大直径土压平衡盾构引发地表变形与掘进控制技术改善

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1、大直径土压平衡盾构引发地表变形与掘进控制技术改善1绪论1.1研究背景及意义根据北京市轨道交通发展规划，到2015年，要形成三环、四横、五纵、七放射总长达666km的城市轨道交通线网格局，2020-2025年，轨道交通线网总长将达到800-1000km。按照北京市轨道交通先中心、后外围，先骨架、后支线的建设时序，在髙强度开发、髙密度建筑和大客流量集散点密集的市区快速建设大运量地铁工作是重中之重，应优先发展。2015年后，北京市的城市轨道交通进一步发展将面临更加严峻的建设环境。由于可供选择的城市主干道越来越少，线路路由选择困难，从而对线路布置提出了更高要求，而线路周围邻近建（构）筑物将会

2、更加密集，对轨道交通的建设方法也提出了更为严格的限制。北京地铁工程区间线路目前都是采用单洞单线型式，需要较为宽阔的道路红线，占用较大地下空间；区间隧道施工一般采用盾构法。而地铁车站建设一般采用明挖法、浅埋暗挖法等进行施工。明挖车站建设期间不仅影响路面交通和环境，地下管线改移也极大地增加了工程造价和建设工期。尤其是在遒路狭窄、交通繁忙、地下管线密布、大量周边建（构）筑物和地下空间布局紧张的城区，如何实现区间、车站线路的最优化布置及其施工方法的合理选择，减少地铁施工对地面交通及周边环境的影响已经成为北京城市轨道交通发展中急需解决的关键技术问题。地铁14号线、16号线、8号线3期、3号线、

3、R1线、新机场线等工程都面临上述问题。.1.2国内外研究现状盾构在地层中掘进施工必然会对周围地层产生扰动并引起地层变形，其主要原因是盾构施工过程中引起的地层损失、受扰动地层原始应力状态的改变、受扰动剪切破坏土体的固结及土体的蠕变效应、衬砌结构的变形等。盾构施工引起地层变形的影响因素主要有：围岩的物理力学性质、地下水情况、險道埋深、上部荷载、盾构机性能、施工质量以及操作规范程度等这其中，影响地表沉降的盾构施工技术的要点可以归纳为：盾构掘进过程中因土体幵挖量和排土量不相同导致土船压力与开挖面水土压力不等，造成开挖面压力不平衡，从而带来地层变形。当开挖面所受水平支护力大于原始侧向土压力，将

4、引起开挖面土体向前向上移动，形成负地层损失进而造成地层隆起。当水平支护力小于原始侧向土压力，开挖面土体向下向后移动，形成地层损失，并引发地层沉降。盾构施工推进对周围土体造成扰动，在地层中形成超孔隙水压力，超孔隙水压力在盾构施工过后逐渐消退，同时土中有效应力增加并伴随着地层排水固结变形，即土体发生固结沉降，造成地表沉降。随着时间继续推移，土中有效应力趋于稳定，但是土层中仍持续发生續变压缩，即发生次固结沉降并在相当长的时间里继续造成地表变形。2大直径盾构引起的地表变形规律研究2.1前言2010年5月开工建设的北京地铁14号线东风北桥站至京顺站区段工程全长约3.15km,沿线经过酒仙桥地区

5、的老工业区，部分现状道路较窄，没有足够的空间实现单洞单线的区间线路布置，只能采用大直径隧道实现单洞双线的布置方案；且区间隧道多次下穿河流、居民楼，采用浅埋暗挖法的施工风险极大，釆用盾构可有效控制施工风险。针对上述问题，在充分调查、研究、分析与论证的基础上，采用大直径盾构连续长距离推进修建3段地铁区间險道。这是北京市区首次采用lOtn以上土压平衡盾构修建地铁險道，研究此大直径盾构險道引起的地层变形是十分有必要的。目前，盾构隧道的地表沉降分析主要方法有：理论解析、经验公式和数值模拟。在各种方法中，Peck(1969)认为地表沉降曲线形状近似呈正态分布概率曲线，已被广泛接受。Klooof和

6、Schmid(1974)提出含水饱和塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数只与隧道半径和埋深有关刘建航（1975)在总结上海延安东路隧道沉降分布规律基础上，提出了欠地层损失的概念，并修正了Peck公式来预测地表纵向沉降[5]。CTReiUy和Ne以上）土压平衡盾构隧道地表沉降的论文较少。因此，本文基于北京地铁14号线分析大直径土压平衡盾构机掘进中地表沉降及与相关控制因素之间关系，有着十分重要的现实意义。.2.2工程概况北京地铁14号线东风北桥站到京顺站区段，位于古清河故道和古金沟河故道之间的河间地块，属于平原地貌，沿线地形基本平坦，地形起伏不大。本区间线路采用盾构施工。盾构出东风北桥站始发井

7、向北下穿东四环北路后沿上东星辰路至坝河，在酒仙桥西侧下穿坝河，沿酒仙桥路向北到达将台站，之后沿酒仙桥路向北，在大山子环岛处线路转向西北方向，到达高家1?！站，然后沿万红西街穿越首都机场高速路、机场快轨线后到达京顺路站，其中将台站、高家园站釆用扩挖盾构隧道法修筑。线路见图2-1所示。区间从盾构井出发先以27%。的坡度下坡，之后变为9%。下坡，再以3%。的坡度上坡达到将台站；出将台站后以6%。下坡，之后以3%。上坡，再变为18%。上坡到达高家园站，出高家闻站后