1、,地下工程施工環(huán)境影響與保護(hù),主講教師 ： 穆保崗,第10章,10 地下工程施工環(huán)境影響與保護(hù),10.1 基坑開(kāi)挖工程的環(huán)境土工問(wèn)題 10.1.1 軟土深、大基坑工程及其環(huán)境土工問(wèn)題 1）地表沉降與土層位移 多采用地下連續(xù)墻或水泥土攪拌加灌注式排樁為坑壁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，引起的地表沉降與土層位移，由以下6個(gè)部分組成：,（1）墻體彈性變位； （2）基坑卸載回彈、塑性隆起、降水不當(dāng)引起的管涌、翻砂； （3）墻外土層固結(jié)沉降； （4）井點(diǎn)或深井降水帶走土砂； （5）墻段接頭處土砂漏失； （6）槽壁開(kāi)挖，地層向槽內(nèi)變形。 （1）（3）主要造成了墻后土層位移和地表沉降； （4）（6）則應(yīng)從施工技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)與管理上

2、加以控制，使之減低到最小的允許限度。,2）基坑變形控制的環(huán)保等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),基坑變形控制環(huán)保等級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 表10-1,3）基坑施工的時(shí)空效應(yīng)問(wèn)題,（1）基坑施工穩(wěn)定和變形 基坑施工穩(wěn)定和變形，與以下各方面密切相關(guān)： 基底土方每步開(kāi)挖的空間尺寸（平面大小和每步挖深）。 開(kāi)挖順序。 無(wú)支撐情況下，每步開(kāi)挖土體的暴露時(shí)間tr。 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。KH是因土體流變而折減的被動(dòng)土壓力系數(shù)； 基底抗隆起的穩(wěn)定性。Ks,（2）基坑施工的時(shí)空效應(yīng),開(kāi)挖一支撐原則：分段、分層、分步（分塊）、對(duì)稱、平衡、限時(shí)； 對(duì)分段、分部搗筑的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架支撐，注意局部平衡 ； 理論導(dǎo)向，量測(cè)定量，經(jīng)驗(yàn)判斷 ； 擯棄以大量人工加固

3、基坑來(lái)控制其變形的傳統(tǒng)作法。,（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外主動(dòng)與被動(dòng)土壓力的取值,KH值的確定 KH是可按基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)得的變形值，經(jīng)反演分析；,主動(dòng)側(cè)壓力系數(shù)取值表,施工參數(shù)的選擇,4）地鐵車站深大基坑的施工技術(shù)要求,（1）先撐后挖，留土堤； (2) 對(duì)支撐施加設(shè)計(jì)軸力(30%70%)的預(yù)應(yīng)力； (3) 每步開(kāi)挖及支撐的時(shí)限tr24h； (4) 坑內(nèi)井點(diǎn)降水以固結(jié)土體、改善土性，減少土的流變發(fā)展。,基坑分段、分層、分步開(kāi)挖一支撐施工示意,5）變形監(jiān)控,變形監(jiān)控工作的內(nèi)容主要包括： (1)施工工況實(shí)施情況跟蹤觀察； （2）日夜不中斷的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與險(xiǎn)情及時(shí)預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)； （3）定量反饋分析，信息化設(shè)計(jì)施工；

4、(4) 及時(shí)修改、調(diào)整施工工藝參數(shù)； (5) 及時(shí)提出、檢驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)措施。,軟土基坑工程控制變形的設(shè)計(jì)程序框圖,10.1.2 深基坑周圍地表沉降分析,1)支護(hù)結(jié)構(gòu)變位引起地表沉隆估算方法 地表沉降曲線為正態(tài)分布： 地表沉降范圍為： 墻體水平位移ymax為墻后地表沉降max的1.4倍 沉降曲線包絡(luò)面積Fs與支護(hù)結(jié)構(gòu)變位曲線包括面積Fw之比為：,基坑開(kāi)挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移和地表沉降,地表沉降曲線包括面積Fs,支護(hù)結(jié)構(gòu)變位曲線包絡(luò)面積Fw計(jì)算,最小二乘原理可理可得下列方程組：,若知道支護(hù)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)坐標(biāo)（0，c）和極值點(diǎn)（zm,ym），可由式（10-7）算得：,2）減少沉降的措施,使。具體措施為

