土木工程案例分析课程论文

发布时间：2015-06-15 11:53:48 来源：文档文库

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土木工程案例分析

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隧道施工引起的地层损失补偿注浆技术

现状与展望

摘要: 补偿注浆是近几十年注浆领域发展起来的减轻城区隧道施工对既有建(构)筑物损害的一种新技术。补偿注浆常采用裂隙(劈裂注浆、压密注浆和渗透注浆方式,但常规的渗透、劈裂、压密注浆加固地层与补偿注浆减轻因隧道施工引起的地层损失的作用机理明显不同。在总结回顾与注浆补偿技术相关的地层移动,以及因隧道施工引起的建(构)筑物损害程度研究现状的基础上,提出了目前补偿注浆技术研究方面存在的问题,并对今后的研究和工作做了展望。

关键词: 城区隧道地表沉降地层损失建筑物损害补偿注浆

1 概述

近年来,随着我国经济建设的高速发展,以及城市现代化建设步伐的加快,许多大城市都面临着日益严重的交通问题。在大城市中发展城市轨道交通系统是一个行之可行的解决办法,目前我国已建成和待建城市地铁的城市有近30个，多数都采用了浅层埋设的地下线路。城市地铁建设会带来一些长期的有益于环境的效应，然而在施工阶段当隧道邻近其它建筑物和公共设施时,隧道施工引起的地层位移和地面沉降将导致邻近建筑物变形、开裂、损坏等,这些问题已经成为地铁隧道建设者、设计者和施工者最为关心的环境问题与工程问题。补偿注浆是近几十年注浆领域发展起来解决上述问题的一种新技术。欧洲一些国家在软弱地层隧道施工中已成功地利用补偿注浆技术来控制地层移动、降低隧道施工对建筑物的损害。补偿注浆技术的成功应用与准确预测地层变位、建(构)筑物受隧道施工影响的变形与损害判别密切相关。本文就补偿注浆技术中涉及的城市地铁隧道施工技术的相关问题进行论述与分析。

2 隧道施工引起的地层位移研究现状

补偿注浆的成功应用与准确预测地层移动与确定建(构)筑物变形状态有关,注浆量和注浆位置应该由监测到的地层变位和建(构)物状态来确定而且应该保证不接近容许状态预定值。隧道的开挖将不可避免地扰动地下岩土体,引起地表沉降和地层变形,土体变形到一定的程度将影响地面建筑物的安全和地下管线等的正常使用,因此提出较为可靠的由隧道开挖引起的地层位移的预计方法就显得十分必要。对于地铁隧道开挖引起的地层位移及地表沉降问题的研究方法,目前在工程实践中应用较多的方法主要有:(1)经验法;(2)解析解;(3)模型试验法;(4)数值模拟法

经验法实际上是基于大量工程实践的总结而提出的,其中应用最广泛的是Peck提出的经验公式。以后随着相关研究的不断深入和扩展,不同学者又在Peck公式的基础上,完善和补充了其他相关的公式。由于经验方法一般是基于对实际观测结果的总结而得到的,因此往往能得到较为满意的结果,同时具有地区针对性强、计算参数少、应用计算简单等优点。这类方法目前在工程实践中应用最为广泛。经验方法的局限性在于,由于各种方法缺乏理论依据,因此一般仅仅适用于经验所获得的局部地区,对于其他地区(工程地质条件或施工技术差异较大)在应用前应对其适用性进行研究和验证。另外,经验方法所提出的成果往往局限于只能得到地表沉降,而不能像解析法、数值模拟法等那样,可以全面分析得到整个分析域的地层变形、应力、应变等。

解析法的理论基础主要是柱孔扩张理论、随机介质理论以及弹塑性力学。其中,Sagaseta (1987)提出的一个弹性半空间中不可压缩土(泊松比=0.5)中的闭合解是这类问题的一个代表性方法,他给出了弹性各向同性均质体在靠近地表产生地层损失情况下的应变解,在分析中采用“虚像技术”考虑顶部自由地表存在的影响。相对于其它方法,解析法的研究成果相对较少,这主要是由于问题本身的极端复杂性决定的。只有在对问题本身进行了足够的近似简化假定以后,才有可能得到解析解。因此一般只能考虑一些理想化的问题,针对比较简单的边界条件和初始条件得到解答。大多数解析解是针对粘性土层提出的,而对砂土地层因隧道开挖引起的地层移动解析解较少。从上述各学者提出的方法来看,无一例外均将地层假定为均匀、各向同性、轴对称的平面应变问题,无法考虑更为复杂的地层条件,更无法考虑施工条件,因此更具有理论上的参考意义,或作为其他方法(例如经验法、数值法或模型试验法)的一个理论验证,在实际工程中的应用则需要进行大量的经验积累。

