地表沉降理论分析.docx

1、地表沉降理论分析盾构下穿建筑物桩基的数值模拟 华东理工大学 王凯 抄袭必纠 版面所有第1章 引 言1.1论文研究背景当今网络信息时代，科技飞速发展，全球信息化把人与人之间的距离拉的越来越近。1967年加拿大传播学家M.麦克卢汉在他的书中提出了“世界村”的概念。在20世纪以后飞速发展的今天，世界村的预言得以证实。人们追求“更高，更快，更强”的生活模式，但是交通拥堵问题在当今社会发展中的进程中，无疑是拖了“世界村”的后腿。本文主要研究有限元岩土分析软件MIDAS GTS对于深圳地铁9号线文锦站路段的盾构机下穿建筑物桩基的数值模拟。1.1.1论文研究背景当今社会，世界人口急速膨胀，城市人口不断聚集，

2、大量的人员流通及物资输送，给交通带来了极大的压力。主要表现为：（1）机动车数量的急速增长人民生活水平日益增长的今天，买辆私家车已经成为城市人必不可少的生活规划。据调查显示，2012年上半年的全国机动车和驾驶人快速增长。截至到2012年6月底，我国全国机动车的总保有量达到2.33亿，其中包括汽车保有量1.14亿，摩托车保有量1.03亿。告诉发展的经济水平同时也在无形中大大地增加了交通运输压力。（2）原有的城市路网规划不能满足当今的人流量我国现有的城市路网不能迎合现有的城市发展水平。我国城市路网存在着规划不合理，管理不完善等问题。现有城市路网存在密度低，干道间距太大，支路不充分，瓶颈路，断头路，畸

3、形路等需要整改的路线过多，交通微循环不流畅，平均出行效率低，平均出行时间过长，难以适应现代汽车交通的需要。（3）公共交通的萎缩我国公共交通存在以下几个主要问题：公交车运行效率低作为公共交通最常见的出行方式，公交车的效率问题一直是广大市民对于公共交通不满意的问题之一。公交车的运行速度低，安全系数相对较低，舒适度也相对较低。在某些情况下，公交车的速度比自行车还要低。而且公交车体形庞大，常常会成为造成路面交通堵塞的罪魁祸首。公交车时间管理不完善。因为路况，车辆情况，突发事件等影响因素，公交车的运行时间不能够严格按照规定的时间进行，这势必会对市民的出行时间规划造成不便，极大的制约了公共交通的发展。公交

4、车的路线规划不完善。我国城市发展迅速，公交车路线的规划处于逐步发展阶段，没有一个全面长远的规划路径，给市民们出行换乘带来不便 。此外，大规模的路上交通还给空气质量带来极大的污染，让人民的生活水平极大程度的下滑，各种环境污染问题大规模涌现，给市民的健康带来极大的危害。针对以上几个问题，国家开始大力开发地下空间，以缓解日益膨胀的人口压力带来的诸多交通问题，其中以轨道交通的兴起发展最为旺盛。目前已有超过18座城市在建设和规划筹建不同形式的轨道交通。近年来城市交通的不断发展，省会城市交通群逐渐呈现交通一体化建设的形势。将交通规划与城市建设相结合，以交通发展不断加速经济建设。城市轨道交通以一匹黑马的姿态

5、逐渐占领交通规划市场。 在国家标准城市公共交通常用名词术语中，令城市轨道交通的定义为“通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共交通的总称”。城市轨道交通是一钟具有速度快，运量大，安全准点，节约能源和用地等特点的交通方式。优先发展以城市轨道交通为骨干的公共交通系统才是解决日益繁重的交通压力的根本出路，也是最佳方案。深圳地铁是广东省深圳市的城市轨道交通系统，深圳是中国大陆地区第五个拥有地铁系统的城市，仅次于北京，上海，广州，天津。深圳市作为我国的改革开放的窗口，国民经济实力的不断增强，已经跃入国内大中城市前列，特区城市化进程不断往前加速推进，越来越多的人选择在深圳特区筑梦逐梦。随着深圳市

