《地下结构工程施工技术》第十章地下工程施工环境影响与保护PPT

地下结构构工程程第10章10地下工程施工工环境

影响响与保护10.1基坑开挖工程程的环境土工工问题10.1.1软土深、大基基坑工程及其其环境土工问问题1）地表沉降与与土层位移多采用地下连续墙或或水泥土搅拌拌加灌注式排排桩为坑壁围围护结构，引起的地表表沉降与土层层位移，由以以下6个部分组成：：（1）墙体弹性变变位；（2）基坑卸载回回弹、塑性隆隆起、降水不不当引起的管管涌、翻砂；；（3）墙外土层固固结沉降；（4）井点或深井井降水带走土土砂；（5）墙段接头处处土砂漏失；；（6）槽壁开挖，，地层向槽内内变形。（1）~（3）主要造成了了墙后土层位位移和地表沉沉降；（4）~（6）则应从施工工技术、经验验与管理上加加以控制，使使之减低到最最小的允许限限度。2）基坑变形控控制的环保等等级标准基坑变形控制制环保等级标标准表表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.Ks≥2.2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.Ks≥2.0离基坑周围H范围内设有重要的干线水管、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.Ks≥1.5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.Ks≥1.2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）基坑施工的的时空效应问问题（1）基坑施工稳稳定和变形基坑施工稳定定和变形，与与以下各方面面密切相关：：①基底土方每步开挖的空空间尺寸（平面大小和和每步挖深））。②开挖顺序。③无支撑情况况下，每步开开挖土体的暴露时间tr。④围护结构水平位移。βKH是因土体流变变而折减的被被动土压力系系数；⑤基底抗隆起的稳定定性。Ks（2）基坑施工的的时空效应①开挖一支撑原原则：分段、分层、、分步（分块块）、对称、、平衡、限时时；②对分段、分分部捣筑的现现浇钢筋混凝凝土框架支撑撑，注意局部平衡；③理论导向，，量测定量，，经验判断；；④摈弃以大量量人工加固基基坑来控制其其变形的传统统作法。（3）围护结构内内、外主动与与被动土压力力的取值①βKH值的确定βKH是可按基坑开开挖实测得的的变形值，经经反演分析；；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0.75~0.550.55.~0.40二级软粘土硬粘土0.60~0.450.40~0.30一级软粘土硬粘土0.70~0.500.45~0.35三级软粘土硬粘土0.60~0.400.40~0.20主动侧压力系系数取值表②施工参数的选选择4）地铁车站深深大基坑的施施工技术要求求（1）先撑后挖，，留土堤；(2)对支撑施加设设计轴力(30%~70%)的预应力；(3)每步开挖及支支撑的时限tr≤24h；(4)坑内井点降水水以固结土体体、改善土性性，减少土的的流变发展。。基坑分段、分分层、分步开开挖一支撑施施工示意5）变形监控变形监控工作作的内容主要要包括：(1)施工工况实施施情况跟踪观观察；（2）日夜不中断断的现场监测测与险情及时时预测和预报报；（3）定量反馈分分析，信息化化设计施工；；(4)及时修改、调调整施工工艺艺参数；(5)及时提出、检检验、改进设设计施工技术术措施。软土基坑工程程控制变形的的

设计程序序框图10.1.2深基坑周围地地表

