北京地铁施工沿的线地表变形安全控制研究.doc.doc
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1、摘要曼曼曼曼曼曼!曼曼曼曼!曼曼苎曼!曼!曼!曼!曼!一;摘要随着城市建设的发展,城市地下工程的修建日益增多。地铁隧道工程的施工不可避免地会对周围地层产生扰动,导致地表发生沉降变形,引起地上或地下邻近建筑物、构筑物的开裂、沉降、倾斜等问题。而对于地铁施工引起的地表沉降的控制标准,目前我国还没有完全统一的标准,仅规定了城市地面变形为“”沉降(隆起)的基准以确保地面建筑物的安全,并且规定当最大沉降大于时,邻近建筑物的不均匀沉降应限制在的基础倾斜之内。目前,这方面还缺少相应的规范、规程,还需要专家学者、工程技术人员等共同努力,早日制定出建筑物能够安全承受的变形指标控制标准。因此认为,大力加强这方面的
2、研究是非常必要的。本文在总结、统计及分析地表变形规律的基础上,主要对北京地铁施工沿线地表变形的安全控制进行研究,然后以北京地区地铁施工典型盾构区间为例,在该区间详细工程地质条件和设计参数的基础上,采用工程分析软件对盾构施工引起邻近建筑物基础变形规律与特征进行了数值模拟。并模拟了在地下连续墙、隔离桩、注浆等不同的安全控制措施的情况下,地铁施工对邻近建筑物基础的影响。最后对数值模拟的数据进行分析归纳,总结出针对北京地铁施工,对现行的控制标准进行改进,提出针对北京地铁施工的控制标准提出一些建议。关键词:地铁施工安全控制变形地表沉降北京工业大学工学硕士学位论文,也“”,。,:,独创性声明本人声明所呈交
3、的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得塞王些太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名:丝日期:关于论文使用授权的说明本人完全了解塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)日期:第章绪论研究背景和研究意义第章绪论研究背景随
4、着国民经济的高速发展,我国城市化水平正在快速提高,并带来了城市工程建设的飞速发展。城市人口密度大交通阻塞成为我国“城市化”的突出问题。向地下要土地、要空间己成为城市建设发展的必然趋势,显示了无比的优越性【。我国及国外大城市的地下商业城(街)、地下车库、地下影剧院、地下铁道、地下人防系统,是众所周知的城市地下工程,它们是未来城市建设的发展方向。世纪将成为人类开发地下空间的世纪【。然而,地下工程施工会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移,由于施工技术及周围环境和岩土介质的复杂性,即使采用最先进的施工方法,其施工引起的地层移动也是不可能完全消除的【。当地层移动和地表变形超过一定的限度时就会造成地面
5、沉陷、基坑垮塌、隧道破坏、周边建筑物损害、地下管线损害等事故,导致严重经济损失并产生不良的社会影响,从而影响到隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营。尤其对于城市地铁,一般都穿越城市中心地带,因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙、施工条件受到限制,对环境的控制要求更为严格【。正确估计可能发生的地面变形,采用正确的控制方法,选择最佳的施工技术,制定一套完善的控制标准以确保施工地区楼房、建筑物与地下管线等重要设施的安全。因此,研究城市轨道工程开挖过程中地表沉降的安全控制问题,对于地表环境保护及轨道工程的安全施工都具有十分重要的意义。研究意义经过阅读大量的国内外研究文献可以
6、看出,城市地铁盾构施工是在地层土体内部进行的,无论其埋深大小,盾构的施工将会扰动,破坏原有土层土体的平衡状态,而向新的平衡状态转化。盾构施工对土体的扰动是不可避免的,它包括盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、北京工业大学工学硕士学位论文地表隆起与下沉等。由于受盾构施工扰动的土体物理力学性质与原状土物理力学性质相比发生了深刻的变化,因而在盾构施工过程中及隧道建成后对周围环境的影响一也将发生质的变化【】【引。盾构推进过程中,开挖面土体向盾构内移动,引起隧道外围土体向隧道内移动,产生地层损失。相当于从地层中挖去一块土体,形成一个空缺,上部土体在自重作用下弥补这个空
