盾构施工引起的地表沉降和隆起—参考资料.pptx

1、盾构施工引起的地表沉降地表沉降的原因采用盾构法在采用盾构法在软软土地土地层层 中中进进行隧道施工，会引起地行隧道施工，会引起地层层 移移动动而而导导致不同程度的地表致不同程度的地表沉沉 降。降。即使采用当前先即使采用当前先进进的盾的盾构构 技技术术，也也难难完全防止完全防止这这种沉降种沉降。地地面面沉沉降降达达到到一一定定程程度度 时时，势势必必会会影影响响周周围围的的地地面面建建 筑筑、地地下下设设施施和和隧隧道道本本身身的的正正 常使用常使用。因因此此，在在需需要要控控制制地地层层移移动动的的地地区区，进进行行盾盾构构隧隧道道施施工工 时时，必必须须了了解解地地层层移移动动的的规规律律，尽

2、尽可可能能准准确确地地预预测测沉沉降降量量与与沉沉 降降范范围围，判判断断沉沉降降对对附附近近建建筑筑设设施施的的影影响响程程度度，并并分分析析影影响响沉沉 降的各种因素，以求采取正确的工程降的各种因素，以求采取正确的工程对对策策。地表沉降的原因例如：例如：南京地南京地铁铁1 1号号线线某某标标在富水粉在富水粉细细砂地砂地层层盾构始盾构始发发 时时出出现现两次流沙两次流沙现现象象,地面下陷地面下陷1.5m1.5m。管管线线 破破坏坏房屋房屋倒倒 塌塌地表沉降的原因盾构施工引起的地盾构施工引起的地层损层损失和隧道周失和隧道周围围受受扰动扰动土体的固土体的固结结 沉降是引起地表沉降的主要原因沉降是

3、引起地表沉降的主要原因。1.1.地地层损层损失失(1)(1)定定义义：地地层损层损失是失是盾构施工中盾构施工中实际实际开挖土体体开挖土体体积积和竣工隧道和竣工隧道体体积积(包括在隧道外包括在隧道外围压围压注的注的浆浆体体)之差之差。地地层损层损失率以占盾构理失率以占盾构理论论排土体排土体积积的百分的百分比比V Vl l(%)(%)来表示来表示。则单则单位位长长度地度地层损层损失失为为V V(%)r 2 0l0隧道周隧道周围围的土体的土体在弥在弥补补地地层损层损失的失的过过程中，程中，发发生地生地层层移移动动，引起地面沉降引起地面沉降。地表沉降的原因1.1.地地层损层损失失(2)(2)地地层损层

4、损失失类类型型可分可分为为三三类类：第一第一类类：属于正常的地：属于正常的地层损层损失失，在施工中，在施工中总总会不可避免会不可避免地地引引起起一一定定的的地地层层损损失失。一一般般来来说说这这种种地地层层损损失失可可控控制制在在一一定定限限 度度之之内内，在在此此限限度度内内，施施工工沉沉降降槽槽体体积积与与地地层层损损失失相相等等。在在均均 匀地匀地质质中中这这种地种地层损层损失引起的地面沉降比失引起的地面沉降比较较均匀均匀。第二第二类类：属于不正常的地：属于不正常的地层损层损失，失，是一种由人是一种由人为为因素而因素而引引起起的的本本来来可可以以避避免免的的地地层层损损失失。如如因因开开

5、挖挖面面超超挖挖等等等等。这这种种地地 层损层损失将失将导导致地面沉陷槽出致地面沉陷槽出现现局部不均匀的局部不均匀的现现象象。第三第三类类：属于灾害性的地：属于灾害性的地层损层损失，失，盾构开挖面盾构开挖面发发生土体生土体急急剧剧流流动动或暴或暴发发性的崩坍，引起灾害性的地面沉降性的崩坍，引起灾害性的地面沉降。地表沉降的原因1.1.地地层损层损失失(3)(3)引起地引起地层损层损失的主要因失的主要因素素开挖面土体移开挖面土体移动动当盾构掘当盾构掘进时进时，如果开挖面土体受到的水平支，如果开挖面土体受到的水平支护应护应力小力小于于原始原始侧侧向向应应力，力，则则开挖面土体会向盾构内移开挖面土体会

