盾構(gòu)施工引起的地表沉降

1、盾構(gòu)施工引起的地表沉降盾構(gòu)施工引起的地表沉降北京交通大學(xué)隧道及地下工程試驗研究中心 北京 Beijing JiaoTong University Research Center of Tunneling and Underground Works，Beijing2008年5月 報告人： 袁大軍 教授主要介紹內(nèi)容主要介紹內(nèi)容二、盾構(gòu)法施工原理 盾構(gòu)隧道施工法是指使用盾構(gòu)機，一邊控制開挖面及周圍土體不發(fā)生坍塌失穩(wěn)，一邊進行隧道掘進、出渣，并在機內(nèi)拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿，從而不擾動周圍土體而修筑隧道的方法。 盾構(gòu)機的所謂盾是指保持開挖面穩(wěn)定性的刀盤和壓力艙、支護周圍土體的盾構(gòu)鋼殼，所謂構(gòu)是指

2、構(gòu)成隧道襯砌的管片和壁后注漿體，如圖2-1所示。圖2-1 盾構(gòu)機組成圖 盾構(gòu)法施工是一個非常復(fù)雜的工程過程，它對周圍環(huán)境的影響與施工技術(shù)環(huán)節(jié)密切相關(guān)。早在1969年P(guān)eck就指出盾構(gòu)法施工引起的地層損失以及對相鄰結(jié)構(gòu)的影響與施工的具體細節(jié)是分不開的。因此，理論分析時只有準(zhǔn)確把握盾構(gòu)施工的主要因素才能得出符合實際情況的結(jié)果。盾構(gòu)施工階段主要包括以下幾個主要的技術(shù)環(huán)節(jié)： （1）土體開挖與開挖面支護）土體開挖與開挖面支護土壓平衡式盾構(gòu)施工過程中，通過切削刀盤的切削前方土體。挖土量的多少由刀盤的轉(zhuǎn)速、切削扭矩以及千斤頂推力決定，排土量的多少則是通過螺旋排土器的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。因為土壓平衡式盾構(gòu)機是借助土壓

3、艙內(nèi)土體壓力來平衡開挖面土水壓力的，為使土壓艙壓力波動較小，施工中要經(jīng)常調(diào)節(jié)螺旋排土器的轉(zhuǎn)速和千斤頂?shù)耐七M速度，來保持挖土量和排土量保持平衡。 壁后注漿是對盾尾形成的施工空隙進行填充注漿，以減小由于盾尾空隙而產(chǎn)生的地基應(yīng)力釋放和地層變形，是盾構(gòu)施工的重要環(huán)節(jié)之一。如圖2-2所示，壁后注漿是通過在盾構(gòu)殼上設(shè)置注漿管，在空隙生成的同時進行注漿的同步注漿方式和通過管片上預(yù)留的注漿孔進行注漿的及時注漿方式兩種，其中同步注漿更有利于地基沉降的控制。注漿壓力一般取1.11.2倍的靜止土壓力，通常采用0.30.4MPa，略大于隧道拱底的土壓力，為拱頂土壓力的2倍以上。壓漿量一般為理論注漿量(盾尾空隙)的14

4、0180%。圖2-2 盾尾空隙和壁后注漿三、三、3.1 所謂地層損失是指盾構(gòu)施工中實際挖除的土壤體積與理論計算的排土體積之差。地層損失率以地層損失體積占盾構(gòu)理論排土體積的百分比份Vs()來表示。 圓形盾構(gòu)理論排土體積就V0為： 式中：r0-盾構(gòu)外徑 L-推進長度 單位長度地層損失量的計算公式為：200V =rL0sVVV 地層損失地層損失一般可分為三類： 第一類第一類：正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響，認為人們的操作過程是認真、仔細的，完全合乎預(yù)定的操作規(guī)程，沒有任何失誤。地層損失的原因全部歸結(jié)于施工現(xiàn)場的客觀條件，如施工地區(qū)的地質(zhì)條件或盾構(gòu)施工工藝的選擇等。一般地說這種沉降可以控制

