沉降控制-原理与案例课件

沉降控制——原理与案例

沉降控制——原理与案例

1、前言2、地基沉降（或隆起）的原因与发生机理3、地基变形的规律4、防止地基变形的措施和施工实例5、几点体会沉降控制——原理与案例

１、前言近几年来，我国城市轨道交通（地铁）建设的发展十分迅猛。地铁隧道的施工工法有明挖法、矿山法和盾构法等工法。盾构法具有施工速度快、地基沉降变形小等特点。随着盾构法隧道施工技术的发展和人们对盾构隧道施工工法的认识的加深，盾构隧道施工法正日益得到广泛的使用,仅广州地铁三号线就投入了21台次盾构施工，四号线投入了12台次盾构机施工，地铁五号线投入了18台盾构机施工，六号线将投入16台次施工。盾构法施工产生变形（沉降或隆起）是不可避免的，因而其沉降控制的重要性就不言而喻了。由盾构施工所导致的地基变形的大小，因线路、覆土厚度、盾尾空隙量等设计条件、地基条件而异。但是，通过选择适当的施工方法和加强施工管理，一般可以把地基变形控制在最小限度以内。为此，应选择适合地基并具有开挖面稳定装置的盾构型式，进行认真的推进管理，同时妥当地进行一次衬砌、壁后注浆，做好施工地基变形控制。2、地基沉降（或隆起）的原因与发生机理2．1开挖时的水、土压力不均衡土压平衡式盾构或泥水加压式盾构，由于推进量与排土量不等的原因，开挖面水压力、土压力与压力舱压力产生不均衡，致使开挖面失去平衡状态，从而发生地基变形。开挖面的土压力、水压力小于压力舱压力时产生地基下沉，大于压力舱压力时产生隆起。这是由开挖时开挖面的应力释放，附加应力等引起的弹塑性变形。2．2推进时围岩的扰动盾构推进时，由于盾构的壳板与围岩摩擦和围岩的扰动从而引起地基下沉或隆起。特别是蛇行修正和曲线推进时引起的超挖，是产生围岩松动的原因。2．3盾尾空隙的发生和壁后注浆不充分由于盾尾空隙的发生使盾壳支承的围岩朝着盾尾空隙变形而产生地基下沉。这是由应力释放引起的弹塑性变形。地基下沉的大小受壁后注浆材料材质及注入时间、位置、压力、数量等影响。另外，粘性土地基中的壁后注浆压力过大是引起临时性地基隆起的原因。2．4一次衬砌的变形及变位接头螺栓紧固不足时，管片环容易变形，盾尾空隙的实际量增大，管片从盾尾脱出后外压不均等使衬砌变形或变位，从而增大地基下沉。2．5地下水位下降来自开挖面的涌水或一次衬砌产生漏水时，地下水位下降而造成地基下沉。这一现象是由于地基的有效应力增加而引起固结沉降。