5、： （1）采取剛度較大的地下連續(xù)結(jié)構(gòu)； （2）分層分段開(kāi)挖，并設(shè)置支撐； （3）基底土加固； （4）坑外注漿加固； （5）增加維護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度和墻外圍幕； （6）盡量縮短基坑施工時(shí)間； （7）降水時(shí)，應(yīng)合理選用井點(diǎn)類型，優(yōu)選濾網(wǎng)，適當(dāng)放緩降水漏斗線坡度，設(shè)置隔水帷幕； （8）在保護(hù)區(qū)內(nèi)設(shè)回灌系統(tǒng)； （9）盡量減少降水次數(shù)。,10.1.3 深基坑開(kāi)挖引起臨近地下管線的位移分析,地下管線位移計(jì)算可按豎向和水平兩個(gè) 方向的位移分別計(jì)算。,地表沉陷范圍,設(shè)沉陷區(qū)長(zhǎng)度取基坑邊長(zhǎng)的2倍，寬度取為：,縱向沉陷曲面: 縱向沉陷曲面取為拋物面，頂點(diǎn)位于00線（中軸線）上，AA、BB上總的沉陷值為零。,（2）地下

6、管線豎向位移計(jì)算,圖10-6地下管線位移曲線 (a)鉸支座情況;(b)固定支座情況,沉陷曲線,地面超載傳至地下管線頂部的豎向荷載為q1：,I區(qū)（沉陷區(qū)）的豎向位移方程y(x)：II區(qū)（非沉陷區(qū)） y(x)：,雷洛夫函數(shù),豎向位移方程中常系數(shù)的確定,應(yīng)根據(jù)邊界條件，確定地下管線豎向位移方程中的常系數(shù)，邊界條件不同，求得的常系數(shù)亦不同，從而得到不同的位移方程。,（3）地下管線水平位移微分方程的求解,地下管線水平位移方程,（4）地下管線合理計(jì)算模型分析,進(jìn)行地下管線豎向位移分析時(shí)，按固定支座的彈性 地基梁分析是能滿足實(shí)際要求的，是較合理計(jì)算模 型。,本講要點(diǎn),地表沉降曲線的分析方法； 地下管線的位移

7、分析方法；,10.2 地下水對(duì)環(huán)境的影響,10.2.1 1）地下水位上升的情況 （1）淺基礎(chǔ)地基承載力降低; （2）砂土地震液化加?。?（3）建筑物震陷加劇 （4）土壤沼澤化、鹽漬化；,（5）巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象； （6）地下水位的凍脹作用的影響； （7）對(duì)建筑物的影響； （8）對(duì)濕陷性黃土、崩解性巖土、鹽漬巖土的影響； （9）膨脹性巖土產(chǎn)生脹縮變形,10.2.2 地下水位下降的情況,地下水位下降往往會(huì)引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂縫的產(chǎn)生和復(fù)活以及地下水源枯竭，水質(zhì)惡化等一系列不良地質(zhì)問(wèn)題，并將對(duì)建筑物產(chǎn)生不良的影響。,1）地表塌陷 2）地面沉降 3）海（咸）

8、水入侵 4）地裂縫的復(fù)活與產(chǎn)生 5）地下水源枯竭，水質(zhì)惡化 6）對(duì)建筑物的影響,10.2.3 地下水位與地面沉降,在天然條件和人為因素的影響之下，區(qū)域性地面標(biāo)高的降低，稱為地面沉降。 主要影響因素，可以分為天然影響因素及人為影響因素，其中，地下水位波動(dòng)對(duì)地面沉降具有重要的影響。,天然影響因素主要有兩類： 海平面相對(duì)上升及土層的天然固結(jié)，導(dǎo)致地表沉降； 地震的沖擊作用，引起地面沉降。,人為影響因至少主要有三類： 抽汲地下液體及表層排水導(dǎo)致地面沉降的有關(guān)因素； 開(kāi)采地下深處的固體礦藏，也可能引起地面沉降。 巖溶地區(qū)，塌陷是導(dǎo)致地面沉降的主要影響因素。,因過(guò)度開(kāi)采地下水，中國(guó)華北地區(qū)出現(xiàn)世界罕見(jiàn)的漏

