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1、成绩评阅人日 期中国矿业大学力学与建筑工程学院20122013学年度第二学期地铁与轻轨课程报告学号班级土木城市地下10-1班姓名姚 建 斌力学与建筑工程学院教学管理办公室软土地区地铁盾构隧道施工引起的地表沉降分析（中国矿业大学力学与建筑工程学院地下10-2班 姚建斌）摘 要：盾构法作为在软土地区修建地铁隧道的一种重要手段，较其它施工方法有许多优点，但仍不可避免地会对周围土体及邻近建筑物产生一定影响。本文针对盾构施工对周围土体扰动机理展开论述，分析了盾构法对周围土体扰动的成因，讨论了盾构施工对周围土体引起地面沉降的因素，并总结了国内外盾构施工引起土体变形研究方法，提出了盾构施工附近建筑物沉降保护
2、措施。关键词：软土地区；盾构隧道；邻近建筑物；沉降分析1 引 言我国自20世纪50年代起，伴随着我国地下铁路的迅猛发展，盾构法施工也因具有地面作业少、适宜建造深埋隧道、对周围环境影响小、自动化程度高、劳动强度低、施工速度快等优点，盾构施工方法以其独特的施工工艺特点和较高的技术经济优越性，越来越受到建设和施工单位的重视。城市地铁盾构隧道工程是在岩石土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道开挖的各种施工将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化，故而引起地表沉降和变形。同时在软土地层中采用盾构法施工，会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移。因此有必要对盾构法施工引起地层移
3、动的规律进行深入的研究，尽量准确地预测盾构施工引起的地面沉降和对邻近建筑物的影响程度，以便于在设计和施工中采取必要的减少地层移动的措施，选择最合理的施工技术，制定出完善的施工措施，确保施工对邻近楼房、建筑物与地下管线等的影响降到最低。2 盾构施工对地层及周边建筑影响原因分析盾构施工引起周围地层地表沉降，邻近建筑物受其影响将产生变形、沉降或变位，从而影响建筑物的使用。由于邻近建筑物变形是由地层变形所引起的，因此只有控制好了地层的沉降和变形才能更好的控制对邻近建筑物的影响。2. 1 地层变位产生的原因盾构机在掘进过程中，将会对引起周围的土体的移动，这些移动是无法完全防止的。盾构掘进引发的地基变形的
4、发生原因主要分为以下几点:(1)开挖面土水压力不平衡导致开挖面失稳；(2)盾构掘进对围岩的扰动；(3)盾尾空隙和壁后注浆的不足；(4)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降；(5)衬砌管片的变形和变位。当衬砌管片从盾尾脱出后，会受到围岩荷载作用而发生一些变形或变位，造成地基沉降，但这个沉降值一般比较小。2. 2 地层沉降的机理形成地面沉降的两个最主要因素是：第一，由盾构法施工引起的地层损失；第二，经扰动后的土颗粒再固结。地层损失是施工的原因引起的，而地层固结沉降是因为孔隙水压力变化产生的。(1) 地层损失地层损失为盾构施工中实际挖除的土体体积与理论排土体积之差。隧道的挖掘土量常常大于根据隧
5、道断面面积计算的理论值。这是由超挖或盾构与衬砌间的间隙等问题产生的，这些空隙在软粘土中会被周围土壤及时填满，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。施工沉降的产生过程为：压力应变变形位移地面沉降。地层损失可分为以下三类：正常地层损失。地层损失完全由施工现场的客观条件造成。这种地面沉降是在实际施工中采用何种类型的盾构都无法避免的。在均质的地层中这种损失引起的地面沉降也比较均匀。正常地层沉降一般可以控制到一定限度，由此而引起的地层损失量与地面沉降槽体积也是相等的。非正常地层损失。指的是由于盾构施工过程中操作失误引起的地层损失。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特点，一般可以认为非正常地层
6、损失是正常的。灾害性地层损失。当盾构施工中遇到水压大、地层中的贮水或者透水性强的颗粒状土的透镜体时，盾构开挖面可能发生突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，从而引起灾害性的地面沉降。(2)固结沉降固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。盾构掘进时会对地层产生扰动，从而使盾构隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，超孔隙水压力消散会引起的土层压密，从而出现主固结沉降。主固结沉降与土层厚度有系。当土层越厚时，主固结沉降在总沉降的中占比例越大。所以在深埋隧道施工过程中，施工沉降可能很小，但主固结沉降的值可能较大。次固结沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固