图3.1盾构推进时地基变形的分类施工过程中可通过监测结果来确认这些现象的有无及其程度，修正后续区段的施工方法。①先期沉降：是在盾构机到达前发生的下沉。对于砂质土，先期沉降是由地下水位下降引起的。对极软弱粘土，先期沉降则由于开挖面的过量取土而引起的。②开挖面前部下沉（隆起）：是在盾构开挖面即将到达之前发生的下沉或隆起。开挖面的水土压力不平衡是其发生的原因。③通过时下沉（隆起）：盾构通过时发生的下沉或隆起。盾构外周面与围岩发生摩擦，或超挖使围岩扰动是其发生的主要原因。④盾尾空隙下沉（隆起）：盾尾刚刚通过发生的下沉或隆起，是由于盾尾空隙的产生引起应力释放或壁后注浆压力过大而产生的。地基下沉的大部分都是这种盾尾空隙下沉。⑤后续下沉：是软弱粘土中出现的现象，主要是由于盾构推进引起整个地基松弛或扰动而发生的。可持续到盾构通过后3～4个月。3．2隧道横断面方向的沉降由盾构的推进引起的横断方向的最终地基下沉分布，一般以隧道为中心单向横坡，近似于倒立的标准概率曲线的形状（图3.2为某区间实测横断面沉降曲线图）。其影响范围大致保持以盾构下端处起的仰角45°＋φ/2扩散区域内（其中φ为土体的内摩擦角，砂土的内摩擦角变化范围28~40°，粘性土的内摩擦角变化范围0~30°）。一般情况下，影响范围考虑仰角45°即可。3．3地基变形的大小地基下沉量的大小与传递状况、地基条件、施工情况和覆土比(覆土厚度与盾构直径比)等因素有关。洪积性地基和冲积性砂土时，地中下沉在传递到地表的过程中减少。而冲积性粘性土正相反，盾构通过后，下沉还长时间继续（达几个月），即使覆土比大，最终地表下沉与地中下沉一样。4、防止地基变形的措施和施工实例4．1地基变形的预测与监测为了减少地基变形，盾构推进前事先根据过去的实绩和有限单元法等进行预测，以预测结果为依据来设定管理基准值。同时，在推进时，要在隧道中心向上及其两侧范围内设定监测点，进行水准测量，并根据监测结果指导施工，调整施工参数，总结经验，应用到后续区段的施工管理中。+10mm～-30mm。盾构法施工地基变形的产生，归根结底主要是由于施工时地层的变化—即地层的损失（分正、负）而造成，而地基变形的产生是有个过程的。因此，控制地层的损失，及时补偿地层的损失，是控制地基变形的主要措施。4．2开挖过程中水土压力不均衡的防止措施土压平衡式盾构可通过调整推进速度和螺旋式排土器的转速，使土舱压力与开挖面土水压力相对应。另外可根据需要，注入适当的添加剂增加开挖土的塑性流动性，使压力舱内不产生空隙。泥水加压式盾构可根据围岩的透水性来调整泥浆性状，并仔细进行泥浆管理，使压力舱压力始终对应于开挖面的土水压力。通过控制土舱压力可达到控制开挖面前部下沉（或隆起）目的，对总的沉隆控制具有较重要意义，最好是控制开挖面前部不产生下沉或略有隆起（≯5mm）。实施这些开挖面稳定管理的同时，还应根据需要研究采用辅助施工方法以保证围岩的稳定。4．5一次衬砌的变形防止措施为了防止管片环变形，必须使用形状保持装置（如保园器）等来确保管片组装精度，同时充分紧固接头螺栓，必要时要作二次紧固。4．6地下水位下降的防止措施为了防止从管片接头、壁后注浆孔等漏水，必须仔细进行管片的组装及防水作业，做好连接螺栓的紧固工作。施工过程中，盾构机的螺旋输送器、盾尾密封刷等必须保持良好的密封性能，防止失效漏水。对完成施工的隧道渗漏水，必须及时采取措施进行堵漏。4．7其他盾构法施工的不同阶段会有不同的工况，必须有针对性地采取措施，把沉降控制在最小限度以内。4．7．1盾构法施工的始发与到达盾构始发或到达端几米范围内，一般都事先进行了加固或者地层地质条件较好，但加固范围比盾构主机短，盾构机刀盘直径比盾体大（如客大区间使用的盾构机，为了减少推进过程中盾构与围岩之间的摩擦，盾构机机型设计为锥形，前大后小。刀盘开挖直径为：6280mm，盾构切口环（前体）外径为：6250mm，盾构支承环（中体）外径为：6240mm，盾尾外径为：6230mm。），开挖出来的轮廓比盾体外径大，使始发掘进时加固体前开挖掌子面的地下水通过盾体外周的空隙流向洞门。到达贯通时加固体后的地下水也会流向洞门，如果有淤泥或含水砂层等软土层，则很容易产生水土流失，造成地面发生较大沉降，甚至产生塌方。因此，首先，必须保证始发与到达洞门橡胶帘布的密封效果；其次，管片脱出盾尾后应及时注浆充填。4．7．2施工过程中的刀具更换施工过程中刀具磨损到一定的程度或者为了适应不同的地层，都必须进行换刀。换刀通常在欠压状态下进行，此时容易造成开挖面失稳，甚至发生塌方，地基变形。因此，必须选择合适的地质条件和地面环境的地点进行换刀，或者预先对地层进行加固后换刀，又或者采用压气作业等措施进行换刀。4．7．3过重点保护的建（构）筑物的措施重点保护的建（构）筑物离隧道较近，对地基变形很敏感，控制不好容易发生较大的沉降或隆起而遭到损坏，因而对沉隆的控制要求较高。因此，对这类建（构）筑物必须预先调查了解清楚（包括地面环境、地基与基础、隧道穿越的地层等），制定切实可靠的方案后方可实施。往往是几种措施都同时用上，并有应急预案。通常的做法是：采取土压平衡模式掘进；连续、快速、均衡推进；及时、足量注浆（根据监测结果，必要时作二次注浆）。

