖面的過量取土而引起的。②開挖面前部下沉（隆起）：是在盾構開挖面即將到達之前發(fā)生的下沉或隆起。開挖面的水土壓力不平衡是其發(fā)生的原因。③通過時下沉（隆起）：盾構通過時發(fā)生的下沉或隆起。盾構外周面與圍巖發(fā)生摩擦，或超挖使圍巖擾動是其發(fā)生的主要原因。④盾尾空隙下沉（隆起）：盾尾剛剛通過發(fā)生的下沉或隆起，是由于盾尾空隙的產(chǎn)生引起應力釋放或壁后注漿壓力過大而產(chǎn)生的。地基下沉的大部分都是這種盾尾空隙下沉。⑤后續(xù)下沉：是軟弱粘土中出現(xiàn)的現(xiàn)象，主要是由于盾構推進引起整個地基松弛或擾動而發(fā)生的。可持續(xù)到盾構通過后3～4個月。3．2隧道橫斷面方向的沉降由盾構的推進引起的橫斷方向的最終地基下沉分布，一般以隧道為中心單向橫坡，近似于倒立的標準概率曲線的形狀（圖3.2為某區(qū)間實測橫斷面沉降曲線圖）。其影響范圍大致保持以盾構下端處起的仰角45°＋φ/2擴散區(qū)域內（其中φ為土體的內摩擦角，砂土的內摩擦角變化范圍28~40°，粘性土的內摩擦角變化范圍0~30°）。一般情況下，影響范圍考慮仰角45°即可。3．3地基變形的大小地基下沉量的大小與傳遞狀況、地基條件、施工情況和覆土比(覆土厚度與盾構直徑比)等因素有關。洪積性地基和沖積性砂土時，地中下沉在傳遞到地表的過程中減少。而沖積性粘性土正相反，盾構通過后，下沉還長時間繼續(xù)（達幾個月），即使覆土比大，最終地表下沉與地中下沉一樣。4、防止地基變形的措施和施工實例4．1地基變形的預測與監(jiān)測為了減少地基變形，盾構推進前事先根據(jù)過去的實績和有限單元法等進行預測，以預測結果為依據(jù)來設定管理基準值。同時，在推進時，要在隧道中心向上及其兩側范圍內設定監(jiān)測點，進行水準測量，并根據(jù)監(jiān)測結果指導施工，調整施工參數(shù)，總結經(jīng)驗，應用到后續(xù)區(qū)段的施工管理中。+10mm～-30mm。盾構法施工地基變形的產(chǎn)生，歸根結底主要是由于施工時地層的變化—即地層的損失（分正、負）而造成，而地基變形的產(chǎn)生是有個過程的。因此，控制地層的損失，及時補償?shù)貙拥膿p失，是控制地基變形的主要措施。4．2開挖過程中水土壓力不均衡的防止措施土壓平衡式盾構可通過調整推進速度和螺旋式排土器的轉速，使土艙壓力與開挖面土水壓力相對應。另外可根據(jù)需要，注入適當?shù)奶砑觿┰黾娱_挖土的塑性流動性，使壓力艙內不產(chǎn)生空隙。泥水加壓式盾構可根據(jù)圍巖的透水性來調整泥漿性狀，并仔細進行泥漿管理，使壓力艙壓力始終對應于開挖面的土水壓力。通過控制土艙壓力可達到控制開挖面前部下沉（或隆起）目的，對總的沉隆控制具有較重要意義，最好是控制開挖面前部不產(chǎn)生下沉或略有隆起（≯5mm）。實施這些開挖面穩(wěn)定管理的同時，還應根據(jù)需要研究采用輔助施工方法以保證圍巖的穩(wěn)定。4．5一次襯砌的變形防止措施為了防止管片環(huán)變形，必須使用形狀保持裝置（如保園器）等來確保管片組裝精度，同時充分緊固接頭螺栓，必要時要作二次緊固。4．6地下水位下降的防止措施為了防止從管片接頭、壁后注漿孔等漏水，必須仔細進行管片的組裝及防水作業(yè)，做好連接螺栓的緊固工作。施工過程中，盾構機的螺旋輸送器、盾尾密封刷等必須保持良好的密封性能，防止失效漏水。對完成施工的隧道滲漏水，必須及時采取措施進行堵漏。4．