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1、盾构施工引起的地表沉降,引言盾构法施工原理盾构施工引起的土体变形邻近建筑物工况下盾构施工引起的地面沉降,主要介绍内容,一、引言,地铁因其运输能力大、速度快等特点在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用，尤其在人口密集的大城市，对于缓解地面交通压力，效果更是不可替代。我国地铁建设开始进入大发展时期。目前中国有约20多个大城市正在建设和筹建自己的轨道交通。其中，北京、上海、广州正在扩建地铁网络，深圳、南京、杭州、天津、成都等城市也在兴建地铁。城市地铁修建等地下工程的施工方法有明(盖)挖法、暗挖法、盾构法等，各种方法都有其优缺点和适用条件，其中盾构法以诸多优势成为城市地铁隧道采用较多的施工方法。,该
2、法可在各种工程地质和水文地质条件下使用，具有机械化程度高和施工速度快等优点。从综合效益观点看来，是一种比较经济的方法。1825年法国工程师M，A.Rrunel发明盾构法施工，而后盾构法经历了从手掘式、挤压式、气压式到土压平衡和泥水加压式的盾构。1894年，盾构法首次应用到地铁隧道建设中，到20世纪80年代末，大约有32个国家和地区81座城市修建了290条地下铁道线路，总长计S000km，这些隧道基本上是用盾构法施工完成的。盾构法施工过程中不可避免地对隧道周围的环境造成影响，尤其是地层沉降带来的影响尤为明显，对周围环境的影响也非常的显著。,尽管盾构机在不断的发展，但无论盾构隧道施工技术如何改进，
3、由于施工技术、工艺质量及周围的环境和岩土介质的特点，其施工引起的地表沉降是不可能完全消除的。盾构推进对周围环境的影响主要表现在盾构推进引起的地表沉降。地表沉降过大时，会影响到盾构隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营，特别是在建筑物、道路、地下管线密集的城市修建地铁，隧道施工引起的地表沉降更应引起人们的高度重视。,二、盾构法施工原理,盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及周围土体不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆，从而不扰动周围土体而修筑隧道的方法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护周围土体的盾构钢壳，所谓构是指构成隧道衬砌
4、的管片和壁后注浆体，如图2-1所示。,图2-1 盾构机组成图,盾构法施工是一个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影响与施工技术环节密切相关。早在1969年Peck就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影响与施工的具体细节是分不开的。因此，理论分析时只有准确把握盾构施工的主要因素才能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节：（1）土体开挖与开挖面支护土压平衡式盾构施工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖土量的多少由刀盘的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排土量的多少则是通过螺旋排土器的转速来调节。因为土压平衡式盾构机是借助土压舱内土体压力来平衡开挖面土水压力的
5、，为使土压舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，来保持挖土量和排土量保持平衡。,(2)盾构推进与衬砌拼装 盾构依靠千斤顶推力作用向前推进。盾构推进过程中需要克服开挖面土体压力、摩擦阻力和内部机械设备阻力，盾构的总推力必须根据各种阻力的总和及其所需要的富裕量决定。推力过大会使正面土体因挤压而前移和隆起，而推力过小又影响推进速度。千斤顶推动盾构前进后，依次收缩千斤顶在盾构内部拼装衬砌。(3)盾尾脱空与壁后注浆 千斤顶推动盾构机向前推进时，使得本来位于盾构壳内部的拼装衬砌脱出盾壳的保护，在衬砌外围产生建筑空隙(其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空间体积之和)，引起较大