6、向盾构内移动动，引起地，引起地层损层损失失。当盾构推当盾构推进时进时，如如作用在正面土体上的推作用在正面土体上的推应应 力大于原始力大于原始侧侧向向应应力，力，则则 正面土体向上向前移正面土体向上向前移动动，而而导导致致盾构前方土体隆起盾构前方土体隆起，这这称称为负为负地地层损层损失失。1.1.地地层损层损失失(3)(3)引起地引起地层损层损失的主要因失的主要因素素盾构后盾构后退退在盾构在盾构暂暂停推停推进进中，由于盾构推中，由于盾构推进进千斤千斤顶顶漏油回漏油回缩缩而可而可能能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动动，造成地，造成地层损层损失失。土体土体挤挤入

7、盾尾空入盾尾空隙隙当盾尾离开当盾尾离开衬衬砌砌时时，在，在衬衬砌上方形成所砌上方形成所谓谓的的“建筑空隙建筑空隙”，由于向建筑空隙中由于向建筑空隙中压浆压浆不及不及时时，压浆压浆量不足，量不足，压浆压压浆压力不适当力不适当，使得盾尾后的隧道周使得盾尾后的隧道周边边土体失去原始三土体失去原始三维维平衡状平衡状态态，而向，而向这这一一 建筑空隙中移建筑空隙中移动动，引起地，引起地层损层损失。在含水不失。在含水不稳稳定地定地层层中，中，这这往往 往是引起地往是引起地层损层损失的主要因素失的主要因素。地表沉降的原因1.1.地地层损层损失失(3)(3)引起地引起地层损层损失的主要因失的主要因素素推推进进

8、方向方向发发生生变变化化盾构在曲盾构在曲线线上推上推进进或或纠纠偏、抬偏、抬头头推推进进和叩和叩头头推推进过进过程中程中，实实际际开开挖挖断断面面不不是是圆圆形形而而是是椭椭圆圆，由由此此而而引引起起地地层层损损失失。盾盾构构 轴轴线线与与隧隧道道轴轴线线的的偏偏角角越越大大，则则对对土土体体扰扰动动和和超超挖挖程程度度及及其其引引 起的地起的地层损层损失也越大失也越大。地地层损层损失引起失引起的的沉沉降降称称为为施施工工沉沉降降，一一 般般在在1 12 2个个月月的的时时间间内内 完成完成。地表沉降的原因2.2.受受扰动扰动土体的固土体的固结结沉沉降降固固结结沉降分沉降分为为：主固主固结结沉

9、降和次固沉降和次固结结沉降两种沉降两种。(1)(1)主固主固结结沉沉降降盾构推盾构推进进中的中的挤压挤压作用和盾尾的注作用和盾尾的注浆浆作用会使隧道周作用会使隧道周围围的地的地层层中形成超孔隙水中形成超孔隙水压压力，力，这这种种压压力在盾构施工后的一段力在盾构施工后的一段时时 间间内就会消失，在此内就会消失，在此过过程中地程中地层发层发生生排水固排水固结变结变形，形，引起地引起地表表 沉降，沉降，这这种种因孔隙水因孔隙水压压力力变变化而化而产产生的沉降，生的沉降，称称为为主固主固结结沉降沉降。(2)(2)次固次固结结沉沉降降土体受到土体受到扰动扰动后，土体骨架后，土体骨架还还会会继续发继续发生

10、生压缩变压缩变形，形，这这是是一种一种蠕蠕变变，在在这这种种变变形形过过程中程中产产生的地面沉降称生的地面沉降称为为次固次固结结沉降沉降。它的持它的持续时间续时间比比较长较长，长长的可持的可持续续几年以上几年以上。地表沉降的原因盾构施工引起位移的原因与机理盾构施工引起位移的原因与机理沉降沉降类类型型主要原因主要原因应应力力扰动扰动变变形机理形机理初始沉降初始沉降土体受土体受挤压挤压而而压压密密孔隙水孔隙水压压力减小力减小，有效有效应应力增加力增加孔隙比减小孔隙比减小，固固结结 盾构工作盾构工作 面前方面前方变变形形工作面工作面处处施工施工压压力：力：过过 大大隆起，隆起，过过小小沉沉降降孔隙水

