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

地下结结构工工程第10章10地下工程施施工环境影影响与保保护10.1基坑开挖工工程的环境境土工问题题10.1.1软土深、大大基坑工程程及其环境境土工问题题1）地表沉降降与土层位位移多采用地下连续墙墙或水泥土土搅拌加灌灌注式排桩桩为坑壁围围护结构，引起的地地表沉降与与土层位移移，由以下下6个部分组成成：（1）墙体弹性性变位；（2）基坑卸载载回弹、塑塑性隆起、、降水不当当引起的管管涌、翻砂砂；（3）墙外土层层固结沉降降；（4）井点或深深井降水带带走土砂；；（5）墙段接头头处土砂漏漏失；（6）槽壁开挖挖，地层向向槽内变形形。（1）~（3）主要造成成了墙后土土层位移和和地表沉降降；（4）~（6）则应从施施工技术、、经验与管管理上加以以控制，使使之减低到到最小的允允许限度。。2）基坑变形形控制的环环保

等级级标准基坑变形控控制环保等等级标准表表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）基坑施工工的时空效效应问题（1）基坑施工工稳定和变变形基坑施工稳稳定和变形形，与以下下各方面密密切相关：：①基底土方方每步开挖的的空间尺寸寸（平面大小小和每步挖挖深）。②开挖顺序。③无支撑情情况下，每每步开挖土土体的暴露时间tr。④围护结构构水平位移。βKH是因土体流流变而折减减的被动土土压力系数数；⑤基底抗隆起的稳稳定性。Ks（2）基坑施工工的时空效效应①开挖一支撑撑原则：分段、分层层、分步（（分块）、、对称、平平衡、限时时；②对分段、、分部捣筑筑的现浇钢钢筋混凝土土框架支撑撑，注意局部平衡；③理论导向向，量测定定量，经验验判断；；④摈弃以大大量人工加加固基坑来来控制其变变形的传统统作法。（3）围围护护结结构构内内、、外外主主动动与与被被动动土土压压力力的的取取值值①ββKH值的的确确定定βKH是可可按按基基坑坑开开挖挖实实测测得得的的变变形形值值，，经经反反演演分分析析；；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主动动侧侧压压力力系系数数取取值值表表②施工工参参数数的的选选择择4）地地铁铁车车站站深深大大基基坑坑的的施施工工技技术术要要求求（1）先先撑撑后后挖挖，，留留土土堤堤；；(2)对支支撑撑施施加加设设计计轴轴力力(30%~70%)的预预应应力力；；(3)每步步开开挖挖及及支支撑撑的的时时限限tr≤≤24h；(4)坑内内井井点点降降水水以以固固结结土土体体、、改改善善土土性性，，减减少少土土的的流流变变发发展展。。基坑坑分分段段、、分分层层、、分分步步开开挖挖一一支支撑撑施施工工示示意意5）变变形形监监控控变形形监监控控工工作作的的内内容容主主要要包包括括：：(1)施工工工工况况实实施施情情况况跟跟踪踪观观察察；；（2）日日夜夜不不中中断断的的现现场场监监测测与与险险情情及及时时预预测测和和预预报报；；（3）定定量量反反馈馈分分析析，，信信息息化化设设计计施施工工；；(4)及时时修修改改、、调调整整施施工工工工艺艺参参数数；；(5)及时时提提出出、、检检验验、、改改进进设设计计施施工工技技术术措措施施。。