《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T

地下结构工程第10章10地下工程施工环境

影响与保护10.1基坑开挖工程的环境土工问题10.1.1软土深、大基坑工程及其环境土工问题1）地表沉降与土层位移多采用地下连续墙或水泥土搅拌加灌注式排桩为坑壁围护结构，引起的地表沉降与土层位移，由以下6个部分组成：（1）墙体弹性变位；（2）基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、翻砂；（3）墙外土层固结沉降；（4）井点或深井降水带走土砂；（5）墙段接头处土砂漏失；（6）槽壁开挖，地层向槽内变形。（1）~（3）主要造成了墙后土层位移和地表沉降；（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.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）基坑施工的时空效应问题（1）基坑施工稳定和变形基坑施工稳定和变形，与以下各方面密切相关：①基底土方每步开挖的空间尺寸（平面大小和每步挖深）。②开挖顺序。③无支撑情况下，每步开挖土体的暴露时间tr。④围护结构水平位移。βKH是因土体流变而折减的被动土压力系数；⑤基底抗隆起的稳定性。Ks（2）基坑施工的时空效应①开挖一支撑原则：分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时；②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；③理论导向，量测定量，经验判断；④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①βKH值的确定βKH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0.75~0.550.55.~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主动侧压力系数取值表②施工参数的选择4）地铁车站深大基坑的施工技术要求（1）先撑后挖，留土堤；(2)对支撑施加设计轴力(30%~70%)的预应力；(3)每步开挖及支撑的时限tr≤24h；(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）变形监控变形监控工作的内容主要包括：

(1)施工工况实施情况跟踪观察；（2）日夜不中断的现场监测与险情及时预测和预报；（3）定量反馈分析，信息化设计施工；(4)及时修改、调整施工工艺参数；(5)及时提出、检验、改进设计施工技术措施。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地地表表沉沉降降曲曲线线为为正正态态分分布布：：②地表沉降降范围为：：③墙体水平平位移ymax为墙后地表表沉降δmax的1.4倍④沉降曲线线包络面积积Fs与支护结构构变位曲线线包括面积积Fw之比为：基坑开挖引引起支护结结构侧移和和地表沉降降地表沉降曲曲线包括面面积Fs支护结构变变位曲线包包络面积Fw计算最小二乘原原理可理可可得下列方方程组：若知道支护护结构顶点点坐标（0，c）和极值点点（zm,ym），可由式式（10-7）算得：2）减少沉降降的措施使δ≤[δ]。具体措施施为：（1）采取刚度度较大的地地下连续结结构；（2）分分层层分分段段开开挖挖，，并并设设置置支支撑撑；；（3）基基底底土土加加固固；；（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（沉陷区区）的竖向向位移方程程y(x)：II区（非沉陷陷区）y’(x)：雷洛夫函数数竖向位移方方程中常系数的确定应根据边界界条件，确确定地下管管线竖向位位移方程中中的常系数数，边界条条件不同，，求得的常常系数亦不不同，从而而得到不同同的位移方方程。（3）地下管线线水平位移移微分方程程的求解地下管线水水平位移方方程（4）地下管线线合理计算算模型分析析进行地下管管线竖向位位移分析时时，按固定支座座的弹性地基梁分析析是能满足足实际要求求的，是较较合理计算算模型。本讲要点地表沉降曲曲线的分析析方法；地下管线的的位移分析析方法；10.2地下水对环环境的影响响10.2.11）地下水位位上升的情情况（1）浅基础地地基承载力力降低;（2）砂土地震震液化加剧剧；（3）建筑物震震陷加剧（4）土壤沼泽泽化、盐渍渍化；（5）岩土体产产生变形、、滑移、崩崩塌失稳等等不良地质质现象；（6）地下水水位的冻冻胀作用用的影响响；（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。主要影响因因素，可以以分为天然影响因因素及人为为影响因素素，其中，地地下水位波波动对地面面沉降具有有重要的影影响。天然影响因素主要有有两类：①海平面面相对上升升及土层的的天然固结结，导致地地表沉降；；②地震的的冲击作用用，引起地地面沉降。。人为影响因至少主要要有三类：：①抽汲地下下液体及表表层排水导导致地面沉沉降的有关关因素；②开采地下下深处的固固体矿藏，，也可能引引起地面沉沉降。③岩溶地区区，塌陷是是导致地面面沉降的主主要影响因因素。因过度开采采地下水，，中国华北北地区出现现世界罕见见的漏斗区，面积已经经达到4万平方公里里，目前仍仍在扩大之之中。华华北北平原形成成了30多个小漏斗斗区。河北北省、天津津市、山东东德州市的的漏斗区连连成一片，，面积为中中国之最。。在沿海地区区，漏斗区区域极易引引起海水内侵，咸水扩散散。秦皇岛市区已经遇遇到这一问问题。沧州，超采采地下水最最深已达９９５米，比比水平面低低七八十米米。上海1999年，中心城城区平均沉沉降量为10.74毫米。引起上海地地面沉降的的原因主要要是开采地地下水、市市政工程及及高层建（（构）筑物物的建设。。上海中心心城区的地地面沉降在在1921年－1965年为快速沉沉降时期，，年均沉降降37.6毫米，之后后的十几年年呈现缓慢慢沉降态势势。西安市一九九五年年以前，迫迫于西安市市生活用水水的紧张，，许多开采采承压水的的自备井纷纷纷涌现.城市规划区区出现七个个较大的下下降漏斗，，沉降幅度度最高超过过五百毫米米。著名的的大雁塔因因此而倾斜斜，建于明明代的西安安钟楼则下下沉了三百百九十五毫毫米。封井限采后后，地面沉沉降已大大大缓解。阜新新邱区区沉陷区地表表沉降深度度平均为１１.４３米，水水平移动距距离为０.４７４米。。沉陷区的道道路很有特特点，坑坑坑相扣，坡坡坡相连，，道路两侧侧的房屋、、院墙和地地面，随处处都能看到到裂缝，最最粗的裂缝缝手指都能能伸进去。。

