1、 地地 下下 结结 构构 工工 程程第10章10 地下工程施工环境地下工程施工环境影响与保护影响与保护n10.1 基坑开挖工程的环境土工问题基坑开挖工程的环境土工问题n10.1.1 软土深、大基坑工程及其环境土工问题n1）地表沉降与土层位移）地表沉降与土层位移n多采用多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注地下连续墙或水泥土搅拌加灌注式排桩为坑壁围护结构式排桩为坑壁围护结构，引起的地表沉，引起的地表沉降与土层位移，由以下降与土层位移，由以下6个部分组成：个部分组成：n（1）墙体弹性变位；n（2）基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；n（3）墙外土层固结沉降；n（4）井点或深井降水带走土砂
2、；n（5）墙段接头处土砂漏失；n（6）槽壁开挖，地层向槽内变形。n（1）（3）主要造成了墙后土层位移和地表沉降；n（4）（6）则应从施工技术、经验与管理上加以控制，使之减低到最小的允许限度。2）基坑变形控制的环保等级标准基坑变形控制环保等级标准 表10-1保 护等 级地面最大沉降量及围护结构水平位移控制要求环境保护要求特级1.地面最大沉降量0.1%H2.围护墙最大水平位移0.14%H3.Ks2.2基坑周围10m范围内设有地铁、共同沟、煤气管、大型压力总水管等重要建筑及设施、必须确保安全一级1.地面最大沉降量0.2%H2.围护墙最大水平位移0.3%H3.Ks2.0离基坑周围H范围内设有重要的干线
3、水管、对沉降敏感的大型构筑物、建筑物二级1.地面最大沉降量0.5%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks1.5离基坑周围H范围内设有较重要支线管道和建筑物、地下设施三级1.地面最大沉降量1%H2.围护墙最大水平位移0.7%H3.Ks1.2离基填坑周围30m范围内设有需保护的建筑设施和构筑物，地下管线3）基坑施工的时空效应问题n（1）基坑施工稳定和变形n基坑施工稳定和变形，与以下各方面密切相关：n基底土方每步开挖的空间尺寸（平面大小和每步挖深）。n开挖顺序。n无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间tr。n围护结构水平位移。KH是因土体流变而折减的被动土压力系数；n基底抗隆起的稳定性。Ks（2）
4、基坑施工的时空效应n开挖一支撑原则：分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时；n对分段、分部捣筑的现浇钢筋混凝土框架支撑，注意局部平衡；n 理论导向，量测定量，经验判断；n摈弃以大量人工加固基坑来控制其变形的传统作法。（3）围护结构内、外主动与被动土压力的取值nKH值的确定nKH是可按基坑开挖实测得的变形值，经反演分析；基坑保护等级土性侧压力系数K基坑保护等级土性侧压力系数K特级软粘土硬粘土0.750.550.55.0.40二级软粘土硬粘土0.600.450.400.30一级软粘土硬粘土0.700.500.450.35三级软粘土硬粘土0.600.400.400.20主动侧压力系数取值表 施工
5、参数的选择4）地铁车站深大基坑的施工技术要求n（1）先撑后挖，留土堤；n(2)对支撑施加设计轴力(30%70%)的预应力；n(3)每步开挖及支撑的时限tr24h；n(4)坑内井点降水以固结土体、改善土性，减少土的流变发展。基坑分段、分层、分步开挖一支撑施工示意5）变形监控n变形监控工作的内容主要包括：n (1)施工工况实施情况跟踪观察；n（2）日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报；n（3）定量反馈分析，信息化设计施工；n(4)及时修改、调整施工工艺参数；n(5)及时提出、检验、改进设计施工技术措施。软土基坑工程控制变形的设计程序框图10.1.2 深基坑周围地表深基坑周围地表沉降分析沉降分析
6、n1)支护结构变位引起地表沉隆估算方法n地表沉降曲线为正态分布：n地表沉降范围为：n墙体水平位移ymax为墙后地表沉降max的1.4倍 n沉降曲线包络面积Fs与支护结构变位曲线包括面积Fw之比为：2)/(exprmexghx5.10maxmax4.1y85.0/wsFF基坑开挖引起支护结构侧移和地表沉降 cbzazy2 2exp(/)maxxx r地表沉降曲线包括面积Fs 002maxmax()exp():212mmmmxxxxsxxommsFx dxx rdxxxxFrrr 可推得 xduux)2(exp2120.199379.0)5.2(22,rxxxxrmomo则rxrFms2max支护
