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1、城市地铁区间隧道 盾构施工监测技术 6 1盾构法施工地层变形理论 6 1 1盾构法施工简介 盾构法施工概貌如图6 1所示 其主要步骤为 1 在盾构法隧道起始端和终端各建一个工作井 2 盾构在起始端工作井内安装就位 3 依靠盾构千斤顶推力 作用在已拼装好的衬砌环和 工作井后壁上 将盾构从起始工作井的墙壁开孔处推出 4 盾构在地层中沿着设计轴线推进 在推进的同时不 断出土和安装衬砌管片 5 及时向衬砌背后的空隙注浆 防止地层移动和固定 衬砌环位置 6 盾构进入终端工作井并被拆除 如施工需要 也可 穿越工作井再向前推进 图6 1盾构法施工概貌图 盾构机刀盘 盾构机始发 盾构管片 6 1 2盾构施工地
2、层变形的原因 造成地表沉降的主要原因包括两个方面 其一是盾构 施工过程中产生的地层损失 其二是盾构隧道周围受扰动 或受剪切破坏的重塑土的再固结 6 1 2 1地层损失 地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道 体积之差 周围土体在弥补地层损失中发生地层移动 引 起地面沉降 引起地层损失的施工及其他因素是 1 开挖面土体的三维移动 2 盾构对土体的挤压和剪切摩擦 3 盾构刀盘的超挖 4 改变推进方向引起的超挖 5 土体挤入盾尾空隙 6 盾尾同步注浆与及时注浆 6 1 2 2受扰动土的固结 盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后 便在盾构隧道 的周围形成超孔隙水压力区 正值或负值 当盾构离开该 处
3、地层后 由于土体表面压力释放 隧道周围的孔隙水压 力便下降 在超孔隙水压力释放过程中 孔隙水排出 引 起地层移动和地面下降 此外 由于盾构推进中的挤压作 用和盾尾后的压浆作用的施工因素 使周围地层形成正值 的超孔隙水压区 其超孔隙水压力 在盾构隧道施工后的 一段时间内消散 在此过程中地层发生排水固结变形 引 起地面沉降 土体受扰动后 土体骨架还会有持续很长时 间的压缩变形 在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉 降 在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中 次固 结沉降往往要持续几年以上 它所占的沉降量比例可高达 35 以上 从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出 控制盾 构施工参数如推力 推速
4、 正面土压 同步注浆量和压力 等 可有效地抑制其引起的地面沉陷 盾构推进引起的地层移动因素有盾构直径 埋深 土 质 盾构施工情况等 客观因素 隧道线形 盾构外径 埋深等设计条件和 土的强度 变性特性 地下水位分布等地质条件 主观因素 盾构的形式 辅助施工方法 衬砌壁后注 浆 施工管理等情况 6 1 3地层位移的特征 按地层沉降变化曲线的情况 盾构隧道施工引起的地 层位移可分为5个阶段 1盾构到达前的初始沉降 2盾构到达时的沉降或隆起 3盾构通过时的推进沉降 4盾构通过后的盾尾空隙沉降 5地层后期固结变形 一般来说 随着地质条件和施工措施的不同 上述各 种沉降并不同时发生 并且沉降的大小和类型也
5、不相同 随着盾构施工技术水平的改进 盾构机对正面土压力的控 制技术和同步注浆技术可以极大的减小地面沉降 6 1 4地面沉降及影响范围的预测 派克横向地面沉降分布公式为 距隧道中线处的地面沉降量 m 隧道中线处 即 的地面沉降量 m 距隧道中线的距离 m 沉降槽宽度系数 即沉降曲线反弯点的横坐标 m 派克并假定横向沉陷曲线为正态分布曲线 当横向沉陷曲线为正态分布曲线时 和沉降槽体积 一般 认为横向沉降槽体积等于地层损失 有下列关系 横向沉降槽宽度系数取决于接近地表的地层的强度 隧道 埋深和隧道半径 根据在均匀介质中的试验 可以从几何关系 中近似地得出 派克纵向沉降分布 根据上海软土隧道情况修正