9、斗區(qū)，面積已經(jīng)達(dá)到4萬(wàn)平方公里，目前仍在擴(kuò)大之中。華北平原形成了30多個(gè)小漏斗區(qū)。河北省、天津市、山東德州市的漏斗區(qū)連成一片，面積為中國(guó)之最。,在沿海地區(qū)，漏斗區(qū)域極易引起海水內(nèi)侵，咸水?dāng)U散。秦皇島市區(qū)已經(jīng)遇到這一問(wèn)題。 滄州，超采地下水最深已達(dá)米，比水平面低七八十米。,上海,1999年，中心城區(qū)平均沉降量為10.74毫米。 引起上海地面沉降的原因主要是開(kāi)采地下水、市政工程及高層建（構(gòu)）筑物的建設(shè)。上海中心城區(qū)的地面沉降在1921年1965年為快速沉降時(shí)期，年均沉降37.6毫米，之后的十幾年呈現(xiàn)緩慢沉降態(tài)勢(shì)。,西安市,一九九五年以前，迫于西安市生活用水的緊張，許多開(kāi)采承壓水的自備井紛紛涌現(xiàn) .

10、 城市規(guī)劃區(qū)出現(xiàn)七個(gè)較大的下降漏斗，沉降幅度最高超過(guò)五百毫米。著名的大雁塔因此而傾斜，建于明代的西安鐘樓則下沉了三百九十五毫米。 封井限采后，地面沉降已大大緩解。,阜新新邱區(qū),沉陷區(qū)地表沉降深度平均為.米，水平移動(dòng)距離為.米。 沉陷區(qū)的道路很有特點(diǎn)，坑坑相扣，坡坡相連，道路兩側(cè)的房屋、院墻和地面，隨處都能看到裂縫，最粗的裂縫手指都能伸進(jìn)去。 地下有“喀吧喀吧”的響聲，似悶雷。,地面沉降研究現(xiàn)狀,（1）地面沉降機(jī)理分析 經(jīng)過(guò)若干學(xué)者的研究表明: 抽水引起地層壓密而產(chǎn)生地面沉降,是有效應(yīng)力增加的結(jié)果。,（2）地面沉降理論與模型的發(fā)展,土層產(chǎn)生壓縮，一般認(rèn)為，固結(jié)是主固結(jié)和次固結(jié)兩部分組成。 經(jīng)典彈

11、性地面沉降理論 準(zhǔn)彈性地面沉降理論 取消了關(guān)于含水層組的滲透系數(shù)K、比貯水系數(shù)Ss、壓縮系數(shù)Mv視為常數(shù)的假設(shè)，仍采用Terzaghi的一維豎向固結(jié)理論的假設(shè)。 地面沉降的流變學(xué)理論 次固結(jié)作用對(duì)地面沉降的影響 、粘彈性地面沉降理論，彈塑性地面沉降理論 。,本講要點(diǎn),理解地下水位的上升與下降對(duì)巖土工程的影響； 了解地面沉降研究現(xiàn)狀,（3）抽水壓密引起地面沉降的研究方法, 黑盒模型 完全以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的方法，所觀察到的地面沉降與總抽水量的有關(guān)。 非耦合模型 半耦合模型 完全耦合模型,抽水壓密導(dǎo)致地面沉降的計(jì)算模型,僅作了解。 （1）Gambolati-Freeze模型； （2）Corapciogl

12、u-Brutsaert模型。,10.2.4 人工回灌與地面回彈,對(duì)地下含水層（組）進(jìn)行人工回灌，則有利于穩(wěn)定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水壓力增大，土顆粒間的接觸應(yīng)力減小，土層發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致地面回彈現(xiàn)象，減緩地面沉降已初步得控制。 地面回彈模型的建立與求解是一個(gè)非常復(fù)雜 的系統(tǒng)課題。,10.2.5 控制地面沉降的措施,1）統(tǒng)一制定經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃；(綠色GDP) 2）制定各種政策，合理控制開(kāi)采地下水；(經(jīng)濟(jì)杠桿) 3）人工補(bǔ)給地下水（技術(shù)手段） 4）治理措施（濱海、濱江地段） 5）巖溶塌陷導(dǎo)致地面沉降的防治措施（以防為主，并結(jié)合填充）,10.3 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)環(huán)境影響的理論與預(yù)測(cè),10