6、的经济不断发展，流动人口不断增加，深圳市的交通需求量不断快速增加，针对这一迅猛的发展趋势，深圳市政府为从根源上解决城市拥堵问题，确定了大力发展城市轨道交通的公共交通系统，深圳地铁由此背景立项，一期工程动工，并于2004年建成开通。2007年深圳地铁九号线被确定为2011年-2020年的轨道建设方案，不过，由于深圳为通过加大交通基础设施等方面的投资拉动内需，这些地铁建设实施被提前。2010年作为深圳轨道交通三期重点工程的深圳地铁9号线，开工建设，力争在2015年年底完工通车。深圳地铁9号线是实现深圳市“南北通贯，东拓西联”以及“中心强化，两翼伸展”的空间发展策略，并规划形成“三轴两带多中心”的城

7、市空间结构布局，从而缓解交通拥堵，实现建设成为公共交通城市以及综合交通发展战略的铁路骨干，是深圳市作为其主要中心城区内的居住联系就业片区之间的重点局域线，也是深圳市轨道交通长期规划中的三期工程重点工程。1.1.2课题研究现状（1）盾构施工对上部建筑物桩基影响的研究现状随着地铁项目建设的不断发展，盾构法地铁隧道施工在我国的发展已相对完善，盾构机下穿建筑物的工程研究在建筑史上也不断刷新，因为其对于施工影响的控制直接关系着周围建筑物以及地铁隧道结构的安全，因此国内外学者对这个问题也愈发的重视12。李永盛和黄海鹰的研究中结合了上海地铁1号线的实测结果并从中进行分析，通过预测由于盾构施工中盾构机的掘进所

8、导致的桩体结构发生未知变形的全过程，从而去顶了桩体与盾构机之间的最小容许距离值。Loganathan N&Poulos H G等人也依据一系列实验，研究得出了隧道施工所造成的对于地层移动还有对于邻近桩基的影响。Mroueh H 和Shahrour等人通过大量研究隧道开挖过程中，其林锦桩基内部可能会产生的较大的内力，其中，内力的分布除了需要取决于隧道与桩基的底部之间的相对位置3外，还会取决于其隧道中心线和桩基之间的水平距离；在群桩建筑物中，会产生一些积极的影响的群众效应，在一定程度上，同时也使同一承台下另一侧桩基的内力极大地减小了。通过运用一系列三维数值模拟技术，张志强、何川等人通过探讨得出了盾

9、构机施工下穿建筑物桩基的过程中，其盾构隧道的应变特征以及自身应力。4李宁、王柱等探讨了一些因隧道开挖而引起不同位置桩基及周围土体的变形规律，并在此基础上研究了隧道开挖对于周围土体的位移还有桩基变形的影响因素，并研究了其特性。 李强和王明年通过运用有限差分法，论证得到了在暗挖隧道施工的过程中，在其邻近的既有桩基位移变化规律以及受力特征，并依据其分析提出了相应的预加固技术措施以及相关的施工关键技术。项彦勇和何海建则通过分析某车站施工对车站临近道路桥梁的桩基影响方式及其影响水平，较为全面的为其设计施工提供了实践依据。黄茂松以及张红博等人依据弹塑性本构模型，通过软件建立三维的有限元模型，模拟复杂的盾构

10、隧道结构形式，同时模拟其动态施工过程，分析了桩基以及隧道之间的相互影响，对于桩基的位移以及内力的变化规律做了较为深入的探讨并得出了相应的结论56。 张海波、高俊合、刘国楠等人通过采用三维的非线性有限元方法，对于深圳地铁因盾构掘进施工进程所引起的桥台桩基础发生的附加应力以及其位移的变形过程进行了仿真模拟计算，他们在论文中提出了关于在盾构近接建筑物桩基的过程中的所要关注的施工注意事项以及对桩周土体做出相应的加固措施。1.2论文工程运用实例概况1.2.1深圳地铁9号线文锦站工程概况文锦站地铁深基坑采用明挖法施工，总长500.7m。基坑开挖与支护实际的具体参数详见表1.1所示。围护结构的地质情况剖面图

