[摘要] 第1章 盾构施工引起地层移动与变形规律 地铁隧道盾构施工引起土
第1章 盾构施工引起地层移动与变形规律
地铁隧道盾构施工引起土体局部应力释放，导致地层损失，周围岩土体在弥补该空隙损失的移动过程中，引起地表沉降与变形。地层体积损失的大小与地质条件、开挖面的水土压力平衡状况、地下水位情况、隧道施工方法、隧道开挖进度、盾尾空隙和壁后注浆量的大小、隧道埋深、隧道形状、地下水位及永久支护的形式和强度因素等相关。盾构法施工的特点：对周围环境影响小；工序循环进行，施工容易操作管理，挖掘土方量较少，且施工不受气候的影响；对地表周边建（构）筑物影响程度小；对地层要求低，适应软弱地质条件。施工精度高；盾构施工工艺比较安全、掘进速度快等。盾构法是全断面推动圆筒状钢壳(称为盾构)开挖隧道的方法，从盾构前部的土层进行挖掘，盾构后部将钢管片或混凝土管片组装成衬砌环，液压千斤顶将盾构向前推进。水文地质条件不同盾构构造也不同，在含水较高的地层中更适合采用盾构施工。
1.1 随机介质理论
随机介质理论是波兰学者李特威尼申（J.Litwiniszyn）等于上世纪 50 年代通过研究沙箱模型，并采用数学方法表示模型，这些严密的数学方程式就是随机介质理论，具体体现在五大公理：唯一性；均值性：n 个相同单元开挖产生的影响等同于单个开挖所产生影响的 n 倍；叠加性；存在单位运算子；正值性：开挖引起的岩层只有下沉。我国学者刘宝琛、廖国华等进行深入研究发展为概率积分法，并 1990 年代引入到地铁隧道等城市开挖工程的地表移动与变形的预计[86]。地下开采所引起的岩层及地表移动过程看成是由地下多个单元开采所引起的岩层及地表单元水平移动表达式,单元下沉盆地表达式是经迭加的移动与变形分布表达式的随机过程。
1.1.1 随机介质理论模型
李特威尼申研究漏斗漏砂模型，认为介质是由类似沙粒的颗粒组成，颗粒之间彼此独立，且颗粒之间的移动是相互独立的随机过程。因此可将大量的颗粒介质体的移动看成随机运动过程，具体模型见图 2.1 和 2.2。假设颗粒介质是由大小相等、质量均一的大量小球组成，当一个小球被移走后，上一层的两个相邻的小球，由于重力作用下将有一个小球滚下占据移走小球的位置。假设上一层每个小球下滚的概率都是随机的，并且彼此都独立，且概率相等。图 2.2 表示一个由无数小间，每间中有且仅能放一个小球所构成的体系。该体系满足如下条件：①假设第 1 层取走小球 b1 后，其位置将由第 2 分层的小球b1或者 b2滚下代替；②第 2 层小球又由于空缺一空间，引起第 3 层的小球下滚，如此循环滚下上一层的小球替代下一层的小球。取走第 1 层 b1 后，第 2 层 b1与b2下落的机率均等，分别为 1/2 的概率；若第 2 层是 b2下落的概率为 1/2，引起第 3 层 b1,b2和 b3下落，它们落入第二层 b2的分别为 1/4,2/4,1/4；同理，第三层某个滚入第二层后，引起第四层的某一个小球滚入第三层某一个滚下的小球，如此类推，得到各层小球滚下的概率分布，见图 2.3。采用德莫佛-拉普拉斯定理和数学归纳法，假定小球十分的小，即可认为是单位开采所引起的地表沉降。
1.1.2 随机介质理论
设直角坐标系为 x , y,z及 s , q,m。在采深为 H 处，地下开挖0002 s × 2q×2m的单元体积引起地表点下沉所形成的最终稳定盆地称为单元下沉盆地。地下处开采使地表点 A( x,y)附近某一小块面积发生下沉的概率表明单元体积的开采影响地表时的概率，地表下沉盆地的表达式:( x,y)ds=p exp[ h(x+y)]W(x,y,z)令开采单元面积 1,则地表下沉盆地为单元盆地.