地下下有“喀吧喀吧”的响声，似似闷雷。地面沉降研研究现状（1）地面沉降降机理分析经过若干学学者的研究究表明:抽水引起地地层压密而而产生地面面沉降,是有效应力力增加的结结果。（2）地面沉降降理论与模模型的发发展土层产生压压缩，一般般认为，固固结是主固结和次固固结两部分组成成。①经典弹弹性地面沉沉降理论②准弹性性地面沉降降理论取消了关于于含水层组组的渗透系系数K、比贮水系数数Ss、压缩系数Mv视为常数的假假设，仍采用用Terzaghi的一维竖向固固结理论的假假设。③地面沉降降的流变学理理论次固结作用对对地面沉降的的影响、粘弹性地面面沉降理论，，弹塑性地面面沉降理论。。本讲要点理解地下水位位的上升与下下降对岩土工工程的影响；；了解地面沉降降研究现状（3）抽水压密引引起地面沉降降的研究方法①黑盒模型完全以经验为为基础的方法法，所观察到到的地面沉降降与总抽水量量的有关。②非耦合模模型③半耦合模模型④完全耦合合模型抽水压密导致致地面沉降的的计算模型仅作了解。（1）Gambolati-Freeze模型；（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4人工回灌与地地面回弹对地下含水层层（组）进行行人工回灌，则有利于稳稳定地下水位位，并促使地地下水位回升升，使土中孔孔隙水压力增增大，土颗粒粒间的接触应应力减小，土土层发生膨胀胀，从而导致致地面回弹现现象，减缓地面沉降降已初步得控制制。地面回弹模型型的建立与求求解是一个非非常复杂的的系统课题。。10.2.5控制地面沉降降的措施1）统一制定经经济发展规划划；(绿色GDP)2）制定各种政政策，合理控控制开采地下下水；(经济杠杆)3）人工补给地地下水（技术术手段）4）治理措施（（滨海、滨江江地段）5）岩溶塌陷导导致地面沉降降的防治措施施（以防为主主，并结合填填充）10.3盾构掘进对环环境影响的理理论与预测10.3.1盾构掘进中的的环境问题10.3.2盾构掘进的扰扰动机理1）水和泥浆的的扰动地下水含量和和紊流运动状状态的改变，，泥水盾构大大量泥浆外排排回灌。2）对不良土层层的影响流砂，引起局局部土体坍塌塌。3）周围土体应应力状态的变变化原状土经历了了挤压、剪切切、扭曲等复复杂的应力路路径。盾构推进前方方土体分区图图其中①区土体应力状态态未发生变化化，土体的水水平、垂直应应力分别为σh，σv。由于推力引起起土体挤压加加载△σp，②区和④区区土体承受很很大的挤压变变形，②区△σh、σv均有增加；④区只有σh变化。③区土体受到大刀刀盘切削搅拌拌的影响，处处于十分复杂杂的应力状态态。土体扰动区对对应的摩尔圆圆土体扰动区对对应的摩尔圆圆Pz+Pw≤≤Pj，盾构推进对土土体的扰动是是不可避免的的4）土体性质的的变化扰动后土体的的本构关系、、物理力学参参数的必然变变化。覆土层出现附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）盾构掘进时时土体受施工工扰动的变形形与地表沉降降盾构掘进施工工引起的土体体