软土基基坑工工程控控制变变形的的设设计程程序框框图10.1.2深基坑坑周围围地表表沉沉降分分析1)支护结结构变变位引引起地地表沉沉隆估估算方方法①地表表沉降降曲线线为正正态分分布：：②地表表沉降降范围围为：：③墙体体水平平位移移ymax为墙后后地表表沉降降δmax的1.4倍④沉降降曲线线包络络面积积Fs与支护护结构构变位位曲线线包括括面积积Fw之比为为：基坑开开挖引引起支支护结结构侧侧移和和地表表沉降降地表沉沉降曲曲线包包括面面积Fs支护结结构变变位曲曲线包包络面面积Fw计算最小二二乘原原理可可理可可得下下列方方程组组：若知道道支护护结构构顶点点坐标标（0，c）和极极值点点（zm,ym），可可由式式（10-7）算得得：2）减少少沉降降的措措施使δ≤[δ]。具体体措施施为：：（1）采取取刚度度较大大的地地下连连续结结构；；（2）分层层分段段开挖挖，并并设置置支撑撑；（3）基底底土加加固；；（4）坑外外注浆浆加固固；（5）增加加维护护结构构入土土深度度和墙墙外围围幕；；（6）尽量量缩短短基坑坑施工工时间间；（7）降水水时，，应合合理选选用井井点类类型，，优选选滤网网，适适当放放缓降降水漏漏斗线线坡度度，设设置隔隔水帷帷幕；；（8）在保保护区区内设设回灌灌系统统；（9）尽量量减少少降水水次数数。10.1.3深基坑坑开挖挖引起起临近近地下下管线线的位位移分分析地下管管线位位移计计算可可按竖竖向和和水平平两个个方向的的位移移分别别计算算。①地表沉沉陷范范围设沉陷陷区长长度取取基坑坑边长长的2倍，宽宽度ω取为：：②纵向沉沉陷曲曲面:纵向沉沉陷曲曲面取取为抛抛物面面，顶顶点位位于00’线（中中轴线线）上上，AA’、BB’上总的的沉陷陷值为为零。。（2）地下下管线线竖向向位移移计算算图10-6地下管管线位位移曲曲线(a)铰支座座情况况;(b)固定支支座情情况沉陷曲曲线地面超超载传传至地地下管管线顶顶部的的竖向向荷载载为q1：I区（沉沉陷区区）的的竖向向位移移方程程y(x)：II区（非非沉陷陷区））y’(x)：雷洛夫夫函数数竖向位位移方方程中常系系数的确定定应根据据边界界条件件，确确定地地下管管线竖竖向位位移方方程中中的常常系数数，边边界条条件不不同，，求得得的常常系数数亦不不同，，从而而得到到不同同的位位移方方程。。（3）地下下管线线水平平位移移微分分方程程的求求解地下管管线水水平位位移方方程（4）地下下管线线合理理计算算模型型分析析进行地地下管管线竖竖向位位移分分析时时，按固定定支座座的弹弹性地基梁梁分析析是能能满足足实际际要求求的，，是较较合理理计算算模型。本讲要要点地表沉沉降曲曲线的的分析析方法法；地下管管线的的位移移分析析方法法；10.2地下水水对环环境的的影响响10.2.11）地下下水位位上升升的情情况（1）浅基基础地地基承承载力力降低低;（2）砂土土地震震液化化加剧剧；（3）建筑筑物震震陷加加剧（4）土壤壤沼泽泽化、、盐渍渍化；；（5）岩土土体产产生变变形、、滑移移、崩崩塌失失稳等等不良良地质质现象象；（6）地下下水位位的冻冻胀作作用的的影响响；（7）对建筑筑物的影影响；（8）对湿陷陷性黄土土、崩解解性岩土土、盐渍渍岩土的的影响；；（9）膨胀性性岩土产产生胀缩缩变形10.2.2地下水位位下降的的情况地下水位位下降往往会引引起地表表塌陷、、地面沉沉降、海海水入浸浸，地裂裂缝的产产生和复复活以及及地下水水源枯竭竭，水质质恶化等等一系列列不良地地质问题题，并将将对建筑筑物产生生不良的的影响。。1）地表塌塌陷2）地面沉沉降3）海（咸咸）水入入侵4）地裂缝缝的复活活与产生生5）地下水水源枯竭竭，水质质恶化6）对建筑筑物的影影响10.2.3地下水位位与地面面沉降在天然条条件和人人为因素素的影响响之下，，区域性性地面标标高的降降低，称称为地面沉降降。