7其他盾構法施工的不同階段會有不同的工況，必須有針對性地采取措施，把沉降控制在最小限度以內。4．7．1盾構法施工的始發(fā)與到達盾構始發(fā)或到達端幾米范圍內，一般都事先進行了加固或者地層地質條件較好，但加固范圍比盾構主機短，盾構機刀盤直徑比盾體大（如客大區(qū)間使用的盾構機，為了減少推進過程中盾構與圍巖之間的摩擦，盾構機機型設計為錐形，前大后小。刀盤開挖直徑為：6280mm，盾構切口環(huán)（前體）外徑為：6250mm，盾構支承環(huán)（中體）外徑為：6240mm，盾尾外徑為：6230mm。），開挖出來的輪廓比盾體外徑大，使始發(fā)掘進時加固體前開挖掌子面的地下水通過盾體外周的空隙流向洞門。到達貫通時加固體后的地下水也會流向洞門，如果有淤泥或含水砂層等軟土層，則很容易產(chǎn)生水土流失，造成地面發(fā)生較大沉降，甚至產(chǎn)生塌方。因此，首先，必須保證始發(fā)與到達洞門橡膠簾布的密封效果；其次，管片脫出盾尾后應及時注漿充填。4．7．2施工過程中的刀具更換施工過程中刀具磨損到一定的程度或者為了適應不同的地層，都必須進行換刀。換刀通常在欠壓狀態(tài)下進行，此時容易造成開挖面失穩(wěn)，甚至發(fā)生塌方，地基變形。因此，必須選擇合適的地質條件和地面環(huán)境的地點進行換刀，或者預先對地層進行加固后換刀，又或者采用壓氣作業(yè)等措施進行換刀。4．7．3過重點保護的建（構）筑物的措施重點保護的建（構）筑物離隧道較近，對地基變形很敏感，控制不好容易發(fā)生較大的沉降或隆起而遭到損壞，因而對沉隆的控制要求較高。因此，對這類建（構）筑物必須預先調查了解清楚（包括地面環(huán)境、地基與基礎、隧道穿越的地層等），制定切實可靠的方案后方可實施。往往是幾種措施都同時用上，并有應急預案。通常的做法是：采取土壓平衡模式掘進；連續(xù)、快速、均衡推進；及時、足量注漿（根據(jù)監(jiān)測結果，必要時作二次注漿）。

盾構穿越廣州火車站站場，越～三區(qū)間右線隧道YCK16+745.5～YCK16+910.5長165m區(qū)段穿越廣州火車站站場的十四股軌道；左線ZCK16+768～ZCK16+925.5長157.5m區(qū)段穿越廣州火車站站場的十四股軌道。隧道在此位置穿越的主要地層為中風化巖層〈8〉和強風化巖層〈7〉，隧道埋深15m～20m。要求“盾構掘進通過火車站時，軌面沉降值不得超過10mm，兩股鋼軌水平高差不得超過4mm，且在任何情況下，最大隆起量不得超過+10mm?！备鶕?jù)地質狀況和隧道周邊施工環(huán)境，經(jīng)計算采用0.069MPa～0.079Mpa的土艙壓力掘進（后施工的左線比右線提高0.01MPa～0.02Mpa），快速通過，盾尾同步注漿。施工完畢后最終實測沉降最大值為5.4mm，兩條鋼軌面高差為1mm，完全滿足有關要求，效果很理想。4．8．2廣州地鐵二號線赤～鷺區(qū)間盾構隧道施工沉降控制

赤～鷺區(qū)間盾構隧道由兩條并行單線隧道組成，左右線隧道總長4342.3m，線間距8～12m，隧道埋深8～14m，采用兩臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構（EPB）機施工，實行盾尾同步注漿（砂漿）。隧道洞身穿越的巖土層以II（〈4〉、〈5〉）、III（〈6〉、〈7〉）類圍巖為主，局部為IV（〈8〉）、V（〈9〉）類圍巖。