7、缺时产生了地层移动,引起岩土体及地表移动和变形。在不考虑土体排水固结的情况下,认为土体的移动是一个随机过程。对于关于盾构引起的纵向地表沉降可以分为四个或者是五个阶段,若按照五个阶段分的话有:盾构到达前的地面变形、盾构到达时的地面变形、盾构通过时的地面变形、盾构通过后的瞬时地面变形、地表后期固结变形,前面四项的总和称为地表沉降。国内文献中对个别具体因素引起变形和位移的研究的较多,而对多个因素同时作用时的效果研究的较少。但既有的理论都是建立在具体工程实例基础上,具有局限性。而纯解析法得到的是理论解,精度高,计算量小,但解题范围有限。盾构施工对岩土环境影响的研究,大多集中于地表面变形的经验预估、数值
8、模拟方面,而对引起地层移动和变形的土体扰动以及扰动土性研究较少。实验室中进行了一些土样扰动的研究,但在理论上研究仍显不足且缺乏评价指标。而对于地表沉降控制标准的研究情况在日本主要为隧道标准规范(盾构篇)及解说,我国主要是根据盾构施工中各地区实际工程经验设定地表沉降控制数值,同时广州、上海、南京各地的盾构施工地表沉降控制标准根据隧道通过的实际地质情况确定,当同时考虑地质情况及周围环境的影响时并没有全国统一、通用的标准。因此,我们有必要加强这方面的工作,进一步研究地铁盾构施工的安全控制方法,便于盾构技术在我国的广泛应用。国内外研究现状隧道施工引起的地表沉降进而促使建筑物损坏等问题早已引起了各国学者
9、的注意,尤其是在地面建筑设施密集的城区中进行隧道施工,一直是人们十分关注的问题。沉降控制标准包含两方面的内容:其一是出于环境控制的需求,其二是出于工程结构稳定本身的需要。实施的安全控制必须两者兼顾。按照环境控制要求分析地表沉降的控制标准地铁施工引起沉降对城市环境造成的危害主要表现在地面建筑物的过量倾斜及地下管线的变形、断裂而影响其正常使用。通常在投标文件中给出的地面沉降控制值即是出于对环境要求的考虑(如北京地铁暗挖法地表下沉控制值为第章绪论),其根据主要来源于已有的建设规范及以往的工程实例。但是由于地面建筑及地下管线种类繁多、结构等级各异,线路穿越的地层不同,若均使用统一安全控制标准,难免产生
10、对某些地段过于保守,造成经济损失;而对某些地段又出现危害性沉降的弊端。为了保证给出的安全控制标准既能满足安全需要,又使建筑成本较为经济,应使安全控制标准尽可能符合工程实际。地面建筑的沉降控制标准沉降对地面建筑的危害主要表现在地面的不均匀沉降引发的建筑物倾斜(或局部倾斜)。在“建筑地基基础规范”中,对各类建筑物的允许倾斜值已作出明确规定。因此,对建筑物而言,允许最大差异沉降(不均匀下沉)作为地面沉降的控制条件。()建筑物相邻柱基小于或等于沉降槽拐点时:由沉降槽曲线图可知,在拐点处,曲线斜率为最大。当建筑物处于位置时,差异沉降达到最大值。故以此极限条件下的坡度值极限坡度小于相应建筑物允许倾斜值作为
11、限制条件。即:(一)式中允许差异沉降:建筑物允许倾斜值;沉降槽拐点距隧道中线距离。()建筑物相邻柱基大于或等于时此时,沉降对建筑物的影响除倾斜外还含有基础的受弯。当沉降过大时,有可能导致建筑物基础的断裂及上部结构压性裂缝的产生。故以建筑基础的允许应变作为计算控制标准的极限条件:】)()式中,】【】基础的极限抗拉强度;基础弹性模量。地下管线沉降控制标准地下管线通常为供(排)水管、煤(暖)气管、工业管道及各种电线等。过量的地表沉降会导致管线断裂,将影响其正常使用甚至引发灾难性事故,其后果是极其严重的。由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连接方式、接口材料、使用上对变形的允许指标、施工质
12、量、使用年限等因素的不同而有较大差异。从安全角度出发,选择对沉降耐受力量低的砂浆接缝混凝土污水管作为控制条。沉降槽上方的管线变形情况类似于建筑物地基梁的情况,随着地层的沉降其受力条件发生转化,这时可视为受垂直均布荷载的弹性梁考虑。根据北京工业大学工学硕士学位论文结构在正常使用时其承受的应力应小于或等于其允许设计应力这一标准,管道在地层沉降时产生的变形应小于或等于其允许应力的相应变形范围。即:】聊聊)一所()式中,管道计算长度;么肌管道极限伸长量(么占)。当管道走向垂直于隧道走向时,此时值最小。故有:】)()可见与()公式相同。按地层及结构稳定的需要分析地表沉降安全控制标准从保障地层与结构的稳定