主要影响响因素，，可以分分为天然影响响因素及及人为影影响因素素，其中，，地下水水位波动动对地面面沉降具具有重要要的影响响。天然影响响因素主要要有两类类：①海平平面相对对上升及及土层的的天然固固结，导导致地表表沉降；；②地震震的冲击击作用，，引起地地面沉降降。人为影响响因至少主主要有三三类：①抽汲地地下液体体及表层层排水导导致地面面沉降的的有关因因素；②开采地地下深处处的固体体矿藏，，也可能能引起地地面沉降降。③岩溶地地区，塌塌陷是导导致地面面沉降的的主要影影响因素素。因过度开开采地下下水，中中国华北北地区出出现世界界罕见的的漏斗区，面积已已经达到到4万平方公公里，目目前仍在在扩大之之中。华华北平平原形成成了30多个小漏漏斗区。。河北省省、天津津市、山山东德州州市的漏漏斗区连连成一片片，面积积为中国国之最。。在沿海地地区，漏漏斗区域域极易引引起海水内侵侵，咸水扩扩散。秦皇岛市区已经经遇到这这一问题题。沧州，超超采地下下水最深深已达９９５米，，比水平平面低七七八十米米。上海1999年，中心心城区平平均沉降降量为10.74毫米。引起上海海地面沉沉降的原原因主要要是开采采地下水水、市政政工程及及高层建建（构））筑物的的建设。。上海中中心城区区的地面面沉降在在1921年－1965年为快速速沉降时时期，年年均沉降降37.6毫米，之之后的十十几年呈呈现缓慢慢沉降态态势。西安市一九九五五年以前前，迫于于西安市市生活用用水的紧紧张，许许多开采采承压水水的自备备井纷纷纷涌现.城市规划划区出现现七个较较大的下下降漏斗斗，沉降降幅度最最高超过过五百毫毫米。著著名的大大雁塔因因此而倾倾斜，建建于明代代的西安安钟楼则则下沉了了三百九九十五毫毫米。封井限采采后，地地面沉降降已大大大缓解。。阜新新邱邱区沉陷区地地表沉降降深度平平均为１１.４３米，，水平移移动距离离为０.４７４米米。沉陷区的的道路很很有特点点，坑坑坑相扣，，坡坡相相连，道道路两侧侧的房屋屋、院墙墙和地面面，随处处都能看看到裂缝缝，最粗粗的裂缝缝手指都都能伸进进去。地地下下有“喀吧喀吧吧”的响声，，似闷雷雷。地面沉降降研究现现状（1）地面沉沉降机理分析经过若干干学者的的研究表表明:抽水引起起地层压压密而产产生地面面沉降,是有效应应力增加加的结果果。（2）地面沉沉降理论论与模型型的发发展土层产生生压缩，，一般认认为，固固结是主主固结和次次固结两部分组组成。①经典典弹性地地面沉降降理论②准弹弹性地面面沉降理理论取消了关关于含水水层组的的渗透系系数K、比贮水水系数Ss、压缩系系数Mv视为常数数的假设设，仍采采用Terzaghi的一维竖竖向固结结理论的的假设。③地面面沉降的的流变学学理论次固结作作用对地地面沉降降的影响响、粘弹性性地面沉沉降理论论，弹塑塑性地面面沉降理理论。。本讲要点点理解地下下水位的的上升与与下降对对岩土工工程的影影响；了解地面面沉降研研究现状状（3）抽水压压密引起起地面沉沉降的研研究方法①黑盒模型型完全以经经验为基基础的方方法，所所观察到到的地面面沉降与与总抽水水量的有有关。②非耦耦合模型型③半耦耦合模型型④完全全耦合模模型抽水压密密导致地地面沉降降的计算算模型仅作了解解。（1）Gambolati-Freeze模型；（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4人工回灌灌与地面面回弹对地下含含水层（（组）进进行人工回灌灌，则有利利于稳定定地下水水位，并并促使地地下水位位回升，，使土中中孔隙水水压力增增大，土土颗粒间间的接触触应力减减小，土土层发生生膨胀，，从而导导致地面面回弹现现象，减缓地面面沉降已初步得得控制。。