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1、,地下工程施工环境影响与保护,主讲教师 ： 穆保岗,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
2、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,（2）基坑施工的时空效应,开挖一支撑原则：分段、分层、分步（分块）、对称、平衡、限时； 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 ； 理论导向，量测定量，经验判断 ； 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,KH值的确定 KH是可按基坑开挖实测得的变形值，经反演分析；,主动侧压力系数取值表,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、3) 每步开挖及支撑的时限tr24h； (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。,软土基坑工程控制变形的设计程序框图,10.1.2 深基坑周围地表沉降分析,1)支护结构变位引起地表沉隆估算方法 地表沉降曲线为正态分布： 地表沉降范围为： 墙体水平位移ymax为墙后地表沉降max的1.4倍
4、 沉降曲线包络面积Fs与支护结构变位曲线包括面积Fw之比为：,基坑开挖引起支护结构侧移和地表沉降,地表沉降曲线包括面积Fs,支护结构变位曲线包络面积Fw计算,最小二乘原理可理可得下列方程组：,若知道支护结构顶点坐标（0，c）和极值点（zm,ym），可由式（10-7）算得：,2）减少沉降的措施,使。具体措施为： （1）采取刚度较大的地下连续结构； （2）分层分段开挖，并设置支撑； （3）基底土加固； （4）坑外注浆加固； （5）增加维护结构入土深度和墙外围幕； （6）尽量缩短基坑施工时间； （7）降水时，应合理选用井点类型，优选滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置隔水帷幕； （8）在保护区内设回灌
5、系统； （9）尽量减少降水次数。,10.1.3 深基坑开挖引起临近地下管线的位移分析,地下管线位移计算可按竖向和水平两个 方向的位移分别计算。,地表沉陷范围,设沉陷区长度取基坑边长的2倍，宽度取为：,纵向沉陷曲面: 纵向沉陷曲面取为抛物面，顶点位于00线（中轴线）上，AA、BB上总的沉陷值为零。,（2）地下管线竖向位移计算,图10-6地下管线位移曲线 (a)铰支座情况;(b)固定支座情况,沉陷曲线,地面超载传至地下管线顶部的竖向荷载为q1：,I区（沉陷区）的竖向位移方程y(x)：II区（非沉陷区） y(x)：,雷洛夫函数,竖向位移方程中常系数的确定,应根据边界条件，确定地下管线竖向位移方程中的
6、常系数，边界条件不同，求得的常系数亦不同，从而得到不同的位移方程。,（3）地下管线水平位移微分方程的求解,地下管线水平位移方程,（4）地下管线合理计算模型分析,进行地下管线竖向位移分析时，按固定支座的弹性 地基梁分析是能满足实际要求的，是较合理计算模 型。,本讲要点,地表沉降曲线的分析方法； 地下管线的位移分析方法；,10.2 地下水对环境的影响,10.2.1 1）地下水位上升的情况 （1）浅基础地基承载力降低; （2）砂土地震液化加剧； （3）建筑物震陷加剧 （4）土壤沼泽化、盐渍化；,（5）岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象； （6）地下水位的冻胀作用的影响； （7）对建筑物的影
7、响； （8）对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响； （9）膨胀性岩土产生胀缩变形,10.2.2 地下水位下降的情况,地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭，水质恶化等一系列不良地质问题，并将对建筑物产生不良的影响。,1）地表塌陷 2）地面沉降 3）海（咸）水入侵 4）地裂缝的复活与产生 5）地下水源枯竭，水质恶化 6）对建筑物的影响,10.2.3 地下水位与地面沉降,在天然条件和人为因素的影响之下，区域性地面标高的降低，称为地面沉降。 主要影响因素，可以分为天然影响因素及人为影响因素，其中，地下水位波动对地面沉降具有重要的影响。,天然影响因素
8、主要有两类： 海平面相对上升及土层的天然固结，导致地表沉降； 地震的冲击作用，引起地面沉降。,人为影响因至少主要有三类： 抽汲地下液体及表层排水导致地面沉降的有关因素； 开采地下深处的固体矿藏，也可能引起地面沉降。 岩溶地区，塌陷是导致地面沉降的主要影响因素。,因过度开采地下水，中国华北地区出现世界罕见的漏斗区，面积已经达到4万平方公里，目前仍在扩大之中。华北平原形成了30多个小漏斗区。河北省、天津市、山东德州市的漏斗区连成一片，面积为中国之最。,在沿海地区，漏斗区域极易引起海水内侵，咸水扩散。秦皇岛市区已经遇到这一问题。 沧州，超采地下水最深已达米，比水平面低七八十米。,上海,1999年，中
9、心城区平均沉降量为10.74毫米。 引起上海地面沉降的原因主要是开采地下水、市政工程及高层建（构）筑物的建设。上海中心城区的地面沉降在1921年1965年为快速沉降时期，年均沉降37.6毫米，之后的十几年呈现缓慢沉降态势。,西安市,一九九五年以前，迫于西安市生活用水的紧张，许多开采承压水的自备井纷纷涌现 . 城市规划区出现七个较大的下降漏斗，沉降幅度最高超过五百毫米。著名的大雁塔因此而倾斜，建于明代的西安钟楼则下沉了三百九十五毫米。 封井限采后，地面沉降已大大缓解。,阜新新邱区,沉陷区地表沉降深度平均为.米，水平移动距离为.米。 沉陷区的道路很有特点，坑坑相扣，坡坡相连，道路两侧的房屋、院墙和
