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盾构机操作工理论题（技师）.doc 58页
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盾构机操作工理论题（技师）
一、填空：
1、盾构机操作包括了推进系统、铰接油缸、主驱动系统、泡沫系统、螺旋输送机、皮带输送机、盾尾油脂密封、仿形刀、膨润土等部分的控制。
2、主控室电脑共设置了十个控制界面。
3、主监控界面显示了整台盾构机的相关参数。
4、通过主监控界面可及时的了解整个系统的工作参数及变化情况，使我们能够较全面的掌握盾构机的工作情况。
5、泡沫系统界面显示了泡沫系统各路空气及混合液的实际值。
6、泡沫注入分手动、半自动及自动三种模式。
7、辅助控制界面主要实现除主控室面板能实现的操作之外的其他系统的操作，主要是实现盾壳膨润土、盾尾密封、超挖刀及连锁调试模式选择功能。
8、盾壳膨润土控制有手动和自动两种模式。
9、盾尾密封系统如果选择手动，需在主控室面板按下“启动”按钮，并在上位机上选择需要注入的点（前部和后部）。
10、启动条件界面显示常规条件、刀盘驱动、推进、螺旋输送机、皮带输送机及泡沫等系统的启动条件。
11、参数设置界面显示了主要参数的设置、调试的选择及油温监视的设置。
12、变频驱动界面显示了各台变频器输出参数的监视，包括电流、扭矩、频率、功率，并能选择需要启动的电机及控制模式。
13、报警系统界面显示了盾构的运行故障，方便检修人员进行检修。
14、曲线图界面能通过曲线趋势图，实时对盾构机的参数进行曲线描绘。
15、通常情况下，绿灯快速闪烁是故障显示；绿灯闪烁（慢）是泵启动过程中；绿灯常亮：正常运行。
16、第一次启动盾构机时，必须根据专业技术人员的要求设定盾构的各种参数。
17、泡沫参数的设定应根据工程地质的具体情况设定泡沫的压力及流量。
18、泡沫混合液和压缩空气的流量由流量传感器进行检测，PLC 控制电控阀门的开度，得到最佳的混合比例。
19、在“参数设置”界面设定各液压系统的报警温度，一般最大报警温度不超过 60℃。
20、在“参数设置”界面根据土木工程师的要求下，设定注浆系统的起始压力及终止压力。
21、盾尾油脂密封参数设定，压力控制模式下的最大压力，阀工作等待时间，最大动作等待时间等。
22、盾尾油脂密封的控制有行程控制和压力控制两种模式。
23、导向系统是用来监视盾构精确姿态，提供盾构相对于隧道设计轴线的详细偏差信息，便于用户及时纠正盾构的姿态。
24、传感器（一般被称为激光靶模块）是来测量盾构相对于基准激光的垂直及水平偏差的装置。
25、注浆压力可在控制室掘进参数电脑上进行设定。
26、根据掘进速度选定适当的注浆速度，并通过速度调节器调好速度。
27、衬砌背后注浆量的确定，是以盾尾建筑空隙量为基础，结合地层、线路及掘进方式等，并考虑适当的饱满系数，以保证达到充填密实的目的。
28、管片输送小车在盾构联接桥下方，它起着管片运输和中间储备的作用。
29、为保证管片的定位，管片安装机共有6个自由度。
30、测量数据的评估，可以通过两种不同的方法来实现。
31、如果开挖地层自稳定性较好，采用敞开式掘进，则不用调正压力，以较大开挖速度为原则。
32、如果开挖地层稳定性不好或有较大的地下水时，需采用土压平衡模式掘进，此时需根据前面地层的不同来保持不同的渣仓压力，具体压力值应由土木工程师决定。
33、盾构方向的调整是通过调节推进系统几组油缸的不同压力来进行的。
34、盾构方向的调整原则是：使盾构的掘进方向趋向隧道的理论中心线方向。
35、当盾构推进油缸左侧压力大于右侧时，盾构姿态自左向右摆。
36、盾构在调向的过程中不能有太大的趋势。
37、通过调整盾构刀盘的转向可以调整盾构的自转。
38、铰接缸的作用是为了盾构能够很好的适应盾构的蛇行前进，特别是为了盾构更好的适应曲线掘进。
39、膨润土的作用也是为了改善渣土的特性，使其更利于掘进和出渣。
40、在施工进行期间结合地面监测反馈信息及实际施工情况进行总结分析，对掘进参数进行动态管理。
41、掘进时应保持进泥量、开挖土砂量与排泥量的相对平衡，此平衡可以根据泥水流量和进排泥密度计算出。
42、围岩较差和沉降要求较高时，要特别注意泥水的质量，保证泥水粘度和造浆性。
43、电机散热装置周围保持良好的通风，以保证电机散热装置的正常运转。
44、不要把手脚置于推进油缸靴撑和管片间，以免夹住手脚造成伤害。
45、当盾构机处于土压平衡或半敞开式掘进时，要严格控制盾构的出土量。
46、出发支架的定位测量，是根据出发支架的间距和尺寸，分别计算出各个支架的里程端点坐标和每个圆弧的5个高程进行放样。
47、始发定位是精确测定盾构机主机两个断面的直径。
48、采用分区调整盾构推进油缸推力控制盾构掘进方向。
49、在上坡段掘进时，适当加大盾构机下部油缸的推力，以保证盾构机正确的掘进方向。
50、在下坡段掘进时则适当加大上部油缸的推力，以保证盾构机正确的掘进方向。
51、在左转弯曲
正在加载中，请稍后...海瑞克盾构机电气控制系统概述(转载)
要：对海瑞克土压平衡盾构机电气控制系统进行概述，并分别对其配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分的设计进行总结，以加深对其整个电气控制系统原理的理解。
关键词：电气系统&
配电系统& 可编程控制系统& 计算机控制及数据采集分析系统
0& 海瑞克盾构机电气系统简介
盾构机是一种集机械、液压、电气和自动化控制于一体、专用于地下隧道工程开挖的技术密集型重大工程装备，其技术先进、结构庞大。如果把机械部分比喻成人的四肢，那么液压系统比喻成人的血液系统，则电气控制系统就是人的神经系统。当前盾构机电气控制系统均采用世界上最先进、可靠的技术以保证系统稳定可靠地运行。海瑞克盾构机电气控制系统分为配电系统、可编程控制系统和计算机控制及数据采集分析系统三个部分。下面对该三个部分进行介绍。
1& 配电系统
盾构施工是参考工厂式的流程化作业施工，盾构机的配电系统设计原则也是参照工厂供配电原理设计的。配电系统分为高压系统和低压系统，其用电设备列表如下：
管片安装机
螺旋输送机
皮带输送机
砂浆储存罐的搅拌器
液压油过滤泵
主轴承润滑
冷却水系统
二次通风机
1.1高压系统
经过负荷计算，Sj1≈2000kVA，则选择的电压器容量为2000kVA，选择的高压电缆进线为UGP-3&50+1&25，选用的高压环网柜电压等级为12KV，容量为200A，变压器带温度和密封性故障报警。高压系统原理图如下：
变压器温度和密封性故障动作机构
1.2 低压系统
变压器将10KV的市电转变成400V的低压电，之后分成两路，分别经过断路器1-3Q2（俗称主开关）和断路器1-4Q2（副开关），其中主开关具有相序保护。主开关控制盾构机主要用电设备，比如各个电机。因各个电机为三相用电设备，在启动和运行时需消耗无功功率，所以海瑞克盾构机电气系统投入了功率补偿设备，以保障设备运行时，功率因数大于0.9。副开关控制台车部位和盾体部位的照明系统和备用插座系统。由此可见，三相用电设备系统与照明系统实行分线布置，提高了两者的供电质量。因盾构施工也属于临时施工，需要布置临时用电系统，备用插座系统就是与临时用电系统的接口，满足现场施工需求。
弱点系统也是低压系统的组成部分。弱点系统主要是给各个继电器和传感器以及电磁阀提供电源，电压输入整定值为24V。
2 &可编程控制系统
海瑞克盾构机的可编程控制系统是由西门子S7-400采用主从分布式结构组成的，
行程数据接收转换卡
遥控器无线通讯从站
行程显示器&8
拼装机角度编码器
西门子电表
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图一：硬件组态
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
其硬件组态如上图：
如图所示，可编程控制系统采用Profibus-DP 协议的现场总线控制技术，在司机室设置了S7-400
主站和工控机,在低压配电柜设置了IM153从站，并将设备安装的电气元件通过DP电缆连接至主站。在用电设备相对集中的低压配电柜设置智能远程I/O模块，这样就可以按照就近原则，将附近的电气设备接入分站，相比接入司机室S7-400
主站节省大量电缆。同时工控机可以通过工业以太网的TCP/IP
协议，与地面电脑组成局域网，使地面的电脑连接与控制工控机，以掌握盾构掘进状况。
PLC程序包含源文件和块文件。块文件又包含组织块、功能块、功能和数据块等。其中组织块一调用各个功能块执行盾构机的运行和动作，还设置了三个中断组织块，一个为电源故障中断组织块，一个为拼装机角度编码器检测循环中断组织块，一个为每组推进速度检测计算循环中断组织块。功能块与电气图纸组别一一对应，相应地与盾构机各个系统相对应，使技术人员方便找到程序与图纸的对应关系。
3 计算机控制及数据采集分析系统
计算机控制系统主要用于参数设置和数据采集分析。西门子工控机安装在盾构司机室, 由现场操作人员使用,
用于人机对话、显示数据、设置和修改系统控制参数等。工控机与PLC通讯示意图如下：
数据采集分析系统就是采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。通过调整过的时钟脉冲，所有测量数据都将从工控机连续不断的得到。但是，只在特定的时间才进行数据的记录。数据采集系统连续不断对盾构机的资料进行采集、显示和存储。每一推进时刻的资料均被保存在不同的文档中，这些文档连续的自动编上不同环号。通过这些推进时刻的文档，就可以获得相关掘进区间每一期、每一刻的文档。测量的数据将以图形方式显示在工控机上，通过功能键
到、简单的菜单、鼠标和键盘，可以选择单个的显示区域。如下图为F1界面，其中的参数界面可以进行参数设置。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
每环结束后，掘进报告会自动生成。海瑞克公司还提供了一个额外数据评估程序，可以用来分析多环的各个参数变化情况并形成每环掘进报告。
SLS-T 隧道导向系统为测量专用系统，在此不讨论。
4 盾构机电气系统的应用
4．1配电系统的应用
海瑞克盾构机的配电系统装配的电器开关都是梅兰日兰生产的，该品牌为全球电器开关第一品牌。每个电机上端都安装了一个断路器，具有过载短路漏电保护，而且其负荷电流，漏电电流和动作时间都可以在一定范围内设定，这一点与国产件不同。比如推进泵电机上端断路器15-1Q1，出厂时负荷电流调节为120A，但是该开关可以从90A-150A范围内随意调节，这样极大的方便了用户对用电容量的设置。当需要改变负荷电流值时，无须更换开关。弱电系统的输出电压在出厂时，一般设定为27V，到负载端一般为24V，但是工地现场实际，因为市电的电压，还有弱电负载的变化，都将导致负载端电压值不等于24V。根据工程经验，弱电用电设备输入电压超过本身的10%，将容易损坏。所以每次盾构机始发调试时都必须根据弱电负载的电压值重新整定弱电系统的输出值，而且在设备使用过程中，因传感器的损坏或者其他原因导致负载容量变化时引起的电压变化也需要监控，实时调节。只有这样才能保护好了盾构机的弱电系统。
4．2可编程控制系统的应用
可编程控制系统是盾构机电气控制系统的最关键的部位。如果说电气控制系统是盾构机的神经系统，那么可编程控制系统就是盾构机的大脑。那么“大脑”是怎样指挥“神经系统”的呢？我们以推进系统1号油缸伸出为例说明可编程控制系统程序是如何控制1号油缸伸出的。如下图所示：
M58.4为推进模式下1号油缸伸出信号，M88.0为拼装模式下油缸伸出信号。当M58.4或者M88.0为1时，则Q9.7也为1。Q9.7对应电气图纸的“.15/23.3”为控制1号油缸伸缩换向阀的伸出电磁线圈，该线圈得电，1号油缸伸出。
通过工控机可以连接PLC进行程序监控，通过该方法可以判断盾构机因条件不满足使动作无执行这类的故障。
4．3计算机控制及数据采集分析系统的应用
计算机控制及数据采集分析系统应用主要体现在管理级。现举例说明如何通过地面监控电脑对盾构机掘进过程的各组推进压力数据进行分析。在地面监控电脑与盾构机工控机之间占用一路电话线，都使用串口COM调制解调器与电脑连接，即建立了工业以太网。在两部电脑上都安装PCANYWHERE软件，经过设置后拨号会自动应答，既地面监控电脑通过软件查看和控制盾构机的工控机。在控制工控机后，打开PDV监视界面，进入F7的DATE
EVALUATION，点击选项，得到如下图表：
如图所示，在地面监控电脑看到第225环三组推进压力的瞬时值。
5 盾构机电气系统的总结
综上所述，海瑞克盾构机的电气控制系统是一个庞大复杂但先进又不失人性化的系统。配电系统从高压到低压，从强电到弱电，电气元件大多为梅兰日兰的产品，有质量保证，不但设定值精度高而且寿命长，减少了维护的工作量。可编程控制系统为西门子S7-400为主站，采用主从分布式结构组成的。系统稳定，功能强大。在工控机上可以监控程序的运行，还可以进行硬件诊断，可以判断盾构机电气方面的大多数故障。计算机控制及数据采集分析系统可以与PLC进行通讯，采集、处理、存储、显示和评估与掘进机联网所获得的数据。此时，盾构机电气控制系统的自动化级别为现场级，采用Profibus-DP
协议的现场总线控制技术。如果在地面设置监控电脑，并通过工业以太网协议进行通讯，那么其自动化级别可上升至监控级和管理级，实现盾构机的远程监控，掌握盾构机掘进状况。
[1]海瑞克.S436 S437技术说明，2008.