7、结构变位曲线包络面积Fw计算n最小二乘原理可理可得下列方程组：nininiiiyicnzbza1112ninininiiiiiiyzzczbza111123ninininiiiiiiyzzczbza11112234n若知道支护结构顶点坐标（0，c）和极值点（zm,ym），可由式（10-7）算得：2mmzycammzycb)(2howchbhahdzzfF232131)(max(2)0.85mwxrFr2）减少沉降的措施n使。具体措施为：n（1）采取刚度较大的地下连续结构；n（2）分层分段开挖，并设置支撑；n（3）基底土加固；n（4）坑外注浆加固；n（5）增加维护结构入土深度和墙外围幕；n（6）
8、尽量缩短基坑施工时间；n（7）降水时，应合理选用井点类型，优选滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置隔水帷幕；n（8）在保护区内设回灌系统；n（9）尽量减少降水次数。10.1.3 深基坑开挖引起临近地深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析下管线的位移分析地下管线位移计算可按竖向和水平两个方向的位移分别计算。地表沉陷范围n设沉陷区长度取基坑边长的2倍，宽度取为：)245tan(Hn纵向沉陷曲面:n纵向沉陷曲面取为抛物面，顶点位于00线（中轴线）上，AA、BB上总的沉陷值为零。（2）地下管线竖向位移计算n图10-6地下管线位移曲线n(a)铰支座情况;(b)固定支座情况沉陷曲线n地面超载传至地下管线顶部的
9、竖向荷载为q1：22xlyykqv1)(221xlkqv2,0;,0,0,;0;xl yxl yxyalbc 得I区（沉陷区）的竖向位移方程y(x)：II区（非沉陷区）y(x)：竖向修fEIQxEIMxxyxy)(1)()(1)()(4303202010雷洛夫函数 vxKqxNxMexCexy0)sincos()cos()(竖向位移方程中常系数的确定n应根据边界条件，确定地下管线竖向位移方程中的常系数，边界条件不同，求得的常系数亦不同，从而得到不同的位移方程。（3）地下管线水平位移微分方程的求解n地下管线水平位移方程 水平修FXEIQXEIMxxyxy43032021011XhzxczakEI
10、f04231水平修（4）地下管线合理计算模型分析进行地下管线竖向位移分析时，按固定支座的弹性地基梁分析是能满足实际要求的，是较合理计算模型。本讲要点n地表沉降曲线的分析方法；n地下管线的位移分析方法；地下管线的位移分析方法；10.2 地下水对环境的影响地下水对环境的影响n10.2.1 1）地下水位上升的情况）地下水位上升的情况n（1）浅基础地基承载力降低;n（2）砂土地震液化加剧；n（3）建筑物震陷加剧n（4）土壤沼泽化、盐渍化；n（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；n（6）地下水位的冻胀作用的影响；n（7）对建筑物的影响；n（8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响；n（
11、9）膨胀性岩土产生胀缩变形10.2.2 地下水位下降的情况地下水位下降的情况n地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭，水质恶化等一系列不良地质问题，并将对建筑物产生不良的影响。n1）地表塌陷n2）地面沉降n3）海（咸）水入侵n4）地裂缝的复活与产生n5）地下水源枯竭，水质恶化n6）对建筑物的影响10.2.3 地下水位与地面沉降地下水位与地面沉降n在天然条件和人为因素的影响之下，区域性地面标高的降低，称为地面沉降。n主要影响因素，可以分为天然影响因素及人为影响因素，其中，地下水位波动对地面沉降具有重要的影响。n天然影响因素主要有两类：n 海平面相对
12、上升及土层的天然固结，导致地表沉降；n 地震的冲击作用，引起地面沉降。n人为影响因至少主要有三类：n抽汲地下液体及表层排水导致地面沉降的有关因素；n开采地下深处的固体矿藏，也可能引起地面沉降。n岩溶地区，塌陷是导致地面沉降的主要影响因素。n因过度开采地下水，中国华北地区出现世界罕见的漏斗区，面积已经达到4万平方公里，目前仍在扩大之中。华北平原形成了30多个小漏斗区。河北省、天津市、山东德州市的漏斗区连成一片，面积为中国之最。n在沿海地区，漏斗区域极易引起海水内侵，咸水扩散。秦皇岛市区已经遇到这一问题。n沧州，超采地下水最深已达米，比水平面低七八十米。上海n1999年，中心城区平均沉降量为10.