13、.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)中的環(huán)境問(wèn)題 10.3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)的擾動(dòng)機(jī)理 1）水和泥漿的擾動(dòng) 地下水含量和紊流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，泥水盾構(gòu)大量泥漿外排回灌。 2）對(duì)不良土層的影響 流砂，引起局部土體坍塌 。 3）周圍土體應(yīng)力狀態(tài)的變化 原狀土經(jīng)歷了擠壓、剪切、扭曲等復(fù)雜的應(yīng)力路徑。,盾構(gòu)推進(jìn)前方土體分區(qū)圖,其中區(qū)土體應(yīng)力狀態(tài)未發(fā)生變化，土體的水平、垂直應(yīng)力分別為h，v。 由于推力引起土體擠壓加載p，區(qū)和區(qū)土體承受很大的擠壓變形，區(qū)h、v均有增加；區(qū)只有h變化。 區(qū)土體受到大刀盤(pán)切削攪拌的影響，處于十分復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。,土體擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)的摩爾圓,土體擾動(dòng)區(qū)對(duì)應(yīng)的摩爾圓,Pz+PwPj ，盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)是

14、不可避免的,4）土體性質(zhì)的變化,擾動(dòng)后土體的本構(gòu)關(guān)系、物理力學(xué)參數(shù)的必然變化。 覆土層出現(xiàn)附加的間隙或裂縫，隧道糾偏時(shí)加載不均勻。,5）土體的位移影響,盾構(gòu)機(jī)前后、左右、上下各部位土體的位移的狀態(tài)不同。 刀盤(pán)前部0.5D范圍內(nèi)土體表現(xiàn)為向下、向刀盤(pán)開(kāi)口內(nèi)移動(dòng)，（0.51.5）D范圍內(nèi)深層土表現(xiàn)為向推進(jìn)方向移動(dòng)，表層土向上向前移動(dòng)。 盾構(gòu)機(jī)后的土體表層土表現(xiàn)為垂直的下沉，深層土隨盾殼拖帶向前的水平移動(dòng)，土體和漿液固結(jié)次固結(jié)沉降都使土體產(chǎn)生向下的位移變形。,10.3.3 土體受盾構(gòu)掘進(jìn)拓動(dòng)的特點(diǎn),1）盾構(gòu)周邊土體因開(kāi)挖而卸荷變形 （1）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，按收斂約束曲線繪制的p-u-t關(guān)系,（2）土體應(yīng)力

15、釋放與隧洞支護(hù)的關(guān)系如圖所示。,2）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)周邊上體超孔隙水壓力分布及其變化,3）盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土體受施工擾動(dòng)的變形與地表沉降,盾構(gòu)掘進(jìn)施工引起的土體沉降機(jī)理,周圍土體變形位移主要是主固結(jié)壓縮、彈塑性剪切以及粘性時(shí)效蠕變?nèi)咧g的疊加與組合。 土體受擾動(dòng)的土層厚度r與隧道壁徑向位移w間的關(guān)系為：,盾構(gòu)軸線上方地表中心沉降與土體受施工擾動(dòng)范圍的關(guān)系,地表沉降與施工條件的關(guān)系,地表中心總沉降與覆蓋土層厚度/隧道外徑（H/D）及土層性質(zhì)的關(guān)系,本講要點(diǎn),人工回灌； 盾構(gòu)對(duì)周圍土體的應(yīng)力影響 盾構(gòu)引起地面沉降的影響因素,10.3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的影響范圍,盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程可以看成是柱孔擴(kuò)張過(guò)程。 a為隧

16、道半徑; R為塑性區(qū)外半徑; p為擴(kuò)張壓力。 盾構(gòu)周圍土體可以分為兩個(gè)變形區(qū)，即塑性變形區(qū)Dp和彈性變形有區(qū)De，塑性區(qū)的大?。赐獍霃絉）取決于擴(kuò)張壓力p和隧道半徑a。,柱孔擴(kuò)張示意圖,內(nèi)壓力p與塑性區(qū)外半徑R、隧道半徑a的關(guān)系式：,10.3.5盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體擾動(dòng)的變形控制,1）維護(hù)盾構(gòu)開(kāi)挖面的穩(wěn)定及其控制方法量控制 對(duì)土壓平衡盾構(gòu)而言， 控制艙壓使與前方自然水土壓力相平衡； 控制排土量和掘進(jìn)速度，以維護(hù)開(kāi)挖面的穩(wěn)定； 減少前方土體擠壓（欠挖時(shí)）與松動(dòng)（超挖時(shí)），防止前方土體塑性破壞和塌方。,（1）控制方法一,按軟土地區(qū)土壓力平衡盾構(gòu)的施工經(jīng)驗(yàn)，?。?應(yīng)控制在0.03MPa 尚需滿足隧道開(kāi)挖