盾构穿越广州火车站站场，越～三区间右线隧道YCK16+745.5～YCK16+910.5长165m区段穿越广州火车站站场的十四股轨道；左线ZCK16+768～ZCK16+925.5长157.5m区段穿越广州火车站站场的十四股轨道。隧道在此位置穿越的主要地层为中风化岩层〈8〉和强风化岩层〈7〉，隧道埋深15m～20m。要求“盾构掘进通过火车站时，轨面沉降值不得超过10mm，两股钢轨水平高差不得超过4mm，且在任何情况下，最大隆起量不得超过+10mm。”根据地质状况和隧道周边施工环境，经计算采用0.069MPa～0.079Mpa的土舱压力掘进（后施工的左线比右线提高0.01MPa～0.02Mpa），快速通过，盾尾同步注浆。施工完毕后最终实测沉降最大值为5.4mm，两条钢轨面高差为1mm，完全满足有关要求，效果很理想。4．8．2广州地铁二号线赤～鹭区间盾构隧道施工沉降控制

赤～鹭区间盾构隧道由两条并行单线隧道组成，左右线隧道总长4342.3m，线间距8～12m，隧道埋深8～14m，采用两台德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构（EPB）机施工，实行盾尾同步注浆（砂浆）。隧道洞身穿越的岩土层以II（〈4〉、〈5〉）、III（〈6〉、〈7〉）类围岩为主，局部为IV（〈8〉）、V（〈9〉）类围岩。上覆岩土层从上到下主要为：松散、稍湿的人工杂填土层〈1〉；可塑～硬塑状，粘性强的粘性土及粉土〈4〉；可塑状态的粉质粘土和稍密状的粉土〈5-1〉；硬塑～坚硬状的粉质粘土及呈中密～密实状粘土〈5-2〉；较密实、坚硬、含少量砾石的岩石全风化带〈6〉；强风化的砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩〈7〉等。地下水为平均埋深1.75m。区间线路基本沿新港中路（城市交通主干道）两侧非机动车道下通过，隧道上方路面交通繁忙，道路两侧地下管线和地面建筑物众多。隧道常常需在建(构)筑物基础下方或侧面通过，其中，新南方购物中心（为7层钢筋混凝土结构，柱下独立天然基础，基础埋深1.8m～2.1m）基础底部距隧道最近距离仅7.79m，客村立交桥(该桥为3层钢筋混凝土结构)桥基(为钻孔灌注桩)侧面距隧道最近距离仅0.9m。赤～鹭区间地面通视条件较好，便于监测布点，采集数据，实行信息化施工。施工中基本上是沿隧道中线上方每隔5m布设一个沉降观测点，每隔20m建立一个垂直于隧道中线的监测横断面，并以隧道中线为中心在地面上均布5个（每条隧道）间距5m的沉降监测点。施工中，充分利用监测数据指导施工，采取了敞开模式、半敞开模式和土压平衡模式掘进。在存在软弱地层且周边环境对地面沉降要求较高时，采用土压平衡（P1一次是在过新南方购物中心之前约60m处的新港中路381#汕头建安公司简易房4#、5#两监测点发生较大的沉降量，其中5#点累计沉降量-49mm，4#累计沉降量-20mm，其它在-2mm~-7mm之间。由于4#，5#点沉降量过大，造成房屋砖墙开裂，裂缝最大宽度约15mm，屋内地面明显塌陷。这是由于没用好土压平衡掘进和未能进行及时、足量注浆造成的（注浆系统故障）。本次沉降使大家引起了足够的重视，从而变坏事为好事，保证了过新南方购物中心不出事。另一次是基本过完立交桥后在引桥桥脚处发生的，该处隧道开挖的岩土层是〈6〉、〈7〉地层，由于刀具已磨损较严重，需在此处进行换刀，当时已把全部旧滚刀拆下，但因新刀未及时到货而耽搁了3天时间，结果开挖掌子面发生局部坍塌，从而引起地面发生较大沉降（左线从ZDK5+830～ZDK5+850的20m范围地面，沉降值在-41mm~-192mm之间），造成引桥落地部分的桥台侧墙开裂。由于及时采取了应急加固措施，沉降得到了有效控制，这局部较大的沉降并没有波及到立交桥桥墩。这是由于换刀时土舱内土体已清空，〈6〉、〈7〉地层稳定性差，开挖面历经较长时间后失稳产生局部坍塌，从而引起地面较大沉降造成。这两次事件的教训是深刻的。本区间对工商银行新窖办事处、赤岗东小学、金瑞麟大酒店、纺织机械厂宿舍、新南方购物中心、客村立交桥等建筑物和部分管线进行了重点监测。从监测结果看，其建筑物沉降值都很小（8mm以内），管线沉降值有一监测点达到-30mm，但该水管未受破坏。结果说明，只要加以严格控制，盾构施工是可以把沉降控制在最小限度以内的。而发生较大沉降的地方，往往都是因为非正常掘进，未加以重视，或掘进参数没控制好造成的。采用一台德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构（EPB）机，实行盾尾同步注浆（砂浆）施工。根据本工程的具体特点，施工中在穿越全断面为〈8〉、〈9〉较坚硬地层，且隧道顶以上有较厚的〈8〉、〈9〉层，隧道埋深较大的地段，采用敞开模式掘进，并及时、足量注浆；在穿越全断面为较软弱岩土层，且隧道埋深较浅地段，采用土压平衡模式掘进（土舱压力取0.10MPa～0.16Mpa，根据监测结果作适当调整），并及时、足量注浆，必要时作二次注浆；在其他地段采用半敞开模式掘进。由于合理地选择了掘进模式和掘进参数，获得了理想的效果，有效地控制了地表沉降，地表及建筑物的沉降值基本上都控制在＋10mm～－30mm以内，绝大部分都在10mm以内，确保地面建筑物安全。