13、74毫米。n引起上海地面沉降的原因主要是开采地下水、市政工程及高层建（构）筑物的建设。上海中心城区的地面沉降在1921年1965年为快速沉降时期，年均沉降37.6毫米，之后的十几年呈现缓慢沉降态势。西安市n一九九五年以前，迫于西安市生活用水的紧张，许多开采承压水的自备井纷纷涌现.n城市规划区出现七个较大的下降漏斗，沉降幅度最高超过五百毫米。著名的大雁塔因此而倾斜，建于明代的西安钟楼则下沉了三百九十五毫米。n封井限采后，地面沉降已大大缓解。阜新新邱区 n沉陷区地表沉降深度平均为.米，水平移动距离为.米。n沉陷区的道路很有特点，坑坑相扣，坡坡相连，道路两侧的房屋、院墙和地面，随处都能看到裂缝，最粗
14、的裂缝手指都能伸进去。地下有“喀吧喀吧”的响声，似闷雷。地面沉降研究现状 n（1）地面沉降机理分析n经过若干学者的研究表明:n抽水引起地层压密而产生地面沉降,是有效应力增加的结果。wuPwwwPuuu（2）地面沉降理论与模型的发展n土层产生压缩，一般认为，固结是主固结和次固结两部分组成。n 经典弹性地面沉降理论n 准弹性地面沉降理论n取消了关于含水层组的渗透系数K、比贮水系数Ss、压缩系数Mv视为常数的假设，仍采用Terzaghi的一维竖向固结理论的假设。n 地面沉降的流变学理论n次固结作用对地面沉降的影响、粘弹性地面沉降理论，弹塑性地面沉降理论。hMbbsybbvsw0或本讲要点n理解地下水
15、位的上升与下降对岩土工程的影响；n了解地面沉降研究现状（3）抽水压密引起地面沉降的研究方法n 黑盒模型n完全以经验为基础的方法，所观察到的地面沉降与总抽水量的有关。n 非耦合模型n 半耦合模型n 完全耦合模型抽水压密导致地面沉降的计算模型n仅作了解。n（1）Gambolati-Freeze模型；n（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4 人工回灌与地面回弹人工回灌与地面回弹n对地下含水层（组）进行人工回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面回弹现象，减缓地面沉降已初步得控制。n地面回弹模型
16、的建立与求解是一个非常复杂 的系统课题。10.2.5 控制地面沉降的措施控制地面沉降的措施n1）统一制定经济发展规划；(绿色GDP)n2）制定各种政策，合理控制开采地下水；(经济杠杆)n3）人工补给地下水（技术手段）n4）治理措施（滨海、滨江地段）n5）岩溶塌陷导致地面沉降的防治措施（以防为主，并结合填充）10.3 盾构掘进对环境影响的理盾构掘进对环境影响的理论与预测论与预测n10.3.1 盾构掘进中的环境问题盾构掘进中的环境问题n10.3.2 盾构掘进的扰动机理盾构掘进的扰动机理n1）水和泥浆的扰动n地下水含量和紊流运动状态的改变，泥水盾构大量泥浆外排回灌。n2）对不良土层的影响n流砂，引起