[2]江文，许慧中主编.《供配电技术》.北京：机械工业出版社，2005.1
[3]张运刚，宋小春，郭武强编著.《从入门到精通.西门子S7-300/400PLC技术与应用》.北京：人民邮电出版社，2007.8
以上网友发言只代表其个人观点，不代表新浪网的观点或立场。大数据助力安全 地铁盾构机施工24小时监控
07:31 &&来源:
&&编辑: 申海娟 &&责任编辑: 马兰
在位于成都地铁大厦一楼的成都地铁建设安全风险监控中心，整面墙都是监控大屏，上面显示的是当前每一个重点监控点位和每台盾构机掘进参数的实时情况。据介绍，成都地铁公司对目前全市在建线路所有在掘进的盾构机，都做到了全覆盖、全时段、全参数的监控；同时加强信息技术运用，引入大数据概念，提前对潜在风险开展辨识、分级和论证，进行&对症下药、定制方案&。
加强日常安全质量管理
目前，我市正在建设的地铁项目包括1号线三期首期工程、3号线一期、二期、三期工程、4号线一期、二期工程、5号线一期、二期工程、7号线工程、10号线一期工程，涉及6条线路、10个项目，总计205公里线路在建（或待建）。
地铁建设规模大、参建单位多，为了更好地规范参建各方责任主体行为，地铁公司要求各职能部门加强各责任主体单位的日常安全质量管理工作。首先是加强日常检查，督促施工单位足额提取安措费，对未达标施工单位实行扣分、挂灰牌，并进行通报批评。其次是加强安全质量人员履约管理，对照投标承诺核查施工、监理单位主要安全质量管理人员。此外强化定期检查设计单位交底、图纸会审工作开展情况，杜绝了&未审图、就施工&现象发生；要求设计单位配合做好样板验收、竣工验收工作，并坚守设计&红线&。
细化安全质量管理制度
成都地铁公司通过不断总结，进一步细化各项安全质量管理制度，管理体系日趋完善。该公司根据《生产安全事故报告和调查处理条例》中事故分级的规定，按照险情影响范围、险情处理将一般事故细分为事件苗头、一般事件、险性事件三级，有效地加强了现场安全管控。
为加强盾构施工安全质量控制，该公司成立了专业化管理部门，制定施工管理规定，从人员管理、设备管理、各阶段施工管理上细化，为参建单位提供了充分的技术保障，同时推行&盾构管片拼装实名制&&&谁拼装、谁负责，管片成型质量得到有效的提升。
形成风险监控体系网络
成都地铁公司充分发挥安全风险监控系统的管理作用，以强监控、建台账、建网络管理为着力点，形成风险监控体系网络。对重大、特别重大危险源，建立动态管理台账并建立巡查档案；组织做好重特大危险源安全专项方案的审查论证工作，实行条件验收制度，杜绝&原则性通过&现象发生；加强施工过程监管，由专人定期对重大危险源安全专项方案执行情况排查，纠正重大违章。
地下工程，防汛是重点。对此，该公司制定防汛应急网络&&制定防汛物资标配清单、度汛期间不定期组织检查、建立应急救援队伍。此外，该公司还以第三方监测、检测、测量作为辅助抓手，完善风险监控体系网络。
本报记者 袁弘 摄影 谢明刚
原标题：大数据助力安全 盾构机施工24小时监控
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请理性评论、文明发言，勿发布违法和损害公序良俗的信息。我们将不予发表或删除可能引发法律纠纷和损害公序良俗的信息。地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究_甜梦文库
地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究
河海大学 硕士学位论文 地铁盾构隧道施工期地表沉降监测研究 姓名：张书丰 申请学位级别：硕士 专业：大地测量学与测量工程 指导教师：黄腾
摘要本文以南京地铁盾构隧道为具体研究对象，以南京地区地表沉降监测分析、监测信息合理快速反馈为研究目标，对地铁盾构隧道施工期引起地表沉降的若干 问题进行了深入的研究。完成的主要研究内容如下： １、根据盾构法的施工特点及原理，在明确了盾构施工安全影响因素的基础 上，从监测方案设计原则、监测断面的选择、监测点的布置、监测内容以及信息 反馈等出发，提出行之有效的监测方案；详细分析了掘进模式、土压力选择、壁 后注浆、盾构纠偏等施工控制手段，用来减小盾构施工对周边环境的影响。 ２、通过对盾构推进产生地表沉降机理的论述，在总结了各种理论计算方法的基础上，结合南京地铁玄武门～新模范马路区间的实际情况，实测了大量的横断面数据，并进行分析研究，得出了盾构推进对地表影响的主区域和次区域，明 确了盾构推进时对横向地表的影响范围，研究结论具有很好的社会效益和经济效 益。通过对比Ｐｅｃｋ法计算值和实测值，验证现有的经验参数是否能很好地满足南京地区的实际情况，通过对实测曲线的拟合和数值计算得到沉降槽半宽度，从而改进了南京地区横向地表沉降槽宽度系数ｋ的取值范围，有助于盾构法在南京 地区的推广和应用。 ３、通过对南京地铁盾构区间实测数据的分析，研究盾构推进过程对纵向地 表沉降的影响过程，总结了南京地区盾构推进时各阶段沉降量占总沉降量的百分比，比较了盾构施工时距切口不同距离地表的沉降情况，对指导施工有重要意义。 用时间序列动态模型与静态多项式模型分别对纵向地表的沉降值进行预报和外推，跟实测值进行了对比，取得了良好的效果。时序模型的动态预测具有很好的实用价值，对于掌握盾构切口前后的地表沉降清况、保护周边环境安全、为后续工程的设计与施工积累经验有着重要意义。４、为了直观、快速地反映和评价监测结果，初步建立了盾构施工监测数据库，可以随时动态地显示地表沉降曲线以及其与盾构推进施工参数问的相互联 系。为管理人员提供科学化、规范化盾构施工管理的手段，为工程技术人员快速 查询特定信息和分析、预测、评价周边环境安全，并做出决策提供依据。［关键词］：地铁隧道盾构施工地表沉降 监测方案沉降槽影响范同系数改进沉降历程时序动态模型可视化系统ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＣｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅ ｔｕｎｎｅｌ ｏｆ Ｎａ＠ｎｇ ｍｅｔｒｏ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ，ｔｈｅｏｎｓｅｖｅｒａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｇ ｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ Ｗ ｉｄｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ＰａＤｅｒ．Ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ： ｌ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｈａｔｃａｕｓｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ＷＯｒｋａｂｌｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉＳｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｐｏｉｎｔｓ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｅｅｄｂａｃｋ． Ｓｕｃｈａｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍ，ｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｒｅｏｆｅａｒｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗａｌｌ―ｂａｃｋｇｒｏｕｔｉｎｇ，ｏｎｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉＲｅ，ｗｈｉｃｈｕｓｅｄ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．２．Ｂａｓｅｄｏｎｓｏｎｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓｏｎｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｗｉｔｌｌ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ＸｕａｎＷｕ Ｇａｔｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｔｏ Ｎｅｗ ＭｏＦａｎ Ｒｏａｄ ｓｔａｔｉｏｎ ｓｕｂｏｒｄｉｎａｔｅｏｆＮａｎｊｉｎｇ Ｍｅｔｒｏ，ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｍａｉｎｌｙｚｏｎｅａｒｅｚｏｎｅａｎｄ ｔｈｅｚｏｎｅｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｇｔｔｌｅｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉＳ ｓｕｍｍｅｄ ｕｐ，ａｎｄ ｄｅｆｔｎｉｔｅ．Ｇｒｅａｔ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ａｎｄ ｓｏｃｉａｌ ｂｅｎｅｆｉｔｓ ａｒｅ ｇａｉｎｅｄ．ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅＣｏｍｐａｒｅｄＷｉｔｈｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ，ｔｏ Ｖｅｒｉｆｙｉｆｔｈｅ Ｐ?ｒｅｓｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｌｌ ａｃｇｏｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎａｎｊｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｔｒｏｕ２ｌｌ ｉＳ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｏｎｅ―ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒａｎｇｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｔｒｏｕｇｈｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｉＳ ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ａｒｅｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄ ｔｏ ｅｘｔｅｎｄ ｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎＮａｎｊｉｎｇ．３．Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｔｍｎｅｌｉｎｇ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ．Ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｅｒｉｏｄ ａｒｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｔｈｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｄｉｆ诧ｒｅｎｔｄｉｓｔａｎｃｅ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｎｃｉｓｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｈｉｃｈｃａｓｅｓｐｏｓｓｅｓｓｅｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ，ｉｔ ｉＳ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ廿１ａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉＳ ａｌｌ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｄ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅｈｅｌＤ缸ｌｔｏｐｒｏｔｅｃｔ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｅｄｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ．４．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｖａｌｕａｔｅ ｔｈｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｄａｔａ ｑｕｉｃｋｌｙ ａｎｄ ｔｉｍｅｌｙ，ｔｈｅ ｄａｔａｂａｓｅ ｆｏｒａｒｅｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｐｒｅｓｅｎｔ ｗｈｉｃｈｃａｌｌｄｙｎａｍｉｃｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄｃｕｒｖｅ．Ｉｔ ｗｉｌｌ ｂｅ ｔｈｅ ｍｅａｎｓｆｏｒ ｍａｎａｇｅ ｓｈｉｅｌｄｃａｎｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｎｏｒｍａｔｉｖｅｌｙ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｌｌｙ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｅ１１９ｉｎｅｅｒｓ ｐｒｅｄｉｃｔｏｒｉｎｑｕｉｒｅ ｓｐｅｃｉａｌｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄ ｍａｋｅ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｂｙ ｔｈｉｓ ｗａｙ．【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｍｅｔｒｏ ｔｕｎｎｅｌｓｈｉｅｌｄ ｍｅｔｈｏｄｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｊｎｆｌｕｅｎｃｅｚｏｎｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｍｅｌｉｏｒａｔｉｏｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｒｏｕｇｈｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅｔｈｏｄｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ第一章概论第一章 ．帚一早僦１＝匕 概论２０世纪下半叶以来，伴随着世界范围内的城市化进程，世界各国的城市区域逐 渐扩大，城市经济日益发展，城市人口也逐渐上升。由于流动人口以及道路车辆的增 加，城市交通量呈急骤增长的态势，机动车辆增长尤快；城市道路的相对有限性带来了人口超饱和、交通阻塞、车速下降、事故频繁、城市绿化面积减少等一系列问题。行车难、乘车难，不仅成为市民工作和生活的一个突出问题，而且制约着城市经济的发展。另外，道路上汽车排放废气、噪声等环境污染问题也愈来愈引起人们的重视。纵观当今世界，发达国家已经把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、 资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展战略的重要途径”“”。城市地下空间作为新型国土资源受到发达国家越来越多的重视。自 １９９７年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不少呼吁开发利用地下空间的决议、宣言和文件。在工程实践方面瑞典、挪威、加拿大、美国、法国、 日本和芬兰等国在城市地下空间利用领域己达到相当规模和水平。城市地下空间的利 用和开发，已成为世界性发展趋势，并以作为衡量城市现代化的标志。向地下要土地、 要空间已成为城市发展的历史必然。实践表明，它是提高土地利用率与节省土地资源， 缓减中心城市密度、人车分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持 城市历史文化景观、减少环境污染、改善城市生态的最有效途径。因此国际上不少学 者提出“２１世纪是地下空间开发利用的世纪”。城市向三维空间发展，即实行立体化 的再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径。发达国家的大城市区如纽约、巴黎 都曾出现过由于向上部畸形发展而后呈现“逆城市化”的教训。“逆城市化”表明， 以高层建筑和高架道路为标志的向上部发展模式不是扩展城市空间的最合理模式。在 对城市中心区的改造和再开发过程中，逐渐形成了地面空间、地下空间与上部空间的 协调发展的城市空间构成的新概念，即城市的立体再开发。地下空间的充分利用是城 市立体化开发的重要组成部分。立体化的开发结果，扩大了空间的容量，提高了城市 集约度，交通顺畅，商业更繁荣，绿化面积增加。 在这样的背景下，世界各国纷纷开始采用立体化的快速轨道交通来解决曰益恶化 的城市交通问题。大城市逐步形成了目前以地下铁道为主体，多种轨道交通类型并存 的现代城市轨道交通新格局。地下铁道具有运量大、速度快、噪音小、污染轻、能耗 低等优点。从１８６３年英国伦敦建成第一条地下铁道至今，世界上已有３５个国家和地 区的８０多个城市修建了约５０００公里的地下铁道。不少城市如伦敦、巴黎、纽约、东京、莫斯科已形成四通八达的地铁线网，运量占交通量的５０％以上。 根据预测和分析，２ｌ世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务０１。北 京地铁建设规划总里程要达到６００公里；广州拟建１４条地铁线：南京拟建７条地铁 线；成都、苏州、青岛、杭州、沈阳等城市都正在筹建地铁线，预计在本世纪初，可能要建造大约３３条地铁和轻轨线路，总长在原有地铁线的基础上增加６５０公里。至河海大学硕士研究生论文２０３０年，我国地铁通车里程将达到１０００公里，将大大促进城市轨道交通的发展。地铁隧道施工通常采用的方法有明挖法、矿山法、新奥法和盾构法，近年来，随 着地下掘进技术、精密导向技术的逐渐成熟，盾构法作为地铁隧道施工的一种优选方 法，由于其对地面建筑物影响小、施工方便、自动化程度高、节省人力、一次成洞、 不受气候影响、开挖时可控制地面沉降和在水下开挖时不影响水面交通等特点等优 点，它在地铁隧道施工中的应用已经越来越广泛“１。在国内，盾构技术除在上海较为 成熟的使用外，在广州、南京及深圳都开始了广泛的应用，而北京也放弃了传统的明 挖法和矿山法，大多数区间都采用了盾构法施工。盾构隧道施工期间的安全监控是工 程安全施工的重要保障，其中施工引起的地表沉降是最重要的研究课题之一。本文以南京地铁一号线盾构施工区间为研究对象，详细研究了盾构法引起地表沉降的若干问 题，得出了可靠的结论，为盾构法在南京的广泛使用积累了经验。