盾構施工引起的固結沉降課件

盾構施工引起的固結沉降盾構施工引起的固結沉降1表1盾構施工引起位移的原因與機理

階段沉降類型主要原因應力擾動變形機理1初始沉降土體受擠壓而密實孔隙水壓力減少有效應力增加孔隙比減少，固結2盾構工作面前方變形工作面處施壓，過大隆起，過小沉降孔隙水壓力減少有效應力增加主體壓縮產生彈塑性變形3盾構通過是的沉降施工擾動，盾構與土體間剪切錯動，出渣應力釋放彈塑性變形4盾尾空隙沉降土體失去盾構支撐，管片背后注漿不及時應力釋放彈塑性變形5固結沉降土體后續(xù)時效變形應力松弛蠕變壓縮

縱向沉降

表1盾構施工引起位移的原因與機理

階段沉降類型主要原因應力擾2

①先行沉降—盾構到達前

根據(jù)實際觀測，當隧道開挖面距地面觀測點還有相當距離(數(shù)十米)的時候，就可以觀測到地面開始沉降。對于軟粘土地層，由于土的滲透系數(shù)很小，土的固結和盾構隧道的開挖速度相比無疑很慢，此時隧道的開挖面處的排水固結很難影響到數(shù)十米之外的地層。這部分沉降主要還是由于開挖導致的應力釋放、重分布所致，而不是由于地下水流動和水位降低而造成的。

①先行沉降—盾構到達前

3②開挖面前的沉降或隆起—盾構到達時

當盾構機(開挖面)距觀測點較近(約幾米)直至開挖面位于觀測點正下方之間，由于開挖面的位移、盾構機的推力過大等所引起的開挖面土壓力失衡，引起地層沉降或隆起。這是由于土體的應力釋放或盾構開挖面的反向土壓力作用產生的地基變形。②開挖面前的沉降或隆起—盾構到達時

當盾4③推進沉降—盾構通過時

指從開挖面到達觀測點的正下方之后直到盾構機尾部通過觀測點為止這一期間所產生的沉降。這部分沉降主要是盾構推進過程中對土的擾動所致。另外，在盾構推進時，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生附加地面變形。此外，盾構為修正蛇形和曲線推進而進行超挖，也會使周圍土體松弛范圍擴大而助長了地面下沉。有時，由于盾構千斤頂漏油回縮引起盾構后退，開挖面土體失去平衡造成土體坍塌或松動，也是地面沉降的原因之一。③推進沉降—盾構通過時

指從開挖面到達觀5④盾尾空隙沉降—盾構通過后

指盾構機的尾部通過觀測點的正下方時所產生的沉降。這是尾部空隙(即管片拼裝后與盾構外殼之間空隙)的土體應力釋放所引起的彈塑性變形。盾尾空隙一般通過對隧道外圍及時壓漿來充填。如充填壓漿不及時、壓漿量不足或壓力不適當時，會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，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生變形，也會導致地面少量的沉降。④盾尾空隙沉降—盾構通過后

指盾構機的尾部6⑤后續(xù)沉降—長期

指固結和次固結引起的沉降，這主要是由于孔隙水壓力逐步重新達到長期的平衡狀態(tài)而引起有效應力變化而引起的。這部分變形也可能表現(xiàn)在襯砌的變形上。根據(jù)我國上海地區(qū)經驗，地面后期固結變形多數(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)粘土中，次固結沉降往往要持續(xù)幾年以上，它所占總沉降量比例也可能高達35%以上。⑤后續(xù)沉降—長期