6、公式 图6 2地面沉降量及范围预测图 沉降影响范围估算公式 地面至开挖面中心距离 m 隧道外半径 m 系数 见表6 1 土质 盾构类型 砂砾土 砂性土 粘性土 气压式盾构 0 900 550 601 151 250 65 土压平衡式盾构 0 950 600 651 201 300 70 泥水加压式盾构 1 000 650 701 251 350 75 表6 1 系数 表 6 2盾构隧道监测的意义和目的 由于盾构所穿越的地层地质条件千变万化 而施工前 的工程地质勘察的局限性 依据工程地质勘察不可能完全 揭示地质条件和岩土介质的物理力学性质 因此盾构法的 设计和施工方案总是存在一些不足 通过对盾构
7、推进全过 程的监测 掌握由盾构施工引起的周围地层的移动规律 将监测结果及时反馈 合理调整施工参数和采取技术措施 可以极大的减小地层位移 确保邻近建筑物的安全 施 工监测是对周围环境进行积极保护的一个关键措施 是安 全经济的完成整个隧道工程的一个重要保证条件 施工监测的主要目的是 1 通过对监测数据的分析 处理 掌握隧道和周边地层稳定性 变 化规律 确认或修改设计或施工参数 减少地表和土体变形提供依据 2 以信息化施工 动态管理为目的 通过监控量测了解施工方法和 施工手段的科学性和合理性 以便及时调整施工方法 保证施工安全 3 根据监测结果 预测下一步的地表和土体变形 以及对周围建筑 物及其它设
8、施的影响 为采取合理的保护措施提供依据 4 检查施工引起的地面沉降和隧道沉降是否达到控制要求 5 控制地面沉降和水平位移及其对周围建筑物的影响 以减少工程 保护费用 6 建立预警机制 保证工程安全 避免结构和环境安全事故造成工 程总造价增加 7 为研究岩土性质 地下水条件 施工方法与地表沉降和土体变形 的关系积累数据 为改进设计提供依据 为类似工程提供经验参考 8 发生工程环境责任事故时 为仲裁提供具有法律意义的数据 6 3盾构隧道监测内容及项目选取 6 3 1岩土介质和周围环境的监测 岩土介质和周围环境的监测包括 地下水监 测 土体变形监测 附近建筑物的监测等内容 1地下水监测 根据对地下水
9、的监测结果 可提出开挖面可能失 去稳定的警报 可以检验降水效果 并能为使用压 缩空气的压力提供依据 还有益于改进挖土运土等 施工方法 监测地下水情况的工作内容包括 地 下水位变化和孔隙水压力的监测 监测井点降水 效果 监测隧道开挖面 隧道及其它渗流处的地 下水渗流水量及带有土粒的渗流 2土体变形监测 土体变形观测可包括如下项目 1 地表变形 用普通水准仪观测隧道中心线上预设的地表桩以及观 测与隧道中心线相垂直的地表桩 进行纵向和横向地面变 形监测 2 地下土体沉降 观测盾构顶部正上方土体中一点的沉降量和在盾构正 上方的垂直线上几个点的沉降量 以确定影响地层损失的 因素 特别是对盾构正上方一点的
10、沉降观测 比观测地表 沉降更为敏感 对确定施工因素更为有效 为了研究的目 的 还要观测离开盾构中心线的深层土体的沉降量 3 地表水平位移及应变观测 这种观测主要是对设在垂直于隧道轴线的断面上的地 表桩进行观测 以随时分析建筑物的安全问题 4 地下土体的水平位移量测 沿盾构前方 两侧设测点 用测斜仪以量测盾构推进 中由于扰动引起的土体水平位移 从中可研究减少盾构扰 动的施工措施 5 土体回弹观测 为了观测在盾构施工中盾构底部以下土体的回弹量 以 分析这种回弹量可能引起的隧道下卧土层的再固结沉陷 这 种隧道的再固结沉陷也要引起地表沉降 可在盾构前方的 一侧埋设深层回弹桩 6 盾尾空隙中坑道周边向内
11、移动的观测 通过衬砌环上的压浆孔 埋置观测桩于衬砌环外的土 体中 观测隧道周边土体自开始脱出盾尾后的位移发展过 程 了解土体挤入盾尾空隙的速度 根据观测结果 及时 调整隧道内的气压压力或改进压浆工艺 以尽量减少盾尾 空隙导致隧道周边的内移 从而减少对隧道周围土体的扰 动及地表沉降 3附近建筑物的监测 对附近建筑物的监测可以确定施工对建筑物的影响 保证重要建筑物和公用设施的安全和正常运用 并对处理 损坏问题取得法律依据 监测包括 监测建筑物在盾构穿越前后的变化 建筑物在施工过程中的沉降监测 建筑物的水平位移及应变量测 建筑物墙身和地板的倾斜观测 公用管道的应变观测及其地基沉降和水平位移观测 当穿