6、地层损失，如不采取补救措施会引起很大的地层位移和地面沉降。,壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充注浆，以减小由于盾尾空隙而产生的地基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。如图2-2所示，壁后注浆是通过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。注浆压力一般取1.11.2倍的静止土压力，通常采用0.30.4MPa，略大于隧道拱底的土压力，为拱顶土压力的2倍以上。压浆量一般为理论注浆量(盾尾空隙)的140180%。,图2-2 盾尾空隙和壁后注浆,三、盾构施工引起的土体变形,地表变形的原
7、因地表变形的表现形式和机理地表变形的分布范围盾构施工工艺对地表变形的影响,3.1 地表变形的原因,地表变形，是由于盾构法施工而引起隧道周围土体的松动和沉陷，它直观表现为沉降或隆起。受其影响隧道附近地区的构筑物将产生变形、沉降或变位，以至使构筑物机能遭受破损或破坏。包括以下几个方面：(1)土体损失 隧道的挖掘土量常常由于超挖或盾构与衬砌间的间隙等原因而比按照隧道断面积计算出的土量大得多，这样使隧道与衬砌之间产生空隙。在软粘土中空隙会被周围土壤及时填充，引起地层运动，产生施工沉降(也称瞬时沉降)。土的应力因此而发生变化，随之而形成：应变-变形-位移-地面沉降。,所谓地层损失是指盾构施工中实际挖除的
8、土壤体积与理论计算的排土体积之差。地层损失率以地层损失体积占盾构理论排土体积的百分比份Vs()来表示。圆形盾构理论排土体积就V0为：式中：r0-盾构外径 L-推进长度 单位长度地层损失量的计算公式为：,地层损失一般可分为三类：第一类：正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响，认为人们的操作过程是认真、仔细的，完全合乎预定的操作规程，没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件，如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。一般地说这种沉降可以控制到一定限度。由此而引起的地面沉降槽体积与地层损失量是相等的。在均质的地层中，正常地层损失引起的地面沉降也比较均匀。第二类：非正常地层损失。
9、这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构操作过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征，然而，一般还可以认为是正常的。第三类：灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动，甚至形成暴发性的崩塌，引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到地层中水压大的贮水和透水性强的颗粒状土的透镜体等不良地质条件。,(2)固结沉降 由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用，对地层产生扰动，使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力，从而引起地层沉降称为固结沉降。固结沉降可分为主同结沉降和次固结沉降。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密；次固结
10、沉降是由于土层骨架蠕动引起的剪切变形沉降。主固结沉降与土层厚度有着密切的关系。土层越厚，主固结沉降占总沉降的比例越大。因此，在隧道埋深较大的工程中，施工沉降虽然很小，但主固结沉降的作用决不可忽视。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性土层中，次固结沉降往往要持续几个月，有的甚至要几年以上。它所占总沉降的比例可高达35以上。,从理论上讲，盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指施工沉降(也称瞬时沉降)、主固结沉降及次固结沉降三者之和。如果不考虑次固结沉降，总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的主固结沉降之和。固结沉降是由于施工引起地层孔隙水压消散造成，不同地层固结沉降值占总沉降比例相差迥异
11、，而次固结沉降（由于地层土体原有结构破坏引起的蠕变沉降）除流塑性软粘土地层外通常都较小，一般都不考虑。,3.2 地表沉降的表现形式和机理,3.2.1 纵向地表沉降 盾构推进引起的地面沉降按地表沉降变化规律可分为初期沉降、开挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和长期延续沉降等五个阶段。见表3-1。,（1）初期沉降 它是指当盾构开挖面到达某一测量位置之前，在盾构推进前方的土体滑裂面以外产生的沉降。因初期沉降的量较小，而且，不是所有的盾构施工工程都会发生的，所以一般不被人们觉察。据部分实测资料分析断定，初期沉降是由于固结沉降所引起的，其中包括盾构施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。（2）开挖