指固結和次固結引起的沉7固結沉降中孔隙水壓力的研究盾構隧道周圍土體受到盾構施工的擾動后，便在盾構隧道周圍形成超孔隙水壓力區(qū)。當盾構離開該處地層后，隧道周圍的孔隙水壓力便下降。在孔隙水壓力下降的過程中，即超孔隙水壓力逐步消散的過程中，孔隙水逐漸排出，引起地層移動和地面沉降，即固結沉降。由此可見，對于長期固結沉降理論的分析，關鍵在于對隧道周圍孔隙水壓力的研究。固結沉降中孔隙水壓力的研究盾構隧道周圍土體受到盾構施工的擾動8Lee以上海地鐵2號線的相關監(jiān)測資料為背景，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挖引起的周圍土體的應力和位移值，同時提出隧道周圍土層施工期間沉降和長期固結沉降的解析解，但僅對施工期間的沉降進行了實例分析。Wongsaroj等對倫敦某隧道建模進行了長期固結沉降數(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沉降量。魏綱

引入應力釋放率建立了工后長期固結沉降的計算公式，但對應力釋放率取值還須做進一步研究。Lee以上海地鐵2號線的相關監(jiān)測資料為背景，分析了隧道9飽和土體中任一平面上受到的總應力總可分為有效應力和孔隙水壓力兩部分，其間關系總是滿足σ=σ′+uσ--總應力、σ′--有效應力

、u--孔隙水壓力。飽和土體中任一平面上受到的總應力總可分為有效應力和孔隙水壓力10為方便研究，不考慮盾構推進過程中的擠壓及盾尾的壓漿作用。在隧道施工的過程中，土層開挖卸載，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生超孔隙水壓力為方便研究，不考慮盾構推進過程中的擠11模擬過程為：建立初始地應力場；去除開挖隧道的地層單元，將隧道一次性開挖完畢，同時在隧道周圍土體處施加徑向應力，使得隧道起拱線處產生的超孔隙水壓力等于2.2節(jié)中計算所得的值；將所有的節(jié)點位移置0，添加襯砌單元，通過FLAC3D中的流-固耦合模塊計算土體在固結時間內的排水變形量（固結沉降）模擬過程為：建立初始地應力場；去除開挖隧道的地層單元，12實例分析LEE1999上海2號線與圖2比較實例分析LEE1999上海2號線與圖2比較13在固結沉降開始后，即超孔隙水壓力開始消散的40d內固結沉降速率減小得很快，而后沉降速率逐步減緩。在固結沉降開始后，即超孔隙水壓力開始消散的14根據(jù)盾構法施工原理，在施工過程中，要在盾構前方施加支護壓力比前方主動土壓力和水壓力的合力略大。這樣，在盾構推進過程中，根據(jù)支護壓力和前方壓力的比值大小，在盾構周邊一定范圍內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，還有一部分土體被擠到盾構前方，隨盾構推進而挖出。對于盾構周邊土體壓實和超挖導致的變形，可用式（2）進行計算。根據(jù)盾構法施工原理，在施工過程中，要15盾構通過后，受擠壓的土體卸荷回彈。隨著管片的施加及盾尾注漿的施工，受擠壓后卸荷的這部分土體將再次受到擠壓作用。其中盾構上方（45o-φ/2）范圍內的土體擾動最為明顯（圖1），這部分擾動土體的固結變形對沉降的影響較大。另外，盾構推進過程中盾殼與周圍土體之間產生摩阻力，使盾殼周圍較小區(qū)域內的土體產生剪切變形。對于有地下水存在的情況，盾構施工將引起地下水位的升降和一定區(qū)域內超孔隙水壓力的變化，造成土體性質及應力狀態(tài)等一系列復雜的變化。由此而引起的地層變形，均可看為施工擾動損傷帶來的固結沉降。盾構通過后，受擠壓的土體卸荷回彈。隨著管片的施加及盾尾注漿的16Verruijt和Booker半無限半空間平面內淺層隧道的彈性解式（2）Verruijt和Booker半無限半空間平面內淺層隧道17為計算方便，擾動土體固結沉降計算只考慮了豎向固結沉降。實際上，土體的固結是三維的，如果將擾動土體視為欠固結土，計算其三維固結沉降，則計算結果將與實測值更吻合。對于有地下水存在的情況，考慮水土耦合效應對固結沉降的影響也是值得研究的課題之一。為計算方便，擾動土體固結沉降計算只考慮了豎向固結沉降。實際上18參考文獻馬達君.