11、如附图1所示。表1.1 基坑开挖与支护参数表概述标准段的开挖深度值为18.76m，其开挖宽度为19.93m；盾构井处的开挖深度值为19.87m，其开挖宽度为22.47m。类型结构主体围护结构采用内支撑结构形式+800mm厚地下连续墙数量主体结构的土方量177868.9m3,安拆大型钢支撑3857.86t支撑层数支撑类型支撑参数水平间距(m)竖向间距(m)距地面深度（m）直线段一钢筋混凝土800900mm的C30砼94.2二钢支撑609，t=16mm34.758.95三钢支撑609，t=16mm34.7113.66曲线段换撑钢支撑609，t=16mm31.6415.3盾构井处拐角处设板撑，设有3

12、层规格为800900mm的C30钢筋混凝土斜撑。(1)工程地质条件1）场地条件本车站所处的地貌特征其原始的地貌为河谷冲洪积性平原，后期经过人工回填，其场地的地势平坦，场站标高为5.4347.369m。下伏基岩主要为侏罗纪系变质性砂岩，上部发育为冲洪积层，分别是由卵石层，圆砾层，中粗、粉细砂层，粘性土层，淤泥质土层以及淤泥构成。地面上部由建筑物以及道路覆盖，其原始地貌变得极其模糊甚至不复存在。2)岩土分层及特征车站所在的位置地层，自下而上依次为：中风化、强风化、全风化变质岩层，硬质塑状残积性砂质粘性土，卵石，中粗砂，淤泥质粘土，粉细砂，粘性土，杂填土，素填土等。其详细地质情况如下表1.2所示。表

13、1.2 岩土分层情况表层号岩土名称颜色状态层厚平均厚度岩土特征素填土红褐、黄褐色稍湿，松散2.008.40m3.68由粘性土回填形成，局部地区回填有中砂、少量碎石粉细砂层红褐色夹灰褐色湿，稍密2.703.40m3.07由粘性土及碎块石回填形成，局部含少量建筑垃圾淤泥质粘土深灰、灰黑色湿，流塑状，局部可塑状0.704.60m2.41含较多有机质，自上而下不均匀含粉细砂薄层，具腥味粘性土黄褐、红褐色稍湿，可塑，局部软塑0.505.20m2.51干强度中等，韧性中等，无摇振反应粉细砂黄褐色松散状态，局部稍密1.107.10m3.07含有较多粘粒及少量有机质，分选性较差，饱和中粗砂黄褐、浅黄色稍密状态

14、，局部松散0.905.30m2.48含有较多粘性土或夹薄层粘性土，分选性一般，饱和圆砾灰褐色、灰白色、灰黄色中密1.505.20m2.6含少量粘粒，级配不良，饱和卵石浅灰色、灰白色中密状态，局部为松散9.67分选性较好，局部含胶结状粘土残积硬塑状粘性土红褐色、黄褐色、灰黄色硬塑0.7010.30m3.25切面粗糙，粘性一般，干强度中等，韧性中等，无摇振反应，遇水易软化变质砂岩全风化带褐黄色、灰黄色质量等级为级0.605.10m2.88岩石风化剧烈，组织结构已基本破坏，极破碎，遇水易崩解变质砂岩强风化带褐黄色质量等级为级1.2020.00m7.17岩石风化剧烈，组织结构已部分破坏，裂隙极发育变质

15、砂岩中等风化带褐黄色、灰黄、青灰色质量等级为级0.606.06m1.96块状构造，岩石风化裂隙发育，结构部分破坏变质砂岩微风化带青灰色、绿灰、灰白色质量等级为级1.0015.30m5.15块状构造，有少量风化裂隙，结构基本未变文锦站所在位置的地质剖面示意如图1.1所示。从图中可以清晰的看出：地下连续墙的位置嵌入在其基坑底部向下4.5m范围左右的地层，其组成成分主要是强风化变质砂岩，主要地层性质不佳。车站两层的主体结构贯穿粉细砂（图中橘黄色），其平均层厚是厚度为3.18m的中粗砂层（图中青绿色），淤泥质粘土（图中棕黑色），其平均层厚是厚度为3.23m的卵石层（图中紫红色），以及其平均层厚是厚度为

