盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究本科畢業(yè)論文

1、中 國 礦 業(yè) 大 學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）中文題目：盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究 英文題目： research on subsidence analysis and the relevant encountering measures for tbm undergoing the buildings姓 名： 學 號： 學 院： 專 業(yè)： 班 級： 指導教師： 職 稱： 完成日期： 2012 年 05 月 31 日中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)論文任務書學院 專業(yè) 班級 學生姓名 任務下達日期： 2012年1月18日 完成日期： 2012年5月31日 題目：盾構下穿建筑物沉降分

2、析與控制技術研究專題題目：主要內容和要求：1、盾構工法的發(fā)展和應用：盾構工法發(fā)展概況。盾構工法在中國的應用。2、盾構施工沉降問題的提出：闡述對盾構施工沉降的認識。國內外盾構施工沉降分析及控制技術研究現(xiàn)狀。3、對盾構下穿建筑物沉降問題的認識：簡述盾構下穿建筑物的安全風險。對盾構下穿建筑物沉降規(guī)律進行分析與歸納。4、盾構施工引起建筑物沉降控制技術分析：分析盾構施工引起建筑物沉降的主要影響因素。闡述控制建筑物沉降的方法及其適用條件和優(yōu)缺點。工程實例分析與研究。5、結論和展望：談談自己對盾構下穿建筑物的理解，通過研究人們對盾構下穿建筑物沉降的分析、控制和處理方法得出自己的結論以及對今后發(fā)展趨勢的展望。

3、對完善盾構下穿建筑物沉降控制方法以保證施工安全，提出自己一家之言。院長簽字： 指導教師簽字：中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱書學院： 專業(yè)：班級： 姓名： 題目：盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究專題題目：指導教師評語同學的論文：盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究。論文以北京地鐵常見的土壓平衡式盾構施工法為背景，在閱讀國內外盾構工法及盾構施工對建筑物的影響等相關文獻后，系統(tǒng)總結了盾構施工引起地表沉降的機理，對盾構下穿建筑物的沉降規(guī)律進行了相關分析，同時研究了盾尾同步注漿等主要技術措施對控制周圍建筑物沉降的影響，這對盾構下穿建筑物的安全施工有著一定的指導意義。論文篇幅完

4、全符合學校規(guī)定，內容完整，層次結構安排科學，主要觀點突出，邏輯關系清楚，有一定個人見解。同學學習認真，態(tài)度端正，時間安排合理，在規(guī)定時間內完成畢業(yè)論文的全部工作，同意其進行畢業(yè)答辯。成績： 指導教師簽名： 年 月 中國礦業(yè)大學（北京）本科生畢業(yè)設計（論文）評閱教師評閱書學院 專業(yè) 班級班 學生姓名 題目：盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究專題題目：評閱教師評語 成績： 評閱教師簽名： 年 月 日中國礦業(yè)大學（北京）2012屆本科生畢業(yè)設計（論文）答辯及綜合成績學院：力學與建筑工程學院學生姓名： 學號： 專業(yè)：班級：題目：盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究專題題目：設計說明書（論文）： 頁，

5、 圖紙： 張， 其它材料：答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤回答不清答辯成績： 答辯小組長： 年 月 日指導教師評價成績： 指導教師： 年 月 日評閱教師評價成績： 評閱教師： 年 月 日答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任：年 月 日學院領導小組綜合評價成績：學院領導小組負責人：年 月 日摘 要盾構法施工已成為我國城市地鐵、隧道施工中一種重要的施工方法。盾構隧道施工對周圍地層產生擾動，從而引發(fā)地層位移，并主要表現(xiàn)為地面沉降以及由地面沉降引起的對周圍建筑物的影響。這是盾構隧道設計與施工中非常關注的問題。雖然圍繞這一問題已做了不少的研究工作，但由于

6、地質條件的復雜多變及施工參數(shù)的變化，使得研究成果具有一定的局限性。本文針對北京八號線二期第九標段由安德里北街站到鼓樓大街站區(qū)間隧道盾構施工引起的地面沉降的影響因素進行了初步探討。系統(tǒng)地總結了盾構施工引起地面沉降的機理，以及盾構下穿建筑物沉降規(guī)律分析。主要研究盾尾注漿等主要技術措施對控制地表沉降以及周圍建筑物的影響，得出盾構法施工引起的地表沉降規(guī)律。同時也總結了一些現(xiàn)場監(jiān)測的作用和地表沉降的控制方法。關鍵字：盾構法；地表沉降；下穿建筑物；控制措施；監(jiān)測。abstractshield tunneling has become one of the most important methods in

7、 chinas urban subway and tunnel excavation. shield tunnel construction disturbance on the formation around and induced formation displacement, mainly presented as the influence on surrounding buildings which caused by land subsidence. it is the key issue in designing and construction of shield tunne

8、l. although there has been done some research on this problem, the limitation of the results couldnt be avoided because of the complicated geological conditions and the changing construction parameters.aiming at ninth tenders of the 8th line(by andrea north street station tunnel shield constructionp

9、rojectstothedrum tower streetstation)，this paper preliminary discussed the influencing factors those caused land subsidence and systematically summarized the mechanism of land subsidence caused by the construction and analysis the regular pattern of shield beneath the building settlement. it concent

10、rated on the influence of the surrounding buildings and the control of land subsidence which caused by the main measures, grouting at the tail for example, and got some regulation of that. here also summarized some effects of field monitoring and control methods of land subsidence. keywords: shield