上覆巖土層從上到下主要為：松散、稍濕的人工雜填土層〈1〉；可塑～硬塑狀，粘性強的粘性土及粉土〈4〉；可塑狀態(tài)的粉質粘土和稍密狀的粉土〈5-1〉；硬塑～堅硬狀的粉質粘土及呈中密～密實狀粘土〈5-2〉；較密實、堅硬、含少量礫石的巖石全風化帶〈6〉；強風化的砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖〈7〉等。地下水為平均埋深1.75m。區(qū)間線路基本沿新港中路（城市交通主干道）兩側非機動車道下通過，隧道上方路面交通繁忙，道路兩側地下管線和地面建筑物眾多。隧道常常需在建(構)筑物基礎下方或側面通過，其中，新南方購物中心（為7層鋼筋混凝土結構，柱下獨立天然基礎，基礎埋深1.8m～2.1m）基礎底部距隧道最近距離僅7.79m，客村立交橋(該橋為3層鋼筋混凝土結構)橋基(為鉆孔灌注樁)側面距隧道最近距離僅0.9m。赤～鷺區(qū)間地面通視條件較好，便于監(jiān)測布點，采集數(shù)據(jù)，實行信息化施工。施工中基本上是沿隧道中線上方每隔5m布設一個沉降觀測點，每隔20m建立一個垂直于隧道中線的監(jiān)測橫斷面，并以隧道中線為中心在地面上均布5個（每條隧道）間距5m的沉降監(jiān)測點。施工中，充分利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工，采取了敞開模式、半敞開模式和土壓平衡模式掘進。在存在軟弱地層且周邊環(huán)境對地面沉降要求較高時，采用土壓平衡（P1一次是在過新南方購物中心之前約60m處的新港中路381#汕頭建安公司簡易房4#、5#兩監(jiān)測點發(fā)生較大的沉降量，其中5#點累計沉降量-49mm，4#累計沉降量-20mm，其它在-2mm~-7mm之間。由于4#，5#點沉降量過大，造成房屋磚墻開裂，裂縫最大寬度約15mm，屋內地面明顯塌陷。這是由于沒用好土壓平衡掘進和未能進行及時、足量注漿造成的（注漿系統(tǒng)故障）。本次沉降使大家引起了足夠的重視，從而變壞事為好事，保證了過新南方購物中心不出事。另一次是基本過完立交橋后在引橋橋腳處發(fā)生的，該處隧道開挖的巖土層是〈6〉、〈7〉地層，由于刀具已磨損較嚴重，需在此處進行換刀，當時已把全部舊滾刀拆下，但因新刀未及時到貨而耽擱了3天時間，結果開挖掌子面發(fā)生局部坍塌，從而引起地面發(fā)生較大沉降（左線從ZDK5+830～ZDK5+850的20m范圍地面，沉降值在-41mm~-192mm之間），造成引橋落地部分的橋臺側墻開裂。由于及時采取了應急加固措施，沉降得到了有效控制，這局部較大的沉降并沒有波及到立交橋橋墩。這是由于換刀時土艙內土體已清空，〈6〉、〈7〉地層穩(wěn)定性差，開挖面歷經(jīng)較長時間后失穩(wěn)產(chǎn)生局部坍塌，從而引起地面較大沉降造成。這兩次事件的教訓是深刻的。本區(qū)間對工商銀行新窖辦事處、赤崗東小學、金瑞麟大酒店、紡織機械廠宿舍、新南方購物中心、客村立交橋等建筑物和部分管線進行了重點監(jiān)測。從監(jiān)測結果看，其建筑物沉降值都很?。?mm以內），管線沉降值有一監(jiān)測點達到-30mm，但該水管未受破壞。結果說明，只要加以嚴格控制，盾構施工是可以把沉降控制在最小限度以內的。而發(fā)生較大沉降的地方，往往都是因為非正常掘進，未加以重視，或掘進參數(shù)沒控制好造成的。采用一臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的土壓平衡式盾構（EPB）機，實行盾尾同步注漿（砂漿）施工。