5、到一定限度。由此而引起的地面沉降槽體積與地層損失量是相等的。在均質(zhì)的地層中，正常地層損失引起的地面沉降也比較均勻。 第二類第二類：非正常地層損失。這是指由于盾構(gòu)施工過程中操作失誤而引起的地層損失。如盾構(gòu)操作過程中各類參數(shù)設(shè)置錯誤、超挖、壓漿不及時等。非正常地層損失引起的地面沉降有局部變化的特征，然而，一般還可以認為是正常的。 第三類第三類：災(zāi)害性地層損失。盾構(gòu)開挖面有突發(fā)性急劇流動，甚至形成暴發(fā)性的崩塌，引起災(zāi)害性的地面沉降。這常是由于盾構(gòu)施工中遇到地層中水壓大的貯水和透水性強的顆粒狀土的透鏡體等不良地質(zhì)條件。 (2) 固結(jié)沉降 由于盾構(gòu)推進過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用，對地層產(chǎn)生擾動，

6、使隧道周圍地層產(chǎn)生正、負超孔隙水壓力，從而引起地層沉降稱為固結(jié)沉降。固結(jié)沉降可分為主同結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。主固結(jié)沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密；次固結(jié)沉降是由于土層骨架蠕動引起的剪切變形沉降。 主固結(jié)沉降與土層厚度有著密切的關(guān)系。土層越厚，主固結(jié)沉降占總沉降的比例越大。因此，在隧道埋深較大的工程中，施工沉降雖然很小，但主固結(jié)沉降的作用決不可忽視。 在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑性土層中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾個月，有的甚至要幾年以上。它所占總沉降的比例可高達35以上。 從理論上講，盾構(gòu)法施工引起隧道周圍地表沉降是指施工沉降(也稱瞬時沉降) 、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降三者之和。如果不考慮次

7、固結(jié)沉降，總沉降應(yīng)等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動引起的主固結(jié)沉降之和。固結(jié)沉降是由于施工引起地層孔隙水壓消散造成，不同地層固結(jié)沉降值占總沉降比例相差迥異，而次固結(jié)沉降（由于地層土體原有結(jié)構(gòu)破壞引起的蠕變沉降）除流塑性軟粘土地層外通常都較小，一般都不考慮。 3.2 3.2 地表沉降的表現(xiàn)形式和機理地表沉降的表現(xiàn)形式和機理3.2.1 縱向地表沉降縱向地表沉降 盾構(gòu)推進引起的地面沉降按地表沉降變化規(guī)律可分為初期沉降、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。見表3-1。 （1）初期沉降 它是指當(dāng)盾構(gòu)開挖面到達某一測量位置之前，在盾構(gòu)推進前方的土體滑裂面以外產(chǎn)生的

8、沉降。因初期沉降的量較小，而且，不是所有的盾構(gòu)施工工程都會發(fā)生的，所以一般不被人們覺察。據(jù)部分實測資料分析斷定，初期沉降是由于固結(jié)沉降所引起的，其中包括盾構(gòu)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(gòu)類型構(gòu)成不同的隧道開挖方式，由于各種推進參數(shù)(如盾構(gòu)推進速度、最大推力等)的差異，使開挖面的土體應(yīng)力狀態(tài)也截然不同，這便形成了覆蓋層的土壓增加或應(yīng)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。超載系數(shù)OFS與開挖面土體損失的關(guān)系見圖3-3。圖圖3-3 超載系數(shù)與土體流失的關(guān)系圖超載系數(shù)與土體流

9、失的關(guān)系圖 當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(yīng)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(gòu)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(gòu)通過時產(chǎn)生的地面沉降。在整個盾構(gòu)推進過程中，盾構(gòu)受到三個力的作用。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：式中: Ps盾構(gòu)總推力 P0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：式中： 土的密度 隧道的平均埋深(指地面至隧道

10、中心的距離) 土的有效內(nèi)摩擦角s0P =PIRtanIRHH 圖3-4 即時沉降和長期延續(xù)沉降的比較直方圖即時沉降和長期延續(xù)沉降的比較直方圖 （5）長期延續(xù)沉陷 它是指盾構(gòu)通過后在相當(dāng)長一段時間內(nèi)仍延續(xù)著的沉降。粘土地基長期延續(xù)沉降明顯大于砂質(zhì)地基。因此，這類沉降歸結(jié)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(zhì)和隧道周圍土體受擾動。它的滯后時間與盾構(gòu)的種類、地質(zhì)條件、施工質(zhì)量等因素有關(guān)。3.2.2 橫向地表沉降橫向地表沉降 在包括有“隧道掘進引起地表沉陷”議題的國際土力學(xué)地基基礎(chǔ)墨西哥會議上，Peck的“state of the art report”的報告是十分有名的。其中