沉降分分析1)支护结构变位位引起地表沉沉隆估算方法法①地表沉降曲曲线为正态分分布：②地表沉降范范围为：③墙体水平位位移ymax为墙后地表沉沉降δmax的1.4倍④沉降曲线包包络面积Fs与支护结构变变位曲线包括括面积Fw之比为：基坑开挖引起起支护结构侧侧移和地表沉沉降地表沉降曲线线包括面积Fs支护结构变位位曲线包络面面积Fw计算最小二乘原理理可理可得下下列方程组：：若知道支护结结构顶点坐标标（0，c）和极值点（（zm,ym），可由式（（10-7）算得：2）减少沉降的的措施使δ≤[δ]。具体措施为为：（1）采取刚度较较大的地下连连续结构；（2）分层分段开开挖，并设置置支撑；（3）基底土加固固；（4）坑外注浆加加固；（5）增加维护结结构入土深度度和墙外围幕幕；（6）尽量缩短基基坑施工时间间；（7）降水时，应应合理选用井井点类型，优优选滤网，适适当放缓降水水漏斗线坡度度，设置隔水水帷幕；（8）在保护区内内设回灌系统统；（9）尽量减少降降水次数。10.1.3深基坑开挖引引起临近地下下管线的位移移分析地下管线位移移计算可按竖竖向和水平两两个方向的位移分分别计算。①地表沉陷范围围设沉陷区长度度取基坑边长长的2倍，宽度ω取为：②纵向沉陷曲面面:纵向沉陷曲面面取为抛物面面，顶点位于于00’线（中轴线））上，AA’、BB’上总的沉陷值值为零。（2）地下管线竖竖向位移计算算图10-6地下管线位移移曲线(a)铰支座情况;(b)固定支座情况况沉陷曲线地面超载传至至地下管线顶顶部的竖向荷荷载为q1：I区（沉陷区））的竖向位移移方程y(x)：II区（非沉陷区区）y’(x)：雷洛夫函数竖向向位位移移方方程程中常常系系数数的确确定定应根根据据边边界界条条件件，，确确定定地地下下管管线线竖竖向向位位移移方方程程中中的的常常系系数数，，边边界界条条件件不不同同，，求求得得的的常常系系数数亦亦不不同同，，从从而而得得到到不不同同的的位位移移方方程程。。（3）地地下下管管线线水水平平位位移移微微分分方方程程的的求求解解地下下管管线线水水平平位位移移方方程程（4）地地下下管管线线合合理理计计算算模模型型分分析析进行行地地下下管管线线竖竖向向位位移移分分析析时时，，按固固定定支支座座的的弹弹性性地基基梁梁分分析析是是能能满满足足实实际际要要求求的的，，是是较较合合理理计计算算模模型。。本讲讲要要点点地表表沉沉降降曲曲线线的的分分析析方方法法；；地下下管管线线的的位位移移分分析析方方法法；；10.2地下下水水对对环环境境的的影影响响10.2.11）地地下下水水位位上上升升的的情情况况（1）浅浅基基础础地地基基承承载载力力降降低低;（2）砂砂土土地地震震液液化化加加剧剧；；（3）建建筑筑物物震震陷陷加加剧剧（4）土土壤壤沼沼泽泽化化、、盐盐渍渍化化；；（5）岩岩土土体体产产生生变变形形、、滑滑移移、、崩崩塌塌失失稳稳等等不不良良地地质质现现象象；；（6）地地下下水水位位的的冻冻胀胀作作用用的的影影响响；；（7）对对建建筑筑物物的的影影响响；；（8）对对湿湿陷陷性性黄黄土土、、崩崩解解性性岩岩土土、、盐盐渍渍岩岩土土的的影影响响；；（9）膨膨胀胀性性岩岩土土产产生生胀胀缩缩变变形形10.2.2地下下水水位位下下降降的的情情况况地下下水水位位下下降降往往往会会引引起起地地表表塌塌陷陷、、地地面面沉沉降降、、海海水水入入浸浸，，地地裂裂缝缝的的产产生生和和复复活活以以及及地地下下水水源源枯枯竭竭，，水水质质恶恶化化等等一一系系列列不不良良地地质质问问题题，，并并将将对对建建筑筑物物产产生生不不良良的的影影响响。。1）地地表表塌塌陷陷2）地地面面沉沉降降3）海海（（咸咸））水水入入侵侵4）地地裂裂缝缝的的复复活活与与产产生生5）地地下下水水源源枯枯竭竭，，水水质质恶恶化化6）对对建建筑筑物物的的影影响响10.2.3地下下水水位位与与地地面面沉沉降降在天天然然条条件件和和人人为为因因素素的的影影响响之之下下，，区区域域性性地地面面标标高高的的降降低低，，称称为为地面面沉沉降降。主要要影影响响因因素素，，可可以以分分为为天然然影影响响因因素素及及人人为为影影响响因因素素，其其中中，，地地下下水水位位波波动动对对地地面面沉沉降降具具有有重重要要的的影影响响。。