地下工程施工環(huán)境影響與保護(1)

1、 地下工程施工環(huán)境地下工程施工環(huán)境影響與保護影響與保護主講教師主講教師 ： 穆保崗穆保崗第10章10 地下工程施工環(huán)境地下工程施工環(huán)境影響與保護影響與保護n10.1 基坑開挖工程的環(huán)境土工問題基坑開挖工程的環(huán)境土工問題n10.1.1 軟土深、大基坑工程及其環(huán)境土工問題n1）地表沉降與土層位移）地表沉降與土層位移n多采用多采用地下連續(xù)墻或水泥土攪拌加灌注地下連續(xù)墻或水泥土攪拌加灌注式排樁為坑壁圍護結構式排樁為坑壁圍護結構，引起的地表沉，引起的地表沉降與土層位移，由以下降與土層位移，由以下6個部分組成：個部分組成：n（1）墻體彈性變位；n（2）基坑卸載回彈、塑性隆起、降水不當引起的管涌、翻砂；n（

2、3）墻外土層固結沉降；n（4）井點或深井降水帶走土砂；n（5）墻段接頭處土砂漏失；n（6）槽壁開挖，地層向槽內變形。n（1）（3）主要造成了墻后土層位移和地表沉降；n （4）（6）則應從施工技術、經驗與管理上加以控制，使之減低到最小的允許限度。 2）基坑變形控制的環(huán)保等級標準基坑變形控制環(huán)保等級標準 表10-1保 護等 級地面最大沉降量及圍護結構水平位移控制要求環(huán)境保護要求特級1.地面最大沉降量0.1%H2.圍護墻最大水平位移0.14%H3.Ks2.2基坑周圍10m范圍內設有地鐵、共同溝、煤氣管、大型壓力總水管等重要建筑及設施、必須確保安全一級1.地面最大沉降量0.2%H2.圍護墻最大水平位移

3、0.3%H3.Ks2.0離基坑周圍H范圍內設有重要的干線水管、對沉降敏感的大型構筑物、建筑物二級1.地面最大沉降量0.5%H2.圍護墻最大水平位移0.7%H3.Ks1.5離基坑周圍H范圍內設有較重要支線管道和建筑物、地下設施三級1.地面最大沉降量1%H2.圍護墻最大水平位移0.7%H3.Ks1.2離基填坑周圍30m范圍內設有需保護的建筑設施和構筑物，地下管線3）基坑施工的時空效應問題n（1）基坑施工穩(wěn)定和變形n基坑施工穩(wěn)定和變形，與以下各方面密切相關：n基底土方每步開挖的空間尺寸（平面大小和每步挖深）。n開挖順序。n無支撐情況下，每步開挖土體的暴露時間tr。n圍護結構水平位移。KH是因土體流變

4、而折減的被動土壓力系數；n基底抗隆起的穩(wěn)定性。Ks（2）基坑施工的時空效應n開挖一支撐原則：分段、分層、分步（分塊）、對稱、平衡、限時；n對分段、分部搗筑的現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架支撐，注意局部平衡 ；n 理論導向，量測定量，經驗判斷 ；n擯棄以大量人工加固基坑來控制其變形的傳統(tǒng)作法。（3）圍護結構內、外主動與被動土壓力的取值nKH值的確定nKH是可按基坑開挖實測得的變形值，經反演分析； 基坑保護等級土性側壓力系數K基坑保護等級土性側壓力系數K特級軟粘土硬粘土0.750.50二級軟粘土硬粘土0.600.450.400.30一級軟粘土硬粘土0.700.500.450.35三級軟粘土硬

5、粘土0.600.400.400.20主動側壓力系數取值表 施工參數的選擇4）地鐵車站深大基坑的施工技術要求n（1）先撐后挖，留土堤；n(2) 對支撐施加設計軸力(30%70%)的預應力；n(3) 每步開挖及支撐的時限tr24h；n(4) 坑內井點降水以固結土體、改善土性，減少土的流變發(fā)展?；臃侄?、分層、分步開挖一支撐施工示意5）變形監(jiān)控n變形監(jiān)控工作的內容主要包括：n (1)施工工況實施情況跟蹤觀察；n（2）日夜不中斷的現(xiàn)場監(jiān)測與險情及時預測和預報； n（3）定量反饋分析，信息化設計施工；n(4) 及時修改、調整施工工藝參數；n(5) 及時提出、檢驗、改進設計施工技術措施。軟土基坑工程控制變