11、提出的沉降槽形狀近似于概率論中的正態(tài)分布曲線。3.3 地層沉降的分布范圍分析 地面沉降的分布模塊是三維的(圖3-5)。隨著盾構(gòu)推進，所設(shè)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 粘土地基變形模型示意圖3.4 盾構(gòu)施工工藝對地表隆沉的影響（1）盾構(gòu)掘進參數(shù)的選擇的影響 它同施工人員的工作態(tài)度、技術(shù)水平等主觀因素有著聯(lián)系。其具體表現(xiàn)為： 1)盾構(gòu)嚴重超挖(欠挖)引起的地面沉降(隆起)。 2)在用一些自動化程度較高的盾構(gòu)機具進行推進時，推進參數(shù)匹配不合理，如推進速度、正面土壓力、注漿壓力和盾構(gòu)總推力等參數(shù)的設(shè)定不合理。 3)注漿量不足或注漿不及時，是引起地面沉降較主要的原因之

12、一，直接影響“建筑空隙”的充填。 4)在推進過程中，盾構(gòu)“姿態(tài)”的糾偏對沉降的影響是不容忽視的。盾構(gòu)糾偏就意味著盾構(gòu)軸線與隧道軸線產(chǎn)生一個偏角。當(dāng)盾構(gòu)以“仰頭”或“磕頭”方式推進時必然在其軌跡上留下一個如圖3-4所示的面積，引起地面擾動。 5)盾構(gòu)后退。較長時間的盾構(gòu)停止推進，千斤頂會因漏油而縮回，從而引起盾構(gòu)后退，這樣勢必造成開挖面土體穩(wěn)定失衡，土的內(nèi)聚力減小。圖圖3-6 3-6 因盾構(gòu)糾偏所造成的地層擾動示意圖因盾構(gòu)糾偏所造成的地層擾動示意圖 （2）盾構(gòu)選型及注漿的影響 它與規(guī)劃、設(shè)計和當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況等因素有直接關(guān)系。這類原因引起的沉降通常發(fā)生在整個盾構(gòu)施工過程中，并延續(xù)到施工結(jié)束后的較長

13、一段時間。它可具體分為以下幾點： 1)設(shè)計階段的盾構(gòu)選擇，特別是盾構(gòu)外徑、盾尾空隙等尺寸的選定。這一切將直接影響“建筑空隙”的大小。 2)由于注漿材料本身的體積收縮，使填充孔隙的材料在一段時間后出現(xiàn)萎縮。 3)盾殼移動對地層的摩擦和剪切，造成對臨近土體的擾動。 4)在土壓力的作用下，隧道襯砌的變形會引起少量的地層損失。四、n盾構(gòu)施工對建筑物影響機理分析n鄰近建筑物的盾構(gòu)施工控制措施n典型實例4.1 盾構(gòu)施工對建筑物影響機理分析 盾構(gòu)施工將引起一定范圍內(nèi)的土體位移和變形。對于位于影響范圍內(nèi)的地表建筑物，由于地基土體的變形會導(dǎo)致其外力條件和支承狀態(tài)發(fā)生變化，而外力條件的變化又將使已有建筑物發(fā)生沉降

14、、傾斜、斷面變形等現(xiàn)象。因此，外力條件的變化將隨已有建筑物與盾構(gòu)隧道的位置關(guān)系、地基土的性質(zhì)、已有建筑物的結(jié)構(gòu)條件和剛度等的不同而不同。外力條件的變化主要由以下原因?qū)е? (1)土體應(yīng)力釋放引起的彈塑性變形，導(dǎo)致建筑物地基反力的大小和分布發(fā)生變化； (2)因覆土壓力的增大而導(dǎo)致的土體沉降，使建筑物地基的垂直土壓力增大；(3)因土體負載而導(dǎo)致的彈塑性變形，使建筑物地基的土體 壓力增大；(4)因土體力學(xué)性狀變化而導(dǎo)致的彈塑性沉降和蠕變沉降，引起建筑物地基的反力分布發(fā)生變化。而產(chǎn)生這些原因主要是由于盾構(gòu)推力過大、盾構(gòu)與周圍土體間的摩擦、壁后注漿壓力、盾尾建筑空隙和開挖面超挖等因素引起的。圖4-1 隧