16、3.6m的粉质粘土（图中深蓝色）等底层分布对于车站施工的影响较大，施工时必须采取相应的处理措施，以确保施工的质量以及安全。注：图中三条白线分别为车站顶板，中板和底板线，最下面的浅黄色线为地下连续墙的最大嵌入深度线。图1.1 文锦站所处位置地质剖面示意图(2)水文地质条件本车站所处地貌属于海积-冲洪积平原、丘陵及台地。其地下水来源主要可以分为两种基本类型，即基岩（构造）裂隙水以及松散岩类孔隙水。(3)周边建（构）筑物情况依据已收集的相关的调查勘测资料，了解到文锦站车站周边的建筑物详细情况，其风险评估的等级为二级，施工过程中需要采取排、降水，加强场地监测等措施以减小其周边的地面沉降。周边建（构）筑

17、物情况如表1.3所示。表1.3 周边建（构）筑物详细情况一览表 文锦站车站位置处在深圳市主城区，其站场位置所处的文锦南路以及春风路是深圳市的城市主干道，春风路已有的现状道路类型为双向四车道，文锦南路已有的现状道路类型为双向六车道，地面交通状态繁忙。 由于文锦站的周边地下管线状况复杂，各种管线的改移、避让工程都必须严格按照所设计规划的图纸进行，各种类型临时迁移的地下管线如处于车站的风道及出入口时则需采取悬吊措施，其中市政污水管线则需局部更换为钢管。对于本工程或有影响的详细的周边管线情况如表1.4以及图1.2所示。表1.4 周边管线详细情况一览表类型规格数量（条）长度（m）与车站关系雨水7.0m2

18、.0m1370.15横穿车站主体，离IV出入口最近4.64m,离I出入口最近3.95mDN10001345.2平行车站方向，位于车站内 DN800173.22斜穿车站主体DN8001170.26部分斜穿车站主体DN3001201.29横穿车站主体，其平行部分距车站北侧紧急出入口最近5.7m2.4m1.6m1135.32平行车站方向，且在车站主体南侧边缘内1.2m1.3m1474.74平行车站方向，位于车站内DN1000117.38横穿G出入口DN10001146.41在主体上方DN10001103.29横穿主体DN1000131.39距F出入口2.71mDN800138.03在主体上方DN80

19、0130.16距F出入口2.71mDN8001546.44斜穿主体，位于主体上方DN8001278.18位于主体上方DN8001106.79横穿主体DN8001131.48横穿号出入口DN8001131.74穿越I号风亭DN6001176.52横穿主体DN600150.03横穿市政配套疏散出入口DN4001126.88横穿主体DN400131.88位于I号出入口上方DN400154.09横穿II号出入口DN300142.89在主体结构边缘DN300194.11横穿II号出入口DN6001200.60横穿主体DN6001238.10位于主体上方DN5001109.52位于主体上方DN400115

20、3.88位于主体上方DN4001363.81横穿主体DN400138.27距结构最小距离2.95mDN200172.73位于主体上方DN150183.99横穿附属结构DN150125.22距结构最小距离1.99mDN100142.09横穿主体DN100135.18横穿附属结构图1.2周边管线详细情况一览表续表1.2.2文锦站工程难点向西村站、文锦站、向文区间，已经做出了详尽的施工组织计划。但由于地下工程未知因素多，相关关键施工环节需要重点把控。 1）施工降、排水：因车站的周边环境极其复杂，基坑的降水以及开挖施工都将会造成周边建筑物的沉降以及变形的发生，因此做好基坑降水、排水工作，确保能够为深基

21、坑的开挖营造“无水”作业条件成为工程的一大难点，也是工程进行的重中之重。采取措施：在基坑开挖施工的过程中，采取分阶段降水的方法，以避免其周边建筑物发生不均匀沉降，并加强施工监测，一旦发现变形异常的状况，则采取回灌，补充地下水位、对其周边建筑物进行注浆加固等必要措施进行处理。在施工中严格地按照其设计方案进行控制降水井的施工质量，尤其是对于降水井管和滤料的选择以及施工，以保证降水井能够满足成井质量；在施工中不断加强其地下水位及周边建筑物的监测，保证降水效果有效实施并确保基坑以及周边建筑物的安全。（2）管线保护：因基坑开挖施工而牵涉到的管线较多，因此管线安全问题亦是施工中的重难点之一。采取措施：在施