根據(jù)本工程的具體特點，施工中在穿越全斷面為〈8〉、〈9〉較堅硬地層，且隧道頂以上有較厚的〈8〉、〈9〉層，隧道埋深較大的地段，采用敞開模式掘進，并及時、足量注漿；在穿越全斷面為較軟弱巖土層，且隧道埋深較淺地段，采用土壓平衡模式掘進（土艙壓力取0.10MPa～0.16Mpa，根據(jù)監(jiān)測結果作適當調整），并及時、足量注漿，必要時作二次注漿；在其他地段采用半敞開模式掘進。由于合理地選擇了掘進模式和掘進參數(shù)，獲得了理想的效果，有效地控制了地表沉降，地表及建筑物的沉降值基本上都控制在＋10mm～－30mm以內，絕大部分都在10mm以內，確保地面建筑物安全。

但是，在始發(fā)后離始發(fā)端21m處的一棟樓房（A194棟，人工挖孔樁基礎）還是出現(xiàn)了最大達38mm的沉降，主要是在刀盤到達處至管片完全脫出盾尾后第一天這段時間（2天）內發(fā)生，所幸的是沉降較均勻，并未對樓房造成危害。出現(xiàn)較大沉降后，立即采取了盾尾補注漿、利用吊裝孔進行二次注漿等措施，有效地控制了沉降的進一步加大，保證了建筑物的安全。該處穿越的地層是〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉層，上覆巖土層是〈5-1〉、〈4-1〉、〈4-2〉、〈2-1〉、〈1〉地層，隧道埋深約11m。經(jīng)分析，主要是由于所取的土艙壓力偏低（0.07～0.08Mpa，后調整為0.11～0.12Mpa），注漿沒做好，且漿液初凝時間也較長（8小時，后調為5小時）造成。隨后，及時調整了掘進參數(shù)和注漿參數(shù)，之后的掘進就較好地控制了沉降值。4．8．4廣州軌道交通三號線大～瀝區(qū)間盾構隧道施工沉降控制左線始發(fā)后第14～18環(huán)的較大沉降。本區(qū)間大塘站始發(fā)端頭離淋沙涌河邊很近（約32m），挖至第18環(huán)到達河邊時，在盾尾處地面，監(jiān)測發(fā)現(xiàn)C8845-5測點出現(xiàn)了較大的沉降，且沉降速率較大，從7月8日下午16時至7月9日下午15時（相隔時間23小時），發(fā)現(xiàn)監(jiān)測斷面C8845(注：原監(jiān)測斷面編號為C8859)部分監(jiān)測點（C8845-3，C8845-4，C8845-5，C8845-6，C8845-7）的沉降值和沉降速度超過警戒值。其中測點C8845-5的沉降值增加了63.84mm，其累計沉降值已經(jīng)達到了66.73mm，到7月11日下午15：30施工期間地表建（構）筑物沉陷觀測數(shù)據(jù)，斷面監(jiān)測點C8845部分測點累計下陷仍然嚴重超標，沉降速度仍然較大，其中5#點累計下沉已達119.65mm，淋沙涌水面連續(xù)出現(xiàn)冒泡冒漿現(xiàn)象，并造成地面工地圍墻及臨設房子磚墻開裂（見照片）。該處地質情況見圖4.8.4-1。隧道開挖的地層是〈6〉、〈3-2〉，上覆巖土層是〈3-2〉、〈2-2〉、〈2-1〉、〈1〉地層。這主要是由于該處地層較軟，在盾構始發(fā)試掘進階段，注漿參數(shù)沒調好，注漿系統(tǒng)不正常，出現(xiàn)堵管，未能及時、足量注漿并保證注漿質量而造成的。通過采取從地面注雙液漿和洞內二次注漿等手段，控制了沉降的發(fā)展。圖4.8.4-1淋沙涌地質橫斷面圖圖4.8.4-2地表沉降曲線