11、孔隙水压压力增加力增加，总应总应力增加力增加土体土体压缩产压缩产生生 弹弹塑性塑性变变形形 盾构通盾构通过过 时时沉降沉降施工施工扰动扰动，盾构与土，盾构与土体体 间间剪切剪切错动错动，出，出碴碴应应力力释释放放弹弹塑性塑性变变形形 盾尾空隙盾尾空隙 沉降沉降土体失去盾构支撑，土体失去盾构支撑，管管 片背后注片背后注浆浆不及不及时时应应力力释释放放弹弹塑性塑性变变形形*固固结结沉降沉降土体后土体后续时续时效效变变形形应应力松弛力松弛蠕蠕变压缩变压缩地表沉降的原因盾构施工引起的地表沉降地表沉降的预测1.1.研究理研究理论发论发展展随着地下随着地下铁铁道在我国大中城市中的迅速道在我国大中城市中的迅

12、速发发展，盾构法展，盾构法施施 工越来普及，工越来普及，对对盾构法施工引起地面沉陷的研究也日益深入盾构法施工引起地面沉陷的研究也日益深入。最初的研究是沿用最初的研究是沿用矿矿山开采中引起地面位移的分析方法山开采中引起地面位移的分析方法，其中其中随机介随机介质质理理论论占有很重要的地位占有很重要的地位。美国学者美国学者派克派克(Peck,1969)(Peck,1969)将将这这一研究理一研究理论论运用于盾构运用于盾构施施工，工，提出了地提出了地层损层损失的概念和估失的概念和估计计地面沉降的地面沉降的实实用方法用方法。此后不少学者做了大量的工作，使之不断地完善，此后不少学者做了大量的工作，使之不断

13、地完善，成成为为一一种最常用的估算盾构法正常施工引起地面沉降的方法种最常用的估算盾构法正常施工引起地面沉降的方法。2.2.地表横向沉降地表横向沉降槽槽沿盾构前沿盾构前进进路路线线的地表形成沉降槽，可以从沉降槽的的地表形成沉降槽，可以从沉降槽的横横 向和向和纵纵向两个方面来研究它的影响范向两个方面来研究它的影响范围围。PeckPeck认为认为，施工引起的地面沉降是在不排水情况下施工引起的地面沉降是在不排水情况下发发生生 的，所以沉降槽的体的，所以沉降槽的体积应该积应该等于地等于地层损层损失的体失的体积积。根据根据这这个假定，派克提出了盾构施工引起施工个假定，派克提出了盾构施工引起施工阶阶段地段地

14、面面 沉降的估算方法沉降的估算方法。该该法法假假定定地地面面沉沉降降的的横横向向 分分布布呈呈正正态态分分布布曲曲线线，这这已已为为量量 测测数据所数据所证实证实，见图见图7-497-49所示所示。地表沉降的预测地表沉降的预测2.2.地表横向沉降地表横向沉降槽槽r0SmaxW=2.5i i x反弯点图7-31 地表横向沉降曲线)22ix 2V(X)S0exp(2i2.5imaxV0V0S2i2.2.地表横向沉降地表横向沉降槽槽横向分布的地表沉降量估算公式横向分布的地表沉降量估算公式(派克法派克法)：(7-34)(7-34)(7-35)(7-35)式式(7-34)(7-34)表示的沉降曲表示的沉

15、降曲线线，其反弯点其反弯点在在x=ix=i处处，该该点出点出现现最大沉降坡最大沉降坡度度S S m a x m a x。在在x=x=3i及及x=x=0 0 处处，出，出现现最小曲最小曲率率m i n m i n半径，半径，这这两两处处沉沉降降 量分量分别为别为0.220.22S Sm a xm a x及及S Sm a x m a x 。地表沉降的预测r0反弯点W=2.5iSmax i x图7-31 地表横向沉降曲线3.3.地表地表纵纵向沉降向沉降槽槽通常盾构前方的通常盾构前方的土体受到土体受到挤压时挤压时可能会可能会发发生向上的移生向上的移动动，从而使地表有一定程度的隆起从而使地表有一定程度的

16、隆起，而当盾构，而当盾构继续继续向前推向前推进进后，后，导导 致土体隆起的致土体隆起的挤压挤压力消失，再加上前述有关因素使得地表下沉力消失，再加上前述有关因素使得地表下沉，因而沿隧道因而沿隧道纵纵向向轴线轴线的地表沉降曲的地表沉降曲线线如如图图7-507-50所示所示。地表沉降的预测固结沉降隆起工作面施工沉降盾 构最终沉降量图 7-3 2地 表 纵 向 沉 降 曲 线图图7-57-50 03.3.地表地表纵纵向沉降向沉降槽槽派克也派克也给给出了地表出了地表纵纵向沉陷曲向沉陷曲线线的估算公式的估算公式，但它只，但它只对对 盾构工作面前后一定范盾构工作面前后一定范围围有意有意义义。因一般都因一般都