12、面沉降(或隆起)它是指开挖面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式，由于各种推进参数(如盾构推进速度、最大推力等)的差异，使开挖面的土体应力状态也截然不同，这便形成了覆盖层的土压增加或应力释放。国际上一般用超载系数OFS来衡量开挖面土体的稳定性。超载系数OFS与开挖面土体损失的关系见图3-3。,图3-3 超载系数与土体流失的关系图,当超载系数小于1时，开挖面为弹性变形，土体损失小于l；当超载系数大于l、小于4时，开挖面为弹塑性变形，土体损失在24之间；当超载系数大于5时，开挖面为塑性变形，土体损失大于4。如果开挖面的垂直应力小于开挖面的支承力，超载系
13、数为负值时，开挖面土体向着盾构的反方向位移，地面出现隆起现象。,（3）尾部沉降 它是指盾构通过时产生的地面沉降。在整个盾构推进过程中，盾构受到三个力的作用。总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。按理论计算，总推力的表达式为：式中:Ps盾构总推力 P0正面土压力 RI表面摩擦阻力 表面摩阻力可根据摩擦桩的表面摩阻力求法得出：式中：土的密度 隧道的平均埋深(指地面至隧道中心的距离)土的有效内摩擦角,由于盾壳与地层之间的摩擦阻力作用，必然会产生一个滑动面。临近滑动面的土层中就产生剪切应力，当盾构刚通过受剪切破坏的地层时，因受剪切而产生的拉应力导致土壤立刻向盾构后的空隙移动。要保持盾构能与隧道轴线一致，在
14、推进过程中，盾构所经之处必须压缩一部分土壤，松弛另一部分的土壤。压缩的部分抵挡了盾构的偏离，而松弛的部分则带来了地面沉降。（4）盾尾空隙沉降 它发生在盾尾通过之后。引起沉降的原因是盾构尾部建筑空隙和隧道周围土层被扰动。在土力学上表现为土的应力释放，密实度下降。一般盾构的外径要比隧道衬砌的外径大2。这里有两个原因：首先盾壳材料有一定的厚度；其次是由于施工需要，使盾壳内与衬砌间必须有一定的空隙。这些“建筑空隙如不及时地充填，就会被周围土体占领，最终形成较大的地面沉降。,图3-4 即时沉降和长期延续沉降的比较直方图,（5）长期延续沉陷 它是指盾构通过后在相当长一段时间内仍延续着的沉降。粘土地基长期延
15、续沉降明显大于砂质地基。因此，这类沉降归结于地基土的徐变特性的塑性变形。该阶段的沉降起因是土层的本身性质和隧道周围土体受扰动。它的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工质量等因素有关。,3.2.2 横向地表沉降 在包括有“隧道掘进引起地表沉陷”议题的国际土力学地基基础墨西哥会议上，Peck的“state of the art report”的报告是十分有名的。其中提出的沉降槽形状近似于概率论中的正态分布曲线。,3.3 地层沉降的分布范围分析,地面沉降的分布模块是三维的(图3-5)。随着盾构推进，所设的观测点处的沉降量逐渐增加，沉降区域的宽度也日趋扩展。图3-5 粘土地基变形模型示意图,3.4 盾
16、构施工工艺对地表隆沉的影响,（1）盾构掘进参数的选择的影响 它同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有着联系。其具体表现为：1)盾构严重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。2)在用一些自动化程度较高的盾构机具进行推进时，推进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力、注浆压力和盾构总推力等参数的设定不合理。3)注浆量不足或注浆不及时，是引起地面沉降较主要的原因之一，直接影响“建筑空隙”的充填。4)在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对沉降的影响是不容忽视的。盾构纠偏就意味着盾构轴线与隧道轴线产生一个偏角。当盾构以“仰头”或“磕头”方式推进时必然在其轨迹上留下一个如图3-4所示的面积，引起地面扰动。,