11、tunnel; the surface settlement, undergoing the building, encouning measures; monitoring目 錄1 緒論12 盾構及其工作原理22.1盾構及其工作原理22.2 盾構的分類：22.2.1按斷面形狀分類：22.2.2按支護地層的形式分類：32.2.3按開挖面與作業(yè)室之間隔板的構造分類：32.3盾構的基本構造32.4現(xiàn)階段盾構施工法主要內容52.5盾構的分類及其使用范圍62.6盾構的選型依據(jù)72.7盾構的發(fā)展和發(fā)展趨勢82.8盾構在我國的發(fā)展與應用92.8.1手掘式盾構的開發(fā)與應用；92.8.2網格擠壓式盾構的開發(fā)與

12、應用92.8.3插刀盾構的開發(fā)與應用102.8.4盾構的引進112.8.5國家“863”計劃122.8.6中國與國外的差距142.9 盾構法施工的技術特點與盾構法隧道的優(yōu)缺點143盾構施工沉降問題的存在與提出173.1.盾構施工問題的提出173.2對盾構施工隆沉原因的簡單分析173.3盾構施工而對土體的擾動特征193.4地層隆沉的發(fā)展過程193.5 地層隆沉的分布范圍233.6國內外盾構施工沉降分析及控制技術研究現(xiàn)狀。244盾構下穿建筑物規(guī)律與控制284.1盾構下穿建筑物沉降問題的認識與風險284.1.1 盾構下穿建筑物沉降問題的認識284.1.2地表移動與變形對周圍建筑物的影響284.1.3

13、地表沉降控制基準分析304.1.4盾構下穿建筑物沉降導致的風險324.2盾構下穿建筑物沉降導致的風險的控制334.3盾構下穿建筑物時的沉降控制354.3.1 嚴格控制土艙平衡壓力354.3.2 嚴格控制盾構推進速度354.3.3加強對盾構掘進姿態(tài)的控制364.3.4 嚴格控制注漿壓力和注漿量364.3.5 合理控制注漿材料配合比364.3.6 合理確定盾尾油脂用量374.3.7 正確選擇泡沫劑374.3.8 加強對盾構機的維修保養(yǎng)374.3.9 加強對值班工程師及盾構操作人員的培訓374.3.10建筑物周邊止?jié){帷幕374.3.11建筑物條基及地基加固384.3.12動態(tài)跟蹤補償及抬升注漿384

14、.3.13 基礎加固注漿參數(shù)394.4盾構下穿建筑物時的沉降監(jiān)測404.4.1 盾構施工地面沉降監(jiān)測的內容404.4.2 盾構施工地面沉降監(jiān)測方法415.工程實例435.1工程簡介435.2下穿平房區(qū)概況445.3工程地質概況445.4下穿平房區(qū)沉降控制要求465.5主要技術措施465.5.1掘進姿態(tài)控制465.5.2土壓力控制及土體改良475.5.3嚴格控制同步注漿和二次注漿495.5.4多次補漿525.5.5出土量控制525.5.6盾尾間隙控制535.5.7下穿平房區(qū)施工措施535.5.7.1盾構下穿平房區(qū)地層組段劃分535.5.7.2盾構下穿平房區(qū)地層擬定參數(shù)545.5.7.3深孔注漿5

15、56 結論與展望57參考文獻59致 謝61英文原文62中文譯文641 緒論當今是一個人類文明快速發(fā)展的時期。隨著經濟、文化的進步，人口增多，環(huán)境污染等問題也隨之而來。原本寬闊的馬路顯得擁堵不堪，騎車尾氣肆意排放。城市也以成為了擁擠，污染的代名詞?！暗罔F”地下鐵道，簡稱地鐵，亦簡稱為地下鐵，狹義上專指在地下運行為主的城市鐵路系統(tǒng)或捷運系統(tǒng)；但廣義上，由于許多此類的系統(tǒng)為了配合修筑的環(huán)境，可能也會有地面化的路段存在，因此通常涵蓋了都會地區(qū)各種地下與地面上的高密度交通運輸系統(tǒng)。地鐵的出現(xiàn)緩解了城市擁堵，環(huán)境污染等等問題，是新時代交通的先行者。中國最為世界上最大的隧道及地下工程施工市場，前景廣闊。隨著

16、我國工程建設領域法制和法規(guī)的完善、對工程建設項目綜合效益的要求和環(huán)境保護意識的提高，對施工技術和管理的要求日漸提高。在建筑物密集的繁華市區(qū)和特殊地質地形區(qū)段普遍要求采用淺埋暗挖法和盾構法。盾構法具有對周圍環(huán)境影響小、自動化程度高、施工快速、優(yōu)質高效、安全環(huán)保等有點。隨著長距離、大直徑、大埋深、復雜斷面盾構施工技術的發(fā)展和不斷成熟，盾構法越來越受到重視和親睞。但是由于地質條件和施工工藝的限制, 盾構推進過程對地表的改變是不可避免的,過大的地層損失, 可導致較大的地面沉降, 對地面建筑物、地下管線等設施產生不利影響甚至會導致破壞, 引起較大的經濟損失。為此, 本文以理論研究與實際工程例子來說明,

17、闡述盾構下穿建筑物沉降分析與控制技術研究。2 盾構及其工作原理2.1盾構及其工作原理：盾構，其英文名為“shield machine”，是一種用于軟土隧道暗挖施工，具有金屬外殼，殼內裝有整機及輔助設備，在其掩護下進行土體開挖、土渣排運、整機推進和管片安裝等作業(yè)，而使隧道一次成形的機械（見圖2-1和2-2）。它是一種隧道掘進的專用工程機械，現(xiàn)代盾構集機、電、液、傳感、信息技術于一體5，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導向糾偏等功能。盾構的工作原理就是一個鋼結構組件沿隧道軸線邊向前推進邊對土壤進行掘進。這個鋼結構組件的殼體稱“盾殼”，盾殼對挖掘出的還未襯砌的隧道起著臨時支護的作用，承