15、道鄰近建筑物施工示意圖 對于基礎(chǔ)埋深較淺的建筑物，其基礎(chǔ)四周地層移動的影響可以忽略，僅考慮基礎(chǔ)底部土層變形的影響，可以認為底部變形和地表變形一致。地表沉降會使建筑物產(chǎn)生整體下沉，若沉降過大，會造成一定損害，尤其對于砌體結(jié)構(gòu)，這種垂直沉降使砌體中存在著垂直方向下沉力，形成水平裂縫。同時不均勻沉降將導(dǎo)致地表傾斜，使建筑物產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞裂縫。地表傾斜還會使高聳建筑物發(fā)生重心偏 斜，引起附加應(yīng)力重分布，使結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，嚴重時使建筑物喪失穩(wěn)定性而破壞。 深基礎(chǔ)的建筑物不僅受到基礎(chǔ)底部土層變形的影響，還受到基礎(chǔ)四周地層變形的影響。由于樁基礎(chǔ)埋深較深，當(dāng)沉降過大時，基礎(chǔ)剛度發(fā)揮作用，使得建筑物破壞相對較

16、小。同時，土的側(cè)向變形易引起樁的側(cè)向變形和內(nèi)力變化，從而引起上部建筑物的變形和內(nèi)力變化。4.2 鄰近建筑物的盾構(gòu)施工控制措施 盾構(gòu)隧道開挖勢必引起土體的沉降及變形，當(dāng)?shù)乇沓两导白冃芜_到一定程度時將對周圍存在的各類建筑物造成影響，從而造成其正常使用功能的喪失。 上海地鐵4號線流沙突水事故引起地面大幅沉降，造成3棟建筑物嚴重傾斜，黃浦江防汛墻局部坍塌并引起管涌，如下圖（圖4-2）所示。 圖4-2 上海地鐵4號線引起的建筑物傾斜4.2.1 主動控制措施 主動控制措施是指從盾構(gòu)施工工藝上進行控制，優(yōu)化盾構(gòu)施工工藝進行地面沉降控制主要建議通過以下幾個方面： （1）首先在試驗段根據(jù)現(xiàn)場土質(zhì)、盾構(gòu)覆土厚度、

17、地下含 水情況及以往經(jīng)驗初步制定一系列盾構(gòu)操作工藝參數(shù)。然 后根據(jù)試驗段監(jiān)測資料及施工經(jīng)驗對盾構(gòu)掘進的技術(shù)工藝 參數(shù)進行修正至最優(yōu)化。 （2）保持開挖面穩(wěn)定 根據(jù)不同地質(zhì)狀況選擇的合理施工參數(shù)，通過控制推進速度和出土量來控制土倉壓力，保證土倉壓力與開挖面壓力平衡，始終保持開挖面穩(wěn)定。（3）及時進行盾尾壁后同步注漿和二次注漿 注漿是盾構(gòu)法施工控制地面沉降的關(guān)鍵工序。盾構(gòu)掘進過程中進行壁后同步注漿，盾構(gòu)穿越后及時進行二次注漿，根據(jù)不同地質(zhì)條件選擇單液或雙液注漿及合理的注漿壓力、注漿量及注入時間，嚴格檢查漿液配比及質(zhì)量，保證注漿效果。（4）保持良好的盾構(gòu)姿態(tài)，糾偏幅度不宜過大 在鄰近建筑物影響范圍內(nèi)

18、曲線掘進時，根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)合理使用仿形刀和千斤頂編組頂進，糾偏幅度不宜過大，盡量保持機體平穩(wěn)推進，避免由于機體擾動周圍土體和超挖引起地層損失，對地面沉降控制造成不利影響。（5）保證管片拼裝質(zhì)量，防止隧道滲漏 隧道滲漏對地面沉降影響較大，施工中要保證管片拼裝質(zhì)量。在曲線施工中，利用尾間隙自動測量系統(tǒng)，準(zhǔn)確掌握管片在盾構(gòu)機內(nèi)位置，根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)正確排列管片，確保成型隧道質(zhì)量。（6）針對不同土質(zhì)調(diào)整增加泡沫和泥漿的比例，并監(jiān)測出 土量 土質(zhì)變化導(dǎo)致出土不暢時，會引起土倉壓力波動。針對土質(zhì)的變化，要及時調(diào)整加泡沫和泥漿的比例，使切削下來的土體在土倉內(nèi)充分混合后具有良好的塑流性，順利地從螺旋輸送機排出；隨時