§１．１工程概况‘５３南京地铁南北线一期工程，南起小行，向北经中华门、沿中山南路、中央路到鼓 楼，再沿玄武湖畔至南京火车站，而后沿小红山至终点迈皋桥：向西经沙洲、青石埂 延至奥体中心，形成南京主城区中轴线的快速轨道交通走廊。线路贯穿南京主城区的 中心腹地，把城市中心区商业、金融、文化、综合服务等繁华区及对外交通口等客流 集散点连接起来，同时连接南北两个工业区，是南京南北线客流走廊的骨干交通线。线路总长度２１．７２ｋｍ，其中地下线１４．４３ｋｍ，地上线７．０２ｋｍ，过渡段０．２７ｋｍ。共设车站１６座，其中小行站、中华门站、红山动物园站、迈皋桥站４座为高架车站，安德 门站为地面车站，奥体中心站、元通站、中胜站、三山街站、张府园站、新街口站、 珠江路站、鼓楼站、玄武门站、新模范马路站、南京站站１１座为地下站。在小行设车辆段一处，占地６９公顷，指挥控制中心设在珠江路。各站之间，除鼓楼站南北区矿山法隧道区间外，其余皆为盾构隧道。 地铁南北线一期工程建造在地质复杂、道路狭窄、地下管线密集、交通繁忙的闹 市中心，施工难度大，国产化率要求高（经中国国际工程咨询公司评估，综合国产化 率为７１％），项目总投资８５亿元。地铁南北一期工程建设，不仅可以极大地缓解城市 中心交通拥挤、阻塞状况，方便广大市民安全、便捷、舒适、清洁地出行，而且对于 保持南京古都风貌，提高环境质量，拉动地方经济，实施可持续发展战略，有着十分重要的意义。§１．２本课题研究的意义城市地铁盾构施工是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，盾构的施工将不可避免地扰动土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。无论盾构隧道施工技术如何改进，由于旌工技术工艺质量及周围的环境和岩土介质的特点，其施工引起的地层移动是不可能完全消除的。地铁线路一般都会穿过人口密集、交通繁忙、地第一篷凝琵面建筑物林立、地下管线密集的繁华地段，这对旌工弓Ｉ起的地表沉降和变形控制要求 很高，施工的方法如稍有失误，将会造成不可估量的损失。近年柬发生的地铁施工事 酸，更；｜起了久襄对麓王安全戆关注。锈懿，２００３年７胃１嚣凌装，上海辕瀵交逶 四号线越江隧道联络通道因为大量泥砂潲入，引起隧道受损及周边地区地面沉降，造成三幢建筑物严重倾斜，以及防汛墙出现裂缝、沉陷等险隋。 因此盾孝句施工推进要与保护城市环缓和经济、社会意义协调越来。对地表沉辫的 骚测趸÷分Ｊ蘩癸嚣手菠，尽管有时缓变形镦夺，所遗戏懿危害｛塾不大，然两要完全控 制地表变形愚不可能的。只能根据地表变形的控制要求，采取有效的措施来减小沉降， 使得周边环境稳定。随着地铁建设的发展，对盾构掘进时地表沉降相关问题的研究， 不仅具有巨大酌社会、经济效益，丽虽典有光明匏懿爨。 露京枣处于长江下游每长江三角潮】茭灞衔接部位，嚣乾濒褡长江，区域缝鼷榴造 处于新生代“宁～镇隆起带”。市内地势起伏大，向两北倾斜，地形已准平原化。所 处地貌单元为侵蚀、剥蚀残丘与河流阶地相间。南北线市中区地下线自南而北穿过不 嗣地貔单元，沿线建质、水文地震条转，磐±工程问题复杂。各隧闽隧道涂珠江鼹～ 鼓楼，鼓楼～玄武门为岩、±、软±混合型矿由法区闻隧道外，钓惫台～三由衡，三山街～张府网为流沙盾构区间隧道；张府园～新街口，新街口～珠江路，新模范马路～兹武门，玄武门～南京站为软土盾构区间隧道。由于地下线工程环境复杂，设计施工 中部姆工程环境趣题歹ｌ入熬点予鞋磅究，莠授班基炎遴雩亍安全维护秘莲测。因鼗，对 堍表沉降的薪究具有重大意义： １、监测工作在施工过程中起到“日醚睛”的作用，准确预测预报变形影响，而地 袭沉降是监测的主要内容。将监测数据与预测值相比较判断前期施工工艺和簏工参数 跫否雩毒盒颈疑要求，爨礁定帮凌纯下一步游蕤工参数，骰驽售惑豫旋工； ２、对地袭沉降分析研究后的结粜应精于信息化度馈来优化设计，研究地层特性、 地下水条件簿与地面沉降的关系，以作为改进设计的依据。使设计达到优质安全、经 济合理、施工快捷的目的。通过设计计舞和工程实践姻对比分析，在工程问题研究方 嚣爵望取褥突酸发震； ３、可以了解地层与隧道结构闻的橘互作用力及为建立和调熬膳构土压平衡的施 工参数提供依据，如确定鹰构设定土压、掘进速度、进排土量等，控制地层扰动，减 小变形，确保施工裁间结构本身及周边环境的安全，阉丑曹为以岳类议工程积累经骏和 箍供据导； ４、为高效、经济地建设南京地铁掇供技术支持；５、对确定地铁保护区范围提供技术支持，为区内工程建设和地铁旎工提供保障， 并从两获得起好的社会效益。§１．３本课题研究的发展状况由于盾掬糍工羯边环境复杂，建筑物、穆筑扬密集，囊然地痰环境多变，Ａ们鼹工程环境阀纛酌研究，丈多缝子经验总结输段，丽萋勰遴论数字善艺、模型纯的研究成河海大学硕上研究生论义果不多。如区间地下线施工沉降槽宽度、地面隆沉及对环境影响等等。有时虽采用数值分析法、模型试验法等方法加以确定，但结论常常令人难以置信，甚至不如经验判 定有效。这就迫使人们在地铁建设中采取边施工、边试验、边改进的方法，即人们常说的“摸着石头过河”的办法进行施工。常常为了安全，采用各种手段进行严格监测，并不惜花费巨资，在结构设计、施工方法、环境保护方面采用保守策略。 在城市地铁盾构施工中，引起的地表沉降的原因很多。地表变形不仅与隧道埋深、断面尺寸和施工方法、支护手段有关，而且受工程的水文地质条件的影响。随着计算机应用的推广，针对盾构施工安全中的地表沉降这一核心问题，近几年来一些新的思 路和方法涌现出来。大量的学者在原有岩土力学公式的基础上，探索了一些新的理论方法…ｉ”８…………。Ｉ、Ｒ．Ｂ．Ｐｅｃｋ通过对隧道地表面沉降槽形状的观察以及对大量的实测数据数据分 析之后，于１９６９年在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上首次提出了地表沉降 曲线近似呈概率中的正态分布曲线的概念。认为施工中引起的地表沉降是在不排水的 条件下发生的，所以沉降槽的体积应等于地层的损失量，建立了地表沉降横向分布的 估算公式。 ２、同济大学岩土工程系对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行计算分析：并与现场测试结果对比，提出了考虑到固结因素的Ｐｅｃｋ修正公式。 ３、刘建航等在Ｐｅｃｋ法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律，提出了负地层损失的公式，得出了地面沉降量的纵向分布估算公式。 ４、数值法：对地层移动和地表沉降的预测国内外都进行了大量的数值模型研究， 其主要方法有：有限元法；边界元法；半解析法等。５、波兰学者李特威尼申提出了随机介质理论，刘宝深等在随机介质概念的基础 上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式；随机介质理论是把地层移动看成一个随机过程，并用柯莫哥洛夫方程表示。其本质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方 法，预测盾构隧道沉降结果与实际情况难免会有一定差距。６、除了根据变形体的地质条件、力学条件以及应用变形几何分析法获得的变形量作定性的解释与预报外，愈来愈多的测量学者开始致力于定量的解释与描述。定量预报有两种途径：一是先通过变形观测的物理解释，建立起变形与变形原因之间正确的函数关系再进行预报；二是直接对变形观测获得的时间序列，采用有关的数学理论与方法进行预报。通称为网络智能预报系统，包括卡尔曼滤波和灰色系统理论等。 ７、上海隧道股份有限公司等单位建立了盾构旎工的专家系统，可以对隧道旌工 后的地表沉降进行评价。以上的方法研究的深入程度不一样，一些已经很成熟，比如Ｐｅｃｋ法等；而一些新兴的方法，比如网络智能预报系统等还处于初期研究阶段，未得到大规模的应用。§１．４本文研究的主要内容盾构施工引起的地表沉降监测是一项复杂的系统过程，监测方案的没计与反馈是第一章概论整个监测过程的基本内容，如何正确确立旋工的峪测方案以及快速、直观地反映监测结果，是当前研究内容中的不足之处。而对于监测的核心内容――地表沉降，尽管已研究了上述多种方法，但因各地区施工方法、施工状态千差万别，同时使用的盾构 类别也不同，可以说目前尚未研究出能考虑所有影响因素的地层沉降预测方法。虽然 围绕这一问题已做了不少的研究工作，由于在不同地质条件、断面形状各异的条件下 施工，对其的研究只能局限于某一地区，鲜有概括总论性的结论，一个地区的研究成 果并不能推广到不同地区。 本文结合南京地铁南北线一期工程的盾构区间隧道，对地表沉降问题进行了一些 研究和探讨： １、在阅读大量文献的基础上，对盾构施工期的地表监测研究的发展状况进行了 综述，阐明了研究意义。 ２、根据盾构施工原理和技术特点，概括了地表变形的影响因素，对监测内容、 实施方案等进行了经验总结，提出了盾构掘进时的一些施工控制方法，为进行信息化 施工创造条件。 ３、详细解释了盾构推进对地表影响的机理，结合南京地铁南北一号线玄武门站～ 新模范马站盾构掘进时的地表沉降监测数据，得出了盾构推进对地表影响主区域和次区域，明确了盾构推进时对横向地表的影响范围。通过对比计算值和实测值，改进了 Ｐｅｃｋ法沉降槽宽度系数，使之符合南京的实际情况。４、在对国内外盾构施工引起地表沉降历程总结的基础上，分析了玄武门站～新模范马站区间地表沉降历程，总结了在盾构推进不同阶段时地面沉降量的大小，对于掌握盾构切口前后不同距离的地表沉降情况有重要的意义。利用时间序列动态模型与静态模型分别对纵向地表的沉降值进行预报和外推，并跟实测值进行了对比。５、介绍了盾构隧道施工监测系统数据库的功能、数据结构和系统内容，利用 Ｄｅｌｐｈｉ语言编制了盾构推进施工状态动态可视化数据库查询器，可以直观、快速地反映地表沉降监测结果与各地质参数、施工参数之间的关系。河海人学硕Ｉ：研究生论』！＝第二章监测方案的设计盾构掘进过程中引起地表沉降的影响因素是很多的，实际产生的变化是各种因素 的综合，只要综合考虑这些因素，制定恰当的监测方案，精心施工，便能做到把地表沉降控制在允许范围内““。