天然然影影响响因素素主主要要有有两两类类：：①海海平平面面相相对对上上升升及及土土层层的的天天然然固固结结，，导导致致地地表表沉沉降降；；②地地震震的的冲冲击击作作用用，，引引起起地地面面沉沉降降。。人为为影影响响因至至少少主主要要有有三三类类：：①抽抽汲汲地地下下液液体体及及表表层层排排水水导导致致地地面面沉沉降降的的有有关关因因素素；；②开开采采地地下下深深处处的的固固体体矿矿藏藏，，也也可可能能引引起起地地面面沉沉降降。。③岩岩溶溶地地区区，，塌塌陷陷是是导导致致地地面面沉沉降降的的主主要要影影响响因因素素。。因过过度度开开采采地地下下水水，，中中国国华华北北地地区区出出现现世世界界罕罕见见的的漏斗斗区区，面面积积已已经经达达到到4万平平方方公公里里，，目目前前仍仍在在扩扩大大之之中中。。华华北北平平原原形形成成了了30多个个小小漏漏斗斗区区。。河河北北省省、、天天津津市市、、山山东东德德州州市市的的漏漏斗斗区区连连成成一一片片，，面面积积为为中中国国之之最最。。在沿沿海海地地区区，，漏漏斗斗区区域域极极易易引引起起海水水内内侵侵，咸咸水水扩扩散散。。秦皇皇岛岛市区区已已经经遇遇到到这这一一问问题题。。沧州州，，超超采采地地下下水水最最深深已已达达９９５５米米，，比比水水平平面面低低七七八八十十米米。。上海海1999年，，中中心心城城区区平平均均沉沉降降量量为为10.74毫米米。引起起上上海海地地面面沉沉降降的的原原因因主主要要是是开开采采地地下下水水、、市市政政工工程程及及高高层层建建（（构构））筑筑物物的的建建设设。。上上海海中中心心城城区区的的地地面面沉沉降降在在1921年－－1965年为为快快速速沉沉降降时时期期，，年年均均沉沉降降37.6毫米米，，之之后后的的十十几几年年呈呈现现缓缓慢慢沉沉降降态态势势。。西安安市市一九九九九五五年年以以前前，，迫迫于于西西安安市市生生活活用用水水的的紧紧张张，，许许多多开开采采承承压压水水的的自自备备井井纷纷纷纷涌涌现现.城市市规规划划区区出出现现七七个个较较大大的的下下降降漏漏斗斗，，沉沉降降幅幅度度最最高高超超过过五五百百毫毫米米。。著著名名的的大大雁雁塔塔因因此此而而倾倾斜斜，，建建于于明明代代的的西西安安钟钟楼楼则则下下沉沉了了三三百百九九十十五五毫毫米米。。封井井限限采采后后，，地地面面沉沉降降已已大大大大缓缓解解。。阜新新新邱区区沉陷区区地表表沉降降深度度平均均为１１.４３米米，水水平移移动距距离为为０.４７４４米。。沉陷区区的道道路很很有特特点，，坑坑坑相扣扣，坡坡坡相相连，，道路路两侧侧的房房屋、、院墙墙和地地面，，随处处都能能看到到裂缝缝，最最粗的的裂缝缝手指指都能能伸进进去。。地地下下有“喀吧喀喀吧”的响声声，似似闷雷雷。地面沉沉降研研究现现状（1）地面面沉降降机理分析经过若若干学学者的的研究究表明明:抽水引引起地地层压压密而而产生生地面面沉降降,是有效效应力力增加加的结结果。。（2）地面面沉降降理论论与模模型的的发发展土层产产生压压缩，，一般般认为为，固固结是是主固结和和次固固结两部分分组成成。①经经典弹弹性地地面沉沉降理理论②准准弹性性地面面沉降降理论论取消了了关于于含水水层组组的渗渗透系系数K、比贮贮水系系数Ss、压缩缩系数数Mv视为常常数的的假设设，仍仍采用用Terzaghi的一维维竖向向固结结理论论的假假设。③地地面沉沉降的的流变变学理理论次固结结作用用对地地面沉沉降的的影响响、粘弹弹性地地面沉沉降理理论，，弹塑塑性地地面沉沉降理理论。。本讲要要点理解地地下水水位的的上升升与下下降对对岩土土工程程的影影响；；了解地地面沉沉降研研究现现状（3）抽水水压密密引起起地面面沉降降的研研究方法①黑盒模模型完全以以经验验为基基础的的方法法，所所观察察到的的地面面沉降降与总总抽水水量的的有关关。②非非耦合合模型型③半半耦合合模型型④完完全耦耦合模模型抽水压压密导导致地地面沉沉降的的计算算模型型仅作了了解。。（1）Gambolati-Freeze模型；；（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。。