地面回弹弹模型的的建立与与求解是是一个非非常复杂杂的系系统课题题。10.2.5控制地面面沉降的的措施1）统一制制定经济济发展规规划；(绿色GDP)2）制定各各种政策策，合理理控制开开采地下下水；(经济杠杆杆)3）人工补补给地下下水（技技术手段段）4）治理措措施（滨滨海、滨滨江地段段）5）岩溶塌塌陷导致致地面沉沉降的防防治措施施（以防防为主，，并结合合填充））10.3盾构掘进进对环境境影响的的理论与与预测10.3.1盾构掘进进中的环环境问题题10.3.2盾构掘进进的扰动动机理1）水和泥泥浆的扰扰动地下水含含量和紊紊流运动动状态的的改变，，泥水盾盾构大量量泥浆外外排回灌灌。2）对不良良土层的的影响流砂，引起起局部土体体坍塌。3）周围土体体应力状态态的变化原状土经历历了挤压、、剪切、扭扭曲等复杂杂的应力路路径。盾构推进前前方土体分分区图其中①区土体应力状状态未发生生变化，土土体的水平平、垂直应应力分别为为σh，σv。由于推力引引起土体挤挤压加载△△σp，②区和④④区土体承承受很大的的挤压变形形，②区△σh、σv均有增加；；④区只有σh变化。③区土体受到大大刀盘切削削搅拌的影影响，处于于十分复杂杂的应力状状态。土体扰动区区对应的摩摩尔圆土体扰动区区对应的摩摩尔圆Pz+Pw≤Pj，盾构推进对对土体的扰扰动是不可可避免的4）土体性质质的变化扰动后土体体的本构关关系、物理理力学参数数的必然变变化。覆土层出现现附加的间隙或裂缝缝，隧道纠偏偏时加载不均匀。5）土体的位位移影响盾构机前后后、左右、、上下各部部位土体的的位移的状状态不同。。刀盘前部0.5D范围内土体体表现为向下、向刀刀盘开口内内移动，（0.5~1.5）D范围内深层层土表现为为向推进方向向移动，表表层土向上上向前移动。盾构机后的土体表层层土表现为为垂直的下沉，深层土随随盾壳拖带带向前的水平移动动，土体和和浆液固结结次固结沉沉降都使土土体产生向下的位移变形形。10.3.3土体受盾构构掘进拓动动的特点1）盾构周边边土体因开开挖而卸荷荷变形（1）盾构掘进进时，按收收敛~约束曲线绘绘制的p-u-t关系（2）土体应力力释放与隧隧洞支护的的关系如图图所示。2）盾构掘进进时周边上上体超孔隙隙水压力分分布及其变变化3）盾构掘进进时土体受受施工扰动动的变形与与地表沉降降盾构掘进施施工引起的的土体沉沉降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体变变形位移主主要是主固结压缩缩、弹塑性性剪切以及及粘性时效效蠕变三者之间的的叠加与组组合。土体受扰动动的土层厚厚度△r与隧道壁径径向位移δw间的关系为为：盾构轴线上上方地表中中心沉降与与土体受施施工扰动范范围的关系系地表沉降与与施工条件件的关系地表中心总总沉降与覆覆盖土层厚厚度/隧道外径（（H/D）及土层性性质的关系系本讲要点人工回灌；；盾构对周围围土体的应应力影响盾构引起地地面沉降的的影响因素素10.3.4盾构掘进对对土体的影影响范围盾构掘进过过程可以看看成是柱孔孔扩张过程程。a为隧道半径径;R为塑性区外外半径;p为扩张压力力。盾构周围土土体可以分分为两个变变形区，即即塑性变形形区Dp和弹性变形形有区De，塑性区的的大小（即即外半径R）取决于扩扩张压力p和隧道半径径a。