地 下 结 构 工 程第 12 章 地下结构工程的环境保护

主讲：饶平平

12.1 基坑工程引起的环境问题

12.1.1 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

0.75~0.55

0.55.~0.40二级

软粘土硬粘土

0.60~0.45

0.40~0.30

一级软粘土硬粘土

0.70~0.50

0.45~0.35三级

软粘土硬粘土

0.60~0.40

0.40~0.20

主动侧压力系数取值表

3 ）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

12.1.2 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• ①地表沉降曲线为正态分布：• ②地表沉降范围为：• ③墙体水平位移 ymax为墙后地表沉降 δmax 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：

2)/(exp rmex

ghx 5.10

maxmax 4.1 y

85.0/ ws FF

基坑开挖引起支护结构侧移和地表沉降

2 ）减少沉降的措施

• 使 δ≤[δ] 。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 ）在保护区内设回灌系统；• （ 9 ）尽量减少降水次数。

12.1.3 基坑开挖引起的临近地下管线的位移分析

理论假设 竖向位移计算分析 水平位移计算分析

12.1.4 地下水对环境的影响

• （ 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

12.2 盾构推进前方土体分区图

• 其中①区土体应力状态未发生变化，土体的水平、垂直应力分别为 σh ， σv 。

• 由于推力引起土体挤压加载△ σp ，②区和④区土体承受很大的挤压变形，②区△ σh 、 σv

均有增加；④区只有 σh 变化。• ③区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态。

12.2.1 盾构掘进对地层的影响

土体扰动区对应的摩尔圆

（ 3）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。

（ 4）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，（ 0.5~1.5） D 范围内深层土表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。

2 ） 盾构掘进扰动土体的特点• （ 1 ）盾构周边土体因开挖而卸荷变形

• （ 2 ）土体应力释放与隧洞支护的关系如图所示。

（ 3）盾构掘进时周边上体超孔隙水压力分布及其变化

（ 4）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

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δw间的关系为：

wf

fi REr

6.0

)1(

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

•3 ） 盾构掘进对土体扰动的变形控制

• （ 1 ）维护盾构开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。

12.2.2 盾构掘进对土体扰动的变形控制

• 1 ）维护盾构开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）；

oi ppp

5.50

u

i

c

pp

• ②注浆量• 理论上，注浆量可按下式计算：

• 由于盾构纠偏、跑浆和浆料的失水收缩等因素，实践上用的注浆量一般取（ 1.4~2.0 ） Ve≈(2.5~3.5)m3。

pe GDlV 12

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

12.3 隧道施工对邻近建筑物的影响

新建隧道对地中结构物的影响

新建隧道对地表结构物的影响

邻近建筑物隧道施工中既有结构物现状调查

邻近建筑物施工影响预测

邻近建筑物施工安全判断标准

新建隧道对地中结构物的影

响

要注意范围 必须采取措

施范围无影响范围

邻近建筑物施工影响预测

经验方法 解析方法

邻近建筑物隧道施工对策既有建筑物的对策： 回填压浆、压注砂浆和树脂、设金属网挡板、钢拱架加强、 内衬加强

新建隧道侧的对策 改变开挖方式、改变分部尺寸、改变支护、衬砌结构形式等

中间地层的对策 压浆发、冻结法等

12.4 顶管施工引起的环境问题12.4.1 顶管施工时的地层移动机理

顶管施工引起的地层移动主要是施工过程中发生了各种地层损失，管道周围受扰动与受剪切破坏的重塑土的再固结，以及土的流变性质。

顶管施工引起的地层损失有以下几种：工具管开挖引起的地层损失

工具管纠偏引起的地层损失

管道外周空隙引起的地层损失

工具管及隧道与周围地层摩擦而引起的地层损失

工具管进出工作井引起的地层损失

管道及中继环接头密封性不好引起的地层损失

顶进过程中工作井后靠土体变形引起的地层损失

12.5 地下水对环境的影响

地下水位变化引起的岩土工程问题 地下水位上升

浅基础地基承载力降低砂土地震液化加剧建筑物震陷加剧 土壤沼泽化、盐渍化岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象地下水位的冻胀作用影响影响建筑物的稳定性

地下水位下降情况

地表塌陷地面沉降海水入侵地裂缝的复活与产生地下水源枯竭，水质恶化

12.5.2 地下水位与地面沉降

一、地面沉降及影响因素

人为因素 自然因素

二、人工回填与地面回弹

复习与思考

1 、简述基坑工程施工引起的环境问题2、盾构施工对环境主要有什么影响？3 、地下水位变化对环境的影响。

12.6 隧道施工对邻近建筑物的影响

• 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：

r

r

rrpp

rr

ccc

ccp

a

R

sin2

sin1

)tancos

tan(

（ 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 ）；•

oi ppp

5.50

u

i

c

pp

（ 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 。

• 100-2.8≤M≤100+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。

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设多根注浆管的同步注浆系

统，属于一种充填注浆。 (<=60min)