12、越铁路时 监测两条轨道的轨面和轨道枕木下地基面 的沉降量 水平位移 沉降差及沉降速率 6 3 2盾构隧道结构的监测 盾构隧道结构的主要监测内容包括 隧道各衬砌环自脱出盾尾后的沉降观测 隧道应变的量测 包括用应变计量测结果计算结构构件 的轴力和弯矩 隧道收敛位移量测 隧道外侧的水土压力或水压力的量测 预制管片凹凸接缝处法向应力量测 6 3 3施工进程中的监测 为了能够充分分析各种问题和现象 并且为施工阶段 控制盾构的姿态提供资料 需要有一整套有关施工程序的 记录与相应的观测数据记录 每环隧道施工记录应包括以 下项目 记录各环压浆时间 点位 压力 数量及浆配比 盾构偏离设计轴线的水平及垂直偏差 盾
13、构千斤顶推进记录 包括各环每一次推进的开始和停止 时间 干斤顶开启只数 编号和压力 从设计图中估计曲线隧道的理论土层损失 仔细量测并记 录排土量 影响观测数据的环境因素 如温度及附近的施工活动等 意外的不正常土层损失 序号 监测对象 监测类型 监测项目监测元件与仪器 1 隧道结构 结构变形 隧道结构内部收敛 收敛计 伸长杆尺 隧道 衬砌环沉降 水准仪 隧道洞室三维位移 全站仪 管片接缝张开度 测微计 结构外力 隧道外侧水土压力 压力盒 频率仪 隧道外侧水压力 孔隙水压力计 频率仪 结构内力 轴向力 弯矩 钢筋应力传感器 频率仪 环向应变计 螺栓锚固力 管片接缝法向接触力 钢筋应力传感器 频率仪
14、 锚杆轴力计 2 地层 沉降 地表沉降水准仪 土体沉降分层沉降仪 频率仪 盾构底部土体回弹深层回弹桩 水准仪 水平位移 地表水平位移经纬仪 土体深层水平位移测斜仪 水土压力 水土压力 侧 前面 土压力盒 频率仪 地下水位监测井 标尺 孔隙水压孔隙水压力探头 频率仪 相邻环境 周围建 构 筑物 地下管线 铁路 道路 沉降水准仪 水平位移经纬仪 倾斜经纬仪 建 构 筑物裂缝裂缝计 表6 2盾构隧道施工监测项目和仪器 6 3 4监测项目的选取 盾构法隧道施工监测项目的选取一般要根据每个工 程的具体情况 特殊要求 经费投入等因素综合确定 目的是要使施工监测能最大限度地反映周围土体和建筑 物的变形情况
15、避免出现周围环境的破坏 监测项目的 选择时 考虑因素较多 如施工场地的工程地质和水文 地质情况 盾构隧道的设计方案和施工工艺 隧道施工 影响范围内建筑物 构筑物 或大型公用管道与隧道轴 线的相对位置及其结构特点等 另外设计提供的变形控 制值和安全储备系数也是考虑因素之一 这里需要注意 的是施工进程中的施工观测和记录 在所有情况下都是 需要的 监测项目 地 表 沉 降 隧 道 沉 降 地 下 水 位 建筑物 变 形 深 层 沉 降 地 表 水 平 位 移 深层位移 衬砌变形和沉 降 隧道结构内部收敛等 地下水位 情 况 土 壤 情 况 地下水位 以上 均匀粘 性 土 砂土 含漂石 等 地下水位
16、以下 且 无控制地 下水位措 施 均匀粘 性 土 软粘土 或粉土 含 漂 石 等 表6 3 盾构隧道基本监测项目的确定 注 必须监测项目 建筑物在盾构施工影响范围以内 基础已作加固 须监测 建筑物在盾 构施工影响范围以内 但基础未作加固 须监测 上表中建筑物的变形系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降 水平位移和裂缝 监测项目 地 表 沉 降 隧 道 沉 降 地 下 水 位 建筑物 变 形 深 层 沉 降 地 表 水 平 位 移 深层位移 衬砌变形和沉 降 隧道结构内部收敛等 地下水位 情 况 土 壤 情 况 地下水位 以下 用 压缩空气 软粘 土或 粉土 砂土 含漂 石 等 地下水位 以下 用 井点降水 或其它方 法控制地 下水位 均匀 粘性 土 软粘 土或 粉土 砂 土 含 漂 石 等 续表6 3 盾构隧道基本监测项目的确定 注 必须监测项目 建筑物在盾构施工影响范围以内 基础已作加固 须监测 建筑物在盾 构施工影响范围以内 但基础未作加固 须监测 上表中建筑物的变形系指地面和地下的一切建筑物和构筑物的沉降 水平位移和裂缝 6 4 1监测方案的制定 监测方案的制定步骤 1 收集和