如何准确地反映盾构施工对环境的影响，确定引起变化的 关键因素，能迅速地调整施工参数和改变设计方案等，这是大家所关心的问题。因此，合理确定监测方案是首要的工作。§２．１盾构法施工技术与原理盾构法施工是非开挖施工技术的一种手段，非开挖施工技术是指利用各种岩土钻掘的设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换各种地下管线的施工技术。盾构法是现阶段在软弱地层中修建地铁、交通隧道以及各种用途管道的最先进的施工方法之一。它与传统的挖槽铺管的施工方法相比，具有不影响交通、环保、施工时间短、成本低、应用广泛等许多特点。’２．１．１盾构机。”盾构掘进机是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集机、电、液、传 感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。 ｌ、盾构的基本组成盾构是由承受外部荷载的钢壳和在其保护下进行开挖、组装衬砌及具有掘进功能的设备组成。①切口环切１３环位于盾构的前方，作为挖土和挡土部分。切口环保持着工作面的稳定，并 作为把开挖下来的土砂向后方运送的通路。切口环的形状多为直角和倾斜形，也有阶 梯状。②支撑环支撑环作为切口环与盾尾的连接部分，其内部作为安装切削刀盘的驱动装置、排 土装置、盾构千斤项等的空间，或作为进行推进操作的场所。支撑环是盾构的主体结 构，承受作用于盾构上的全部荷载。③盾尾在盾尾中安装有组装机，盾尾的最小长度必须保证衬砌组装工作的进行。 ④隔板和平台隔板和平台一般均安装在支撑环内，组成Ｈ形、ｌ形等形状，形成一定的空１．自Ｊ，用于安装支撑开挖面的千斤顶，保护配管和机器及堆渣设备等，同时也作为支撑环的加强构件。 ２、盾构机的分类６第二章监测方案的设计根据盾构头部的结构，可以将其大致分为闭胸式和敞开式。盾构机根据其适用的 土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、泥水式，土压平衡式盾构机等不同类型。具体见图图２．１盾构的分类闭胸式盾构，通过密封隔板在隔板和开挖面之间形成压力舱，保持充满泥砂或泥水的压力舱内的压力，以保证开挖面稳定性的盾构型式：敞开式盾构是指开挖面全部 或大部分敞开的盾构型式，以开挖面能够自立稳定为前提。 盾构机问世至今已有近１８０年的历史，其始于英国，发展于日本、德国。近３０ 年来，通过对土压平衡式、泥水式盾构机中的关键技术，如盾构机的有效密封，确保 开挖面的稳定、控制地表隆起及塌陷在规定范围之内，刀具的使用寿命以及在密封条 件下的刀具更换，对一些恶劣地质如高水压条件的处理技术等方面的探索和研究解 决，使盾构机有了很快的发展。国外主要生产厂家有日本三菱重工、人崎重工、日立 造船、德国海伦克内希特（Ｈｅｒｒｅｎｋｎｅｃｈｔ ＡＧ）公司等。我国从９０年代以来，已成功地 研制了直径３．８～６．３４ｍ的土压平衡盾构掘进机１０余台，用于地铁隧道、引排水隧道、 电缆隧道工程，技术水平己接近国际先进，在隧道导向技术、监控技术方面的研究也 达到了国际先进。但由于我国液压泵和阀件的加工制造水平与国外相比尚存在一定差距，在一些盾构掘进机中适量采用了国外的零部件。２．１．２盾构法施工原理”” 盾构施工法是在地面下暗挖隧洞的一种施工方法，它使用盾构机在地下掘进，在 防止软基开挖面崩塌或保持开挖面稳定的同时，在机内安全地进行隧洞的开挖和衬砌 作业。用盾构机进行隧洞施工具有自动化程度高、节省人力、旌工速度快、一次成洞、 不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不 影响水面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，用盾构机施工更为经济合理。其施工的基本条件： １、位置上允许建造用于盾构进出洞和出碴进料的工作井：河海大学硕士研究生论文２、隧道要有足够的埋深，覆土深度宜不小于６ｍ： ３、相对均质的地质条件；４、如果是单洞则要有足够的线间距，洞与洞及洞与其它建（构）筑物之间所夹土（岩）体加固处理的最小厚度为水平方向１．Ｏｍ，竖直方向１．５ｍ；５、从经济角度讲，连续的施工长度不小于３００ｍ。 盾构法的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘。该圆柱体组件的壳体即护盾，它对挖掘出的还未衬砌的隧洞段起着临时 文撑的作用，承受周围土层的压力，有时还承受地下水压以及将地下水挡在外面。挖掘、排土、衬砌等作业在护盾的掩护下进行。盾构法施工主要由稳定开挖面、挖掘及 排土、衬砌包括壁后灌浆三大要素组成。其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要 方面。 ２．１．３盾构法施工过程“１１、出发和到达开始推进时利用竖井内临时设置的管片等作为后备向前推进，从出发口进入地层， 沿所定的方向向前推进。所谓到达，就是保持围岩稳定的同时把盾构沿着所定的路线 推进到竖井的到达面。２、盾构的推进盾构推进时必须根据围岩条件，适当地开动千斤顶，在保证工作面的同时，沿所 定路线方向准确地进行推进。推进时注意的问题有：（１）推进时，正确地使用所需台数和必要位置的千斤顶，使之产生推力，按设计的线路方向行走或进行必要的纠偏； （２）不能使开挖面的稳定受到损害； （３）不应使衬砌等后方结构受到损害；３、压气施工在含水、砂土地层和软弱粘土地层中用盾构法施工时，会发生开挖面涌水、土层 坍塌等情况，从而影响盾构的推进。在这类地层中施工，需要同时使用稳定地基的辅 助施工方法，气压或局部气压施工，是常用的稳定地基施工方法。 ４、衬砌、压注及防水 衬砌分为一次衬砌和二次衬砌。在推进完成后，必须迅速地按照所定的方法正确、 良好地完成一次衬砌的施工。一般衬砌是在推进完了后迅速地将几块管片组成环状， 必须使盾构处于可随时进行下一次推进的状态。二次衬砌是在一次衬砌防水、清扫等 作业完全结束后进行。 必须采用与围岩条件相适合的注浆材料及注浆方法，在盾构推进的同时或其后立 即进行注浆，将衬砌背后的空隙全部填实，防止围岩松弛和下沉。§２．２监测方案的设计采用盾构法在软土中修建地铁隧道，会引起地层移动而导致不同程度的地面和隧第二章监测方案的设计道沉降。引起地表沉降的因素很多，如开挖模式、注浆量、注浆开始时间、土压仓压 力、地下水位、盾构姿态、推进速度、注浆量等““。除了这些施工参数外，一些外在 与内在荷载，如水压力、隧道自重、上覆荷载等，施工过程中必须综合考虑这些因素， 根据地层情况，制定合适的旌工方案，精心施工，把地表沉降控制规定范围内、保持隧道结构稳定是完全可能的。本节作者在总结了南京地铁各盾构区间的监测情况后，提 出了可行的监测方案。２．２．１监测方案设计原则 施工监测是一项系统工程，监测工作的成效性与选用的监测方法和测点的布置有 直接关系。根据对南京地铁盾构区间监测工作的总结，可以归纳为以下五条原则： ｌ、可靠性原则：可靠性是监测方案设计中所考虑的最重要的原则。为确保其可靠性，必须做到监测采用可靠的仪器，监测期间保护好测点。 ２、层次原则：有四点具体含义，①在监测对象上以位移为主，兼顾其它监测项目； ②在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡检的方法： ③在监测仪器选择上以机测仪器为主，辅以电测仪器； ④考虑分别在地表、地下管线上布点以形成具有一定测点覆盖率的监测网。 ３、重点监测关键区的原则：在具有不同地质条件和水文地质条件、周围建筑物及地下管线，其稳定的标准是不同的。稳定性差的地段应该进行重点监测。 ４、方便使用原则：为减少监测与施工之问的干扰，监测方案的设计应尽量做到方便 实用。 ５、经济合理原则：系统设计时考虑实用的仪器，不必过分追求仪器的先进性，以降 低监测费用。２．２．２监测断面的选择监测断面按照工程的需求、地质条件以及施工象件的选择，布置时需注意时空关 系，采取重点与一般结合、局部与整体结合，使测网、测面、测点形成一个系统、能 控制整个工程的各关键部位。盾构始发和到达由于竖井开挖及加固土体对地层已有扰动，盾构推进时这些地段 易发生土体坍塌和引起较大的地表沉降，危及地面构筑物和地下管线的安全，特别是 盾构始发还没有建立起土压平衡，盾构推进会引起较大变形。从国内外现有资料来看， 盾构施工所发生的各种重大事故大多发生在始发和到达处，因此对盾构始发和到达处 需重点监测，监测点间距和测试频率应加密。监测断面可分为主要监测断面和辅助监测断面，主断面可埋设各种仪器，进行多 项监测，这样既可以保证了监测重点，又降低了费用。 ２．２．３监测内容地表沉降监测是监测的主要内容之一，其它监测内容可以提供参考。“。监测分为 以下内容： ｌ、地表隆沉监测掌握盾构推进时地表沉降规律、盾构推进对地表的影响程度及影响范围，以指导河海大举硕士研究生论文蓬王稆酸僚藏工安全。２、毪瑟建筑物的下沉凝颧斜篮铡 在建筑物周围设置测点，观测盾构穿越前后地酾建筑物下沉以及倾斜，据以判定 建筑物的安全性，以及采用的工程保护措施。允许下沉值及倾斜德可参考国家设计规范”１。３、姥下管线髓测 施工区段地下管线众多，主要有上、下水管、煤气管道、电力管道、通讯篱道等， 由于施工影响范围内地朦不同程度的沉陷，可能会弓Ｉ起地下管线的变形、断裂而直接莛及其歪露蔹嗣，葚至萼｜发灾难瞧攀簸。通常豁测手段有抱箍式、壹接式和模拟式三种（表２．１）。幽予各种管线慰沉降影 响的敏感性和耐受力因疑材质、连接方式、接口材料、对变形的允许指标及施工质量、 使用年限不同而有较大熬异，为确保安全，一般以沉降耐受力最低的污水管作为沉降 控稍基准磺究惑象。绞据结秘在委常经瑟跨箕受瓣戆应力痤小予萁允许应力这一嚣 准，管道在地层沉降时产生的变形成小于或等于冀允许应力的相应变形范围，即：ＩＳ］＝√（ｋＩ＋ｆ）２一ｉ２式中；［８】＝［ｏ］／Ｅ ［ｏ］＿一允许拽废力Ｅ一弹幢攘量表２．