10.2.4人工回回灌与与地面面回弹弹对地下下含水水层（（组））进行行人工回回灌，则有有利于于稳定定地下下水位位，并并促使使地下下水位位回升升，使使土中中孔隙隙水压压力增增大，，土颗颗粒间间的接接触应应力减减小，，土层层发生生膨胀胀，从从而导导致地地面回回弹现现象，，减缓地地面沉沉降已初步步得控控制。。地面回回弹模模型的的建立立与求求解是是一个个非常常复杂杂的的系统统课题题。10.2.5控制地地面沉沉降的的措施施1）统一一制定定经济济发展展规划划；(绿色GDP)2）制定定各种种政策策，合合理控控制开开采地地下水水；(经济杠杠杆)3）人工工补给给地下下水（（技术术手段段）4）治理理措施施（滨滨海、、滨江江地段段）5）岩溶溶塌陷陷导致致地面面沉降降的防防治措措施（（以防防为主主，并并结合合填充充）10.3盾构掘掘进对对环境境影响响的理理论与与预测测10.3.1盾构掘掘进中中的环环境问问题10.3.2盾构掘掘进的的扰动动机理理1）水和和泥浆浆的扰扰动地下水水含量量和紊紊流运运动状状态的的改变变，泥泥水盾盾构大大量泥泥浆外外排回回灌。。2）对不不良土土层的的影响响流砂，，引起起局部部土体体坍塌塌。3）周围围土体体应力力状态态的变变化原状土土经历历了挤挤压、、剪切切、扭扭曲等等复杂杂的应应力路路径。。盾构推推进前前方土土体分分区图图其中①区土体应应力状状态未未发生生变化化，土土体的的水平平、垂垂直应应力分分别为为σh，σv。由于推推力引引起土土体挤挤压加加载△△σp，②区区和④④区土土体承承受很很大的的挤压压变形形，②区△σh、σv均有增增加；；④区只有σh变化。。③区土体受受到大大刀盘盘切削削搅拌拌的影影响，，处于于十分分复杂杂的应应力状状态。。土体扰扰动区区对应应的摩摩尔圆圆土体扰扰动区区对应应的摩摩尔圆圆Pz+Pw≤Pj，盾构推推进对对土体体的扰扰动是是不可可避免免的4）土体体性质质的变变化扰动后后土体体的本本构关关系、、物理理力学学参数数的必必然变变化。。覆土层层出现现附加加的间隙或或裂缝缝，隧道道纠偏偏时加载不均匀匀。5）土体体的位位移影影响盾构机机前后后、左左右、、上下下各部部位土土体的的位移移的状状态不不同。。刀盘前前部0.5D范围内内土体体表现现为向下、、向刀刀盘开开口内内移动动，（0.5~1.5）D范围内内深层层土表表现为为向推进进方向向移动动，表表层土土向上上向前前移动。。盾构机机后的土体体表层层土表表现为为垂直直的下沉，深层层土随随盾壳壳拖带带向前的水平平移动动，土土体和和浆液液固结结次固固结沉沉降都都使土土体产产生向下的位移移变形形。10.3.3土体受受盾构构掘进进拓动动的特特点1）盾构构周边边土体体因开开挖而而卸荷荷变形形（1）盾构构掘进进时，，按收收敛~约束曲曲线绘绘制的的p-u-t关系（2）土体体应力力释放放与隧隧洞支支护的的关系系如图图所示示。2）盾构构掘进进时周周边上上体超超孔隙隙水压压力分分布及及其变变化3）盾构构掘进进时土土体受受施工工扰动动的变变形与与地表表沉降降盾构掘掘进施施工引引起的的土体体沉沉降机机理沉降类型原因应力扰动变形机理Ⅰ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Ⅱ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Ⅲ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Ⅳ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Ⅴ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周围土土体变变形位位移主主要是是主固结压压缩、弹弹塑性剪剪切以及及粘性时时效蠕变变三者之间间的叠加加与组合合。