城市地铁隧道施工引起地层移动和地表沉降的模型试验主要包括相似材料模型试验和离心模型试验。采用相似模型试验方法时,相似材料的选取往往成为其中的一个主要困难,因此某些试验很难反映衬砌及土的实际受力状态,试验结果与实际相差往往较大。常规小比尺模型由于其自重产生的应力远低于原型,以及原型材料明显的非线性,因而不能再现原型的特性。解决这一问题的唯一途径是提高模型的自重,使之与原型等效。提高模型的自重应力水平、增大材料自重的最简便的方法就是用离心机。土工离心模型试验技术是一项愈来愈受到广泛关注的新试验技术,其特点是能在原型应力状态下观察和研究岩土工程的变形状态和破坏状态。由于隧道的稳定和沉降主要受周围土的自重影响,因此非常适合于采用离心模型试验来研究其相关的稳定和变形问题,特别是对浅埋的隧道。

数值方法被人们一般认为是一种求解工程中所遇到的各种复杂问题最有效的通用方法,伴随着岩土工程数值方法和计算机技术的发展，采用这种方法进行隧道施工变形的计算分析越来越广泛。在预测隧道引起的地层位移和地表沉降这个课题中,数值方法和上述经验法相比,其优点在于可以考虑复杂的地质条件、分阶段开挖、施工特点、支护的时间以及支护的特性等等。国外的三维有限元分析研究中Lee和Rowe较早地采用三维弹塑性有限元对隧道施工过程进行模拟,分析了隧道开挖面的土体位移与开挖面土体稳定的关系。

3 隧道施工对近接建(构)筑物的变形影响与损害研究

城市隧道施工大多数都是在地面建筑设施密集的城区中进行的,隧道施工势必会对地面的建(构)筑物、道路、桥梁、管线等设施造成一定的变形,甚至于破坏。为了减轻由于隧道施工对其造成的损害及其对周围环境造成的不良影响,必须对隧道开挖引起的建筑物损伤进行正确的预测。在这方面国内外诸多学者的研究工作主要包括建筑物受损害的力学机理及建筑物受损害程度的评价方法和评估标准。过去对沉降损害的研究工作一般可分为三大基本类:第一种为经验法,该法基于历史案例的调研及研究损害与易量测或易定义的参数之间的经验关系；第二种方法考虑了结构工程的原理, 以便获得基于所选结构尺寸及材料参数的容许极限沉降, 并将推导出的极限值与历史实际案例相对比；第三种方法可总结为数值计算与案例统计损害标准相结合。

3.1 经验法

经验法即是寻求结构损害与易量测参数之间的关系,这些数据包括变形角β(angular distortion)、建筑物的刚体倾斜(tilt)、挠曲率(deflection ratio)、差异沉降值、结构的对角线的应变值等。基于结构力学原理的定量计算方法基本上是有以下两种做法：（1）如结构的墙体长高比不大,则可将墙体假定为弹性深梁,直接利用已有的深梁挠度公式计算建筑结构损害；计算时对实际的弹性模量E和惯性矩I作了简化, 因而实用性不大。(2) 如墙体的长高比较大,则将墙体简化为简支梁,可以利用简支梁的公式计算墙体两端的转角和挠度。这种做法同样对E,I值作了简化,而且仅仅适用于小变形且不考虑剪切的情况。

3.2 基于沉降预测的计算方法

随着对地表沉降的研究,可以根据地表运动来计算由此造成的建筑损害。计算时一般假定结构基础为完全柔性,完全服从于地层的运动与变形；地层的位移(沉降与水平位移)与应变作为施加在结构上的广义荷载而使结构发生内力与变形,以此作为建筑结构损害的评价标准。建筑损害评价系统URISK法本质上相当于前一种结构力学方法,只不过作了改进,即先根据地表沉降的预测公式,求出地表的水平应变和竖向应变,将之叠加到按材料力学所得出的墙体弯曲应变与对角剪切应变中,求出最大的极限应变,然后与结构的极限应变相比来估计损害程度。

3.3 数值法

传统的经验方法和采用结构力学和材料力学的方法主要基于观测和简单的计算,将结构损害与裂缝的开展及角变形、挠度比等参数联系起来,得出一些判断损害的标准。总的来说，均对结构作了一些简化,对计算作了一些假定,由此得出的成果有可取之处。但是,上述做法有显而易见的欠考虑之处：未考虑结构与土体的共同作用,因而不能从深层次的角度得出损害的发生机制；未能全面考虑地基土体所处地质体的变异；未能反映地铁隧道施工的影响,而在施工中所采取的施工工法及其支护措施对结构的破坏影响可能是最主要的；未能考虑施工后地基周边土体的时效(固结、螺变)。