18、受周圍圖層的土壓、承受地下水的水壓以及將地下水擋在盾殼外面。掘進、排土、襯砌等作業(yè)在盾殼的掩護下進行。 圖2-1 盾構的外形 圖2-2 盾構的結構2.2 盾構的分類：2.2.1按斷面形狀分類：單圓盾構、復圓盾構（多圓盾構）、非圓盾構。復圓盾構和非圓盾構統(tǒng)稱為“異形盾構”（見圖2-3 2-4 2-5） 圖2-3 單圓盾構 圖2-4 雙圓盾構 圖2-5非圓盾構 2.2.2按支護地層的形式分類：主要分為自然支護式、機械支護式、壓縮空氣支護式、泥漿支護式和土壓平衡支護式五種類型。2.2.3按開挖面與作業(yè)室之間隔板的構造分類：全敞開式、部分敞開式及閉胸式三種。2.3盾構的基本構造盾構機主要由：1）刀盤切

19、削系統(tǒng)；2）推進系統(tǒng)；3）加泥注漿系統(tǒng)；4）螺旋輸送機系統(tǒng)；5）管片拼裝系統(tǒng)；6）盾尾密封系統(tǒng)；7）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)；8）后配套設備及電器設備。以下分別簡單介紹盾構機的各個部分：（1）刀盤切削系統(tǒng)：刀盤采用中心支撐或中間支撐或兩邊支撐方式，由盤體、切削刀、仿形刀、傳動箱、集中潤滑等系統(tǒng)組成。掘進時，刀盤直接與開挖面接觸并旋轉切削土體，切削下來的土體在密封艙內與外加泥或水充分攪拌，使之成為可塑、滲透性極小的泥土，并保持一定的動態(tài)平衡壓力，控制開挖面土體不塌陷和地面不發(fā)生較大降沉。（2）推進系統(tǒng)：盾構機的推進是靠設置在支撐環(huán)內側的盾構千斤頂?shù)耐屏ψ饔迷诠芷希M而通過管片產生反推動力使盾構前進的

20、。 （3）加泥注漿系統(tǒng)：注漿分為同步注漿、管片二次注漿和堵水注漿三種，其中同步注漿效果直接影響到地面沉降。同步注漿系統(tǒng)可根據(jù)地層與地面構筑物狀況，進行雙液或單液注漿。注漿壓力和注漿量均可自由設定與調節(jié)。此外，還配有一套注漿管路清洗系統(tǒng)，從而保證襯背注漿系統(tǒng)正常使用。（4）螺旋輸送機：螺旋輸送機采用液壓驅動，可根據(jù)密封艙內土壓力伺服控制，是控制密封艙內保持一定土壓與開挖面土壓和水壓平衡的關鍵。螺旋輸送機還設有斷電緊急關閉出土口裝置，以保證隧道的施工安全。（5）管片拼裝系統(tǒng)：用于隧道管片拼裝。該設備可實現(xiàn)繞軸向回轉、徑向提升和軸向等三個自由度的移動，由回轉盤體、懸臂梁、提升橫梁、舉重鉗，以及千斤頂

21、等組成。（6）盾尾密封系統(tǒng)：結構型式為三排二室鋼絲刷。采用電動油脂泵注入油脂，每推進一環(huán)注入一次，可保證盾尾在壓力下不滲漏。（7）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)：采用plc系統(tǒng)，可對挖掘數(shù)據(jù)進行采集、數(shù)值運算、邏輯控制、故障報警、實時畫面顯示與數(shù)據(jù)輸出等管理工作。（8）后配套設備：配套設備主要由以下幾部分組成：管片運輸設備、四節(jié)后配套臺車及其上面安裝的盾構機操作所需的操作室、電氣部件、液壓部件、注漿設備、泡沫設備、膨潤土設備、循環(huán)水設備及通風設備等。（9）電氣設備：盾構機電氣設備包括電纜卷筒、主供電電纜、變壓器、配電柜、動力電纜、控制電纜、控制系統(tǒng)、操作控制臺、現(xiàn)場控制臺、螺旋輸送機后部出土口監(jiān)視器、電機

22、、插座、照明、接地等。 2.4現(xiàn)階段盾構施工法主要內容盾構法是一項綜合性的隧道施工技術。隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技術和施工管理的總稱。隧道施工方法的選擇主要依據(jù)工程地質和水文地質條件，并結合隧道斷面尺寸、長度、襯砌類型、隧道的使用功能和施工技術水平等因素綜合考慮研究確定。盾構法施工的概念流程如圖2-6所示。圖2-6 盾構法施工流程示意圖 1盾構； 2盾構千斤頂； 3盾構正面網格； 4一一出土轉盤； 5一出土皮帶運輸機； 6管片拼裝機； 7管片； 8壓漿泵； 9一壓漿孔； 10出土機； 11由管片組成的隧道襯砌結構； 12在盾尾空隙中的壓漿； 13后盾裝置； 14豎井構成盾