17、面的穩(wěn)定條件 （Broms,1989）；,（2）控制方法二,壓力差與開(kāi)挖排土量間呈線性關(guān)系變化，則： M-100=a(pi-po ) a為斜率系數(shù)，a=50/E；E為土體彈性模量，對(duì)于粘性土可取E=100cu。 100-2.8M100+2.8 由此可得控制方法二為：開(kāi)挖排土量的允許變化率等于土體開(kāi)挖體積理論值的2.8%。 此值變化幅度小，在實(shí)踐上較難掌握。,上海地區(qū)在軟粘土中使用局部擠壓盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)排土量控制在理論土方量的8090左右時(shí)，地表可不發(fā)生隆起現(xiàn)象。,2）同步注漿與二次注漿的注漿的時(shí)間、漿壓和漿量控制,（1）同步注漿 同步注漿是指沿盾尾外殼安設(shè)多根注漿管的同步注漿系統(tǒng)，屬于一種

18、充填注漿。(=60min) 注漿壓力：注漿壓力為1.11.2倍靜止水、土壓力，在上海市通常采用0.30.4MPa。 此值略大于隧底土壓，而為隧頂土壓值的2倍以上。,注漿量 理論上，注漿量可按下式計(jì)算： 由于盾構(gòu)糾偏、跑漿和漿料的失水收縮等因素，實(shí)踐上用的注漿量一般取（1.42.0）Ve(2.53.5)m3。,（2）二次注漿（壓密注漿） 在同步注漿之后進(jìn)行，是進(jìn)一步控制地表沉降的有效輔助手段。,3）隧道軸線糾偏控制,盾構(gòu)掘進(jìn)軸線定位與設(shè)計(jì)軸線盡可能一致，減小盾構(gòu)糾偏量，從而緩和因盾構(gòu)糾偏對(duì)周圍土層的剪切擠壓擾動(dòng)，也有利于控制盾尾與管片背間的間隙和地層損失。 水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀激光和陀螺儀的自動(dòng)化測(cè)量

19、系統(tǒng)測(cè)量千斤頂延伸方向和量值，配有旋轉(zhuǎn)傳感器的導(dǎo)向儀控制盾構(gòu)機(jī)的位置和姿態(tài)。,(1)產(chǎn)生隧道軸線走向偏差的主要因素,分組千斤頂推力不均衡； 個(gè)別千斤頂漏油失控； 開(kāi)挖面挖土不均衡； 管片拼裝誤差； 管片縱、環(huán)向螺栓松緊不對(duì)稱； 沿環(huán)圈注漿壓力不對(duì)稱； 漿液流動(dòng)性不理想； 工程地質(zhì)條件出現(xiàn)突變或漸變； 盾構(gòu)掘進(jìn)速度不正常等等。 隧道實(shí)際掘進(jìn)軸線與設(shè)計(jì)軸線間的偏差，當(dāng)水平偏差或高程偏差30mm時(shí)，需要進(jìn)行糾偏。,（2）改正糾偏的措施,調(diào)整分組千斤頂推力； 沿縱縫和環(huán)縫，墊貼一定厚度的楔形軟木； 校正定位管片的傾斜度； 改進(jìn)注漿方式和漿液性質(zhì)； 減小一次糾偏的幅度等等。,4）施工應(yīng)急控制,應(yīng)急采用的“三階段注漿控制”方法包括： 預(yù)注漿和工后注漿 施工被動(dòng)控制方法,5）盾構(gòu)的主要設(shè)計(jì)、施工參數(shù)及變形控制參數(shù)與控制要求,設(shè)計(jì)、施工參數(shù)可擬定為： 開(kāi)挖排土量、超挖/欠挖量； 掘進(jìn)速度； 盾構(gòu)千斤機(jī)推力；艙壓力； 管片后背同步充填注漿和二次壓密注漿和二次壓密注漿的漿壓和漿量； 盾構(gòu)每次糾偏量和總的糾偏量等。,變形控制的各有關(guān)參數(shù)為： 地表總沉降（隆起）量； 差異沉降； 地層內(nèi)土體豎向