• ① 注浆压力：注浆压力为 1.1~1.2 倍静止水、土压力，在上海市通常采用 0.3~0.4MPa 。

• 此值略大于隧底土压，而为隧顶土压值的 2 倍以上。

• ②注浆量• 理论上，注浆量可按下式计算：

• 由于盾构纠偏、跑浆和浆料的失水收缩等因素，实践上用的注浆量一般取（ 1.4~2.0 ） Ve≈(2.5~3.5)m3 。

•

pe GDlV 12

• （ 2 ）二次注浆（压密注浆）• 在同步注浆之后进行，是进一步控制地表沉降的

有效辅助手段。

3 ）隧道轴线纠偏控制

• 盾构掘进轴线定位与设计轴线尽可能一致，减小盾构纠偏量，从而缓和因盾构纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，也有利于控制盾尾与管片背间的间隙和地层损失。

• 水准仪、经纬仪——激光和陀螺仪的自动化测量系统——测量千斤顶延伸方向和量值，配有旋转传感器的导向仪控制盾构机的位置和姿态。

(1) 产生隧道轴线走向偏差的主要因素• ① 分组千斤顶推力不均衡；• ②个别千斤顶漏油失控；• ③开挖面挖土不均衡；• ④管片拼装误差；• ⑤管片纵、环向螺栓松紧不对称；• ⑥沿环圈注浆压力不对称；• ⑦浆液流动性不理想；• ⑧工程地质条件出现突变或渐变；• ⑨盾构掘进速度不正常等等。• 隧道实际掘进轴线与设计轴线间的偏差，当水平偏差或高程偏差

>30mm 时，需要进行纠偏。

（ 2 ）改正纠偏的措施

• ①调整分组千斤顶推力；• ②沿纵缝和环缝，垫贴一定厚度的楔形软木；• ③校正定位管片的倾斜度；• ④改进注浆方式和浆液性质；• ⑤减小一次纠偏的幅度等等。

4 ）施工应急控制

• 应急采用的“三阶段注浆控制”方法包括：• 预注浆和工后注浆• 施工被动控制方法

5 ）盾构的主要设计、施工参数及变形控制参数与控制要求

• 设计、施工参数可拟定为：• 开挖排土量、超挖 / 欠挖量；• 掘进速度；• 盾构千斤机推力；舱压力；• 管片后背同步充填注浆和二次压密注浆和二次压

密注浆的浆压和浆量；• 盾构每次纠偏量和总的纠偏量等。

• 变形控制的各有关参数为：• 地表总沉降（隆起）量；• 差异沉降；• 地层内土体竖向位移、沿盾构周向土体位移、盾

构侧向土体水平移；• 管片变形与走动（移位）等等。

• 变形控制的要求为：• 预测、预报工程险情与环境土工危害及其严重程度；• 确定是否需要在下一施工步序对上述若干施工参数

作出必要的调整，并能定量化各参数调整后的修正值。

6 ）盾构掘进时邻近建（构）筑物的保护• 保护对象包括：• （ 1 ）邻近的已建 /已运营地铁区间：• 定量尺度标准：• ①在地铁工程（外边线）两侧 3m距离内不能进行建筑施工。

• ②地铁结构的绝对沉降量及水平位移量均应≤ 20mm，地铁隧道产生纵向位移引起圆形管片衬砌结构的径向变形应≤ 10mm；

• ③隧道水平和竖向变形曲线的曲率半径 R 应≤ 1/15000m；

• ④隧道相对弯曲应 1≤2500；

• ⑤由于建筑物垂直荷载（包括基础地下室）以及降水、注浆等施工因素引起地铁隧道外壁的附加荷载应≤ 20kPa；

• ⑥由于打桩振动、工程爆破等产生的振动，对地铁隧道引起的峰值振动速度应≤ 2.5cm/s。

• （ 2 ）邻近的建（构）筑物；• （ 3 ）地下管线（特别是煤气管、污水干管、动力照明电缆与光缆等）；

• （ 4 ）上部及其附近的道路路面、路基；• （ 5 ）邻近的城市立交桥、高架道路；• （ 6 ）相邻的同步施工的工程等。

保护方法

• A 基础托换法• 广州地铁 1号线在中山七路时，盾构穿越楼房，切断桩基础，下承时托换；

• 上海延安东路越江隧道，穿越江西路时，架设钢吊梁，悬挂地下管线。

• B 地基加固• 注浆、树根桩、旋喷桩、深层搅拌桩• C 隔断法• 设置隔断墙（钢板桩、地下连续墙）

本讲要点

• 理解盾构掘进对土体的影响范围；• 了解盾构掘进对土体扰动的变形控制。