23、構法的主要內容是：先在隧道某段的一端建造豎井或基坑，以供盾構安裝就位。盾構從豎井或基坑的墻壁預留孔處出發(fā)，在地層中沿著設計軸線，向另一豎井或基坑的設計預留孔洞推進。盾構推進中所受到的地層阻力，通過盾構千斤頂傳至盾構尾部已拼裝的預制襯砌，再傳到豎井或基坑的后靠壁上。盾構是一個能支承地層壓力，又能在地層中推進的圓形、矩形、馬蹄形及其他特殊形狀的鋼筒結構，其直徑稍大于隧道襯砌的直徑，在鋼筒的前面設置各種類型的支撐和開挖土體的裝置，在鋼筒中段周圈內安裝頂進所需的千斤頂，鋼筒尾部是具有一定空間的殼體，在盾尾內可以安置數(shù)環(huán)拼成的隧道襯砌環(huán)。盾構每推進一環(huán)距離，就在盾尾支護下拼裝一環(huán)襯砌，并及時向盾尾后面的

24、襯砌環(huán)外周的空隙中壓注漿體，以防止隧道及地面下沉，在盾構推進過程中不斷從開挖面排出適量的土方。盾構是進行土方開挖正面支護和隧道襯砌結構安裝的施工機具，它還需要其它施工技術密切配合才能順利施工。主要有：地下水的降低；穩(wěn)定地層、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道襯砌結構的制造；地層的開挖；隧道內的運輸；襯砌與地層間的充填；襯砌的防水與堵漏；開挖土方的運輸及處理方法；配合施工的測量、監(jiān)測技術；合理的施工布置等。2.5盾構的分類及其使用范圍盾構是修建隧道的正面支護掘進和襯砌拼裝的專用機具，盾構類型的區(qū)別主要是盾構正面對土體支護開挖的方法工藝不同而言。為此盾構的種類按其結構特點和開挖方法來分，主要可

25、分為四大類，即手掘式盾構、擠壓式盾構、半機械式盾、構機械式盾構。(1)手掘式盾構是結構最簡單、配套設備少、因而造價也最低，制造工期短。其開挖面可以根據(jù)地質條件決定，全部敞開式或用正面支撐開挖，一面開挖一面支撐。在松散的砂土地層，可以按照土的內摩擦角大小將開挖面分為幾層，這時的盾構就被稱為棚式盾構。在地質條件良好的工程中得到廣泛應用。(2)擠壓式盾構的開挖面用胸板封起來，把土體擋在胸板外，對施工人員是比較安全、可靠，沒有塌方的危險，當盾構推進時，讓土體從胸板局部開口處擠入盾構內，然后裝車外運，不必用人工挖土，勞動強度小，效率也成倍提高。在特定條件下可將胸板全部封閉推進，那就是全擠壓推進。擠壓式盾

26、構僅適用于松軟可塑的粘性土層，適用范圍較狹窄。在擠壓推進時對地層土體擾動較大，地面產生較大的隆起變形，所以在地面有建筑物的地區(qū)不能使用，只能在空曠的地區(qū)或江河底下、海灘處等區(qū)域。(3)半機械式盾構是在手掘式盾構正面裝上機械來代替人工開挖，根據(jù)地層條件，可以安裝反鏟挖土機或螺旋切削機。土體較硬可安裝軟巖掘進機。半機械式盾構的適用范圍基本上和手掘式一樣，其優(yōu)點除可減輕工人勞動強度外，其余均與手掘式相似。(4)機械式盾構是在手掘式盾構的切口部分裝上一個與盾構直徑一般大小的大刀盤，用它來實現(xiàn)盾構施工的全斷面切削開挖。當?shù)貙油临|好，能自立或采用輔助措施亦能自立，則可用開胸式的機械盾構，反之如地層土質差，

27、又不能采用其它地層加固方法，此時，采用閉胸機械式盾構比較合適.2.6盾構的選型依據(jù)盾構法施工的地層都是復雜多變的，因此對于復雜的地層要選用較為經濟的盾構是當前的一個難題。在選擇盾構時，不僅要考慮到地質情況、盾構的外徑、隧道的長度、工程的施工程序、勞動力情況等，而且還要綜合研究工程施工環(huán)境、基地面積、施工引起對環(huán)境的影響程度等。選擇盾構的種類要求掌握不同盾構的特征，同時，還要逐個研究以下項目：(1) 開挖面有無障礙物；(2) 氣壓施工時開挖面能否自立穩(wěn)定；(3) 用氣壓其它輔助施工法后開挖面能否穩(wěn)定；(4) 擠壓推進、切削土加壓推進時，開挖面能否自立穩(wěn)定；(5) 開挖面在加水壓、泥壓、泥水壓作用

28、下，能否自立穩(wěn)定； 2.7盾構的發(fā)展和發(fā)展趨勢2.7.1盾構機問世至今已有近180年的歷史，其始于英國，發(fā)展于日本、德國。近30年來，通過對土壓平衡式、泥水式盾構機中的關鍵技術，如盾構機的有效密封，確保開挖面的穩(wěn)定、控制地表隆起及塌陷在規(guī)定范圍之內，刀具的使用壽命以及在密封條件下的刀具更換，對一些惡劣地質如高水壓條件的處理技術等方面的探索和研究解決，使盾構機有了很快的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國外盾構機的主要制造廠有18家，集中在日本和歐美，如日本的三菱重工、川崎重工、小松制作所、日立造船、石川島播磨重工，德國的海瑞克公司、維爾特公司，美國的羅賓斯公司，加拿大的羅法特公司等。各個廠家可以根據(jù)不同

29、的地質條件和不同的工程對象，以及使用單位的不同要求，設計、生產出不同直徑、不同類型、以及有特殊要求的盾構機，以滿足用戶的需要，其工藝和設備先進。在發(fā)達國家,使用盾構施工已占隧道總量的90%以上。國外盾構經歷了四個發(fā)展階段：一是以brunel盾構為代表的手掘式盾構；二是以機械式、氣壓式盾構為代表的第二代盾構；三是以閉胸式盾構為代表（泥水加壓平衡式、土壓平衡式）的第三代盾構；四是以大直徑、大推力、大扭矩、高智能化、多樣化為特色的第四代盾構。2.7.2盾構的發(fā)展趨勢，國際上盾構技術日趨完善，盾構技術的發(fā)展趨勢是微型和超大型化、形式多樣化、高度自動化和高適應性。2.8盾構在我國的發(fā)展與應用2.8.1手