22、工过程中采取地质雷达结合挖探沟的两种方式来探明管线，并采取有效措施从而进行严格保护，用以确保管线安全。1.3盾构机下穿建筑物桩基1.3.1盾构及下穿建筑物桩基的研究背景盾构法目前在国内被作为地下空间拓展的常用工法，具有施工占地较小，对周边建筑物影响较小，施工环境佳，机械化程度先进，开挖速度迅速，安全性能高，成型的隧道质量高等特点7。但是因盾构机在穿越地层施工中具有诸多不可预见的风险，尤其是穿越不良地质情况上部建筑物时，其施工风险巨大，极可能会造成对上部或周边建筑物的破坏和损坏，从而造成重大的财产损失、人员伤亡等事故的发生。因此，在盾构下穿建筑施工过程中一定要控制好一切不利的因素，严格把关，尽可

23、能的避免事故的发生。（1）盾构施工对周边土体影响及实例广州地铁某区间隧道施工方法采用的是土压盾构法，在进行土压盾构掘进的施工进程中，其地表逐渐发生较大面积的沉降，导致沉降超限事故。据当时地质详细的勘测资料显示，此处的地基为原始古河道经回填形成，盾构机在掘进过程中，因盾构通过时，需要多次穿过砂层，淤泥混合层以及中微风化砂岩层组合的混合地基，因此会造成此次大面积的沉降事故。主要从以下几个方面分析此次盾构施工事故原因：1）地质预测判断失误该地区的鱼塘呈密集状分布，且塘内养殖有大量珍稀科研专用鱼苗，导致地质钻机不能够通过隧道上方的鱼塘进行内部钻孔，地勘孔设置间距较大，导致与其真实地层情况出入较大。由于

24、其地质条件处于定位不准确的状态，因此很难提前进行调整其掘进参数，以预防其地面沉降。由于其地层的预判不确定性，在中微风化层中的压力强行增大，会影响其泥饼的发育。 2）掘进时突发喷涌在掘进时隧道内部的岩层夹杂大量的孤石，因此在盾构掘进的时候出现了喷涌现象。及时采取措施恢复掘进后，渣土中出现少量十块，导致在之后的掘进过程中数次出现闸门被孤石卡住，难以控制土仓压力。3）土仓内部结泥饼，掘进速度缓慢导致土体超挖在掘进到第545环的时候，含砂量逐渐增多，此时盾构机已经进入到上软下硬地段，掘进参数发生异常，渣温，扭矩，推力同时上升，掘进速度开始降低，出闸时有大块的粉状土团聚块出现，其土块的温度逐渐呈现内高外

25、低的状态。根据各项参数及出渣情况的观察可判断盾构机内部土仓已经结泥饼，造成盾构机的推进速度非常缓慢，但盾构机的刀盘依然工作，处于转动状态，且其千斤顶的推力不断维持在1500KN，并且其扭矩值也处于居高不下的状态。同时，由于其上部地层是软弱地层，因而无法减压，导致进入土仓清除泥饼，而形成了恶性循环。下部的硬质岩层不断被磨动，而进入土仓中的土样较少，上部的砂土则伴随着不断搅拌的刀盘源源不断的涌入舱内，导致其砂土内部的掏空范围不断地扩大，因而引发其拱上的土体因自重的作用不断塌陷，使地面的鱼塘底部导致沉降发生，冒顶，土体在塌陷时，刀盘掩埋造成扭矩的瞬间突增。4）土仓压力偏小，且控制出图未能精细化盾构机

