盾构施工引起的地表沉降和隆起-参考资料

盾构施工引起的地表沉降地表沉降的原因采用盾构法在软土地层中进行隧道施工，会引起地层移动而导致不同程度的地表沉降。即使采用当前先进的盾构技术，也难完全防止这种沉降。地面沉降达到一定程度时，势必会影响周围的地面建筑、地下设施和隧道本身的正常使用。因此，在需要控制地层移动的地区，进行盾构隧道施工时，必须了解地层移动的规律，尽可能准确地预测沉降量与沉降范围，判断沉降对附近建筑设施的影响程度，并分析影响沉降的各种因素，以求采取正确的工程对策。地表沉降的原因例如：南京地铁1号线某标在富水粉细砂地层盾构始发时出现两次流沙现象,

地面下陷1.5m。管 线破坏房屋倒塌地表沉降的原因盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动土体的固结沉降是引起地表沉降的主要原因。1.地层损失(1)定义：地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积(包括在隧道外围压注的浆体)之差。地层损失率以占盾构理论排土体积的百分比Vl(%)来表示。则单位长度地层损失为V

V(%)r20 l 0隧道周围的土体在弥补地层损失的过程中，发生地层移动，引起地面沉降。地表沉降的原因1.地层损失(2)地层损失类型 可分为三类：第一类：属于正常的地层损失，在施工中总会不可避免地引起一定的地层损失。一般来说这种地层损失可控制在一定限度之内，在此限度内，施工沉降槽体积与地层损失相等。在均匀地质中这种地层损失引起的地面沉降比较均匀。第二类：属于不正常的地层损失，是一种由人为因素而引起的本来可以避免的地层损失。如因开挖面超挖等等。这种地层损失将导致地面沉陷槽出现局部不均匀的现象。第三类：属于灾害性的地层损失，盾构开挖面发生土体急剧流动或暴发性的崩坍，引起灾害性的地面沉降。地表沉降的原因1.地层损失(3)引起地层损失的主要因素①开挖面土体移动当盾构掘进时，如果开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向应力，则开挖面土体会向盾构内移动，引起地层损失。当盾构推进时，如作用在正面土体上的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移动，而导致盾构前方土体隆起，这称为负地层损失。1.地层损失(3)引起地层损失的主要因素②盾构后退在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。③土体挤入盾尾空隙当盾尾离开衬砌时，在衬砌上方形成所谓的“建筑空隙”，由于向建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不适当，使得盾尾后的隧道周边土体失去原始三维平衡状态，而向这一建筑空隙中移动，引起地层损失。在含水不稳定地层中，这往往是引起地层损失的主要因素。地表沉降的原因1.地层损失(3)引起地层损失的主要因素④推进方向发生变化盾构在曲线上推进或纠偏、抬头推进和叩头推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，由此而引起地层损失。盾构轴线与隧道轴线的偏角越大，则对土体扰动和超挖程度及其引起的地层损失也越大。地层损失引起的沉降称为施工沉降，一般在1～2个月的时间内完成。地表沉降的原因2.受扰动土体的固结沉降固结沉降分为：主固结沉降和次固结沉降两种。(1)主固结沉降盾构推进中的挤压作用和盾尾的注浆作用会使隧道周围的地层中形成超孔隙水压力，这种压力在盾构施工后的一段时间内就会消失，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地表沉降，这种因孔隙水压力变化而产生的沉降，称为主固结沉降。(2)次固结沉降土体受到扰动后，土体骨架还会继续发生压缩变形，这是一种蠕变，在这种变形过程中产生的地面沉降称为次固结沉降。它的持续时间比较长，长的可持续几年以上。地表沉降的原因盾构施工引起位移的原因与机理沉降类型主要原因应力扰动变形机理Ⅰ初始沉降土体受挤压而压密孔隙水压力减小，有效应力增加孔隙比减小，固结"