沉降机理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形形位移主要是是主固结压缩、、弹塑性剪切切以及粘性时时效蠕变三者之间的叠叠加与组合。。土体受扰动的的土层厚度△△r与隧道壁径向向位移δw间的关系为：：盾构轴线上方方地表中心沉沉降与土体受受施工扰动范范围的关系地表沉降与施施工条件的关关系地表中心总沉沉降与覆盖土土层厚度/隧道外径（H/D）及土层性质质的关系本讲要点人工回灌；盾构对周围土土体的应力影影响盾构引起地面面沉降的影响响因素10.3.4盾构掘进对土土体的影响范范围盾构掘进过程程可以看成是是柱孔扩张过过程。a为隧道半径;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）隧道轴线纠偏控制盾构掘进轴线线定位与设计计轴线尽可能能一致，减小小盾构纠偏量量，从而缓和因盾构纠偏对对周围土层的的剪切挤压扰扰动，也有利利于控制盾尾尾与管片背间间的间隙和地地层损失。水准仪、经纬纬仪——激光和陀螺仪仪的自动化测测量系统——测量千斤顶延延伸方向和量量值，配有旋旋转传感器的的导向仪控制盾构机的的位置和姿态态。(1)产生隧道轴线线走向偏差的的主要因素①分组千斤顶推推力不均衡；；②个别千斤顶顶漏油失控；；③开挖面挖土土不均衡；④管片拼装误误差；⑤管片纵、环环向螺栓松紧紧不对称；⑥沿环圈注浆浆压力不对称称；⑦浆液流动性性不理想；⑧工程地质条条件出现突变变或渐变；⑨盾构掘进速速度不正常等等等。隧道实际掘进进轴线与设计计轴线间的偏偏差，当水平平偏差或高程程偏差>30mm时，需要进行行纠偏。（2）改正纠偏的的措施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/欠挖量量；掘进速速度；；盾构千千斤机机推力力；舱舱压力力；管片后后背同同步充充填注注浆和和二次次压密密注浆浆和二二次压压密注注浆的的浆压压和浆浆量；；盾构每每次纠纠偏量量和总总的纠纠偏量量等。。变形控控制的的各有有关参参数为：地表总总沉降降（隆隆起））量；；差异沉沉降；；地层内内土体体竖向向位移移、沿沿盾构构周向向土体体位移移、盾盾构侧侧向土土体水水平移移；管片变变形与与走动动（移移位））等等等。变形控控制的的要求求为：预测、、预报报工程险险情