7、结沉降持续时间一般比较长。次固结沉降占总沉降的比例可达35%以上。盾构法施工引起隧道周围地表总沉降为施工沉降、主固结沉降和次固结沉降之和。当不考虑次固结沉降时，地表沉降应为地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的固结沉降之和。3 地层沉降的发展过程分析盾构施工引起的地基变位的表现方式与地基类型、盾构机类型及施工状况有很大的关系。对于盾构上方某一点的位移变化，变位历时曲线可分为五个阶段：(1)先行沉降；(2)开挖面沉降或隆起；(3)盾构通过时沉降；(4)尾部空隙沉降；(5)后期沉降。一般情况下，以上五个阶段的沉降值分别占总沉降值的(04.5)%、(044)%、(1520)%、(2030)%和(
8、530)%。综述，地层沉降的产生原因、机理及发展过程三者有着紧密的联系，地层沉降机理是地层沉降原因的微观解释；而地层沉降的发展过程则是前两者的宏观表现。它们之间的相互关系如表1-1所示。表1-1地基变形研究表4 国内外盾构施工引起土体变形研究方法总结当前国内外对盾构隧道施工引起的地表变形以及对既有结构的影响的研究方法主要有经验法、模型试验法、现场实测法、数值计算法等。这些方法各有优缺点，更多场合是将这些手段结合起来应用。这些方法在研究盾构隧道施工对地表变形以及对既有建(构)筑物的影响方面取得了很多的研究成果，但还是存在一些问题。主要的方法有：(1)经验公式法。经验公式方法简单，只要确定了公式的
9、参数就可以得到地面沉降数值。这种方法在一定的程度上直观地反映了土的性质、隧道的特点对地层沉降的影响，对于一些土质较好的，施工技术、施工设备比较完善，有类似工程实测资料的情况，现场量测结果与计算结果相比比较接近。但是，经验公式只是粗略给出了预测地面沉降的计算公式或范围，当衬砌形式、刚度不同以及施工条件和地层条件复杂时，它们的应用受到限制，难以较好的反映隧道工程条件和施工参数的影响，在一定的程度上与实际有较大的差别。例如：R.B.Peck(1969)通过对大量地表沉降数据和有关工程资料的分析以后，提出了地表沉降槽呈似正态分布的概念(2)模型试验法。模型试验法对于了解盾构隧道施工引起的地层位移的机理
10、，揭示各个施工因素对地面沉降的影响具有重要意义。足尺模型不经济，耗费大量人力、物力、财力；缩尺模型试验方法复杂、费用昂贵，模型难以精确模拟实际工程地质条件和施工参数，且得到的信息有限。(3)解析法。解析法得到的是理论解，计算量小，但是解的范围有限，只有少数简单边界条件下得到解析解。对于复杂的实际工程来说，利用这些简单化处理会导致计算结果与实际情况相差甚远。(4)数值法。数值法目前主要有有限元法、有限差分法、边界元法、离散元法、数值流行法。数值分析模型存在下列问题；对盾构施工考虑的因素较少，大多数只考虑了开挖卸荷、盾构脱空、千斤顶推进、盾构尾注浆的影响，对于盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、竖向荷载
11、和结构与土之间的接触等问题涉及较少。盾构推进过程中，开挖面土体向盾构内移动，引起隧道外围土体向隧道内移动，产生地层损失。相当于从地层中挖去一块土体，形成一个空缺，上部土体在自重作用下弥补这个空缺时产生了地层移动，引起岩土体及地表移动和变形。在不考虑土体排水固结的情况下，认为土体的移动是一个随机过程。对于关于盾构引起的纵向地表沉降可以分为四个或者是五个阶段，若按照五个阶段分的话有：盾构到达前的地面变形、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾构通过后的瞬时地面变形、地表后期固结变形，前面四项的总和称为地表沉降。5 软土地区盾构施工附近建筑物沉降保护措施软土地区盾构方法施工时，对建筑物受到的
12、影响比较严重，需要采取相应的处理措施，以保证建筑物的正常使用或安全。处理措施一般可分为积极保护措施和工程措施。5.1 积极保护措施积极的保护措施，指通过对施工参数的优化来减少对建筑物的不利影响。盾构隧道沿线附近的建筑物保护，应首先把重点放在积极保护方法上。在施工前，首先根据经验选取施工参数，然后通过对地面变形和对建筑物影响的预测，优化选取和本工程相适宜的施工参数;施工时，通过信息化施工，进一步优化施工参数，精心控制地层变形，使其不至于影响周围建筑物的正常使用或安全。根据已有的施工经验及研究成果，盾构施工参数中对周围环境影响比较明显的是：正面压力、盾构千斤顶推力、掘进速度、开挖排土量、超/欠挖量
13、，背后注浆的浆压、浆量、浆液性质和注浆时间，以及盾构姿态等。前仓压力的设定应随上覆土厚度的不同而变化。根据实践，一般设定为理论值(静止土压+水压)的105%115%。推进速度的选取应尽量使土体受到的是切削而不是挤压。不同的地质条件推进速度不同。对于土压平衡盾构，施工中要注意调整掘进速度和排土量，使前仓压力的波动控制在最小幅度。背后注浆的主要参数为注浆材料、注浆压力、注浆量和注浆时间。注浆材料一般选用合理配比和性质优良的材料，稠度值一般控制在10.511.0，容重近似原状土。注浆压力在理论上只须使浆液压入口的压力大于该处水土压力之和，即能使建筑空隙得以充盈。但因实际注浆量大于计算注浆量，超体积浆