19、監(jiān)測出土量，避免由于出土量過大引起地層損失。（7）保持施工持續(xù)性，避免停機 在鄰近建筑物保護區(qū)域內(nèi)施工，應(yīng)盡量避免停機或不出現(xiàn)停機現(xiàn)象。（8）保持良好的盾尾密封效果 盾構(gòu)掘進過程中，保證連續(xù)壓注盾尾密封油脂，防止盾尾漏水漏漿，避免地下水和注漿漿液流失導(dǎo)致地面沉降。（9）實行監(jiān)測信息化施工 盾構(gòu)施工期間對施工影響范圍內(nèi)的沉降觀測點及城墻進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時反饋項目部管理人員，據(jù)此隨時根據(jù)情況調(diào)整掘進參數(shù)和注漿參數(shù)，必要時再及時二次注漿，控制地面沉降，確保鄰近建筑物的安全。4.2.2 被動控制措施 被動控制措施主要指通過隔斷、托換、土體加固等方法來保護周圍建筑物。對于對地面變形比較敏感且影響

20、后果比較嚴重的建筑物，僅通過盾構(gòu)各施工參數(shù)的優(yōu)化可能不能滿足安全控制要求，故還需要采取有效的工程保護措施。常見的工法主要有： （1）隔斷法 隔斷法指在建筑物附近進行地下工程施工時，通過在盾構(gòu)隧道和建筑物間設(shè)置隔斷墻等措施，阻止盾構(gòu)機掘進造成的土體變形，以減少對建筑物的影響。該法需要建筑物基礎(chǔ)和隧道之間有一定的施工空間。隔斷墻墻體可由密排鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁和樹根樁等構(gòu)成，主要用于承受由隧道施工引起的側(cè)向土壓力和由土體差異沉降產(chǎn)生的負摩阻力，使之減少建筑物靠盾構(gòu)隧道側(cè)的土體變形。為防止隔斷墻側(cè)向位移，還可以在墻頂部構(gòu)筑聯(lián)系梁并以地錨支撐。 圖4-3 樁基托換示意圖（2）樁基托換 樁基托換是以特

21、定的樁取代原樁作為建筑物的傳力桿件，與原有地基形成多元化樁基并共同分擔(dān)上部荷載，緩解和改善原有地基的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，直至取得控制沉降與差異沉降的預(yù)期效果。在隧道開挖過程中，往往會遇到建筑物樁基侵入隧道凈空的情況，此時對樁基進行托換處理，將建筑物原來的基礎(chǔ)托承到不受施工影響的新樁基上，從而減少隧道開挖中地層變形對建筑物的影響，解決了隧道穿越既有建筑物的安全問題。托換處理主要有門式樁梁、片筏基礎(chǔ)、頂升及樹根樁等方法。 (3) 土體加固 土體加固包括隧道周圍土體的加固和建筑物地基的加固。前者通過增大盾構(gòu)隧道周圍土體的強度和剛度，以減少或防止周圍土體產(chǎn)生擾動和松弛。從而減少對近鄰建筑物的影響，保證建筑物

22、的正常使用和安全。后者通過加固建筑物地基。提高其承載強度和剛度而擬制建筑物的沉降變形。這兩種加固措施一般采用化學(xué)注漿、噴射攪拌等地基加固的方法來進行施工。 (4) 建筑物加固 該法實際上是對建筑物本身進行加固，使其結(jié)構(gòu)剛度加強，以適應(yīng)地基土變形而引起建筑物變形的一種工程保護方法。對建筑物本體進行加固的措施有多種，如可以通過加筋、加固墻、設(shè)置支撐等來直接對建筑物上部結(jié)構(gòu)進行加固，或通過加固樁、錨桿等對建筑物基礎(chǔ)進行加固。實際工程中需要根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)特點選用相適應(yīng)的方法。 隔斷墻、樁基托換和注漿等作為隧道開挖造成建筑物損害的治理措施，均有其特定的最佳使用條件，有些情況下也可以相互配合使用以減少建筑物保護代價。4.3 典型實例 西安市是我國歷史悠久的文明古都，是國家級歷史文化名城，在