30、掘式盾構的開發(fā)與應用；我國盾構的開發(fā)與應用始于1953年，東北阜新煤礦用手掘式盾構修建了直徑2.6m的輸水巷道。1962年2月，上海城建局隧道工程公司結合上海軟土底層對盾構進行了系統(tǒng)的試驗研究。研制了一臺直徑4.16m的手掘式普通敞胸盾構，兩種有代表性的底層進行掘進實驗，用降水或氣壓來穩(wěn)定粉砂層及軟粘土層。在經過反復論證和地面試驗后，選用由螺栓連接的單層鋼筋混凝土管片作為隧道襯砌，環(huán)氧煤焦油作為接縫防水材料。隧道掘進長度68m，實驗獲得了成功，并采集了大量的盾構法隧道數(shù)據(jù)資料。2.8.2網格擠壓式盾構的開發(fā)與應用1965年3月，有上海隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的2臺直徑5.8m的網格擠

31、壓盾構，于1966完成了2條平行的隧道，隧道長660嗎，地面最大沉降達10cm。1966年5月，中國第一條水底公路隧道上海打浦路越江公路隧道工程主隧道采用由上海隧道工程設計院設計、江南造船廠制造的直徑10.22m網格擠壓盾構施工（圖2-7），輔以氣壓穩(wěn)定開挖面，在水深16m的黃浦江底順利掘進隧道，掘進總長度1322m。打浦路隧道于1970年底通車。此次所用的網格盾構有所改進，敞開式施工可轉換為閉胸式施工。圖2-7 網格擠壓盾構 1973年，采用一臺直徑3.6m的水力機械化出土網格盾構和2臺直徑4.3m的網格擠壓盾構，在上海金山石化總廠修建了1條污水排放隧道和2條引水隧道。1980年，上海市進行

32、了地鐵1號線試驗段施工，研制了1臺直徑6.412m網格擠壓盾構，采用泥水加壓和局部氣壓施工，在淤泥質粘土底層中掘進隧道1130m。1982年，上海外灘的延安東路北線越江隧道工程1476m圓形主隧道采用上海隧道股份設計、江南造船廠制造的直徑11.3m網格擠壓水力出土盾構施工2.8.3插刀盾構的開發(fā)與應用1986年，中鐵隧道集團研制出半斷面插刀盾構（圖2-8），并成功用于修建北京地鐵復興門折返線。半斷面插刀盾構將“盾構法”與“淺埋暗挖法”緊密結合，取消了小導管超前注漿，在盾構殼體和尾板的保護下，進行地鐵隧道上半斷面的開挖。半斷面插刀盾構能全液壓傳動、電控操作、可自行推進、轉向、調頭。能有效控制地面

33、沉降，減輕工人勞動強度，施工速度較快，日均進尺達34m。圖2-8 半斷面插刀盾構（1986年） 2.8.4盾構的引進1990年，上海地鐵1號線工程全線開工，18km區(qū)間隨到引進了7臺由法國fcb公司制造的6.34m土壓平衡盾構。1996年，上海延安東路隧道南線工程，總長1300m，采用從日本引進的11.22m泥水加壓平衡盾構施工（圖2-9）圖2-9 11.22m 日本泥水盾構2.8.5國家“863”計劃1）土壓平衡盾構的開發(fā)2002年8月，國家科技部將6.3m土壓平衡盾構的研究設計列入國家“863”計劃。通過公開招標，第一批3項設計課題分別由國內盾構設計、制造與施工的兩家優(yōu)勢企業(yè)中鐵隧道集團有

34、限公司和上海隧道工程股份有限公司為主承擔。在國家“863”計劃的引導下，中鐵隧道集團完成了6.3m土壓平衡盾構的結構設計、盾構控制原理流程圖設計、盾構液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、流體輸送系統(tǒng)以及元器件的選型；完成了盾構系統(tǒng)刀具的研究設計、開發(fā)與制造，完成了盾構泡沫添加劑、盾尾密封油脂的開發(fā)應用研究，并實現(xiàn)了產品化。2004年7月15日，中鐵隧道集團研制的刀盤（圖2-10）及刀具。2005年3月26日，上海地鐵2號線成功貫通，標著著中鐵隧道集團承擔的“863”計劃土壓平衡盾構關鍵技術研究取得階段性成果。圖2-10 中隧集團研制的刀盤成功用于上海地鐵2004年5月，中鐵隧道集團有限公司與日本小松公司聯(lián)合制

35、造了1臺6.3m土壓平衡盾構（圖2-11）圖2-11中鐵隧道集團與小松聯(lián)合制造的土壓盾構2008年4月研制成功了我國第一臺具有自主知識產權的復合式土壓平衡盾構（圖2-12） 圖2-12 國內首臺復合式土壓平衡盾構2.8.6中國與國外的差距雖然中國在盾構的研制方面已有了一定的成功經驗和技術積累，但仍然存在大量的技術問題，盾構電液控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)相對滯后。目前，國產中小型盾構電液系統(tǒng)主要元器件，如液壓泵、液壓馬達、高性能電液控制器等幾乎全部依賴進口。液壓技術已經成為制約中國盾構技術發(fā)展的主要瓶頸之一。長期以來我國采用盾構法施工的隧道掘進機幾乎全部依賴于進口，其中德國和日本多家盾構制造商在中國市