6、形的設計程序框圖10.1.2 深基坑周圍地表深基坑周圍地表沉降分析沉降分析n1)支護結構變位引起地表沉隆估算方法n地表沉降曲線為正態(tài)分布：n地表沉降范圍為：n墻體水平位移ymax為墻后地表沉降max的1.4倍 n沉降曲線包絡面積Fs與支護結構變位曲線包括面積Fw之比為： 2)/(exprmexghx5 . 10maxmax4 . 1y85. 0/wsFF基坑開挖引起支護結構側移和地表沉降 cbzazy2 2exp( / )maxxx r地表沉降曲線包括面積Fs 002maxmax( )exp() :212mmmmxxxxsxxommsFx dxx rdxxxxFrrr 可推得 xduux)2(

7、exp2120 . 199379. 0)5 . 2(22,rxxxxrmomo則rxrFms2max支護結構變位曲線包絡面積Fw計算n最小二乘原理可理可得下列方程組：nininiiiyicnzbza1112ninininiiiiiiyzzczbza111123ninininiiiiiiyzzczbza11112234n若知道支護結構頂點坐標（0，c）和極值點（zm,ym），可由式（10-7）算得：2mmzycammzycb)(2howchbhahdzzfF232131)(max( 2)0.85mwxrFr2）減少沉降的措施n使。具體措施為：n（1）采取剛度較大的地下連續(xù)結構；n（2）分層分段開

8、挖，并設置支撐；n（3）基底土加固；n（4）坑外注漿加固；n（5）增加維護結構入土深度和墻外圍幕；n（6）盡量縮短基坑施工時間；n（7）降水時，應合理選用井點類型，優(yōu)選濾網，適當放緩降水漏斗線坡度，設置隔水帷幕；n（8）在保護區(qū)內設回灌系統(tǒng)；n（9）盡量減少降水次數。10.1.3 深基坑開挖引起臨近地深基坑開挖引起臨近地下管線的位移分析下管線的位移分析地下管線位移計算可按豎向和水平兩個方向的位移分別計算。地表沉陷范圍n設沉陷區(qū)長度取基坑邊長的2倍，寬度取為：)245tan(Hn縱向沉陷曲面:n縱向沉陷曲面取為拋物面，頂點位于00線（中軸線）上，AA、BB上總的沉陷值為零。（2）地下管線豎向位移

9、計算n圖10-6地下管線位移曲線n(a)鉸支座情況;(b)固定支座情況沉陷曲線n地面超載傳至地下管線頂部的豎向荷載為q1：22xlyykqv1)(221xlkqv2,0;,0,0,;0;xl yxl yxyalbc 得I區(qū)（沉陷區(qū)）的豎向位移方程y(x)：II區(qū)（非沉陷區(qū)） y(x)：豎向修fEIQxEIMxxyxy)(1)()(1)()(4303202010雷洛夫函數 vxKqxNxMexCexy0)sincos()cos()(豎向位移方程中常系數的確定n應根據邊界條件，確定地下管線豎向位移方程中的常系數，邊界條件不同，求得的常系數亦不同，從而得到不同的位移方程。 （3）地下管線水平位移微分

10、方程的求解n地下管線水平位移方程 水平修FXEIQXEIMxxyxy43032021011XhzxczakEIf04231水平修（4）地下管線合理計算模型分析進行地下管線豎向位移分析時，按固定支座的彈性地基梁分析是能滿足實際要求的，是較合理計算模型。 本講要點n地表沉降曲線的分析方法；n地下管線的位移分析方法；地下管線的位移分析方法；10.2 地下水對環(huán)境的影響地下水對環(huán)境的影響n10.2.1 1）地下水位上升的情況）地下水位上升的情況n（1）淺基礎地基承載力降低;n（2）砂土地震液化加??；n（3）建筑物震陷加劇n（4）土壤沼澤化、鹽漬化；n（5）巖土體產生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質現(xiàn)象；