但是，在始发后离始发端21m处的一栋楼房（A194栋，人工挖孔桩基础）还是出现了最大达38mm的沉降，主要是在刀盘到达处至管片完全脱出盾尾后第一天这段时间（2天）内发生，所幸的是沉降较均匀，并未对楼房造成危害。出现较大沉降后，立即采取了盾尾补注浆、利用吊装孔进行二次注浆等措施，有效地控制了沉降的进一步加大，保证了建筑物的安全。该处穿越的地层是〈5-1〉、〈5-2〉、〈6〉层，上覆岩土层是〈5-1〉、〈4-1〉、〈4-2〉、〈2-1〉、〈1〉地层，隧道埋深约11m。经分析，主要是由于所取的土舱压力偏低（0.07～0.08Mpa，后调整为0.11～0.12Mpa），注浆没做好，且浆液初凝时间也较长（8小时，后调为5小时）造成。随后，及时调整了掘进参数和注浆参数，之后的掘进就较好地控制了沉降值。4．8．4广州轨道交通三号线大～沥区间盾构隧道施工沉降控制左线始发后第14～18环的较大沉降。本区间大塘站始发端头离淋沙涌河边很近（约32m），挖至第18环到达河边时，在盾尾处地面，监测发现C8845-5测点出现了较大的沉降，且沉降速率较大，从7月8日下午16时至7月9日下午15时（相隔时间23小时），发现监测断面C8845(注：原监测断面编号为C8859)部分监测点（C8845-3，C8845-4，C8845-5，C8845-6，C8845-7）的沉降值和沉降速度超过警戒值。其中测点C8845-5的沉降值增加了63.84mm，其累计沉降值已经达到了66.73mm，到7月11日下午15：30施工期间地表建（构）筑物沉陷观测数据，断面监测点C8845部分测点累计下陷仍然严重超标，沉降速度仍然较大，其中5#点累计下沉已达119.65mm，淋沙涌水面连续出现冒泡冒浆现象，并造成地面工地围墙及临设房子砖墙开裂（见照片）。该处地质情况见图4.8.4-1。隧道开挖的地层是〈6〉、〈3-2〉，上覆岩土层是〈3-2〉、〈2-2〉、〈2-1〉、〈1〉地层。这主要是由于该处地层较软，在盾构始发试掘进阶段，注浆参数没调好，注浆系统不正常，出现堵管，未能及时、足量注浆并保证注浆质量而造成的。通过采取从地面注双液浆和洞内二次注浆等手段，控制了沉降的发展。图4.8.4-1淋沙涌地质横断面图图4.8.4-2地表沉降曲线