17、5)盾构后退。较长时间的盾构停止推进，千斤顶会因漏油而缩回，从而引起盾构后退，这样势必造成开挖面土体稳定失衡，土的内聚力减小。图3-6 因盾构纠偏所造成的地层扰动示意图,（2）盾构选型及注浆的影响 它与规划、设计和当地的地质情况等因素有直接关系。这类原因引起的沉降通常发生在整个盾构施工过程中，并延续到施工结束后的较长一段时间。它可具体分为以下几点：1)设计阶段的盾构选择，特别是盾构外径、盾尾空隙等尺寸的选定。这一切将直接影响“建筑空隙”的大小。2)由于注浆材料本身的体积收缩，使填充孔隙的材料在一段时间后出现萎缩。3)盾壳移动对地层的摩擦和剪切，造成对临近土体的扰动。4)在土压力的作用下，隧道衬
18、砌的变形会引起少量的地层损失。,四、邻近建筑物工况下盾构施工引起的地面沉降,盾构施工对建筑物影响机理分析邻近建筑物的盾构施工控制措施典型实例,4.1 盾构施工对建筑物影响机理分析,盾构施工将引起一定范围内的土体位移和变形。对于位于影响范围内的地表建筑物，由于地基土体的变形会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，外力条件的变化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。外力条件的变化主要由以下原因导致:(1)土体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；(2)
19、因覆土压力的增大而导致的土体沉降，使建筑物地基的垂直土压力增大；,(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；(4)因土体力学性状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。而产生这些原因主要是由于盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩擦、壁后注浆压力、盾尾建筑空隙和开挖面超挖等因素引起的。,图4-1 隧道邻近建筑物施工示意图,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，可以认为底部变形和地表变形一致。地表沉降会使建筑物产生整体下沉，若沉降过大，会造成一定损害，尤其对于砌体结构，这种垂直沉降使砌体中存在着垂
20、直方向下沉力，形成水平裂缝。同时不均匀沉降将导致地表倾斜，使建筑物产生结构破坏裂缝。地表倾斜还会使高耸建筑物发生重心偏 斜，引起附加应力重分布，使结构内应力发生变化，严重时使建筑物丧失稳定性而破坏。深基础的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。由于桩基础埋深较深，当沉降过大时，基础刚度发挥作用，使得建筑物破坏相对较小。同时，土的侧向变形易引起桩的侧向变形和内力变化，从而引起上部建筑物的变形和内力变化。,4.2 邻近建筑物的盾构施工控制措施,盾构隧道开挖势必引起土体的沉降及变形，当地表沉降及变形达到一定程度时将对周围存在的各类建筑物造成影响，从而造成其正常使用功能的
21、丧失。上海地铁4号线流沙突水事故引起地面大幅沉降，造成3栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部坍塌并引起管涌，如下图（图4-2）所示。图4-2 上海地铁4号线引起的建筑物倾斜,4.2.1 主动控制措施,主动控制措施是指从盾构施工工艺上进行控制，优化盾构施工工艺进行地面沉降控制主要建议通过以下几个方面：（1）首先在试验段根据现场土质、盾构覆土厚度、地下含 水情况及以往经验初步制定一系列盾构操作工艺参数。然 后根据试验段监测资料及施工经验对盾构掘进的技术工艺 参数进行修正至最优化。（2）保持开挖面稳定 根据不同地质状况选择的合理施工参数，通过控制推进速度和出土量来控制土仓压力，保证土仓压力与开挖面压力
22、平衡，始终保持开挖面稳定。,（3）及时进行盾尾壁后同步注浆和二次注浆 注浆是盾构法施工控制地面沉降的关键工序。盾构掘进过程中进行壁后同步注浆，盾构穿越后及时进行二次注浆，根据不同地质条件选择单液或双液注浆及合理的注浆压力、注浆量及注入时间，严格检查浆液配比及质量，保证注浆效果。（4）保持良好的盾构姿态，纠偏幅度不宜过大 在邻近建筑物影响范围内曲线掘进时，根据盾构姿态合理使用仿形刀和千斤顶编组顶进，纠偏幅度不宜过大，尽量保持机体平稳推进，避免由于机体扰动周围土体和超挖引起地层损失，对地面沉降控制造成不利影响。,（5）保证管片拼装质量，防止隧道渗漏 隧道渗漏对地面沉降影响较大，施工中要保证管片拼装
23、质量。在曲线施工中，利用尾间隙自动测量系统，准确掌握管片在盾构机内位置，根据盾构姿态正确排列管片，确保成型隧道质量。（6）针对不同土质调整增加泡沫和泥浆的比例，并监测出 土量 土质变化导致出土不畅时，会引起土仓压力波动。针对土质的变化，要及时调整加泡沫和泥浆的比例，使切削下来的土体在土仓内充分混合后具有良好的塑流性，顺利地从螺旋输送机排出；随时监测出土量，避免由于出土量过大引起地层损失。,（7）保持施工持续性，避免停机 在邻近建筑物保护区域内施工，应尽量避免停机或不出现停机现象。（8）保持良好的盾尾密封效果 盾构掘进过程中，保证连续压注盾尾密封油脂，防止盾尾漏水漏浆，避免地下水和注浆浆液流失导
