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一級(jí)建造師《市政工程》知識(shí)點(diǎn)：1K35盾構(gòu)法施工地層變形控制措施

1K30盾構(gòu)法施工

1K35 盾構(gòu)法施工地層變形控制措施

本條以密閉式盾構(gòu)為主簡(jiǎn)要介紹盾構(gòu)施工地層變形其控制措施。

一、近接施工與近接施工管理

(1)新建盾構(gòu)隧道穿越或鄰近既有地下管線、交通設(shè)施、建(構(gòu))筑物(以下簡(jiǎn)稱(chēng)既

有結(jié)構(gòu)物)的施工被稱(chēng)為近接施工。在城市中近接施工不可避免，且隨著地下空間的開(kāi)發(fā)利用會(huì)日益增多。因此，盾構(gòu)施工必須考慮控制影響區(qū)域的地層變形，采取有效的既有結(jié)構(gòu)物保護(hù)措施。

(2)近接施工管理：

1)盾構(gòu)近接施工會(huì)引發(fā)地層變形，對(duì)既有結(jié)構(gòu)物會(huì)造成不同程度的有害影響;因此有必要采取系統(tǒng)性措施控制地層變形以保護(hù)既有結(jié)構(gòu)物。首先，應(yīng)詳細(xì)調(diào)查工程條件、地質(zhì)條件、環(huán)境條件(即既有結(jié)構(gòu)物現(xiàn)況與安全要求)，在調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)、制定防護(hù)措施;其次，制定專(zhuān)項(xiàng)施工方案;最后，施工過(guò)程中通過(guò)監(jiān)控量測(cè)反饋指導(dǎo)施工而確保既有結(jié)構(gòu)物安全。

2)近接施工管理流程如圖1K35-1所示。

3)近接施工的管理措施：

①盾構(gòu)掘進(jìn)引起的周邊地層變形狀態(tài)及其原因，包括：變形程度與主要原因之間的關(guān)系、對(duì)既有結(jié)構(gòu)物承載能力的影響程度。

②預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層變形的解析方法，預(yù)測(cè)對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響的解析模型。

③減小地層變形與防止對(duì)既有結(jié)構(gòu)物影響措施的選擇，及其與工程條件、地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應(yīng)措施的確定方法。

④監(jiān)控量測(cè)管理系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反饋方法。

二、地層變形與既有結(jié)構(gòu)物變位及變形

(一)地層變形原因

地層變形的主要原因大致分為條件因素和直接原因兩類(lèi)。

(1)條件因素主要有：覆土厚度、盾構(gòu)直徑、隧道線形、襯砌背后間隙、襯砌種類(lèi)等。

(2)直接原因由盾構(gòu)掘進(jìn)引發(fā)，主要有開(kāi)挖面失穩(wěn)、地下水位降低、推力過(guò)大、頻繁糾偏、洞體土層失穩(wěn)、盾體與洞體的摩擦力、襯砌背后產(chǎn)生間隙、注漿壓力、襯砌變形、襯砌漏水等。雖然地層變形的直接原因有很多，但大體可分為以下4類(lèi)：

1)地層應(yīng)力釋放產(chǎn)生的彈塑性變形，導(dǎo)致地層反力降低;

2)土壓增大產(chǎn)生的壓縮變形，導(dǎo)致垂直土壓增大或地層反力降低;

3)附加土壓產(chǎn)生的彈塑性變形，導(dǎo)致作用土壓增大;

4)伴隨土的物理性能變化產(chǎn)生的彈塑性變形以及徐變變形，導(dǎo)致地層承載能力降低。

(二)地層變形機(jī)理

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)某一斷面的地層變形時(shí)間曲線與盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中所處位置相關(guān)。如圖1K85-2所示，某一斷面地層變形的變形一時(shí)間曲線劃分為5個(gè)階段，各階段變形原因不同，變形機(jī)理各異。

(2)某一斷面地層變形的第1階段：發(fā)生在盾構(gòu)到達(dá)該斷面之前，主要表現(xiàn)為地下水位降低產(chǎn)生固結(jié)沉降。第2階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面前，若盾構(gòu)控制土壓(泥水壓)不足或過(guò)大，則開(kāi)挖面正前方土體彈塑性變形引起地層沉降或隆起。第3階段：發(fā)生在盾構(gòu)通過(guò)該斷面時(shí)，由于超挖、糾偏、盾構(gòu)外周與周?chē)馏w的摩擦等原因而發(fā)生地層沉降或隆起。第4階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面后產(chǎn)生的彈塑性變形;若襯砌背后與洞體的空隙填充不及時(shí)造成地層應(yīng)力釋放，則土體的彈塑性變形引起地層沉降;若襯砌背后的填充注漿壓力過(guò)高，則附加土壓引發(fā)地層隆起。第5階段：盾構(gòu)通過(guò)該斷面后長(zhǎng)時(shí)間地發(fā)生后續(xù)沉降，主要由于盾構(gòu)掘進(jìn)造成的地層擾動(dòng)、松弛等引起，在軟弱黏性土地層中施工表現(xiàn)最為明顯，而在砂性土或密實(shí)的硬黏性土中施工基本不發(fā)生。