过淋沙涌时河面冒泡照片房子砖墙开裂1房子砖墙开裂2变压器地面开裂1变压器地面开裂2左线在171、181环处果园里的地面塌陷：a.塌陷过程及基本情况2003年8月16日左线正推进171环（ZDK9+085）时，推进速度明显降低，线路左侧突发地表沉陷，沉陷面积约40平方米，塌陷深3.0米；2003年8月23日推进181环（ZDK9+100）时，线路左侧又再次发生地表沉陷，沉陷面积约30平方米，塌陷深2.5米。两次塌陷均在刀盘位置附近。塌陷处线路间距为13.0m,隧道纵断面埋深13～14m，位于-29‰的下坡直线段，地表无建（构）筑物及地下管线通过，为果园区。塌坑的平面位置及图像见下图。地面塌陷位置平面示意图塌陷照片1塌陷照片2塌陷照片3塌陷照片4塌陷照片5塌陷照片6塌陷照片7塌陷照片8根据《岩土工程勘察报告》，塌坑盾构机处岩土层自上而下依次为：〈1〉耕植土层，厚0.5～1.7米，〈2-1〉淤泥砂土层，厚2.0～3.0米，〈3-2〉砂层，厚5.4～5.7米，〈7〉强风化层夹〈6〉全风化层，厚4.0～5.4米，洞身穿越主要为〈7〉强风化层夹〈6〉全风化层，〈8〉中风化层，〈9〉微风化层。明显缺失〈5〉隔水地层。地下水埋深0～3米。根据隧道洞身设计位置，塌陷处的隧道穿过<2-1>，<3-2>、<6>、<7>、<8>、<9>六个岩土层，其中的<2-1>、<6>，<9>为不透水～微透水层，岩体中基本无水，可视为隔水层；；<3-2>是冲、洪积形成的中、细砂层，为中等透水层，渗透系数K=4.6～5.7m/d；<7>、<8>是岩层强风化、中等风化带，岩性为泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，为弱～中等透水层，渗透系数K=0.75～1.45m/d。为准确掌握工程地质、水文地质情况，承包商分别在刀盘前1.5米的1号点（ZDK9+104）及塌坑2号（ZDK9+101）,3号点（ZDK9+094）进行了补充地质钻探。从补钻结果看，刀盘前方开挖面大部分为〈8〉中风化岩层和〈9〉号微风化岩层，洞身上半部为〈7〉强风化层夹〈6〉全风化层，洞顶上覆土层依次为<7>号强风化层夹〈6〉全风化层,<3-2>砂层，〈2-1〉淤泥砂土层，〈1〉耕植土层。显然刀盘处于典型的上软下硬的特殊地层。根据左线盾构机推进原始记录显示，当盾构机推进至ZDK9+071（161环）～ZDK9+100（181环），推进速度减慢，土仓压力、推力、扭矩增大（推进速度减慢至2～6mm/min,推力达10000KN以上，扭矩达2000KN.m以上），螺旋输送机出土闸门压力增大，当打开螺旋输送机出土闸门时，以水为主，水、砂、泥及碎石从出土口喷涌而出，在停止排土时，地层中的水很快充满土舱内，土舱压力迅速上升（达到1.3bar左右，正好与该处的地下水压力相当），螺旋输送机出土闸门压力也随即迅速上升，当打开闸门又发生喷涌，推进过程中多次因扭矩、油温升高而跳闸停止推进，造成盾构机无法正常推进。从出土的碴样分析，含水量较大，占体积的60％以上，中、细砂占体积的25％以上，其余为碎石及泥土，碎石中明显出现了〈8〉中风化层，〈9〉微风化岩层的特性。根据以上现象可推断，盾构机刀盘、土舱已与上覆砂层连通。b.塌陷的原因分析

根据盾构机的设计掘进能力及其对始发试掘进段的地质条件的适应性，始发段刀盘刀具布置为软岩刀具，除了刀盘边缘设了5把滚刀以外，其余均为齿刀和刮刀。2003年8月16日左线正推进171环（ZD