盾構(gòu)施工引起的固結(jié)沉降說(shuō)課講解

1、盾構(gòu)施工盾構(gòu)施工(sh gng)引起的引起的固結(jié)沉降固結(jié)沉降第一頁(yè)，共19頁(yè)。表1盾構(gòu)施工引起位移的原因(yunyn)與機(jī)理階段階段沉降類型沉降類型主要原因主要原因應(yīng)力擾動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)變形機(jī)理變形機(jī)理1初始沉降初始沉降土體受擠壓而密土體受擠壓而密實(shí)實(shí)孔隙水壓力減少孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加有效應(yīng)力增加孔隙比減少，固孔隙比減少，固結(jié)結(jié)2盾構(gòu)工作面前方變盾構(gòu)工作面前方變形形工作面處施壓，工作面處施壓，過(guò)大隆起，過(guò)小過(guò)大隆起，過(guò)小沉降沉降孔隙水壓力減少孔隙水壓力減少有效應(yīng)力增加有效應(yīng)力增加主體壓縮產(chǎn)生彈主體壓縮產(chǎn)生彈塑性變形塑性變形3盾構(gòu)通過(guò)是的沉降盾構(gòu)通過(guò)是的沉降施工擾動(dòng)，盾構(gòu)施工擾動(dòng)，盾構(gòu)與土體間剪

2、切錯(cuò)與土體間剪切錯(cuò)動(dòng)，出渣動(dòng)，出渣應(yīng)力釋放應(yīng)力釋放彈塑性變形彈塑性變形4盾尾空隙沉降盾尾空隙沉降土體失去盾構(gòu)支土體失去盾構(gòu)支撐，管片背后注撐，管片背后注漿不及時(shí)漿不及時(shí)應(yīng)力釋放應(yīng)力釋放彈塑性變形彈塑性變形5固結(jié)沉降固結(jié)沉降土體后續(xù)時(shí)效變土體后續(xù)時(shí)效變形形應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛蠕變壓縮蠕變壓縮縱向縱向(zn xin)沉降沉降第二頁(yè)，共19頁(yè)。 先行沉降先行沉降(chnjing)盾構(gòu)到達(dá)盾構(gòu)到達(dá)前前 根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，當(dāng)隧道開(kāi)挖面距地面觀測(cè)點(diǎn)還有相當(dāng)距離(數(shù)十米)的時(shí)候，就可以觀測(cè)到地面開(kāi)始沉降。對(duì)于軟粘土地層，由于土的滲透系數(shù)很小，土的固結(jié)和盾構(gòu)隧道的開(kāi)挖速度相比無(wú)疑很慢，此時(shí)隧道的開(kāi)挖面處的排水固結(jié)很難

3、影響到數(shù)十米之外的地層。這部分沉降主要還是由于開(kāi)挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放(shfng)、重分布所致，而不是由于地下水流動(dòng)和水位降低而造成的。第三頁(yè)，共19頁(yè)。 開(kāi)挖面前的沉降或隆起(ln q)盾構(gòu)到達(dá)時(shí) 當(dāng)盾構(gòu)機(jī)(開(kāi)挖面)距觀測(cè)點(diǎn)較近(約幾米)直至開(kāi)挖面位于觀測(cè)點(diǎn)正下方之間，由于開(kāi)挖面的位移、盾構(gòu)機(jī)的推力過(guò)大等所引起的開(kāi)挖面土壓力失衡，引起地層沉降或隆起。這是由于土體的應(yīng)力釋放或盾構(gòu)開(kāi)挖面的反向土壓力作用產(chǎn)生(chnshng)的地基變形。第四頁(yè)，共19頁(yè)。 推進(jìn)(tujn)沉降盾構(gòu)通過(guò)時(shí) 指從開(kāi)挖面到達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的正下方之后直到盾構(gòu)機(jī)尾部通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)為止這一期間所產(chǎn)生的沉降。這部分沉降主要是盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中對(duì)