1.2 地铁盾构开挖引起的地表移动与变形
暗挖法施工的隧道，不管是采用新奥法还是盾构法施工，都不能完全消除工程开挖对地表的影响。由于地层损失，周围岩土体在弥补损失空间移动过程中引起地表移动与变形。非疏水开挖时，地表移动与变形可认为是由隧道的地层损失引起的，而在人工疏水开挖的情况下，还需考虑岩土体疏水固结所引起的地表沉降与变形。地铁隧道盾构开挖产生的影响是指盾构施工开挖引起的围岩或地表移动与变形，地面沉降横剖面一般呈盆状，可用概率积分法来描述。盾构机掘进引起土体应力的改变分为 5 部分：土体应力在盾构机推进前方改变；土应力在盾构机推进过程中土体与盾构机的摩擦改变；土应力在盾构机在切削过程中工作面的改变；土应力在盾构机脱盾时空隙引起土层改变；土体应力在恢复地应力时长期流变的变化。盾构隧道施工引起的地层位移分 5 个阶段盾构机到达前超前影响产生的沉降当隧道开挖面距地表监测点数十米时，监测点开始产生沉降，这部分沉降是由于超前影响导致。盾构机到达监测点下方时监测点产生的沉降或隆起盾构机的推力过大、开挖面的塌陷等因素，导致地层隆起或沉降。盾构机通过监测点时所产生的沉降盾构机通过监测点后盾尾应产生空隙而沉降后续长期固结沉降刘建航、侯学渊将其简化为 3 个时段：①盾构机到达监测点前的地面变形；②盾构机到达监测点下方时的沉降；③盾构机通过监测点时的地面变形以及岩土体后期固结变形。
1.2.1 地层损失理论 ................................................................................24-25
1.2.2 隧道盾构法施工地表移动与...............................................................................25-27
1.3 本章小结................................................................................ 27-28
第2章 监测方案设计及数据分析处理 ................................................................................28-50
2.1 高速公路监测方案设计 ................................................................................28-35
2.1.1 高速公路监测精度要求................................................................................ 28-29
2.1.2 监测原则 ................................................................................29
2.1.3 监测内容及范围................................................................................ 29-30
2.1.4 测点的布设................................................................................ 30-31
2.1.5 监测周期 ................................................................................31
2.1.6 监测方法 ................................................................................31-35
2.2 监测数据分析与处理................................................................................ 35-49
2.2.1 监测数据异常情况类型................................................................................ 35-36
2.2.2 异常数据异常分析 ................................................................................36-47
2.2.3 小波分析数据处理模型................................................................................ 47-49
2.3 本章小结 ................................................................................49-50
第3章 高速公路稳定性评价 ................................................................................50-64
3.1 高速公路稳定性评价指标 ................................................................................50-58
3.1.1 盾构地下施工对................................................................................51-52
3.1.2 盾构开挖对 ................................................................................52-55
第4章 结论
由于地层损失城市地铁隧道盾构法施工打破了岩土体的原始应力平衡状态，引起周围岩土移动与变形。城市地铁隧道盾构施工穿越高速公路容易引起高速公路、桥梁涵洞以及附属设施变形，其变形是一个复杂的过程，变形量的大小与多种因素相关，本文以长沙地铁 2 号线 1 期工程光达站～新长沙站区间，盾构施工穿越京珠高速公路为例，经研究得出以下结论：(1)根据地铁盾构施工的特点、盾构施工导致地层损失的机理以及盾构施工导致地表移动与变形的规律进行了分析，研究了随机介质理论模型在隧道工程施工引起周围地表移动与变形机理。(2)研究了城市地铁盾构施工对高速公路的影响类型，主要围绕高速公路下沉、水平移动、水平变形、倾斜、曲率 5 个方面而展开；通过分析评价高速公路稳定性的五个指标，得出其相互间定量与定性的关系，研究出一套评价高速公路稳定性评价指标。(3)通过已确定高速公路稳定性指标，将高速公路稳定性划分为 4 个风险等级，划分界限分别为 0 倍允许值，1/3 倍允许值，2/3 倍允许值，1 倍允许值，并在各个阈值范围内建立隶属函数，通过采用模糊函数模型对其进行五个指标综合评价高速公路的稳定性评估。(4)针对城市地铁穿越高速公路，设计专门对高速公路稳定性的监测方案，主要包括监测精度要求、原则、监测内容及范围、监测点的制作以及埋设、监测周期确定、监测方法的选择。(5) 提出了 3 种异常值出现的类型：外界环境无异常情况下，监测数据与以往数据比较，发生突变，表现为监测点较大的上升量或者下降量；外界环境无异常情况下，监测数据连续几期数据具有时升时降；外界有异常情况时，变形量与常规相违背。接着提出了采用置信区间的方法对异常监测值进行判定，并根据异常值的 3 种类型对异常值进行了成因分析，对偶然误差系统误差提出了采用小波分析的方法进行去噪处理，还原事物的实际变形规律。