26、掘进过程中的实际土仓压力比理论计算时的水土侧压力略小，从而导致掘进过程中上覆的淤泥层在土仓压力不够的情况下，接近土仓的淤泥因被上层淤泥施加的土体压力挤压不断进入土仓。同时因为隧道段秒多层地层的比例不断变化，每次的松散系数的差异较大，造成了出量的大小不一，但是通常在实际的施工中，并没有根据其地层的比例变化随之不断的调整其出土量，进而造成土量的差值累计，导致土体超挖的大量形成。针对这类问题，尤其是已经出现的相关的沉陷超限事故，相关部门作出了相应的措施，为了制止其地表沉降的不断扩大，确保盾构机能够安全地通过沉降超限区域。作为盾构隧道施工中的基础，复杂的地质条件会给施工带来潜在的风险，将施工工作置于被

27、动的状态。根据实际的地质条件特点控制出土量可以有效的减少地面沉降的现象。然而实际操作中其出土量的控制主要还是需要依靠土体压力以及推进速度来控制，实现起来十分被动。使用适当的有限元分析软件，建立恰当的模型能够在一定程度上预防和缓解这类事故。（2）因盾构动态施工造成周边建筑物的影响实例随着地铁的发展日益深入到市民的生活，地铁线路不断增加，在施工过程中，对于地表沿线的建筑物的破坏实例也逐渐增多。2013年7月1日凌晨4时的上海“四号线事故”惊醒中国地铁千亿投资的热梦。当天凌晨四时四号线浦东南路至南浦大桥区间隧道在施工过程中突然出现渗水，瞬时，大量的流沙源源不断地涌入隧道中，其内外压力严重失衡，从而导

28、致了部分区域的隧道塌陷，地面也出现了较为严重的沉降。四号线的隧道施工所处的土层位于地下第七层，第七层是沙土层，含沙量非常高，沙中含水量也高，水具有一定的压力，加之睡得源头与江河湖泊是相连的，水的压力随着潮汐随时都会发生变化，通了以后水就会就大量的流沙不断的喷出来。前后间隔时间不到半小时，接近施工点位置的楼房也开始出现了不同程度的倾斜。此次突发事故迅速产生了一系列的连锁反应。当日上午九时许，位于中山南路的一栋8层楼房裙房坍塌，次日凌晨开始，董家渡外马路段的防汛墙因受地面沉降的影响，开始塌陷，开裂，零时许倒塌。靠近事故现场的20多层的临江花园大楼也开始出现沉降，最大累积沉降量高达15.6毫米。虽然

29、事后及时作出了抢险措施，但是在地铁施工的历史上还是留下了惨痛的一记教训。诸如此类的工程实例还有很多研究存档，2005年8月22日，施工一个月后的北京地铁5号线的北新桥站隧道上方的火锅店其厨房突然塌陷，2006年1月4日，正在进行盾构施工的广州市地铁5号线黄埔区大沙地东路大文区间路发生直径约6米，深度为60厘米的沉陷。由此可见，为了保护周边建筑物原有结构的稳定性，使其能够在设计年限内正常使用安全运营，盾构动态施工对周边建筑物的影响是一个非常必要的科研课题。（3）盾构动态施工对建筑物桩基础的影响桩基础可以将上部建筑结构的荷载深入传递到内部比较坚硬的，压缩性能小的土体层或者岩层上，以保证建筑物可以满

30、足承载力要求以及变形允许值的要求。桩基础具备承载性能高，沉降及差异变形小，沉降稳定快，抗震能力强，能适应各种复杂地质条件等优点，使其成为应用范围最广的一种基础型式，在高层建筑，超高层建筑、道路桥梁、支挡结构以及抗震等工程中得到了广泛的应用。（4）管片在盾构施工及土压力影响下安全性分析因隧道工程大部分位于地下，加之其围岩的复杂性决定了其隧道工程的理论设计发展成熟性远不能达到地上工程的程度，长久以来，盾构隧道主要以结构理论、连续介质理论、土力学理论、为设计指导。在文献中常见的方法基本上都属于荷载结构法，如：假定抗力法、弹性地基梁法、弹性连续框架法等。在荷载结构法中，以土压力，水压力，自重，上覆荷载等主荷载的研究和相应的成果比较多，理论也相对较为完善。但对于以内部荷载，施工荷载，地震影响等次荷载，以及相邻隧道的影响，地基沉降的影响，邻施工影响等其他特殊荷