１蛰线盗测豹三幂秘实施模式监测方式测点布置ｉ～溺降槽半宽嶷优点精菠裹缺点 埋潺肄磐镁鹱舜挖抱箍式 测杆，路面布置相虑的保护措施制俸一拖薤鑫定簌管线上，艳攘上挥接～ 能真实发靛管线的交蓐情况受袈捧限制 管线埋深较大藏水位较高 开控量小 时不遥含慕塌 简单品行、避免了开挖对 交通的影响 精度较低直接式明挖至管线顶部，利用突出部位（闸门开 关等）佟灸测点 选择代表性管道，打入钢筋头至管邀预部模拟式 作为测点４、管片毒重密交彩釜撼 量测隧道管片衬砌发生的变形，梭验变形是否在允许范围内，包括拱项下沉、营 片收敛，用来判断采用的结构形式的合理性。管片相对位移控制在直径的０．１／１００内。５、辕蘩熬满瑷嚣。除了上述四个主要ｊｊ矗测内容外，还要进行一些辅助内容的溉测，可以更好地了解 施工对周阐环境的影咖。比如，土体的水平位移监测，可以掌握盾构穿越前艏周围土 体的位移攥德；地下水位监测，了解鼹梅施工期间地下水位的变化情况，为确定盾梅 稚力提撰参数；垂卷蓬力薤灏，了瓣艨筏攘透过撵孛土压力懿大小襄分毒疆溅：联络 通道的拱顶下沉、净空收敛等。 ２．２．４监测点的布设第二章监测方案的设计监测点布设有以下原则：１、点的类型和数量的确定应结合工程性质、地质条件、设计要求、施工工艺以 及监测费用等因素综合考虑； ２、验证设计数据而设的监测点应布置在设计中的最不利位置和断面， 为指导施工而设的测点应布置在相同工况下的先施工的部位；３、表面变形点的位置除了应确保良好地反映监测对象的变形特征外， 还要便于 采用仪器进行观测以及有利于测点的保护；４、深埋监测点不能影响结构的正常受力，不能削弱结构的变形刚度和强度；５、在实施多项监测项目测试时，各类监测点的布置在时间和空间上应有机结合， 力求在同一监测部位同时反映不同物理量的变化情况，以便找出其内在的联系和变化 规律。图２．２为盾构隧道主断面的监测点布置示意图。妻堕型］，，ＪＬ、、、、，’。ｉｒ＼’¨＾ｉｌ～。一－◆、、一．◆ 、１一。＋图２．２监测主断面测点布置图２．２．５信息反馈监测资料是为信息化施工服务的，信息化施工就是在施工过程中，对实时收集的 数据进行分析，根据分析结果对原设计和施工方案进行必要的调整，并反馈到下一施 工过程，对下一阶段的施工过程进行分析和预测，从而保证施工安全、经济地进行“…。 及时地掌握可靠的信息是信息化施工中的分析、预测的基础，监测的一个主要目的是 为施工服务，作为施工中的信息，监测数据的迅速快捷处理，能指导施工的监测管理。信息化施工的管理过程如图２．３所示信息化施工的过程可以分为三个过程啪１：１、基于观测值的日常管理实时采集盾构隧道结构的变形、内力、地表沉降等数据，每天比较观测值和管理 值，监测工程的安全性以及是否与管理值相差过大。 ２、现状分析和对下阶段的预测 利用观测结果推算施工参数，根据新的施工参数计算分析，判断现阶段的施工参 数的合理性和盾构隧道结构的安全性，并预测下一阶段的工程结构以及周边环境的变河海大学硕士研究生论文形及稳定。 ３、调整设计方案 根据预测结果调整设计方案，必要时改变施工方案，重新进行设计。图２．３信息化施工的监测管理过程§２．３施工控制盾构施工对周边环境的影响，主要是由于地层的扰动，使土体的原有受力平衡被 打破，其变形机理将在第三章阐述。控制好地面沉降，也就达到了环境保护的目的，～因此在施工中应根据监测数据的变化，不断进行施工参数的调整来控制地表的隆沉， 使之控制在＋ｌＯｍｍ～一３０ｒａｍ“”之间。 ２．３．１掘进模式选择盾构掘进根据不同的地质条件采用敞开式、半敞开式和土压平衡式三种掘进模式 以适应硬岩、软硬混合地层和含水软岩的掘进。 采用土压平衡工况掘进时，使刀具切下的土砂充满碴仓，并呈流塑性控制开挖面， 用螺旋输送机和调整装置保持排土与切削量平衡，维持碴仓土砂一定的压力，抗衡开 挖面的土压和水压，用碴仓和螺旋输送机内的土砂获得止水效果，配合同步注浆系统 和必要的二次注浆，保持开挖面稳定，防止地下水涌出，控制地表隆沉。采用土压平衡模式时，碴土应有良好的流塑状态、良好的粘一软稠度、低的内摩 ．擦角和低的透水性。当满足不了要求时，需给开挖面、混合仓和螺旋输送机内注入外 ：ｂｉｎ对碴土进行改良，使开挖土具有流动性和止水性。对于易流动、内摩擦角小、渗 透系数小的粘性土地层，通过刀盘和螺旋输送机的搅拌，切下的土一般具有塑流性， 对于粘着力大不易流动的土可以向碴仓注水，使土得到适合的流动性；对于流动性差、 内摩擦角大、渗透系数大的砂性土地层，切下的土流动性差，充满碴仓和螺旋输送机 的土使刀盘、输送机的扭矩和千斤顶推力增大，影响掘进。另外压缩的土体止水性差，捧二二帚临测方案的设计当地下水压高时，易爨现喷发理象。这时要注入添船刘，馊歼挖土具有滚动性秘止水性，平衡歼挖面静±压秘东压。 当闭岩稳定性变好时，逐渐加大排土速度，将碴仓排至剩少部分土，磺仓降到常压，实现敞开式掘进。当围岩稳定性变差，开挖面有可能坍塌或不能有效控制地下涌求时，净入压缩空气封闭建仓，防止据塌、控制涵承，实瑷拳澉歼式掇遗；当开挖匿 不能达到稳定或求篷力过大时，静止出碴往碴±充满碴仓并获一定压力，以抗衡开挖 面土压和水压，控制出碴量，实现土压平衡掘进模式。２．３．２掘进土压力选择当溪鼹握逶封，蓉开挖瑟受到躯水乎支护应力小于建罄戆原鲶剿囱应力，爨开挖 面土俗向盾构内移动，引起地层损失而导致詹构上方地面沉阵。反之，当作用在正丽 土体的撤应力大于原始侧向应力时，则开挖面＾士体向上向前移动，引起负地层损失而导致盾构前上方土体隆起。±仓蠹因乃盘懿接力赝产生豹主嚣力蓬刀戆霹±嚣熬控力不霹瑟交纯，主动±蘧力和被渤土压力是侧向土压力的极限最小和最大值，而静±愿力介于两值之间。刀盘 前方的士压力小于主渤土压力时，土体沿滑动面下滑可能引越地层和地面的下沉；当 刀盘前方的土压力大于被动土压力时，土体上游可能引起地颟隆起。’袭寅藏对±莲力遴行接裁帮警溪对，一簸壤攘缝墨蒋瞧秘｜｜亟蘑丽凌确定一个±蓬 上限和下限值。上限怒被动土压（绒静土压）力、水压力、预胬压力的和，下限是主动土压力、水压力的和。深埋隧道蛇土压力计算，可根据围岩分类芹珏结构设计，披《铁路隧道设｛ｌ－趣范》 推荐翡方法计算。由于静±歪力滚滚确定，并嚣作蔫予开挖嚣静莲力嚣ｉ象蠹主浆状．况而不同，故在试掘进期应根据地藻状态变化的调查，决定壤佳控制压力。盾构掘进过程中由于施工的扰幼，土体静止的弹性平衡状态被改变，使刀盘前方的土体产生被 动或主动±压，主动和被动土压力躲计算可以缝会铁路隧遂设计、施工经骏，针对羼 构蓬工琢理，采翔麓金理论。８诗磐。东压力瑟孔稼东压力，焚计算应考虑±俸渗透速 度、渗逡系数、水力梯度，掘进时的水压力可以根据水位埋深和地层的渗逡系数确定 的一个经验值计算（ｏ＝ｋ×Ｙ ｈ，砂土中ｋ：Ｏ．８～１．０，粘性土中ｋ＝Ｏ．３～０．５）。 施王中寿一些次黉教不可见因豢，对沉降要求较严格熬黩段，要在土压力和东压 力理论计算豹基础上考虑０．１～Ｏ．２ｂａｒ的预备应力。浅埋隧邀施工时，为使工｛乍面的土体保持稳定状态，应以静土压力为主要依据。当隧道埋深不大或围岩很不稳定时， 用朗金理论计算主、被动土压力，以确定盾构施工的土压力。按朗金理论计算的主动±压力怒考虑开挖嚣稳定，是基予允许牙挖蘑蠢一定羲变影或移囊，霞建对于叁稳性 较差的媳层、软弱或变形系数较大、容易失永的地层，以藏瓒论考虑主动±压力是偏小的，也是比较危险的。 施二Ｉ＝中反映如果推进土压力小于主动土压力，当隧道埋深不大时，土体会向‘Ｆ滑 移，导数圭｜羹表滚隆。涤沉隆要求较为严接露，应菠矮搀数援遴力夫子静±蔗力，以使 土体产生向前避方向的变形或滑移，以达到减小地衰沉降的翻的。然而由于推力的增 加，增大了掘进扭矩，致使功率增大，加大了工程成本，应找到‘个最佳挎制点。加河海大学顺十：研究生论史强监测和及时反馈信息，根据地表隆起和沉降状况调整推力，加快出碴速度减小推力， 达到降低地表隆起的目的；减小出碴量，提高正面压力，保持开挖面的稳定，达到控 制沉降目标。２．３．３壁后注浆壁后注浆主要是为了防止由盾尾空隙引起的隧道周围围岩变位，控制地表沉降，同时可以提高隧道的止水性，确保管片的早期稳定。 １、注浆方式采用同步注浆和二次注浆 同步注浆：盾构推进时，盾尾形成短时间无支护状态的盾尾空隙变形，直接影响地 表沉降的大小。采用同步注浆系统及盾尾的注浆管在盾尾空隙形成的同时，采用盾构 边掘进边注浆的同步注浆方式，迅速注浆充分填实空隙并尽早获得设计强度，及时防 止围岩变形，控制地表沉降。经验表明，壁后注浆的开始时间越早，充填率越高。…。 二次注浆：为提高壁后注浆层的防水性和密实均匀，必要时在同步注浆结束后进行二次注浆。若管片背后注浆不足，将产生明显漏水，不仅影响隧道使用，还会产生因地下水的流动（使土粒产生位移、粒间空隙压缩）或水位下降（使土体内有效应力增 加，发生固结现象），造成地表沉降。 另外通过注浆，使隧道管片与周围土体形成整体保持结构稳定，因此管片壁后注 浆的均匀和充分也是很重要的。注浆浆液要流动性好，便于盾构移动过程中持续不停 的注浆，而一环注浆结束后，浆液凝固有较好的强度，避免后期收缩变形。二次注浆 材料要可注性强，能补充同步注浆的缺陷，对同步注浆起充填和补充作用。施工前应进行详细的浆液配比试验，选定合适的注浆材料，添加剂及浆液配比，保证所选浆液配比、强度、耐久性等物理力学指标满足工程的设计要求。２、同步注浆以注浆压力与注浆量进行双重控制．同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽 量填补同时又不产生劈裂。注浆压力过大，管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期 地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆，对刚拼装完成的管片影响也大；而注浆压力过小、浆液填充速度过慢、填充不充足等，会使地表变形增大。通常同步注浆压 力一般为１．１～１．２倍的静止土压力，即０．２～０．３ＭＰａ，二次注浆压力为０．２～０．４ＭＰａ。同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的纠偏、浆液渗透（与地质情况有关）及注浆材料固结收缩等因素。根据地质及线路情况，注浆 量一般为理论注浆量的１．４～２．０倍，并应通过地面变形观测来调节。 ３、注浆速度 根据盾构机推进速度，以每循环达到总注浆量而均匀注入，盾构机推进开始时注 浆开始，推进完毕注浆结束。