11、n（6）地下水位的凍脹作用的影響；n（7）對建筑物的影響；n（8）對濕陷性黃土、崩解性巖土、鹽漬巖土的影響；n（9）膨脹性巖土產生脹縮變形10.2.2 地下水位下降的情況地下水位下降的情況n地下水位下降往往會引起地表塌陷、地面沉降、海水入浸，地裂縫的產生和復活以及地下水源枯竭，水質惡化等一系列不良地質問題，并將對建筑物產生不良的影響。n1）地表塌陷n2）地面沉降n3）海（咸）水入侵n4）地裂縫的復活與產生n5）地下水源枯竭，水質惡化n6）對建筑物的影響10.2.3 地下水位與地面沉降地下水位與地面沉降n在天然條件和人為因素的影響之下，區(qū)域性地面標高的降低，稱為地面沉降。 n主要影響因素，可以分

12、為天然影響因素及人為影響因素，其中，地下水位波動對地面沉降具有重要的影響。n天然影響因素主要有兩類：n 海平面相對上升及土層的天然固結，導致地表沉降；n 地震的沖擊作用，引起地面沉降。n人為影響因至少主要有三類：n抽汲地下液體及表層排水導致地面沉降的有關因素；n開采地下深處的固體礦藏，也可能引起地面沉降。n巖溶地區(qū)，塌陷是導致地面沉降的主要影響因素。 n因過度開采地下水，中國華北地區(qū)出現(xiàn)世界罕見的漏斗區(qū)，面積已經達到4萬平方公里，目前仍在擴大之中。華北平原形成了30多個小漏斗區(qū)。河北省、天津市、山東德州市的漏斗區(qū)連成一片，面積為中國之最。 n在沿海地區(qū)，漏斗區(qū)域極易引起海水內侵，咸水擴散。秦皇

13、島市區(qū)已經遇到這一問題。n滄州，超采地下水最深已達米，比水平面低七八十米。上海n1999年，中心城區(qū)平均沉降量為10.74毫米。 n引起上海地面沉降的原因主要是開采地下水、市政工程及高層建（構）筑物的建設。上海中心城區(qū)的地面沉降在1921年1965年為快速沉降時期，年均沉降37.6毫米，之后的十幾年呈現(xiàn)緩慢沉降態(tài)勢。西安市n一九九五年以前，迫于西安市生活用水的緊張，許多開采承壓水的自備井紛紛涌現(xiàn) .n城市規(guī)劃區(qū)出現(xiàn)七個較大的下降漏斗，沉降幅度最高超過五百毫米。著名的大雁塔因此而傾斜，建于明代的西安鐘樓則下沉了三百九十五毫米。 n封井限采后，地面沉降已大大緩解。 阜新新邱區(qū) n沉陷區(qū)地表沉降深度

14、平均為.米，水平移動距離為.米。n沉陷區(qū)的道路很有特點，坑坑相扣，坡坡相連，道路兩側的房屋、院墻和地面，隨處都能看到裂縫，最粗的裂縫手指都能伸進去。 地下有“喀吧喀吧”的響聲，似悶雷。 地面沉降研究現(xiàn)狀 n（1）地面沉降機理分析n經過若干學者的研究表明:n抽水引起地層壓密而產生地面沉降,是有效應力增加的結果。wuPwwwPuuu（2）地面沉降理論與模型的發(fā)展n土層產生壓縮，一般認為，固結是主固結和次固結兩部分組成。 n 經典彈性地面沉降理論n 準彈性地面沉降理論n取消了關于含水層組的滲透系數K、比貯水系數Ss、壓縮系數Mv視為常數的假設，仍采用Terzaghi的一維豎向固結理論的假設。 n 地