13、出发,地表下沉控制标准必然与当地的地质条件、施工规模、埋置深度、结构尺寸和施工方法等有关,一般应根据模型试验、数值方法所提供的分析结果加以确定。通过拱顶下沉极限推算地表沉降控制标准工程实践和理论分析表明,更多情况下控制浅埋地下工程稳定性的主要指标是拱顶下沉值,而不是水平收敛值。在利用计算方法得的拱顶位移值与地表中线位移值换算关系后,即可将拱顶下沉控制标准换算成地表下沉控制标准。目前,国内外尚没有这方面明确的规定和科学的确定方法,国内外有些经验性规定可供参考。如表所示:表各国隧道拱顶允许变形锚杆喷射混凝土技术规范(一):拱顶允许相对下沉位移备注隧道埋深类围岩类围岩类围岩硬岩取较小值软岩取较大值法
14、国工业部制定:拱顶处围岩允许下沉量备注覆盖层厚度硬岩塑性地层隧道断面日本:新宇佐美隧道拱顶允许下沉量备注覆盖层厚度变质安山岩等温泉余土开挖半径前苏联:拱顶允许最大变形值备注万:(、,为隧道跨度,为普氏系数经验公式由地层极限应变推算地表沉降控制标准由地层位移的实测结果知,在不考虑地下水的情况下,地层的位移是自洞室临空面向地表逐渐延伸的,这意味着破裂面的形成也是由洞室周围向地表延伸。第章绪论鼍曼曼!鼍苎詈!曼!曼!孽一一一一!苎!鼍曼!鼍鼍苎詈!曼!鼍皇苎!由于拐点(曲线)处剪应变最大,当地层处于极限状态时该点剪应变达到极限值,成为地层破坏的控制点,从保证施工安全的角度,以隧道侧壁正上方控制点(如
15、图所示)不发生坍塌时允许产生的最大地表沉降作为控制基准。将地表沉降横断面正态分布曲线(曲线)视为地层横向梁的挠度曲线,采用地层梁理论导出的极限剪应变法来确定该基准值【】。图隧道上方坍塌破坏示意图由弹性力学平面问题的基本理论可知,在笛卡尔坐标系中,地层中某点的剪应变可写为:锄瓦瓦()式中,娑为地层单元体垂直位移在方向的变化率;娑为地层单元体垂姒直位移在方向的变化率。若忽略水平方向的位移,则有:娑()。,公式描述了地表质点在垂直方向的位移规律,当沉降的最大斜率为时,得出地表沉降的最大斜率为:舻娑:()。一一假定围岩的极限剪应变。与乃,相等,则地层坍塌破坏极限状态的地表最大沉降量为:。一而厂式中,趾
16、为地表最大沉降量;剪应度,且,把式()代入()得:()为曲线拐点到中心的距离;为围岩的极限()()式中,为经验系数,在软岩中:(),。,在硬岩中:,。纺;为弱面走向与水平面夹角;纺为弱面内摩擦角。北京工业大学工学硕士学位论文曼曼曼曼曼!曼曼!曼曼曼!曼曼曼皇!曼曼!曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼!曼!曼!曼曼曼曼曼曼!曼寰!曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼!曼曼!皇曼曼曼!曼综上所述,控制基准值的确定首先应分别计算出建筑物允许沉降值、管线允许沉降值、地层允许沉降值,取其中最小的允许沉降值作为最后的控制基准值。沉降槽宽度参数法安全控制标准国内现有的一些城市地铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验规定,通
17、常都采用“”沉降(隆起)的基准以确保地面建筑物的安全的控制标准,这一指标是为了控制地下工程开挖对地面环境的不利影响而定的。据调查咨询,国外在市区修建的地铁工程,普遍是将作为地表沉降控制的标准,沉陷曲线拐点的斜率不大于,地层损失系数不大于纠。在工程施工中,鉴于工程条件、地质情况的复杂性,特别是来自施工细节的不确定因素,为保障地面建筑及地下管线的安全与使用,以及围岩与结构的稳定,还应当针对每一个具体工程提出一个地表下沉控制量(或叫地表下沉控制基准值)作为施工监测指标。表列出国内外一些地区的地表下沉控制标准。表各地区地表沉陷控制标准国外闹市区西单地铁车站西单地铁车上海地铁一号线盾构法地区按调查咨询投
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