過淋沙涌時河面冒泡照片房子磚墻開裂1房子磚墻開裂2變壓器地面開裂1變壓器地面開裂2左線在171、181環(huán)處果園里的地面塌陷：a.塌陷過程及基本情況2003年8月16日左線正推進171環(huán)（ZDK9+085）時，推進速度明顯降低，線路左側突發(fā)地表沉陷，沉陷面積約40平方米，塌陷深3.0米；2003年8月23日推進181環(huán)（ZDK9+100）時，線路左側又再次發(fā)生地表沉陷，沉陷面積約30平方米，塌陷深2.5米。兩次塌陷均在刀盤位置附近。塌陷處線路間距為13.0m,隧道縱斷面埋深13～14m，位于-29‰的下坡直線段，地表無建（構）筑物及地下管線通過，為果園區(qū)。塌坑的平面位置及圖像見下圖。地面塌陷位置平面示意圖塌陷照片1塌陷照片2塌陷照片3塌陷照片4塌陷照片5塌陷照片6塌陷照片7塌陷照片8根據(jù)《巖土工程勘察報告》，塌坑盾構機處巖土層自上而下依次為：〈1〉耕植土層，厚0.5～1.7米，〈2-1〉淤泥砂土層，厚2.0～3.0米，〈3-2〉砂層，厚5.4～5.7米，〈7〉強風化層夾〈6〉全風化層，厚4.0～5.4米，洞身穿越主要為〈7〉強風化層夾〈6〉全風化層，〈8〉中風化層，〈9〉微風化層。明顯缺失〈5〉隔水地層。地下水埋深0～3米。根據(jù)隧道洞身設計位置，塌陷處的隧道穿過<2-1>，<3-2>、<6>、<7>、<8>、<9>六個巖土層，其中的<2-1>、<6>，<9>為不透水～微透水層，巖體中基本無水，可視為隔水層；；<3-2>是沖、洪積形成的中、細砂層，為中等透水層，滲透系數(shù)K=4.6～5.7m/d；<7>、<8>是巖層強風化、中等風化帶，巖性為泥質粉砂巖、粉砂質泥巖、泥巖，為弱～中等透水層，滲透系數(shù)K=0.75～1.45m/d。為準確掌握工程地質、水文地質情況，承包商分別在刀盤前1.5米的1號點（ZDK9+104）及塌坑2號（ZDK9+101）,3號點（ZDK9+094）進行了補充地質鉆探。從補鉆結果看，刀盤前方開挖面大部分為〈8〉中風化巖層和〈9〉號微風化巖層，洞身上半部為〈7〉強風化層夾〈6〉全風化層，洞頂上覆土層依次為<7>號強風化層夾〈6〉全風化層,<3-2>砂層，〈2-1〉淤泥砂土層，〈1〉耕植土層。顯然刀盤處于典型的上軟下硬的特殊地層。根據(jù)左線盾構機推進原始記錄顯示，當盾構機推進至ZDK9+071（161環(huán)）～ZDK9+100（181環(huán)），推進速度減慢，土倉壓力、推力、扭矩增大（推進速度減慢至2～6mm/min,推力達10000KN以上，扭矩達2000KN.m以上），螺旋輸送機出土閘門壓力增大，當打開螺旋輸送機出土閘門時，以水為主，水、砂、泥及碎石從出土口噴涌而出，在停止排土時，地層中的水很快充滿土艙內，土艙壓力迅速上升（達到1.3bar左右，正好與該處的地下水壓力相當），螺旋輸送機出土閘門壓力也隨即迅速上升，當打開閘門又發(fā)生噴涌，推進過程中多次因扭矩、油溫升高而跳閘停止推進，造成盾構機無法正常推進。從出土的碴樣分析，含水量較大，占體積的60％以上，中、細砂占體積的25％以上，其余為碎石及泥土，碎石中明顯出現(xiàn)了〈8〉中風化層，〈9〉微風化巖層的特性。根據(jù)以上現(xiàn)象可推斷，盾構機刀盤、土艙已與上覆砂層連通。b.塌陷的原因分析

根據(jù)盾構機的設計掘進能力及其對始發(fā)試掘進段的地質條件的適應性，始發(fā)段刀盤刀具布置為軟巖刀具，除了刀盤邊緣設了5把滾刀以外，其余均為齒刀和刮刀。2003年8月16日左線正推進171環(huán)（ZD