15、面沉降的流變學理論n次固結作用對地面沉降的影響 、粘彈性地面沉降理論，彈塑性地面沉降理論 。hMbbsybbvsw0或本講要點n理解地下水位的上升與下降對巖土工程的影響；n了解地面沉降研究現(xiàn)狀（3）抽水壓密引起地面沉降的研究方法n 黑盒模型n完全以經驗為基礎的方法，所觀察到的地面沉降與總抽水量的有關。n 非耦合模型n 半耦合模型n 完全耦合模型抽水壓密導致地面沉降的計算模型n僅作了解。n（1）Gambolati-Freeze模型；n（2）Corapcioglu-Brutsaert模型。10.2.4 人工回灌與地面回彈人工回灌與地面回彈n對地下含水層（組）進行人工回灌，則有利于穩(wěn)定地下水位，并促

16、使地下水位回升，使土中孔隙水壓力增大，土顆粒間的接觸應力減小，土層發(fā)生膨脹，從而導致地面回彈現(xiàn)象，減緩地面沉降已初步得控制。 n地面回彈模型的建立與求解是一個非常復雜 的系統(tǒng)課題。10.2.5 控制地面沉降的措施控制地面沉降的措施n1）統(tǒng)一制定經濟發(fā)展規(guī)劃；(綠色GDP)n2）制定各種政策，合理控制開采地下水；(經濟杠桿)n3）人工補給地下水（技術手段）n4）治理措施（濱海、濱江地段）n5）巖溶塌陷導致地面沉降的防治措施（以防為主，并結合填充）10.3 盾構掘進對環(huán)境影響的理盾構掘進對環(huán)境影響的理論與預測論與預測n10.3.1 盾構掘進中的環(huán)境問題盾構掘進中的環(huán)境問題n10.3.2 盾構掘進的

17、擾動機理盾構掘進的擾動機理n1）水和泥漿的擾動n地下水含量和紊流運動狀態(tài)的改變，泥水盾構大量泥漿外排回灌。 n2）對不良土層的影響n流砂，引起局部土體坍塌 。n3）周圍土體應力狀態(tài)的變化n原狀土經歷了擠壓、剪切、扭曲等復雜的應力路徑。 盾構推進前方土體分區(qū)圖 n其中區(qū)土體應力狀態(tài)未發(fā)生變化，土體的水平、垂直應力分別為h，v。n由于推力引起土體擠壓加載p，區(qū)和區(qū)土體承受很大的擠壓變形，區(qū)h、v均有增加；區(qū)只有h變化。n區(qū)土體受到大刀盤切削攪拌的影響，處于十分復雜的應力狀態(tài)。 土體擾動區(qū)對應的摩爾圓 土體擾動區(qū)對應的摩爾圓Pz+PwPj ，盾構推進對土體的擾動是不可避免的 4）土體性質的變化n擾動

18、后土體的本構關系、物理力學參數的必然變化。n覆土層出現(xiàn)附加的間隙或裂縫，隧道糾偏時加載不均勻。5）土體的位移影響n盾構機前后、左右、上下各部位土體的位移的狀態(tài)不同。 n刀盤前部0.5D范圍內土體表現(xiàn)為向下、向刀盤開口內移動，（0.51.5）D范圍內深層土表現(xiàn)為向推進方向移動，表層土向上向前移動。 n盾構機后的土體表層土表現(xiàn)為垂直的下沉，深層土隨盾殼拖帶向前的水平移動，土體和漿液固結次固結沉降都使土體產生向下的位移變形。 10.3.3 土體受盾構掘進拓動的土體受盾構掘進拓動的特點特點n1）盾構周邊土體因開挖而卸荷變形n（1）盾構掘進時，按收斂約束曲線繪制的p-u-t關系 （2）土體應力釋放與隧洞