24、致地面沉降。（9）实行监测信息化施工 盾构施工期间对施工影响范围内的沉降观测点及城墙进行监测，根据监测结果及时反馈项目部管理人员，据此随时根据情况调整掘进参数和注浆参数，必要时再及时二次注浆，控制地面沉降，确保邻近建筑物的安全。,4.2.2 被动控制措施,被动控制措施主要指通过隔断、托换、土体加固等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。常见的工法主要有：（1）隔断法 隔断法指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，阻止盾构机掘进造成的土体变形，
25、以减少对建筑物的影响。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工空间。隔断墙墙体可由密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成，主要用于承受由隧道施工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力，使之减少建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移，还可以在墙顶部构筑联系梁并以地锚支撑。,图4-3 桩基托换示意图,（2）桩基托换,桩基托换是以特定的桩取代原桩作为建筑物的传力杆件，与原有地基形成多元化桩基并共同分担上部荷载，缓解和改善原有地基的应力应变状态，直至取得控制沉降与差异沉降的预期效果。在隧道开挖过程中，往往会遇到建筑物桩基侵入隧道净空的情况，此时对桩基进行托换处理，将建筑物原来的基
26、础托承到不受施工影响的新桩基上，从而减少隧道开挖中地层变形对建筑物的影响，解决了隧道穿越既有建筑物的安全问题。托换处理主要有门式桩梁、片筏基础、顶升及树根桩等方法。(3)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。,(4)建筑物加固 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
27、变形的一种工程保护方法。对建筑物本体进行加固的措施有多种，如可以通过加筋、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、锚杆等对建筑物基础进行加固。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。隔断墙、桩基托换和注浆等作为隧道开挖造成建筑物损害的治理措施，均有其特定的最佳使用条件，有些情况下也可以相互配合使用以减少建筑物保护代价。,4.3 典型实例,西安市是我国历史悠久的文明古都，是国家级历史文化名城，在古建筑密集的城市修建地铁隧道，对古建筑的保护是一个重要问题，必须采取相应的保护措施。西安地铁二号线穿越国家级文物保护建筑西安城墙北门、南门区段。为实现城市建设与古
28、建筑保护的协调发展，必须对地铁穿越影响范围内的西安城墙北门、南门区段城墙采取相应的措施进行保护。采用土压平衡式盾构施工，盾构总长8.68 m，管片外径6.0 m，管片内径5.4 m，厚0.3 m，管片环宽1.5m；隧道埋置深度：结构拱顶埋深为13.014.2m（北门）和17.418.5m（南门）；隧道线路半径：过北门区段曲线半径为400m，过南门区段线路半径为350m；线路坡度：从张家堡向南方向以3下坡坡度穿越北门区段，从钟楼向南以3上坡坡度穿越南门区段。,图4-4 西安地铁二号线穿越北门平面示意图,图4-5 西安地铁二号线穿越南门平面示意图,北门、南门区段城墙采用的加固方案是灌注桩与化学加固
29、注浆法综合加固方法，在隧道穿越段的城墙墙体以外5m位置打一排钻孔灌注桩，桩径1000m，桩间距1400m，在隧道上方8m宽范围内灌注桩长16m，其它桩长27m；同时在图4-57圈定的红色加固区域（在过永宁门洞处和南门瓮城西南角地面）下采用袖阀管注化学浆液硅化加固的方式，袖阀管直径80，间距600*600梅花形布置，采用聚安酯加固，在盾构通过之前进行注浆加固，盾构通过的时候可根据需要决定是否进行二次跟踪注浆，注浆管长8m。,图4-6 复合加固地基后竖向沉降云图,从沉降云图可以看出，复合加固效果明显，沉降影响范围明显减小，这也可城墙转角的最终沉降值体现出来。采用复合加固方案，所有沉降均控制在15mm以下。通过分析其沉降，发现复合地基的加固处理效果是比较令人满意的，均小于15mm的沉降限值，可满足线路平顺要求。,