10、地面，随处都能看到裂缝，最粗的裂缝手指都能伸进去。 地下有“喀吧喀吧”的响声，似闷雷。,地面沉降研究现状,（1）地面沉降机理分析 经过若干学者的研究表明: 抽水引起地层压密而产生地面沉降,是有效应力增加的结果。,（2）地面沉降理论与模型的发展,土层产生压缩，一般认为，固结是主固结和次固结两部分组成。 经典弹性地面沉降理论 准弹性地面沉降理论 取消了关于含水层组的渗透系数K、比贮水系数Ss、压缩系数Mv视为常数的假设，仍采用Terzaghi的一维竖向固结理论的假设。 地面沉降的流变学理论 次固结作用对地面沉降的影响 、粘弹性地面沉降理论，弹塑性地面沉降理论 。,本讲要点,理解地下水位的上升与下降
11、对岩土工程的影响； 了解地面沉降研究现状,（3）抽水压密引起地面沉降的研究方法, 黑盒模型 完全以经验为基础的方法，所观察到的地面沉降与总抽水量的有关。 非耦合模型 半耦合模型 完全耦合模型,抽水压密导致地面沉降的计算模型,仅作了解。 （1）Gambolati-Freeze模型； （2）Corapcioglu-Brutsaert模型。,10.2.4 人工回灌与地面回弹,对地下含水层（组）进行人工回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面回弹现象，减缓地面沉降已初步得控制。 地面回弹模型的建立与求解是一个非常复杂 的系
12、统课题。,10.2.5 控制地面沉降的措施,1）统一制定经济发展规划；(绿色GDP) 2）制定各种政策，合理控制开采地下水；(经济杠杆) 3）人工补给地下水（技术手段） 4）治理措施（滨海、滨江地段） 5）岩溶塌陷导致地面沉降的防治措施（以防为主，并结合填充）,10.3 盾构掘进对环境影响的理论与预测,10.3.1 盾构掘进中的环境问题 10.3.2 盾构掘进的扰动机理 1）水和泥浆的扰动 地下水含量和紊流运动状态的改变，泥水盾构大量泥浆外排回灌。 2）对不良土层的影响 流砂，引起局部土体坍塌 。 3）周围土体应力状态的变化 原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。,盾构推进前方土体分区
13、图,其中区土体应力状态未发生变化，土体的水平、垂直应力分别为h，v。 由于推力引起土体挤压加载p，区和区土体承受很大的挤压变形，区h、v均有增加；区只有h变化。 区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态。,土体扰动区对应的摩尔圆,土体扰动区对应的摩尔圆,Pz+PwPj ，盾构推进对土体的扰动是不可避免的,4）土体性质的变化,扰动后土体的本构关系、物理力学参数的必然变化。 覆土层出现附加的间隙或裂缝，隧道纠偏时加载不均匀。,5）土体的位移影响,盾构机前后、左右、上下各部位土体的位移的状态不同。 刀盘前部0.5D范围内土体表现为向下、向刀盘开口内移动，（0.51.5）D范围内深层土表
14、现为向推进方向移动，表层土向上向前移动。 盾构机后的土体表层土表现为垂直的下沉，深层土随盾壳拖带向前的水平移动，土体和浆液固结次固结沉降都使土体产生向下的位移变形。,10.3.3 土体受盾构掘进拓动的特点,1）盾构周边土体因开挖而卸荷变形 （1）盾构掘进时，按收敛约束曲线绘制的p-u-t关系,（2）土体应力释放与隧洞支护的关系如图所示。,2）盾构掘进时周边上体超孔隙水压力分布及其变化,3）盾构掘进时土体受施工扰动的变形与地表沉降,盾构掘进施工引起的土体沉降机理,周围土体变形位移主要是主固结压缩、弹塑性剪切以及粘性时效蠕变三者之间的叠加与组合。 土体受扰动的土层厚度r与隧道壁径向位移w间的关系为
15、：,盾构轴线上方地表中心沉降与土体受施工扰动范围的关系,地表沉降与施工条件的关系,地表中心总沉降与覆盖土层厚度/隧道外径（H/D）及土层性质的关系,本讲要点,人工回灌； 盾构对周围土体的应力影响 盾构引起地面沉降的影响因素,10.3.4 盾构掘进对土体的影响范围,盾构掘进过程可以看成是柱孔扩张过程。 a为隧道半径; R为塑性区外半径; p为扩张压力。 盾构周围土体可以分为两个变形区，即塑性变形区Dp和弹性变形有区De，塑性区的大小（即外半径R）取决于扩张压力p和隧道半径a。,柱孔扩张示意图,内压力p与塑性区外半径R、隧道半径a的关系式：,10.3.5盾构掘进对土体扰动的变形控制,1）维护盾构开
16、挖面的稳定及其控制方法量控制 对土压平衡盾构而言， 控制舱压使与前方自然水土压力相平衡； 控制排土量和掘进速度，以维护开挖面的稳定； 减少前方土体挤压（欠挖时）与松动（超挖时），防止前方土体塑性破坏和塌方。,（1）控制方法一,按软土地区土压力平衡盾构的施工经验，取： 应控制在0.03MPa 尚需满足隧道开挖面的稳定条件 （Broms,1989）；,（2）控制方法二,压力差与开挖排土量间呈线性关系变化，则： M-100=a(pi-po ) a为斜率系数，a=50/E；E为土体弹性模量，对于粘性土可取E=100cu。 100-2.8M100+2.8 由此可得控制方法二为：开挖排土量的允许变化率等于土体开挖体积理论值的2.8%。 此值变化幅度小，在实践上较难掌握。,上海地区在软粘土中使用局部挤压盾构施工的经验，当排土量控制在理论土方量的8090左右时，地表可不发生隆起现象。,2）同步注浆与二次注浆的注浆的时间、浆压和浆量控制,（1）同步注浆 同步注浆是指沿盾尾外壳安