柱孔扩张示示意图内压力p与塑性区外外半径R、隧道半径径a的关系式：：10.3.5盾构掘进对对土体扰动动的变形控控制1）维护盾构开挖面面的稳定及其控制方方法—量控制对土压平衡盾盾构而言，控制舱压使使与前方自自然水土压压力相平衡衡；控制排土量量和掘进速速度，以维维护开挖面面的稳定；；减少前方土土体挤压（（欠挖时））与松动（（超挖时）），防止前前方土体塑塑性破坏和和塌方。（1）控制方法法一按软土地区区土压力平平衡盾构的的施工经验验，取：应控制在≤≤0.03MPa尚需满足隧隧道开挖面面的稳定条条件（Broms,1989）；（2）控制方法法二压力差与开开挖排土量量间呈线性性关系变化化，则：M-100=a·(pi-po)a为斜率系数数，a=50/E；E为土体弹性性模量，对对于粘性土土可取E=100cu。100-2.8≤M≤100+2.8由此可得控控制方法二二为：开挖排土量量的允许变变化率等于于土体开挖挖体积理论论值的2.8%。此值变化幅幅度小，在在实践上较较难掌握。。上海地区在在软粘土中中使用局部部挤压盾构构施工的经经验，当排排土量控制制在理论土土方量的80－90％左右时，，地表可不不发生隆起起现象。2）同步注浆浆与二次注注浆的注浆浆的时间、、浆压和浆浆量控制（1）同步注浆浆同步注浆是是指沿盾尾尾外壳安设设多根注浆浆管的同步步注浆系统统，属于一一种充填注浆。(<=60min)①注浆压力：注浆压力力为1.1~1.2倍静止水、、土压力，，在上海市市通常采用用0.3~0.4MPa。此值略大于于隧底土压压，而为隧隧顶土压值值的2倍以上。②注浆量理论上，注注浆量可按按下式计算算：由于盾构纠纠偏、跑浆浆和浆料的的失水收缩缩等因素，，实践上用用的注浆量量一般取（（1.4~2.0）Ve≈(2.5~3.5)m3。（2）二次注浆浆（压密注浆）在同步注浆浆之后进行行，是进一步控制制地表沉降的的有效辅助手段。3）隧道轴线线纠偏控制盾构掘进轴轴线定位与与设计轴线线尽可能一一致，减小小盾构纠偏偏量，从而而缓和因盾构纠偏偏对周围土土层的剪切切挤压扰动动，也有利利于控制盾盾尾与管片片背间的间间隙和地层层损失。水准仪、经经纬仪——激光和陀螺螺仪的自动动化测量系系统——测量千斤顶顶延伸方向向和量值，，配有旋转转传感器的的导向仪控制盾构机机的位置和和姿态。(1)产生隧道轴轴线走向偏偏差的主要要因素①分组千斤顶顶推力不均均衡；②个别千斤斤顶漏油失失控；③开挖面挖挖土不均衡衡；④管片拼装装误差；⑤管片纵、、环向螺栓栓松紧不对对称；⑥沿环圈注注浆压力不不对称；⑦浆液流动动性不理想想；⑧工程地质质条件出现现突变或渐渐变；⑨盾构掘进进速度不正正常等等。。隧道实际掘掘进轴线与与设计轴线线间的偏差差，当水平平偏差或高高程偏差差>30mm时，，需需要要进进行行纠纠偏偏。。（2）改改正正纠纠偏偏的的措措施施①调整整分分组组千千斤斤顶顶推推力力；；②沿沿纵纵缝缝和和环环缝缝，，垫垫贴贴一一定定厚厚度度的的楔楔形形软软木木；；③校校正正定定位位管管片片的的倾倾斜斜度度；；④改改进进注注浆浆方方式式和和浆浆液液性性质质；；⑤减减小小一一次次纠纠偏偏的的幅幅度度等等等等。。4）施施工工应应急急控控制制应急急采采用用的的“三阶阶段段注注浆浆控控制制”方法法包包括括：：预注注浆浆和工后后注注浆浆施工工被被动动控控制制方方法法5）盾盾构构的的主主要要设设计计、、施施工工参参数数及及变变形形控控制制参参数数与与控控制制要要求求设计计、、施施工工参参数数可拟拟定定为为：：开挖挖排排土土量量、、超超挖挖/欠挖挖量量；；掘进进速速度度；；盾构构千千斤斤机机推推力力；；舱舱压压力力；；管片片后