19、支護的關系如圖所示。2）盾構掘進時周邊上體超孔隙水壓力分布及其變化3）盾構掘進時土體受施工擾動的變形與地表沉降盾構掘進施工引起的土體沉降機理沉降類型原 因應力擾動變形機理初始沉降土體受擠壓面壓密孔隙水壓力減小，有效應力增加孔隙比減小，土體固結盾構工作面前方的沉降(土體隆起)工作面處施加的土壓力過大：上隆，過小：沉降孔隙水壓力增加，總應力增加土體壓縮，產生彈塑性變形盾構通過的沉降土體施工擾動，盾構與土體間剪錯，出土量過多土體應力釋放彈塑性變形盾尾空隙的沉降 土體失去盾構支撐，管片后背注漿不及時土體應力釋放彈塑性變形土體次固結沉降土體后續(xù)時效變形(土體后期蠕變)土體應力松馳蠕變變形n周圍土體變形位

20、移主要是主固結壓縮、彈塑性剪切以及粘性時效蠕變三者之間的疊加與組合。n土體受擾動的土層厚度r與隧道壁徑向位移w間的關系為：wffiREr6 . 0)1 ( 盾構軸線上方地表中心沉降與土體受施工擾動范圍的關系地表沉降與施工條件的關系 地表中心總沉降與覆蓋土層厚度/隧道外徑（H/D）及土層性質的關系本講要點n人工回灌；n盾構對周圍土體的應力影響n盾構引起地面沉降的影響因素10.3.4 盾構掘進對土體的影響范圍盾構掘進對土體的影響范圍n盾構掘進過程可以看成是柱孔擴張過程。na為隧道半徑;nR為塑性區(qū)外半徑;np為擴張壓力。n盾構周圍土體可以分為兩個變形區(qū)，即塑性變形區(qū)Dp和彈性變形有區(qū)De，塑性區(qū)的

21、大?。赐獍霃絉）取決于擴張壓力p和隧道半徑a。柱孔擴張示意圖 內壓力p與塑性區(qū)外半徑R、隧道半徑a的關系式： rrrrpprrcccccpaRsin2sin1)tancostan(10.3.5盾構掘進對土體擾動的盾構掘進對土體擾動的變形控制變形控制n1）維護盾構開挖面的穩(wěn)定及其控制方法量控制n對土壓平衡盾構而言，n控制艙壓使與前方自然水土壓力相平衡；n控制排土量和掘進速度，以維護開挖面的穩(wěn)定；n減少前方土體擠壓（欠挖時）與松動（超挖時），防止前方土體塑性破壞和塌方。（1）控制方法一n按軟土地區(qū)土壓力平衡盾構的施工經驗，取：n 應控制在0.03MPa n尚需滿足隧道開挖面的穩(wěn)定條件n （Bro

22、ms,1989）；n oippp5 . 50uicpp（2）控制方法二n壓力差與開挖排土量間呈線性關系變化，則： nM-100=a(pi-po ) na為斜率系數，a=50/E；E為土體彈性模量，對于粘性土可取E=100cu。n100-2.8M100+2.8 n由此可得控制方法二為：開挖排土量的允許變化率等于土體開挖體積理論值的2.8%。n此值變化幅度小，在實踐上較難掌握。n上海地區(qū)在軟粘土中使用局部擠壓盾構施工的經驗，當排土量控制在理論土方量的8090左右時，地表可不發(fā)生隆起現(xiàn)象。2）同步注漿與二次注漿的注漿的時間、漿壓和漿量控制n（1）同步注漿n同步注漿是指沿盾尾外殼安設多根注漿管的同步注漿系統(tǒng)，屬于一種充填注漿。(30mm時，需要進行糾偏。（2）改正糾偏的措施n調整分組千斤頂推力；n沿縱縫和環(huán)縫，墊貼一定厚度的楔形軟木；n校正定位管片的傾斜度；n改進注漿方式和漿液性質；n減小一次糾偏的幅度等等。4）施工應急控制n應急采用的“三階段注漿控制”方法包括：n預注漿和工后注漿n施工被動控制方法5）盾構的主要設計、施工參數及變形控制參數與控制要求n設計、施工參數可擬定為：n開挖排土量、超挖/欠挖量；n掘進速度；n盾構千斤機推力；艙壓力；n管片后背同步充填注漿