17、局部土体坍塌。n3）周围土体应力状态的变化n原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。盾构推进前方土体分区图 n其中区土体应力状态未发生变化，土体的水平、垂直应力分别为h，v。n由于推力引起土体挤压加载p，区和区土体承受很大的挤压变形，区h、v均有增加；区只有h变化。n区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态。土体扰动区对应的摩尔圆 土体扰动区对应的摩尔圆Pz+PwPj，盾构推进对土体的扰动是不可避免的 4）土体性质的变化n扰动后土体的本构关系、物理力学参数的必然变化。n覆土层出现附加的间隙或裂缝，隧道纠偏时加载不均匀。5）土体的位移影响n盾构机前后、左右、上下各部位土体的位
18、移的状态不同。n刀盘前部0.5D范围内土体表现为向下、向刀盘开口内移动，（0.51.5）D范围内深层土表现为向推进方向移动，表层土向上向前移动。n盾构机后的土体表层土表现为垂直的下沉，深层土随盾壳拖带向前的水平移动，土体和浆液固结次固结沉降都使土体产生向下的位移变形。10.3.3 土体受盾构掘进拓动的土体受盾构掘进拓动的特点特点n1）盾构周边土体因开挖而卸荷变形n（1）盾构掘进时，按收敛约束曲线绘制的p-u-t关系（2）土体应力释放与隧洞支护的关系如图所示。2）盾构掘进时周边上体超孔隙水压力分布及其变化3）盾构掘进时土体受施工扰动的变形与地表沉降盾构掘进施工引起的土体沉降机理沉降类型原 因应力
19、扰动变形机理初始沉降土体受挤压面压密孔隙水压力减小，有效应力增加孔隙比减小，土体固结盾构工作面前方的沉降(土体隆起)工作面处施加的土压力过大：上隆，过小：沉降孔隙水压力增加，总应力增加土体压缩，产生弹塑性变形盾构通过的沉降土体施工扰动，盾构与土体间剪错，出土量过多土体应力释放弹塑性变形盾尾空隙的沉降 土体失去盾构支撑，管片后背注浆不及时土体应力释放弹塑性变形土体次固结沉降土体后续时效变形(土体后期蠕变)土体应力松驰蠕变变形n周围土体变形位移主要是主固结压缩、弹塑性剪切以及粘性时效蠕变三者之间的叠加与组合。n土体受扰动的土层厚度r与隧道壁径向位移w间的关系为：wffiREr6.0)1(盾构轴线上
20、方地表中心沉降与土体受施工扰动范围的关系地表沉降与施工条件的关系 地表中心总沉降与覆盖土层厚度/隧道外径（H/D）及土层性质的关系本讲要点n人工回灌；n盾构对周围土体的应力影响n盾构引起地面沉降的影响因素10.3.4 盾构掘进对土体的影响范围盾构掘进对土体的影响范围n盾构掘进过程可以看成是柱孔扩张过程。na为隧道半径;nR为塑性区外半径;np为扩张压力。n盾构周围土体可以分为两个变形区，即塑性变形区Dp和弹性变形有区De，塑性区的大小（即外半径R）取决于扩张压力p和隧道半径a。柱孔扩张示意图 内压力p与塑性区外半径R、隧道半径a的关系式：rrrrpprrcccccpaRsin2sin1)tan
21、costan(10.3.5盾构掘进对土体扰动的盾构掘进对土体扰动的变形控制变形控制n1）维护盾构开挖面的稳定及其控制方法量控制n对土压平衡盾构而言，n控制舱压使与前方自然水土压力相平衡；n控制排土量和掘进速度，以维护开挖面的稳定；n减少前方土体挤压（欠挖时）与松动（超挖时），防止前方土体塑性破坏和塌方。（1）控制方法一n按软土地区土压力平衡盾构的施工经验，取：n 应控制在0.03MPa n尚需满足隧道开挖面的稳定条件n （Broms,1989）；n oippp5.50uicpp（2）控制方法二n压力差与开挖排土量间呈线性关系变化，则：nM-100=a(pi-po)na为斜率系数，a=50/E；