14、液必须用适当高于计算的压力方可压入建筑空隙。但压力也不能过大，因为压力过大会使周围土层产生劈裂，这样管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的后期沉降及隧道本身的沉降。实践中，多采用注浆压力为1.11.2倍静止水土压力。注浆量在理论上为衬砌和周围地层之间的间隙体积。但由于盾构纠偏、跑浆和浆料的失水收缩等因素，实践上常采用理论计算值的1.42.0倍。注浆时间一般以同步注浆为宜;在土层较好，地层变形控制要求不高的地段，为提高施工速度，也可采用即时注浆等注浆形式。另外，还要尽量保证盾构掘进中的轴线和设计轴线一致，以减小盾构纠偏量，从而减小因盾构纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，同时有利于控制盾尾和管片后背间
15、的间隙和地层损失。实践证明，盾构停止推进时，会因正面土压力的作用而后退，从而增大周围地层的变形，因此，施工中宜保持施工的连续性。当必须停止推进时，务必作好防止后退的措施，正面及盾尾要严密封闭，以减少停机期间对周围环境的影响。5.2 工程措施工程措施主要指通过诸如隔断、土体加固、托换等工程方法来保护周围建筑物。对于对地面变形比较敏感且影响后果比较严重的建筑物，仅通过盾构各施工参数的优化可能不能满足安全控制要求，故还需要采取有效的工程保护措施。下面笔者总结了4种常见的工程方法。(1)隔断法在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙等措施，阻断盾构机掘进造成的地基变位，以减少
16、对建筑物的影响，避免建筑物产生破坏的工程保护法，称为隔断法。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工空间。隔断墙墙体可由钢板桩、地下连续墙、树根桩、深层搅拌桩和挖孔桩等构成，主要用于承受由地下工程施工引起的侧向土压力和由地基差异沉降产生的负摩擦阻力，使之减小建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移，还可在墙顶部构筑联系梁并以地锚支承。还需注意，隔断墙本身的施工也是近邻施工，故在施工中要注意控制对周围土体的影响。(2)土体加固土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固。前者通过增大盾构隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止周围土体产生扰动和松弛，从而减少对近邻建筑物的影响，保证建
17、筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基，提高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。当地面具有施工条件时，可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施工;当地面不具备施工条件或不便从地面施工时，可以采用洞内处理的方式，主要是洞内注浆。上海市的下水道主干线工程中，采用外径为4.43 m的土压平衡盾构，通过洞内注浆的处理方式，顺利通过了临近桥台的基础桩，且把最终沉降成功地控制在要求的10 mm内。(3)建筑物本体加固该法实际上是对建筑物本身进行加固，使其结构刚度加强，以适应地基土变形而引起建筑物变形的一种工程保护方法。对建筑
18、物本体进行加固的措施有多种，如可以通过加劲、加固墙、设置支撑等来直接对建筑物上部结构进行加固，或通过加固桩、锚杆等对建筑基础进行加固。实际工程中需要根据建筑物的结构和基础特点选用相适应的方法。(4)基础托换在盾构区间隧道工程中，一般需要进行托换的主要是桩基基础。桩基托换就是将建筑物对桩基的载荷，通过托换的方式，被转移到新建的桩基上去，而老的桩基则被拆除的工程方法。广州地铁一号线工程中，曾成功托换过8层民用建筑的桩基，其单桩承载力在200t左右。一般在下列情况下需要进行桩基托换： 盾构开挖通过桩基附近，从而削弱了桩的侧向约束，降低了桩的承载能力;盾构开挖穿过桩体本身，导致桩的承载力大幅下降或消失
19、;盾构开挖从距离桩底很近的地方穿过，使桩端承载力受到严重损失。6 结语盾构法隧道作为一种新的施工工艺，是近年城市地铁施工中采用的主要手段，盾构施工引起的地表土体变形和对邻近建筑物的影响是人们普遍关心的问题；本文通过分析了盾构施工对土体以及周围建筑物影响的原因，总结了盾构施工过程中周围土体的变形规律，并总结了国内外盾构施工引起土体变形研究方法，并在此基础上，提出了对附近建筑物沉降保护的可行措施。参考文献1 Peck R B,etc. Tunneling in soils A.10th ICSMFEC.Stockholm，1981.607628.2 OReilly M.P., Evaluating
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