注浆速度应与盾构机的掘进速度相适应，过快可能会导致堵管，过慢则会导致地层的坍塌或使管片受力不均，产生偏压。２．３．４控制地层失水地下水的流动使￡粒产生位移，土粒间空隙压缩，水位下降使土体内有效应力增加，发生固结现象，造成地表沉降。 掘进时密切天注丌挖面的出水情况，当发现碴土太稀、水量偏大、丌挖面有地下第二章临测方案的敬｜十水涌出时，立即关闭螺旋输送机舱１＂３，给开挖面或七室内注入泡沫或膨润土外加剂以补充细微颗粒的不足或置换细微颗粒中的空隙水，使开挖土体具有止水性，同时实现气压或土压平衡模式掘进。保证管片壁后注浆量充足，加固周围土体，有效止水，确保结构防水质量，防止管片背面漏水，以免引起地下水的流动或水位的下降。成洞段的隧道若出现漏水现象 应及时通过管片注浆孔进行二次补强注浆和防水补漏处理。通过富含地下水的地层时 一方面要确保盾构机快速通过，一方面在刀盘前方注入泥浆，在管片背后注入水泥一 水玻璃双液浆，及时迅速封堵地下水。在掘进过程中加强对铰接密封、盾尾密封检查， 发现有涌水（或砂浆渗漏）时立即进行处理，避免因水或砂浆的流失产生沉降。２．３．５特殊地段防护出洞口与进洞口是最容易引起地表沉降的特殊地段，甚至会引起围岩坍塌。因此需采用一些防护措施。盾构出洞时，必须按小分片拆除Ｉ临时挡土墙体，在盾构前面进行及时支护方法， 施工需迅速而谨慎地进行。通常，在靠近出洞口处设置入口密封圈或浇筑洞口混凝土， 以确保施工的可靠性与安全性。 盾构进洞时，需事先加固到达部分附近的地层及设置出口密封圈，减慢推进速度；需要考虑盾构推进到到达面时，由于推力的影响是否需要在竖井内进行临时支护措施及其相应的对策；到达部分附近进行壁后注浆。２．３．６其它控制措施１、盾构纠偏。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或叩头推进过程中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，从而会引起附加变形，此时应调整掘进速度与正面土压，达到减少对地层的扰动和减少超挖的效果，从而减少地层的变形。．２、固结沉降控制。盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用等施工因素，使隧道周围地层形成正值超孔隙水压力区，随着盾构的离开，土体表面应力释放，超孔隙水 压力逐渐消失，引起地层固结变形而带来地面沉降。超孔隙水压力消失后，土体骨架还会因流变而引起次固结变形，在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土层中，次固结沉降要持续几年以上，所占总沉降量比例达３５％以上。为此应根据地面实施监测结果进行及时控制，在管片衬砌背后实施跟踪回填与固结注浆，尤其是对拱部１２０。范 围进行地层固结注浆非常重要。 ３、．盾构暂停推进时，推进千斤顶可能漏油回缩引起盾构后退，而使开挖面土体松弛造成地表沉陷，此时应作好防止盾构后退措施，并对开挖面及盾尾采取封闭措施。§２．４小结本章根据盾构法的施工特点及原理，在明确了盾构施工安全影响因素的基础上， 从监测方案设计原则、监测断面的选择、监测点的布置、监测内容以及信息反馈等出 发，提出了较为合理的监测方案：详细分析了掘进模式、土压力选择、壁后注浆、盾 构纠偏等施工控制手段，减小盾构施工对周边环境的影响。河海大学碗Ｌ研究生论文第三章横向地表沉降分析在人口密集、建筑设施密布的城市中进行盾构法施工，由于岩土开挖不可避免地 产生对岩土体的扰动并引起洞室周围地表发生位移和变形，当位移和变形超过一定的 限度时，势必危及周围地面建筑设施、道路和地下管线的安全９“。因此，研究城市盾 构施工过程中地表影响范围的问题，对于地表环境保护具有十分重要的意义。本章通 过对盾构施工对地表影响机理的综合分析，结合南京地铁一号线玄武门站～新模范马路站盾构区间的理论分析，比较了经验公式的计算值和实测值。利用大量的实测数据，改进了沉降槽系数ｋ，使其更加符合南京地区的实际情况。§３．１地表变形机理３．１．１施工扰动机理乜５１ ｌ、水和泥浆的扰动 盾构经过的地区，可能引起地下水含量和紊流运动状态的改变。另外，泥水盾构 大量泥浆外排回灌，都会给周围环境产生不良影响。２、对不良土层的影响’流砂给盾构法施工带来极大的困难，刀盘的切削旋转振动引起饱和砂土或砂质粉 土的部分液化。含砂土颗粒的泥水不断沿初砌管片接缝渗入，引起局部土体坍塌。对于泥水式或者土压平衡式盾构，一旦遇到大石块、短桩等坚硬障碍物，排除过程都可能引起邻近土体较大的下沉。 ３、周围土体应力状态的变化 盾构法施工引起周围地层变形的内在原因是土体的初始应力状态发生了变化，使．得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径。由于盾构机前进靠后座千斤顶的推力，因此只有盾构千斤顶有足够的力量克服前进过程所遇到各种阻力，盾构才能 前进，同时这些阻力反作用于土体，产生土体附加应力，引起土体变形甚至破坏。引起土体扰动的阻力主要包括盾构外壳与周围土层摩阻力Ｆ，，切口环部分刀口切入土层阻力Ｆ：，管片与盾尾之间的摩擦力Ｆ。，盾构机和配套车驾设备产生的摩阻力 Ｒ，开挖面阻力Ｆ；等。１当千斤顶总推力Ｔ≥Ｆ．＋Ｆ，Ｆ３＋Ｆ。＋Ｒ，盾构前方土体经历挤压加载（Ａ Ｏ。），并产生 弹塑性变肜。土体受到挤压影响的范围如图３．１虚线所围的截圆锥体。其中１区土体 应力状态来发生变化，土体的水平、垂直应力分别为ｏ。，Ｏ、。由于推力引起土体挤 压加载△ｏ。，２区和４区土体承受很大的挤压变形，２区ｏ。，ｏ，均有增加；４区只有Ｏ。变化。３区土体受到大刀盘切削搅拌的影响，处于十分复杂的应力状态，如支撑不及时．开挖面应力松弛，水平应力减少（ｏ。一Ａ Ｏ。），反之应力可能增加。当千斤顶总推力Ｔ＜Ｆ，＋Ｆ２＋Ｒ＋Ｒ＋ＦＩ时，盾构机处于静止状态，这状态对应于千斤 顶漏油失控，土体严重超挖。盾构机前方土体经历一个卸载、挤压扭曲破坏的过程。第三章横向地表沉降分析因为开挖前方土体未及时施加支撑力，土体应力释放并向盾构内临空面滑移。图３．１盾构对土体扰动分区图为了减少对开挖面土体的扰动，在盾构推进挖土和衬砌过程中，始终保持密封仓内压力Ｐ，略大于正面主动侧压力Ｐ：和水压力Ｐ。之和。密封仓的压力受到千斤顶推力 行进速度、螺旋出土器出土量等参数影响，完全保持Ｐ：＋Ｐ。≤ＰＪ这样的动态平衡是不可能的，因此盾构推进对土体的扰动是不可避免的。 ４、土体性质的变化 由于盾壳内径和管片外径制作误差，加上盾壳厚度，当管片脱出盾尾时与周围土 体产生２～３ｃｍ的建筑间隙。如果建筑间隙不能及时注浆填补，上部土体向管片坍落， 覆土层出现一些附加的间隙或裂缝，密实度降低。受扰动破坏的土体，要经过较长时 间的固结和次固结，逐步恢复到原始应力状态。隧道纠偏时，一侧千斤顶超载，另一 侧千斤顶卸载，引起两侧土体应力应变状态明显差别。扰动后土体的本构关系，物理 力学参数的变化也是必然的。 ５、土体的位移影响 因受盾构推进的影响，盾构机前后、左右、上下各部位土体的位移的状态不同。 刀盘前部Ｏ．５Ｄ范围内土体表现为向下、向刀盘开口内移动，（０．５～１．５）Ｄ范围内深 层土表现为向推进方向移动，表层土向上向前移动。盾构机后的土体表层土表现为垂 直的下沉，深层土随盾壳拖带向前的水平移动，土体和浆液固结次固结沉降都使土体 产生向下的位移变形。盾构推进后，不同深度土层扰动曲面叠加形成不同倾斜度的沉 降槽。 ３．１．２地层移动的影响因素 地层移动的影响因素。”㈣很多，归纳起来主要有：ｌ、挖面土体的移动。当开挖面的支护力小于外侧土水压力时，开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地层沉降；反之，当开挖面的支护力大于外 侧土水压力时，则正面土体向上、向前移动，引起负的地层损失即导致盾构上方地层隆起。河海火学硕士研究生论文２、藏王中莲棱轰遴镬开挖瑟塌落秘捡动造戒戆瑟损失，引怒遣层沉降。 ３、主体挤入盾尾空隙。由于注浆不及时，或注浆量不是，躐注浆压力不适当， 盾尾后部隧道周边的土体失去原始的平衡状态，向屑＾尾空隙塌陷，产生地层损失，引 起地层沉降。盾构在软粘土类含水不穗定的地层中掘进时，这一因素是引起地层损失熬主要原嚣。４、詹构推进方向的改变。盾构撼避过程中，爝位纠偏、仰头推进、邓头推进、 曲线推进等都会使实际开挖面形状偏大于设计开挖面，从而引起地层损失。实际轴线 与设计轴线偏离越大，所引起的地层损失也越大。 ５、藩炎移羲与建瑟润戆摩擦帮努甥，弓ｌ莛蘧瑟损失。 ６、土体受施工扰动的国结作用。盾构隧道周阐土体受施工扰动后，将形成超静 孔隙水压力区，盾构离开该区后，越孔隙水压下降，孔隙水消散，引起地层沉降这部 分为主固缨沉降；随后，软糕土土体进一步产生随时间增长两发展的蠕变，持续次固 绥滚簿。京凌藩篦霹灵敏液较大涎较瀑秘滚鏊瞧毫蓦主中，次霆缝滚降｛堇往要撩续咒年 以上，它所占总沉降量的比例高达３５％以上。 ７、随腌构推进而移幼的正面障碍物，使地层在盾构通过后产生空隙而又未能及时充填注浆。８、凌主窳压力佟蠲下隧遵薅彩产生交形帮沆晦会弓｜趋枣鬣翡缝瑟损失。§３．２土体影响范围的确定藩褐撬作为软±遂遥施工静主簧机械，近年采肖了缀大戆发展。随着±瓢（混承 或气压）平衡一类高度自幼化机械化的盾构问世，由于先进的施工工艺、旌工技术的 不断完善，盾构法在城市隧道建设中敷得了很大的成功。但是由予盾构推进引起地层 扶魂，诸翅±钵缝表沉降释分层土体移动、土体威力、含承量、致敬永压力、弹往模 量、泊松眈、强度和承载力等物理力警参数的变纯仍是不可避免的。±体的毫｜｜：动往往 引发一系列环境灾难，如造成周围房魇构筑物开裂、倒坍、邻近管线断裂破损。因此 确定盾构施正对土体影响范围非常有灾用价值。 ３．２。｛孝溺淫霎方法 ｌ、在工程应用中，一般把盾构对周围的影响按范围划分为：受影响区域和不受 影响区域。对不受影响酝域的建筑物认为受施工影响程度可忽略不计；而部分成全部 位于受影响区域的建筑物则耍进行影响程度的判断，对受影响程度大者需要采取相应 夔整理蘧藏。瑟蘸，对彩熬区域夔划分还没蠢统一愆标准。