22、E为土体弹性模量，对于粘性土可取E=100cu。n100-2.8M100+2.8 n由此可得控制方法二为：开挖排土量的允许变化率等于土体开挖体积理论值的2.8%。n此值变化幅度小，在实践上较难掌握。n上海地区在软粘土中使用局部挤压盾构施工的经验，当排土量控制在理论土方量的8090左右时，地表可不发生隆起现象。2）同步注浆与二次注浆的注浆的时间、浆压和浆量控制n（1）同步注浆n同步注浆是指沿盾尾外壳安设多根注浆管的同步注浆系统，属于一种充填注浆。(30mm时，需要进行纠偏。（2）改正纠偏的措施n调整分组千斤顶推力；n沿纵缝和环缝，垫贴一定厚度的楔形软木；n校正定位管片的倾斜度；n改进注浆方式和浆
23、液性质；n减小一次纠偏的幅度等等。4）施工应急控制n应急采用的“三阶段注浆控制”方法包括：n预注浆和工后注浆n施工被动控制方法5）盾构的主要设计、施工参数及变形控制参数与控制要求n设计、施工参数可拟定为：n开挖排土量、超挖/欠挖量；n掘进速度；n盾构千斤机推力；舱压力；n管片后背同步充填注浆和二次压密注浆和二次压密注浆的浆压和浆量；n盾构每次纠偏量和总的纠偏量等。n变形控制的各有关参数为：n地表总沉降（隆起）量；n差异沉降；n地层内土体竖向位移、沿盾构周向土体位移、盾构侧向土体水平移；n管片变形与走动（移位）等等。n变形控制的要求为：n预测、预报工程险情与环境土工危害及其严重程度；n确定是否需
24、要在下一施工步序对上述若干施工参数作出必要的调整，并能定量化各参数调整后的修正值。6）盾构掘进时邻近建（构）筑物的保护n保护对象包括：n（1）邻近的已建/已运营地铁区间：n定量尺度标准：n在地铁工程（外边线）两侧3m距离内不能进行建筑施工。n地铁结构的绝对沉降量及水平位移量均应20mm，地铁隧道产生纵向位移引起圆形管片衬砌结构的径向变形应10mm；n隧道水平和竖向变形曲线的曲率半径R应1/15000m；n隧道相对弯曲应12500；n由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）以及降水、注浆等施工因素引起地铁隧道外壁的附加荷载应20kPa；n由于打桩振动、工程爆破等产生的振动，对地铁隧道引起的峰值振动速
25、度应2.5cm/s。n（2）邻近的建（构）筑物；n（3）地下管线（特别是煤气管、污水干管、动力照明电缆与光缆等）；n（4）上部及其附近的道路路面、路基；n（5）邻近的城市立交桥、高架道路；n（6）相邻的同步施工的工程等。保护方法nA 基础托换法n广州地铁1号线在中山七路时，盾构穿越楼房，切断桩基础，下承时托换；n上海延安东路越江隧道，穿越江西路时，架设钢吊梁，悬挂地下管线。nB地基加固n注浆、树根桩、旋喷桩、深层搅拌桩nC 隔断法n设置隔断墙（钢板桩、地下连续墙）本讲要点n理解盾构掘进对土体的影响范围；理解盾构掘进对土体的影响范围；n了解盾构掘进对土体扰动的变形控制。了解盾构掘进对土体扰动的变形控制。