36、場的占有率超過了90%。處于絕對壟斷地位。目前，國內除中鐵隧道集團和上海隧道股份公司自主制造盾構外，其它廠商制造的國產盾構均以合資生產面目出現(xiàn)，采用的合作方式是“國外設計，關鍵件進口，鋼結構件國內加工，整機在國內組裝出場?！?.9 盾構法施工的技術特點與盾構法隧道的優(yōu)缺點盾構法是利用盾構在地面以下進行暗挖隧道的一種施工方法，盾構法施工的主要技術特點如下：（1）對城市的正常功能及周圍環(huán)境的影響很小。除盾構豎井處需要一定是施工場地以外，隧道沿線不需要施工場地，無需進行拆遷而對城市的商業(yè)、交通、住居影響很小。（2）盾構是根據(jù)隧道施工對象“量身定做”的。盾構是適合于某一區(qū)間隧道的專用設備，必須根據(jù)施工

37、隧道的斷面大小、埋深條件、圍巖的基本條件進行設計、制造或改造。當將盾構轉用于其他區(qū)間或其他隧道時，必須考慮斷面大小、開挖面穩(wěn)定機理、圍巖粒徑大小等條件是否相同，有差異時要進行針對性的改造，以適應其他地質條件。盾構必須以工程為依托，與工程地質緊密結合。（3）對施工精度的要求高。區(qū)別于一般的土木工程，盾構施工對精度的要求非常之高。管片的制作精度幾乎近似于機械制造的程度，由于斷面不能隨意調整，對隧道軸線的偏離、管片拼裝精度也有很高的要求。（4）盾構施工時是不可后退的。盾構施工一旦開始，盾構就無法后退。由于管片內徑小于盾構外徑，如果要后退必須拆除已拼裝的管片，這是非常危險的。盾構法隧道具有的優(yōu)點如下：

38、 （1）在盾構支護下進行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，能較經濟合理地保證隧道安全施工。（2）盾構的推進、出土、襯砌拼裝等可實行自動化、智能化和施工遠程控制信息化，掘進速度較快，施工勞動強度較低。（3）地面人文自然景觀受到良好的保護，周圍環(huán)境不受盾構施工干擾；在松軟地層中，開挖埋置深度較大的長距離、大直徑速度，具有經濟、技術、安全、軍事等方面的優(yōu)越性。盾構隧道施工法的缺點是：（1）盾構械造價較昂貴，隧道的襯砌、運輸、拼裝、機械安裝等工藝較復雜。（2）在飽和含水的松軟地層中施工，地表沉陷風險大。（3）需要設備制造、氣壓設備供應、襯砌管片預制、襯砌結構防水

39、及堵漏、施工測量、場地布置、盾構轉移等施工技術的配合，系統(tǒng)工程協(xié)調難。（4）建造短于750m的隧道經濟性差；對隧道曲線半徑過小或隧道埋深較淺時，施工難度大.3盾構施工沉降問題的存在與提出3.1.盾構施工問題的提出 我們的世界進入了告訴發(fā)展的階段，人口增多，交通擁擠，環(huán)境污染。這些實實在在的問題一直困擾著我們，隨之而來的是人們的聰明才智高度的運用于社會的各個方面。地鐵也應運而生，盾構法是今后城市地鐵隧道的主要施工方法。我國雖然在盾構法隧道施工方面已取得了一定的技術積累，但在與之相關的地質工程領域內，仍然存在許多尚待解決的理論和技術問題。盾構法施工定將成為今后城市地鐵隧道的主要施工方法。盾構在軟土

40、層中進行掘進施工，會引起底層移動而導致不同程度的地面和隧道沉降，當沉降達到一定程度時就會影響地面建筑、地下設施和隧道本身的正常使用。因而，對于地面沉降的范圍以及沉降量得估算就成為國內外不得不關注的問題了。3.2對盾構施工隆沉原因的簡單分析盾構法隧道施工引起的地面沉降有以下幾點原因：(1)由于推進量和排水量不等的原因，開挖面水壓力與土倉內水壓力產生不平衡，導致開挖面失去平衡狀態(tài)，從而發(fā)生地基變形。開挖面水土壓力小于土倉水土壓力時產生地基下沉，大于壓力倉時產生地基隆起。(2)土體因地下水位下降。來自開挖面的涌水或管片漏水時，地下水下降使地基的有效應力增加，引起固結沉降而使地基下沉。(3)即由于開挖

41、卸荷土體發(fā)生彈性或塑性變形而導致的沉降，發(fā)生在盾構刀盤到達切口前3 m至切口后l m處(4)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。特別是蛇形修正和曲線推進時的超挖是引起圍巖松動的原因。(5)盾構通過時，即由于盾殼和土層間的摩擦剪切力導致土體向盾尾空隙后移而發(fā)生的彈塑性變形，發(fā)生在盾尾通過切口后1m至盾尾脫出處。(6)盾尾空隙沉降，即由于尾部空隙增加且沉陷、底土擾動而發(fā)生的沉降，發(fā)生在盾尾脫出至繼續(xù)推進1m處。(7)同步注漿和二次注漿沒有掌握好注漿壓力?；蛘邼{液質量不過關，導致土體沉降。(8)管片的變形和變位。管片螺栓緊固不足時，管片容易變形，盾尾空隙的實際量增