毽蒸零霖燹是；建筑秘基 础底部向下卧层地基±扩敞附加应力的有效范围，威离开隧道周阐和上方土体受扰动 后的塑性区，以防止塑性医土体的施工沉降和后期豳结沉降引起建筑物不能承受的差 异沉降。 一些擎密提舞了一耱楚萃确定影穗蓬溷兹方法”１：矮定基感暴力羧４５。淘下扩散，影响范围边线定在隧道扰动区外，并认为隧道扰动区为２Ｒ（Ｒ――隧道半径）。盾构施工的影响范围划分如图３．２所示。第三章横向地表沉降分析。一＝＋。＝Ｆ．二二三二夏ｊｒ――１图３．２盾构施工的影响范围划分其中，Ⅲ区为不受影响区域，而Ｉ、ＩＩ区为受影响区域。 ２、１９６９年派克（Ｐｅｃｋ）提出了盾构施工引起地面沉降的估算方法，派克认为地表沉槽的体积应等于地层损失的体积，并根据这个假定给出了地面沉降量的横向分布估算公式㈣：．ｓ（。）。赢。ｘｐ（一云『）‰＝去ｚ去Ｚ．（３＿２＿１） （３－２＿２）Ｐｅｃｋ公式有Ｖ５和ｉ两个参数，合理确定这两个参数对于正确预测地面沉降的量值 和分布情况起着至关重要的作用。它们通常可以表示为：＝理（３―２―３）（３―２―４）式中：Ｓ（Ｘ）――为沉降量； Ｖ。――盾构隧道单位长度地层损失： ｓ。，――距隧道中心线的最大沉降量； ｘ――距隧道中心线的距离： ｉ――沉降槽半宽度； ｋ――沉降槽宽度系数； ｚ――隧道中心埋深；矿――为土的内摩擦角，对于成土取加权平均值： Ｒ――盾构机外径：Ｖｔ一一地层体积损失率，即单位长度地层损失占单位长度盾构体积的百分比。３、１９９８年Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ和Ｐｏｕｌｏｕｓ提｝Ｈ了预测地表沉降和地层沉降的解析解， 地表沉降的计算公式为””’：河海大学坝＿Ｌ研究生论文‰砘（１－ｖ）Ｒ２和Ｚ０＿ｃｘｐ（器）ｐ：甸式中，ｅ一土层损失率： ｖ――泊松比：Ｒ――隧道半径； Ｘ――离隧道中心线的距离。地层沉降计算公式为：ｓｚＺ，一隧道埋深；２占。丑２【一ｊＦ籀＋（３―４Ｐ）‘ｊＦ褊一 黼一Ｉ丽＋１ｒＪ ．ｅｘｐｌ［．弋器＋警）］Ｉ（３―２―６）式中，ｚ――离地表的深度；其他符号同式３－２―５。 ４、Ｍａｉｒ等人也提出了估算地层沉降的经验公式。…：ｒ，２ｓｚ钉细ｎ唧卜南ｊ（３－２－７）、Ｓｚ，ｍａｘ＝而未象厕‘百Ｒ２（３－２－８）扛Ｑ：！！！±！：！！塑二！！鱼！１一ｚ／ｚｏ（３―２―９）上述三式中的符号意义与公式３－２―１、３－２―２、３－２―５单位意义行同。５、同济大学在大量工程现场监测数据的基础上，考虑到土体扰动后的固结沉降 的变化规律，对计算横向沉降的Ｐｅｃｋ公式进行了修正㈨３：删＝［等ｅ印㈦］（３－２－１０）一√磊芦 ２式中，０≤ｆ≤丁１Ｆ霄２Ｓ。。，――隧道施工完成后ｔ时间的地表沉降； Ｐ――隧道顶部孔隙水压力的平均值； Ｔ――固结时间； Ｋｘ――隧道顶部土体渗透系数； Ｈ――超孔隙水压力水头 Ｅ――隧道顶部土层的平均压缩模量。３ ２２地区?陛经验结果第三章横向地表沉降分析１、上海地区”３１沉降槽的影响范围在隧道两侧各１５米左右，其中沉降较大的部分在隧道两侧各９米范围内。再往远处，沉降一般小于ｌＯｍ，对地面影响不是很大。沉陷曲线的斜率与水平角夹角在５０。左右。根据实测数据分析，Ｐｅｃｋ公式参数，沉降槽半宽度ｉ取６～８．８ｍ，体积损失率Ｖ。 取０．６０％。２、广州地区”“地层条件是判断盾构掘进对地层影响程度的关键，在自稳性好的地层中，盾构掘 进对地表影响小，反之则相反。中风化地层中，地表最大沉降为４．２ ｍｍ，影响范围在距隧道中线１５ ｍ左右；地表在全风化地层和强风化地层，地表沉降增大，最大地表沉降达１６．８硼，且沉降范围增大到距隧道中线３０ ｍ左右。。盾构掘进主要影响区域在隧道轴线６ ｍ范围内。沉降曲线沿线路中心不对称分布， 最大沉降发生在线路中心，在距隧道轴线３ ｍ范围内，沉降槽体积占总体积的７０％， 其沉降平均值在中风化和全风化地层中分别为２．８ｍｍ和１４ ｍｍ，是最大沉降值的６６．７％和８３．３％，这一范围是沉降最大区域，对地表影响最大。在距隧道轴线３～６ ｍ，中风 化和全风化地层中沉降均值分别为２ｍｍ和１０ ｍｍ，是最大沉降值的４７．６％和５９．５％， 这一范围是次要沉降区域。通过监测数据的回归分析后得出，Ｐｅｃｋ曲线沉降槽半宽度为９．６ｍ。§３．３南京地区横向地表沉降分析许多学者对隧道施工引起的地面沉降进行了深入研究，并提出了一些预测地面沉 降横向分布的经验计算公式。在计算隧道旋工引起的地面沉降时，必须根据工程的实 际情况，选择合适的经验公式及计算参数才能取得满意的结果。上述介绍的一些经验 公式是否能反映南京地区特殊的地质条件及目前的盾构隧道施工工艺，如何合理确定 公式的参数，则需要用南京地铁施工中的实测资料进行深入研究才能做出正确回答。 南京地区盾构区间的土层水平分布比较均匀，某一局部地区的工程情况可以较好地代 表整个南京地区，这为将一个局部的分析结果推广到全南京地区提供了有利条件。本文从这点出发，利用Ｐｅｃｋ法，通过对一局部地区――玄武门站～新模范马路站区间盾构隧道施工的实测沉降的分析研究，寻求适合南京地区盾构隧道工程应用的合理横 向沉降计算公式及参数确定方法。 ３．３．１玄武门～新模范马路区间工程概况 １、概况简述㈨ 玄武门～新模范马路盾构区间自玄武门站，沿中央路向北至新模范马路车站。设 计里程为Ｋ１１＋５９１．８９９～Ｋ１２＋４２２．１８９。区间分布三组平面曲线，半径分别为１０００ｍ、 １５００ｍ、８００ｍ；隧道纵坡为Ｖ形，晟大纵坡为３０‰，变坡点处设竖曲线，曲线半径为３０００ｍ、５０００ｍ；隧道埋深在８．０ｍ～１４．５ｍ之间。河海太学硕士研究生论文隧道主要在中央路下通过，本地阪交通繁忙；蛾下管线密集，共存３３条套类管 线，大多数理设在道路掰铡；两铡建筑物众多，佼予隧道正上方静建筑糖共蠢七座。 此区间建筑物结构形式为砖混结构和砖木结构，其耩础形式共有三种：钢筋硷桩、条形基础和筏基。区间隧邋还将下穿金川河及刚建成的玄武湖公路隧道。２、工程农文遗屡壤况 该区赫满古河道漫滩辘藐，基岩埋藏较深，均大于２５ｍ。软弱上层较浮，主要为 低塑性淤混质粉质粘土、粉质粘土及中到稍密的粉细砂等，土质不均，粘性土中常局 部夹有粉细砂，土质较麓。区间隧道在淤泥质粉质粘土、粉质粘土及粉细砂中通过， 工程逮囊较为复杂，鬟镰表褒羹覆±瀑次多，分鸯不缘匀及±溪麓冥大稳特纛。圈岩 划分为Ｉ炎。土体主要力学性质觅表３．１。袭３．１玄～新滕构区间土体生纂力学性质指标统计窘泰豢瑶号 重囊（淫）ＫＮ，，岔１９．８ １９．６ １９。ｌ １８ ２ １８ ５ ２０。２耗豫建塑程撵数１Ⅱ％液牲指数撬雅系数ａ／Ｍｐａ压缝攒攮Ｅ／Ｍｐａ７．５０ １２．３４ １３．９ ３．８７ １０．５６ ７．７ｌ蠹痒攘黉±屡名称ｗ％西度》ｉｂ２―３ 》Ｉｃ２＠一ｌｄ４ ②一２ｂ４ ②－２ｃ３ ③一２―２ｂｌ一２粉质粘土 粉主 耪翻砂 粉质粘土粉土２７．２ ２８．７ ２擘．２ ３７．８ ３７ ２４。２ ２４，３ ２１．３２４０．７２８ Ｏ．７５８ ０。８４９ １．０５６ １．０１３ ０。６６８ ０，６６６ ０．６１７ ０．６６９１１．６０．７６０．２３２ Ｏ．１５４９ １５．７１．５ｌ １．０９ ｌ０。１５５ ０．５５９ ０．１９３ ０。２２３３。ｌ Ｌ６．５１０ １６．２， １４＋３２５蚜餍糙土粉土０。２７Ｏ。４争３―２ｂ２◎一３―３ｄ２２０．３２０．４ ２０．２粉质粘土 糟质粘土◇３－３ｄ２１３．８０．４６Ｏ．２３８．５区间谶下水主要为浅层孔隙永与弱承压水、中部弱承压水、深层孔隙承蕊水和基岩孔隙裂隙水四种：（１）浅屡孔隙水与弱承压水主要赋存在人工蟥士层及中～晚全新世冲淤积土层肉，其孛②一ｉｂ２―３餐±、◇一ｌｃ２孛密狳主、莲》Ｉｃ２―３糖±、《争ｉｄ４糖砂夹绸移、②一２ｃ３ 粉土、③一２ｄ２―３粉砂夹细砂、＠－３ｄ２粉细砂、②一３ｃ３粉土、③～４ｄｌ一２粉绸砂等为良 好的赋水和透水地层，禽水量丰富，透水性强。隧邋范围内孔隙潜水的补给＿来源主要 受季节性大气降水、地袭废水以及城市自来水管、摊水管漏水的补给。勘察期间，陆 葳蘩缱遮下承位理深奁０，９～１．５ｍ之溺，年交疆§．５～ｉ．Ｏｍ，永城部霞逮下农与瀣承位一致。（２）中部弱承压水主臻存在于由③一３―２ｂ２―３含砂粉质粘土及③一３―３ｄ２粉细砂构成 的含水层缀，该含水层缎水量不丰塞，呈弱承压性。 （３）深麓孔藩承垂零，主要存在予③一４ｅ耪震糖主混褪移舞繇磊垂瘫，该含求层含水量不大，具承压性。（４）基辫孔隙裂隙水，主要存在于长玢岩强风化层及风化层的节理裂隙中。第三蠢攮彝建表淡薄分辑据水质分析资料，场地地下水为ＨＣ０３一Ｃａ―Ｎａ型水，Ｐ｝Ｉ值在７．ｊ～８．５之间，对钢筋混凝土无馁蚀性，对钢缩搦有弱腐馊性。 ３．３．２区溺圭夔表搂淘滚辫骥论幸｝篝 采用Ｐｅｃｋ法公式３－２－１、３－２―２计算盾构隧道地面最大沉降量及沉降槽宽度，其分布见图３．３。一１～一。：＝？――――～…一一―――――＝ｊ。……――一｛｜、、Ｓｍａｘ?反弯点Ｉ¨／一、、ｊＬ…～堡、、。…一７一蜜３．３横淘沉降攘分布謦地层损失的取值，对预测地面横向沉降槽的准确胰有重要的影响，须仔细分析地 质和施工条件并参照已有缀验合理确定，在盾构施工保持开挖面稳定的条件下，可从 袭３。２遥当逡鼗交予各魏戮紊弓｜超躲趣蘧臻失率。袭３．２各种因素日ｌ起的地层撷炎率列表地层损失艘素醚邀单位长度内妁最大地层损失计算德＃辩ｈ２“Ｒｔ地鹱损失率（％）―ｌ篙～＋ｌ船０ ｌ～０ ５唏０ １％开挖垂耱避麓矮失ｖ； 切口边缘后的地层损失ｖ： 沿着盾壳的地腠损失Ｖ。 艚尾后韵地藩ｖ＋０．１¨Ｒ２地下水位以下缝下水位鞋￡２ⅡＲ（ｎＲ，）ＥＯ～瞒０～Ｚ笔０．２～２Ｓ ０．５～１％０～０ ５％Ｒ稼一Ｒ。）Ｈ改变摧进方向ｖ；曲线推进“ｄ％ＬＲ／２Ｌ２ⅡＲ／８（Ｒ＋凡）Ａ正瑟障薅ｇｌ超越ｖ＋注：Ｒ为盾构，｝镫：Ｒ，为隧道衬砌井往；ｔ为盾棉切ｕ边缘后面凸起赢麟；ｈ为开挖面十体在看构推进单位长度中向后的水平位移；ｄ为盾构纠偏度数；Ｌ为盾构长度；Ｒ．为盾构推进曲线半径：Ａ为正面障碍物凸…十盾构外周的丽粳。艰攥玄武门站～藜摸藏马路菇嚣搀区潮兹薅提，Ｖ；毅１．溉，Ｒ＝３＋２瓣，隧道壤添杰８．Ｏｍ～ｔ４．５ｍ之汹，根据公式３―２４，；《海太攀秣圭辑≯滔ｉ谂交鞭霪翘蕊浆癸鼗溅滚，褒毋瑚４。彀嚣公式３毒３；或＝壤磺２＝０＋ｓ２心恕＝ｋＺ＝０．５７Ｚ＝４。５６ｔ