4、土的擾動(dòng)所致。另外，在盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，其軸線并不總能保持與隧道軸線一致，必然引起土體的部分受壓和部分松弛而產(chǎn)生附加地面變形。此外，盾構(gòu)為修正蛇形和曲線推進(jìn)而進(jìn)行超挖，也會(huì)使周圍土體松弛范圍擴(kuò)大而助長(zhǎng)了地面下沉。有時(shí)，由于盾構(gòu)千斤頂漏油回縮引起盾構(gòu)后退(hutu)，開(kāi)挖面土體失去平衡造成土體坍塌或松動(dòng)，也是地面沉降的原因之一。第五頁(yè)，共19頁(yè)。 盾尾空隙沉降(chnjing)盾構(gòu)通過(guò)后 指盾構(gòu)機(jī)的尾部通過(guò)觀測(cè)點(diǎn)的正下方時(shí)所產(chǎn)生的沉降。這是尾部空隙(即管片拼裝后與盾構(gòu)外殼之間空隙)的土體應(yīng)力釋放所引起的彈塑性變形。盾尾空隙一般通過(guò)對(duì)隧道外圍及時(shí)壓漿來(lái)充填(chn tin)。如充填(chn tin)壓漿

5、不及時(shí)、壓漿量不足或壓力不適當(dāng)時(shí)，會(huì)使盾尾后周邊土體失去原始三向平衡狀態(tài)，而向盾尾空隙中移動(dòng)，造成地層損失，特別是含水不穩(wěn)定地層更是如此。另外，隧道襯砌脫離盾尾后，作用在襯砌上的土壓力和水壓力將使襯砌產(chǎn)生變形，也會(huì)導(dǎo)致地面少量的沉降。第六頁(yè)，共19頁(yè)。 后續(xù)沉降(chnjing)長(zhǎng)期 指固結(jié)和次固結(jié)引起的沉降，這主要是由于孔隙水壓力逐步重新達(dá)到長(zhǎng)期的平衡狀態(tài)而引起有效應(yīng)力變化而引起的。這部分變形也可能表現(xiàn)在襯砌的變形上。根據(jù)我國(guó)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，地面后期固結(jié)變形多數(shù)只占地面總變形量的比例較小(約為 5%30%)。但在孔隙比和靈敏度較大的軟塑和流塑態(tài)粘土(zhn t)中，次固結(jié)沉降往往要持續(xù)幾年以上

6、，它所占總沉降量比例也可能高達(dá) 35%以上。第七頁(yè)，共19頁(yè)。固結(jié)沉降中孔隙(kngx)水壓力的研究 盾構(gòu)隧道周圍土體受到盾構(gòu)施工的擾動(dòng)后，便在盾構(gòu)隧道周圍形成超孔隙水壓力區(qū)。當(dāng)盾構(gòu)離開(kāi)該處地層后，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在孔隙水壓力下降的過(guò)程中，即超孔隙水壓力逐步消散的過(guò)程中，孔隙水逐漸排出，引起(ynq)地層移動(dòng)和地面沉降，即固結(jié)沉降。由此可見(jiàn)，對(duì)于長(zhǎng)期固結(jié)沉降理論的分析，關(guān)鍵在于對(duì)隧道周圍孔隙水壓力的研究。第八頁(yè)，共19頁(yè)。 Lee 以上海地鐵 2 號(hào)線的相關(guān)(xinggun)監(jiān)測(cè)資料為背景，分析了隧道周圍孔隙水壓力分布及消散規(guī)律。 Bobet將隧道襯周圍土層分為兩種極限邊界條件（完

7、全排水與不排水），得到了線彈性各向同性飽和土體中因隧道開(kāi)挖引起的周圍土體的應(yīng)力和位移值，同時(shí)提出隧道周圍土層施工期間沉降和長(zhǎng)期固結(jié)沉降的解析解，但僅對(duì)施工期間的沉降進(jìn)行了實(shí)例分析。 Wongsaroj等對(duì)倫敦某隧道建模進(jìn)行了長(zhǎng)期固結(jié)沉降數(shù)值分析，并根據(jù)不同的土體滲透系數(shù)探討了不同深度處的土層的固結(jié)沉降量。魏綱 引入應(yīng)力釋放率建立了工后長(zhǎng)期固結(jié)沉降的計(jì)算公式，但對(duì)應(yīng)力釋放率取值還須做進(jìn)一步研究。第九頁(yè)，共19頁(yè)。 飽和(boh)土體中任一平面上受到的總應(yīng)力總可分為有效應(yīng)力和孔隙水壓力兩部分，其間關(guān)系總是滿 足 = +u -總應(yīng)力、 -有效應(yīng)力 、u-孔隙水壓力。第十頁(yè)，共19頁(yè)。 為方便(fng