盾构工作面前方变形工作面处施工压力：过大—隆起，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

盾构通过时沉降施工扰动，盾构与土体间剪切错动，出碴应力释放弹塑性变形Ⅳ

盾尾空隙沉降土体失去盾构支撑，管片背后注浆不及时应力释放弹塑性变形*

固结沉降土体后续时效变形应力松弛蠕变压缩地表沉降的原因盾构施工引起的地表沉降地表沉降的预测1.研究理论发展随着地下铁道在我国大中城市中的迅速发展，盾构法施工越来普及，对盾构法施工引起地面沉陷的研究也日益深入。最初的研究是沿用矿山开采中引起地面位移的分析方法，其中随机介质理论占有很重要的地位。美国学者派克(Peck,1969)将这一研究理论运用于盾构施工，提出了地层损失的概念和估计地面沉降的实用方法。此后不少学者做了大量的工作，使之不断地完善，成为一种最常用的估算盾构法正常施工引起地面沉降的方法。2.地表横向沉降槽沿盾构前进路线的地表形成沉降槽，可以从沉降槽的横向和纵向两个方面来研究它的影响范围。Peck认为，施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉降槽的体积应该等于地层损失的体积。根据这个假定，派克提出了盾构施工引起施工阶段地面沉降的估算方法。该法假定地面沉降的横向分布呈正态分布曲线，这已为量测数据所证实，见图7-49所示。地表沉降的预测地表沉降的预测2.地表横向沉降槽r0SmaxW=2.5i

i

x反弯点图7-31

地表横向沉降曲线)22ix

2V(

X

)S 0 exp(2i2.5imaxV0

V0S 2i2.地表横向沉降槽横向分布的地表沉降量估算公式(派克法)：(7-34)(7-35)式(7-34)表示的沉降曲线，其反弯点在x=i处，该点出现最大沉降坡度S’max。在x=

3i及x=0处，出现最小曲率ρmin半径，这两处沉降量分别为0.22Smax及Smax

。地表沉降的预测r0反弯点W=2.5iSmax

i

x图7-31

地表横向沉降曲线3.地表纵向沉降槽通常盾构前方的土体受到挤压时可能会发生向上的移动，从而使地表有一定程度的隆起，而当盾构继续向前推进后，导致土体隆起的挤压力消失，再加上前述有关因素使得地表下沉，因而沿隧道纵向轴线的地表沉降曲线如图7-50所示。地表沉降的预测固结沉降隆起工作面施工沉降盾

构最终沉降量图

7

-

3

2地

表

纵

向

沉

降

曲

线图7-503.地表纵向沉降槽派克也给出了地表纵向沉陷曲线的估算公式，但它只对盾构工作面前后一定范围有意义。因一般都认为地表三维沉陷槽呈均匀分布，因而当距工作面一定距离后，纵向沉陷槽的深度就恒定为横向沉降槽的最大深度。纵向沉降曲线估算公式比较复杂，为方便使用，派克还制定了相应的数据表格供使用。7.7.2 地表沉降的预测3.地表纵向沉降槽此外，还可以采用弹性介质有限元方法分析地表沉陷。7.7.2 地表沉降的预测7.7 盾构施工引起的地表沉降减少地表沉降的措施为减少地表沉降，可采取的措施有：

1.盾构尽可能地连续推进，不要中途停顿。2.谨慎地控制开挖土体量，不要为了抢进度而过多地开挖。3.要有及时而有效的对正面土体的支撑。4.在盾尾对衬砌环形缝隙进行全面压浆。在地下水强烈向缝隙涌水的条件下，用水泥和水玻璃双液浆；5.对地下水的处理是控制沉降的关键之一。如何决断取决于盾构的类型；6.在盾构推进过程中要密切监视土体的变形情况，以便及时采取工程措施。盾构施工事故分析南京地铁二号线元通站南京地铁二号线元通站与隧道接合处，当盾构掘进到到达井处（洞门端头墙已凿除），突然出现涌砂，半小时内就引起了地面较大沉降，由于隧道里与地面通信不连通，抢险工作滞后，涌沙持续加大，出现管片严重错台，最大处达15cm，随后造成盾构机和管片脱开，涌沙涌泥十分严重，最后整台盾构机被埋在隧道里，地面出现大面积塌方，塌方坑的长度约100多米，宽约40~50米。最深处有5米左右。到达端地质全断面粉细砂层地层富有承压水，水压力大南京地铁二号线元通站事故原因事故直接导致地面发生大幅沉陷，

沉陷漏斗中心位于盾构尾部。最大约沉陷约5m，影响的区域长度超过100m。险情发生后，元通路车站南端头井内采用混凝土浇灌至中板高度，中和村路站西端头始发井洞门施工混凝土塞头封闭，

隧道内注水约11459m3，

以保持隧道洞内外水土压力平衡。对塌陷路面回填土体3013m3，

盾构机以及车架均在塌陷的区间隧道内。事故后经初步勘探损坏的区间隧道长约120m，

120m～150m范围隧道沉降值接近20cm。南京地铁二号线