(三)既有結(jié)構(gòu)物變形與變位

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生地層變形的同時(shí)，既有結(jié)構(gòu)物的外力條件或承載能力發(fā)生變化。

(2)外力條件或承載能力的變化使得既有結(jié)構(gòu)物發(fā)生沉降、傾斜、斷面變形等變位與變形現(xiàn)象，其變位與變形的程度取決于工程條件、地質(zhì)條件與既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征。這里，工程條件主要是指隧道線形、近接施工區(qū)間的長(zhǎng)度、是否采取隔離措施等;地質(zhì)條件是指既有結(jié)構(gòu)物與隧道之間地層的物理力學(xué)參數(shù);既有結(jié)構(gòu)物構(gòu)造特征主要包括斷面形狀、強(qiáng)度、變形特性。

三、盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形控制措施

由于盾構(gòu)掘進(jìn)地層變形各階段的機(jī)理不同，因此必須有針對(duì)性地采取控制措施。

(一)前期沉降控制

(1)前期沉降控制的關(guān)鍵是保持地下水壓。

(2)保持地下水壓措施：

1)合理設(shè)定土壓(泥水壓)控制值并在掘進(jìn)過(guò)程中保持穩(wěn)定，以平衡開(kāi)挖面土壓與水壓。

2)保持開(kāi)挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：對(duì)于土壓式盾構(gòu)是泥土的塑流化改良效果，應(yīng)根據(jù)地層條件選擇適宜的改良材料與注人參數(shù);而對(duì)于泥水式盾構(gòu)則是泥漿性能，應(yīng)根據(jù)地層條件選擇適宜的泥漿材料與配合比。

3)防止地下水從刀盤(pán)主軸密封、鉸接密封、盾尾以及拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)滲入。為此，應(yīng)保持盾構(gòu)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)、鉸接、盾尾等部位密封完好，保證盾尾密封油質(zhì)注入壓力與注入量，管片密封與拼裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

4)土壓式盾構(gòu)在地下水位高且滲透性好的地層掘進(jìn)時(shí)，采取有效的防噴涌措施，以防止地下水從螺旋輸送機(jī)涌人。

(二)開(kāi)挖面前沉降(隆起)控制

(1)開(kāi)挖面前沉降(隆起)控制的主要措施是土壓(泥水壓)管理，真正實(shí)現(xiàn)土壓(泥水壓)平衡。

(2)通常采取的措施有：

1)合理設(shè)定土壓(泥水壓)控制值并在掘進(jìn)過(guò)程中保持穩(wěn)定，以平衡開(kāi)挖面土壓與水壓。

2)保持開(kāi)挖面土壓(泥水壓)穩(wěn)定的前提條件：同1K35中三、(一)(2)2)

3)加強(qiáng)排土量控制。

4)對(duì)于土壓式盾構(gòu)，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩等盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行控制。

(三)通過(guò)時(shí)沉降(隆起)控制

通過(guò)時(shí)沉降(隆起)控制措施主要有2種：

(1)控制好盾構(gòu)姿態(tài)，避免不必要的糾偏作業(yè)。出現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)本著勤糾、少糾、適度的原則操作。在較硬地層中掘進(jìn)的場(chǎng)合，糾偏時(shí)或曲線掘進(jìn)時(shí)需要超挖，應(yīng)合理確定超挖半徑與超挖范圍，盡可能減少超挖。

(2)土壓式盾構(gòu)在軟弱或松散地層掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)外周與周?chē)馏w的黏滯阻力或摩擦力較大時(shí)，應(yīng)采取注漿減阻措施。

(四)尾部空隙沉降(隆起)控制

尾部空隙沉降(隆起)控制的關(guān)鍵是采用適宜的襯砌背后注漿措施，主要有：

(1)用同步注漿方式，及時(shí)填充尾部空隙。

(2)根據(jù)地質(zhì)條件、工程條件等因素，合理選擇單液注漿或雙液注漿，正確選用注漿材料與配合比，以便拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)及時(shí)穩(wěn)定。

(3)加強(qiáng)注漿量與注漿壓力控制。

(4)及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

(五)后續(xù)沉降控制

后續(xù)沉降主要在軟弱黏性土地層中施工時(shí)發(fā)生，主要控制措施是：

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)、糾偏、注漿等作業(yè)時(shí)，盡可能減小對(duì)地層的擾動(dòng)。

(2)若后續(xù)沉降過(guò)大不滿足地層沉降要求，可采取向特定部位地層內(nèi)注漿的措施。

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