42、大，盾尾脫出后外壓不均等使管片變形和變位，從而增大地基下沉。(9)長期延續(xù)沉降，即由于土體蠕變產生的塑性變形導致的沉降，發(fā)生在盾尾通過后約100h。由此可見，地面沉降主要是彈塑性剪切變形、主固結變形和蠕變壓縮變形三者疊加而成。(10) 水壓力的合力是一種向上的浮力, 若拱頂處豎向土壓力和自重(靜荷載)的合力大于浮力，其差值將是作用在隧道底的豎向土壓力(地基抗力)。若浮力大于拱頂豎向土壓力和自重的合力, 隧道將可能浮起, 須施作二次襯砌以增加隧道重量或在地面堆載的措施。凈水壓力（如圖3-1）圖3-1 凈水壓力 3.3盾構施工而對土體的擾動特征 1土層距隧道垂直距離越遠，土體擾動越小；距隧道垂直距

43、離越近，土體擾動程度越大。也就是說隨著與隧道垂直距離加大，土體擾動程度呈現(xiàn)衰減性，土體擾動范圍則呈現(xiàn)擴散性的特點。2在盾構前方主體擾動存在同3.3.1的規(guī)律，隨著與盾構水平距離的增大而呈現(xiàn)衰減性和擴散性的特點。3盾構對前方土體的擠壓擾動程度大于對側向土體的剪切擾動程度。3.4地層隆沉的發(fā)展過程盾構推進引起的地面沉降按地表沉降變化可分為初期沉降、開挖面沉降(或隆起)、尾部沉降、尾部空隙沉降和長期延續(xù)沉降等五個階段。 (1)初期沉降 它是指當盾構開挖面到達某一測量位置之前，也就是在盾構推進前方的土體滑裂面以外產生的沉降。因初期沉降的量較小，而且不是所有的盾構施工工程都會發(fā)生的，所以一般不被人們覺察

44、。據(jù)部分實測資料分析斷定，初期沉降是由于固結沉降所引起的，其中包括盾構施工所引起的地下水(或孔隙水)的下降。 (2)開挖面沉降(或隆起) 它是指開挖面到達某一測量位置時，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾構類型構成不同的隧道開挖方式。由于推進各種參數(shù)(如盾構推進速度、最大推力等)的差異，使開挖面的土體應力狀態(tài)也截然不同，這便形成了覆蓋層的土壓增加或應力釋放。國際上一般用超載系數(shù)ofs來衡量開挖面土體的穩(wěn)定性。開挖面的超載系數(shù)越大土的自立性就越差，開挖面向盾構方向的位移量或土體損失量也就越大，開挖面的沉降因此而產生。超載系數(shù)ofs與開挖面土體損失的關系見圖3-3所示。圖3-3 超載系數(shù)與土體流失

45、的關系圖 當超載系數(shù)小于1時，開挖面為彈性變形，土體損失小于l；當超載系數(shù)大于l，小于4時，開挖面為彈塑性變形，土體損失在24之間；當超載系數(shù)大于5時，開挖面為塑性變形，土體損失大于4。如果開挖面的垂直應力小于開挖面的支承力，超載系數(shù)為負值時，開挖面土體向著盾構的反方向位移，地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。(3)尾部沉降 它是指盾構通過時產生的地面沉降。在整個盾構推進過程中，受到三個力的作用。它們是總推力、表面摩擦阻力及正面土壓力。按理論計算，總推力的表達式為： ps=po+ri (式3) 式中 ps 盾構總推力 po 正面土壓力 ri 表面摩擦阻力 表面摩阻力可根據(jù)摩擦樁的表面摩阻力求法得出： ri=ht

46、g (式4) 式中 土的密度h 隧道的平均埋深(指地面至隧道中心的距離) 土的有效摩阻角由于盾殼與地層之間的摩擦阻力作用，必然會產生一個滑動面。臨近滑動面的土層中就會產生剪切應力，當盾構剛通過受剪切破壞的地層時，因受剪切而產生的拉應力導致土壤立刻向盾構后的空隙移動。要保持盾構能與隧道軸線一致，在推進過程中盾構所經之處必須壓縮一部分土壤，松馳另一部分的土壤。壓縮的部分抵擋了盾構的偏離，而松馳的部分則帶來了地面沉降。(4)盾尾空隙沉降 它發(fā)生在盾尾部通過之后。引起沉降的原因是因為盾構尾部空隙增加使得地表沉陷，隧道周圍土層被擾動。在土力學上表現(xiàn)為，土的應力釋放，密實度下降。一般盾構的外徑要比隧道襯砌

47、的外徑大2。這里有兩個原因：首先盾殼材料有一定的厚度；其次是由于施工需要，使盾殼內與襯砌間必須留有一定的空隙。這些“建筑空隙”如不及時地充填，就會被周圍土體占領，最終形成較大的地面沉降。(5)長期延續(xù)沉降 它是指盾構通過后在相當長一段時間內仍延續(xù)著的沉降。圖3-4是即時沉降和長期延續(xù)沉降的比較直方圖。它較好地證實了以上觀點。在粘土中，長期延續(xù)沉降明顯大于砂質地基。因此，這類沉降歸結于地基土的徐變特性的塑性變形。該階段的沉降起因是、土層的本身性質和隧道周圍土體受撓動。它的滯后時間與盾構的種類、地質條件、施工質量等因素有關。圖3-4 即時沉降和長期延續(xù)沉降的比較直方圖3.5 地層隆沉的分布范圍地面