4 补偿注浆减轻建(构)筑物损伤的研究现状

随着城市化进程的加快,各大中城市正在或即将大规模修建地铁。在城市中修建地铁面临复杂的环境,因而减少因地层损失而引起的地表沉降对地下管线和地上房屋及周围环境的影响有着非常重要的意义。在隧道施工中要有效地控制地层移动和地表沉降,一是要选择合理的施工方法和施工措施,另一方面采取适当措施控制地层位移,减小地表沉降。这里主要介绍以补偿注浆控制地层位移从而保护地面(下)建(构)筑物的研究现状与应用前景。补偿注浆是一种可供隧道外选用的保护措施，在隧道和建(构)筑物之同注浆,以补偿地层的损失和由隧道施工引起的应力释放。补偿注浆与通常采用的隧道开挖前加固隧道围岩不同,补偿注浆是根据隧道施工监测与隧道开挖同时进行的,其目的是将建筑物的沉降和变形限制在规定值内,它并非允许结构物在掘进过程中下沉,而后再作为一种补救措施来抬高该结构强度。补偿技术是一项比新的技术,越来越多地用作软地层隧道掘进中控制地层沉降、减轻隧道施工对建筑物损害影响的一种保护措施。Mair(1994)介绍了补偿注浆的基本概念，以及补偿注浆方法及补偿注浆在城市地铁工程中的应用。HARRIS等(1994)介绍了大直径盾构隧道施工中利用补偿注浆成功穿越近距离建筑物和近接隧道的工程实例。Soga(2004)提出了补偿注浆抬升地层的原理。欧州较早地对这项技术开展研究和应用,国内近几年也有这方面研究的工程应用实践。国内近几年随着城市地铁工程的较快发展,对如何利用注浆技术补偿因隧道施工引起的地表沉降,保护地面、地下构筑物方面进行了较多的研究工作。2008年，针对既有结构的注浆抬升建立模型进行分析,提出在弱化位置注浆的理念,并指出弱化位置注浆在减小沉降的同时产生了一定的应力集中。

5 补偿注浆技术有待进一步研究解决的问题

目前实际工程中利用补偿注浆来减轻因隧道施工引起的地层移动及地表沉降主要靠注浆施工经验,不是基于补偿注浆中土体与注浆浆液的相互作用机理因而更进一步研究各种地层因隧道开挖引起的地层移动、地层损失规律,进而研究相应的补偿注浆机理、合理可行的补偿注浆的施工艺,无疑践对补偿注浆工程实践有较大的理论和实践意义。据目前国内外补偿注浆的研究现状,下列问题有待进一步研究解决。

(1) 隧道开挖引起的地层损失分布规律研究

不同隧道施工方法引起的地层移动与沉降规律是不同的,特别是不同土层分希、软弱夹层存在对隧道施工引起的变形影响研究仍有待深入。

(2) 不同土层中(主要为砂土、粘土)在压密注浆、挤密注浆和劈裂注浆、补偿注浆技术条件下,因隧道开挖而造成的地层损失补偿注浆机理不同,补偿注浆技术对不同地层有不同的适应性,不同补偿注浆方法对地层补偿注浆效果也不同,因此了解不同注浆方法下地层有效补偿地层损失是补偿注浆技术中的一个基本问题。

（3) 不同地层条件下,补偿注浆室内模型试验研究

为了了解影响补偿注浆效果的主要影响因素,在实验室应用试验箱模型试验研究不同性质土层、不同注浆压力下,注浆时机对因隧道开挖引起的地层损失的注浆补偿机理,以及注浆效果的主要影响因素。

(4) 补偿注浆过程的数值模拟方法研究

注浆过程的模拟一直是隧道施工数值模拟中的一个难题,采用数值方法来模拟补偿注浆过程和效果,国内外这方面开展的工作更少。正确、可靠的补偿注浆数值模拟方法对进一步研究补偿注浆机理、各种因素对注浆效果的影响有重要意义,也可为补偿注浆工程实践提供指导。

（5) 不同的地层条件、隧道尺寸、隧道施工方法情况下,合理补偿注浆位置、合理注浆量确定方法的研究。补偿注浆关键因素之一是选择合理注浆孔位置、注浆压力,为此应进一步研究隧道开挖引起的地层移动规律,为确定合理补偿注浆孔位置、注浆压力提供依据。

(6) 与补偿注浆要求相适应的地层沉降、变位以及建(构)筑物变形实时监测技术的研究。补偿注浆的配套关键技术之一是监测,只有及时可靠地获得地层移动和建(构)筑物变形信息,才能有效地进行补偿注浆。

参考文献：

[1] 姚燕明, 杨龙才, 刘建国. 地铁车站施工对地面沉降影响的试验分析[J].城市轨道交通研究,2002,5(1):70-73

[2] 李涛, 韩雪峰, 黄华, 等. 深圳富水复合地层地铁隧道暗挖施工引起地表沉降规律的研究[J].现代隧道技术,2014,51(2):76-82