17、认为认为地表三地表三维维沉陷槽呈均匀分布沉陷槽呈均匀分布，因而当距，因而当距工工 作面一定距离后，作面一定距离后，纵纵向沉陷槽向沉陷槽的的深度就恒定深度就恒定为为横向沉降槽的最横向沉降槽的最大大 深度深度。纵纵向向沉沉降降曲曲线线估估算算公公式式比比 较较复复杂杂，为为方方便便使使用用，派派克克还还制制 定了相定了相应应的数据表格供使用的数据表格供使用。7.7.2 地表沉降的预测3.3.地表地表纵纵向沉降向沉降槽槽此外，此外，还还可以采用可以采用弹弹性介性介质质有限元方法分析地表沉陷有限元方法分析地表沉陷。7.7.2 地表沉降的预测7.7盾构施工引起的地表沉降3.减少地表沉降的措施为为减少地表

18、沉降，可采取的措施有减少地表沉降，可采取的措施有：1.1.盾构尽可能地盾构尽可能地连续连续推推进进，不要中途停，不要中途停顿顿。2.2.谨谨慎地控制开挖土体量，不要慎地控制开挖土体量，不要为为了了抢进抢进度而度而过过多地开挖多地开挖。3.3.要有及要有及时时而有效的而有效的对对正面土体的支撑正面土体的支撑。4.4.在盾尾在盾尾对衬对衬砌砌环环形形缝缝隙隙进进行全面行全面压浆压浆。在地下水。在地下水强强烈烈向向 缝缝隙涌水的条件下，用水泥和水玻璃双液隙涌水的条件下，用水泥和水玻璃双液浆浆；5.5.对对地下水的地下水的处处理是控制沉降的关理是控制沉降的关键键之一。如何决断取之一。如何决断取决决 于

19、盾构的于盾构的类类型型；6.6.在盾构推在盾构推进过进过程中要密切程中要密切监视监视土体的土体的变变形情况，以便形情况，以便及及 时时采取工程措施采取工程措施。盾构施工事故分析南京地铁二号线元通站南京地铁二号线元通站与隧道接合处，当盾构掘进到到达井处（洞门端 头墙已凿除），突然出现涌砂，半小时内就引起了地面较大沉降，由于隧道 里与地面通信不连通，抢险工作滞后，涌沙持续加大，出现管片严重错台，最大处达15cm，随后造成盾构机和管片脱开，涌沙涌泥十分严重，最后整台 盾构机被埋在隧道里，地面出现大面积塌方，塌方坑的长度约100多米，宽 约4050米。最深处有5米左右。到达端 地质全 断面粉 细砂层地

20、层富有 承压水，水压力大南京地铁二号线元通站事故原因事故直接导致地面发生大幅沉陷，沉陷漏斗中心位于盾构尾部。最大约沉陷约 5m，影响的区域长度超过100m。险情发生后，元通路车站南端头井内采用混凝土浇灌至中板高度，中和村路站 西端头始发井洞门施工混凝土塞头封闭，隧道内注水约11459m3，以保持隧道洞内 外水土压力平衡。对塌陷路面回填土体3013m3，盾构机以及车架均在塌陷的区间隧 道内。事故后经初步勘探损坏的区间隧道长约120m，120m150m范围隧道沉降值接 近20cm。南京地铁二号线元通站事故临时处置南京地铁二号线元通站事故旋喷桩+搅拌桩处置采用旋喷桩+搅拌桩明挖基坑的方式进行处置。明挖基坑范围的确定。采用钻探方式，纵向间距2m，每510m布置1个横 断面，对隧道顶高程与拼装时的实际高程之差10cm，来确定受损管片范 围。南京地铁二号线元通站事故旋喷桩+搅拌桩处置后开挖图南京地铁二号线元通站事故旋喷桩+搅拌桩处置后开挖图南京地铁二号线元通站事故旋喷桩+搅拌桩处置后开挖图