8、bin)研究，不考慮盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的擠壓及盾尾的壓漿作用。在隧道施工的過(guò)程中，土層開(kāi)挖卸載，將打破原有的受力平衡。在土體圍壓的作用下，隧道周圍土體中將產(chǎn)生超孔隙水壓力第十一頁(yè)，共19頁(yè)。 模擬過(guò)程為：建立初始地應(yīng)力場(chǎng)；去除開(kāi)挖隧道(sudo)的地層單元，將隧道(sudo)一次性開(kāi)挖完畢，同時(shí)在隧道(sudo)周圍土體處施加徑向應(yīng)力，使得隧道(sudo)起拱線處產(chǎn)生的超孔隙水壓力等于 2.2 節(jié)中計(jì)算所得的值；將所有的節(jié)點(diǎn)位移置 0，添加襯砌單元，通過(guò) FLAC3D中的流-固耦合模塊計(jì)算土體在固結(jié)時(shí)間內(nèi)的排水變形量（固結(jié)沉降）第十二頁(yè)，共19頁(yè)。實(shí)例(shl)分析 LEE 1999 上海2號(hào)線

9、與圖2比較(bjio)第十三頁(yè)，共19頁(yè)。 在固結(jié)沉降開(kāi)始后，即超孔隙水壓力開(kāi)始消散的 40 d 內(nèi)固結(jié)沉降速率減小得很快，而后(r hu)沉降速率逐 步減緩。 第十四頁(yè)，共19頁(yè)。 根據(jù)盾構(gòu)法施工(sh gng)原理，在施工(sh gng)過(guò)程中，要在盾構(gòu)前方施加支護(hù)壓力比前方主動(dòng)土壓力和水壓力的合力略大。這樣，在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)支護(hù)壓力和前方壓力的比值大小，在盾構(gòu)周邊一定范圍內(nèi)的土體將先受到一定程度擠壓作用，在這種擠壓作用下，一部分土體被壓實(shí)，還有一部分土體被擠到盾構(gòu)前方，隨盾構(gòu)推進(jìn)而挖出。對(duì)于盾構(gòu)周邊土體壓實(shí)和超挖導(dǎo)致的變形，可用式（2）進(jìn)行計(jì)算。第十五頁(yè)，共19頁(yè)。 盾構(gòu)通過(guò)后，受

10、擠壓的土體卸荷回彈。隨著管片的施加及盾尾注漿的施工(sh gng)，受擠壓后卸荷的這部分土體將再次受到擠壓作用。其中盾構(gòu)上方（45-/2）范圍內(nèi)的土體擾動(dòng)最為明顯（圖 1），這部分?jǐn)_動(dòng)土體的固結(jié)變形對(duì)沉降的影響較大。另外，盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中盾殼與周圍土體之間產(chǎn)生摩阻力，使盾殼周圍較小區(qū)域內(nèi)的土體產(chǎn)生剪切變形。對(duì)于有地下水存在的情況，盾構(gòu)施工(sh gng)將引起地下水位的升降和一定區(qū)域內(nèi)超孔隙水壓力的變化，造成土體性質(zhì)及應(yīng)力狀態(tài)等一系列復(fù)雜的變化。由此而引起的地層變形，均可看為施工(sh gng)擾動(dòng)損傷帶來(lái)的固結(jié)沉降。第十六頁(yè)，共19頁(yè)。Verruijt 和 Booker半無(wú)限半空間(kngjin)平面內(nèi)淺層隧道的彈性解 式（2）第十七頁(yè)，共19頁(yè)。 為計(jì)算方便，擾動(dòng)土體固結(jié)沉降計(jì)算只考慮了豎向固結(jié)沉降。實(shí)際上，土體的固結(jié)是三維的，如果將擾動(dòng)土體視為欠固結(jié)土，計(jì)算其三維固結(jié)沉降，則計(jì)算結(jié)果將與實(shí)測(cè)值更吻合。對(duì)于有地下水存在的情況，考慮水土耦合效應(yīng)對(duì)固結(jié)沉降的影響(yngxing)也是值得研