48、沉降的分布模塊是三維的(見圖3-5)。隨著盾構推進，所設的觀測點處的沉降量逐漸增加，沉降區(qū)域的寬度也日趨擴展。圖3-5 粘土地基變形模型圖僅僅考慮垂直位移，地面沉降在沿隧道軸線的橫段面上一般呈正態(tài)分布曲線。在粘性土中，沉降的增量實質上是相等的，而且在豎直方向上擴展速度也是均勻的。但是，對于砂性土來說，沉降增量及擴展速度的最大值出現(xiàn)在隧道頂部， 并且朝著地表突然減少。這種現(xiàn)象提示：粘土土層中，盾構周圍的土層如同一塊土體一樣是逐漸變形的；而砂土中，盾構周圍的土體卻是局部而又斷續(xù)地塌落。這種區(qū)別反映出各種性質的土體成拱能力。3.6國內外盾構施工沉降分析及控制技術研究現(xiàn)狀。盾構穿越既有地鐵線路、下穿淺

49、基礎建筑或文物保護建筑等這類對沉降要求非常敏感的區(qū)段, 對沉降控制要求很高。因此, 盾構掘進施工前掌握不同地層的沉降規(guī)律, 制定完善的施工控制措施, 確保穿越區(qū)域地面沉降不超過控制標準, 顯得非常重要。盾構施工沉降實質上是隧道施工引起的地層位移問題。擾動的影響范圍和程度取決于很多因素, 包括盾構型式、地層性質、地下水位、隧道上部荷載、施工參數(shù)(如土倉壓力、刀盤扭矩、推力、出土量、注漿量、注漿壓力、盾尾間隙等)、施工管理以及其他施工條件, 其機理非常復雜。 國內外許多專家學者對隧道施工引起的地基變位問題進行了深入的研究。peck在分析大量地表沉降觀測數(shù)據(jù)的基礎上,提出了地表沉降槽符合正態(tài)分布曲線

50、的概念,如圖5-1所示。他認為地層變形由地層損失引起,施工引起的地面沉降是在不排水的條件下發(fā)生的,從而假定地表沉降槽體積等于地層損失體積。于是，他結合采礦引起地面位移的估算方法，提出了隧道施工沉降槽的形狀近似與概率論中正態(tài)分布曲線，（如圖3-8）。圖3-8隧道施工地面沉降曲線1981年，英國durham大學教授attewell也假定沉降槽的曲線形式為正態(tài)分布曲線，他提出了下列的公式： （3-4）式中： ：為常數(shù)，粘土取1；砂土取0.63-0.82 ：常數(shù)，粘土1；砂土取0.36-0.97：隧道中心埋深：隧道半徑smax:地面最大沉降量1982年，oreilly-new氏對英國粘土地層的11處1

51、9例及回填土地層的6處16例工程實測數(shù)據(jù)加以回歸分析，提出了沉降槽的寬度和隧道埋深的關系式：在粘性土層中，；在砂性土層：， 單位為米。為了實際使用的方便，將上面兩個槽寬簡化為： （5-6）其中k為常數(shù)，粘土取0.5；砂土取0.25室內模擬實驗是指在實驗室內針對某一工程具體條件，依照相似理論建立模型，進行模擬分析，然后得出地層運動規(guī)律的研究方法。4盾構下穿建筑物規(guī)律與控制4.1盾構下穿建筑物沉降問題的認識與風險4.1.1 盾構下穿建筑物沉降問題的認識由于城市地下軌道交通的建設多處于市區(qū)的繁華地段，周圍密集的建筑物群和分布復雜的地下管線，且不乏具有一定歷史價值的風貌建筑物，這些都增添了施工的難度.

52、盾構法以高效的施工效率、靈活的地層適應性和對周圍地層及其鄰近的既有建筑影響小等優(yōu)點，被廣泛應用在城市地鐵工程中.采用盾構法施工，不但要對盾構隧道施工本身的安全加以考慮，而且更應對盾構推進過程中周圍環(huán)境的影響加以考慮. 由于盾構施工中地層的開挖不可避免地對土體產生擾動并使得隧道周圍地表發(fā)生位移和變形，當位移和變形超過某一極值時，必將危及周圍地面上的既有建筑、道路設施和地下管線等的安全使用. 因此，加強對城市軌道交通工程盾構過程中地表沉降問題的研究，準確預見盾構施工中可能發(fā)生的地面上鄰近既有建筑物的沉降和變形，確保鄰近既有建筑物、構筑物的安全性和正常使用性，以及軌道工程自身的安全和順利施工都具有十

53、分重要的意義.4.1.2地表移動與變形對周圍建筑物的影響 在隧道施工的過程中，地層應力狀態(tài)隨之改變，相應地，地表和地層將會發(fā)生移動和變形。通常情況下，隧道施工所產生的是快速變形，即在較短時間內引起較大位移，這將對周邊建筑物造成更大的危害。 直接開挖損害和間接開挖損害是隧道周邊構筑物損害的兩種方式。直接開挖損害是指在離隧道開挖較近范圍內對象所受的損害。另外，在離開挖范圍較遠的地方，也有開挖影響的存在，例如開挖周邊大范圍地下水變化產生的影響，這種影響稱為間接開挖損害。通常情況下，有以下幾種形式的開挖損害:地表沉降損害 當?shù)乇砭鶆虺两禃r，周邊構筑物整體也會產生均勻下沉。一般情況下，較小的均勻下沉不會對構筑物的正常使用帶來大的影響，但當沉降量較大時，而構筑物所處環(huán)境的地下水位又淺時，會對建筑物的正常使用產生影響，另外，如果建筑物地基長時間被水浸泡，其強度會降低，這對建筑物的長期使用是不利的。地表傾斜損害 地層均勻沉降不會對地面構筑物造成嚴重的危害，但不均勻沉降會對構筑物產生較大影響，這是因為不均勻沉降導致地面原始坡度發(fā)生改變，這對于底面