土体受扰扰动的土土层厚度度△r与隧道壁壁径向位位移δw间的关系系为：盾构轴线线上方地地表中心心沉降与与土体受受施工扰扰动范围围的关系系地表沉降降与施工工条件的的关系地表中心心总沉降降与覆盖盖土层厚厚度/隧道外径径（H/D）及土层层性质的的关系本讲要点点人工回灌灌；盾构对周周围土体体的应力力影响盾构引起起地面沉沉降的影影响因素素10.3.4盾构掘进进对土体体的影响响范围盾构掘进进过程可可以看成成是柱孔孔扩张过过程。a为隧道半半径;R为塑性区区外半径径;p为扩张压压力。盾构周围围土体可可以分为为两个变变形区，，即塑性性变形区区Dp和弹性变变形有区区De，塑性区区的大小小（即外外半径R）取决于于扩张压压力p和隧道半半径a。柱孔扩张张示意图图内压力p与塑性区区外半径径R、隧道半半径a的关系式式：10.3.5盾构掘进进对土体体扰动的的变形控控制1）维护盾构开挖挖面的稳稳定及其控制制方法—量控制对土压平衡衡盾构而言，控制舱压压使与前前方自然然水土压压力相平平衡；控制排土土量和掘掘进速度度，以维维护开挖挖面的稳稳定；减少前方方土体挤挤压（欠欠挖时））与松动动（超挖挖时），，防止前前方土体体塑性破破坏和塌塌方。（1）控制方方法一按软土地地区土压压力平衡衡盾构的的施工经经验，取取：应控制在在≤0.03MPa尚需满足足隧道开开挖面的的稳定条条件（Broms,1989）；（2）控制方方法二压力差与与开挖排排土量间间呈线性性关系变变化，则则：M-100=a·(pi-po)a为斜率系系数，a=50/E；E为土体弹弹性模量量，对于于粘性土土可取E=100cu。100-2.8≤M≤≤100+2.8由此可得得控制方方法二为为：开挖排土土量的允允许变化化率等于于土体开开挖体积积理论值值的2.8%。此值变化化幅度小小，在实实践上较较难掌握握。上海地区区在软粘粘土中使使用局部部挤压盾盾构施工工的经验验，当排排土量控控制在理理论土方方量的80－90％左右时时，地表表可不发发生隆起起现象。。2）同步注注浆与二二次注浆浆的注浆浆的时间间、浆压压和浆量量控制（1）同步注注浆同步注浆浆是指沿沿盾尾外外壳安设设多根注注浆管的的同步注注浆系统统，属于于一种充填注浆浆。(<=60min)①注浆压力力：注浆压压力为1.1~1.2倍静止水水、土压压力，在在上海市市通常采采用0.3~0.4MPa。此值略大大于隧底底土压，，而为隧隧顶土压压值的2倍以上。。②注浆量理论上，，注浆量量可按下下式计算算：由于盾构构纠偏、、跑浆和和浆料的的失水收收缩等因因素，实实践上用用的注浆浆量一般般取（1.4~2.0）Ve≈(2.5~3.5)m3。（2）二次注注浆（压密注浆浆）在同步注注浆之后后进行，，是进一步控控制地表沉降降的有效效辅助手段段。3）隧道轴轴线纠偏控制制盾构掘进进轴线定定位与设设计轴线线尽可能能一致，，减小盾盾构纠偏偏量，从从而缓和因盾构纠纠偏对周周围土层层的剪切切挤压扰扰动，也也有利于于控制盾盾尾与管管片背间间的间隙隙和地层层损失。。水准仪、、经纬仪仪——激光和陀陀螺仪的的自动化化测量系系统——测量千斤斤顶延伸伸方向和和量值，，配有旋旋转传感感器的导导向仪控制盾构构机的位位置和姿姿态。(1)产生隧道道轴线走走向偏差差的主要要因素①分组千斤斤顶推力力不均衡衡；②个别千千斤顶漏漏油失控控；③开挖面面挖土不不均衡；；④管片拼拼装误差差；⑤管片纵纵、环向向螺栓松松紧不对对称；⑥沿环圈圈注浆压压力不对对称；⑦浆液流流动性不不理想；；⑧工程地地质条件件出现突突变或渐渐变；⑨盾构掘掘进速度度不正常常等等。。隧道实际际掘进轴轴线与设设计轴线线间的偏偏差，当当水平偏偏差或高高程偏差>30mm时，需要要进行纠纠偏。（2）改正纠纠偏的措措施①调整分组组千斤顶顶推力；；②沿纵缝缝和环缝缝，垫贴贴一定厚厚度的楔楔形软木木；③校正定定位管片片的倾斜斜度；④改进注注浆方式式和浆液液性质；；⑤减小一一次纠偏偏的幅度度等等。。4）施工应应急控制制应急采用用的“三阶段注注浆控制制”方法包括括：预注浆和工后注浆浆施工被动动控制方方法5）盾构的的主要设