第1章 盾構(gòu)施工引起地層移動(dòng)與變形規(guī)律

  地鐵隧道盾構(gòu)施工引起土體局部應(yīng)力釋放，導(dǎo)致地層損失，周圍巖土體在彌補(bǔ)該空隙損失的移動(dòng)過程中，引起地表沉降與變形。地層體積損失的大小與地質(zhì)條件、開挖面的水土壓力平衡狀況、地下水位情況、隧道施工方法、隧道開挖進(jìn)度、盾尾空隙和壁后注漿量的大小、隧道埋深、隧道形狀、地下水位及永久支護(hù)的形式和強(qiáng)度因素等相關(guān)。盾構(gòu)法施工的特點(diǎn)：對(duì)周圍環(huán)境影響小；工序循環(huán)進(jìn)行，施工容易操作管理，挖掘土方量較少，且施工不受氣候的影響；對(duì)地表周邊建（構(gòu)）筑物影響程度小；對(duì)地層要求低，適應(yīng)軟弱地質(zhì)條件。施工精度高；盾構(gòu)施工工藝比較安全、掘進(jìn)速度快等。盾構(gòu)法是全斷面推動(dòng)圓筒狀鋼殼(稱為盾構(gòu))開挖隧道的方法，從盾構(gòu)前部的土層進(jìn)行挖掘，盾構(gòu)后部將鋼管片或混凝土管片組裝成襯砌環(huán)，液壓千斤頂將盾構(gòu)向前推進(jìn)。水文地質(zhì)條件不同盾構(gòu)構(gòu)造也不同，在含水較高的地層中更適合采用盾構(gòu)施工。
 

    1.1 隨機(jī)介質(zhì)理論
   隨機(jī)介質(zhì)理論是波蘭學(xué)者李特威尼申（j.litwiniszyn）等于上世紀(jì) 50 年代通過研究沙箱模型，并采用數(shù)學(xué)方法表示模型，這些嚴(yán)密的數(shù)學(xué)方程式就是隨機(jī)介質(zhì)理論，具體體現(xiàn)在五大公理：唯一性；均值性：n 個(gè)相同單元開挖產(chǎn)生的影響等同于單個(gè)開挖所產(chǎn)生影響的 n 倍；疊加性；存在單位運(yùn)算子；正值性：開挖引起的巖層只有下沉。我國學(xué)者劉寶琛、廖國華等進(jìn)行深入研究發(fā)展為概率積分法，并 1990 年代引入到地鐵隧道等城市開挖工程的地表移動(dòng)與變形的預(yù)計(jì)。地下開采所引起的巖層及地表移動(dòng)過程看成是由地下多個(gè)單元開采所引起的巖層及地表單元水平移動(dòng)表達(dá)式,單元下沉盆地表達(dá)式是經(jīng)迭加的移動(dòng)與變形分布表達(dá)式的隨機(jī)過程。
 

        1.1.1 隨機(jī)介質(zhì)理論模型
   李特威尼申研究漏斗漏砂模型，認(rèn)為介質(zhì)是由類似沙粒的顆粒組成，顆粒之間彼此獨(dú)立，且顆粒之間的移動(dòng)是相互獨(dú)立的隨機(jī)過程。因此可將大量的顆粒介質(zhì)體的移動(dòng)看成隨機(jī)運(yùn)動(dòng)過程。假設(shè)顆粒介質(zhì)是由大小相等、質(zhì)量均一的大量小球組成，當(dāng)一個(gè)小球被移走后，上一層的兩個(gè)相鄰的小球，由于重力作用下將有一個(gè)小球滾下占據(jù)移走小球的位置。假設(shè)上一層每個(gè)小球下滾的概率都是隨機(jī)的，并且彼此都獨(dú)立，且概率相等。一個(gè)由無數(shù)小間，每間中有且僅能放一個(gè)小球所構(gòu)成的體系。該體系滿足如下條件：假設(shè)第 1 層取走小球 b1 后，其位置將由第 2 分層的小球b1或者 b2滾下代替；第 2 層小球又由于空缺一空間，引起第 3 層的小球下滾，如此循環(huán)滾下上一層的小球替代下一層的小球。取走第 1 層 b1 后，第 2 層 b1與b2下落的機(jī)率均等，分別為 1/2 的概率；若第 2 層是 b2下落的概率為 1/2，引起第 3 層 b1,b2和 b3下落，它們落入第二層 b2的分別為 1/4,2/4,1/4；同理，第三層某個(gè)滾入第二層后，引起第四層的某一個(gè)小球滾入第三層某一個(gè)滾下的小球，如此類推，得到各層小球滾下的概率分布，見圖 2.3。采用德莫佛-拉普拉斯定理和數(shù)學(xué)歸納法，假定小球十分的小，即可認(rèn)為是單位開采所引起的地表沉降。
 

        1.1.2 隨機(jī)介質(zhì)理論
    設(shè)直角坐標(biāo)系為 x , y,z及 s , q,m。在采深為 h 處，地下開挖0002 s × 2q×2m的單元體積引起地表點(diǎn)下沉所形成的最終穩(wěn)定盆地稱為單元下沉盆地。地下處開采使地表點(diǎn) a(  x,y)附近某一小塊面積發(fā)生下沉的概率表明單元體積的開采影響地表時(shí)的概率，地表下沉盆地的表達(dá)式:( x,y)ds=p exp[ h(x+y)]w(x,y,z)令開采單元面積 1,則地表下沉盆地為單元盆地.
 

    1.2 地鐵盾構(gòu)開挖引起的地表移動(dòng)與變形
    暗挖法施工的隧道，不管是采用新奧法還是盾構(gòu)法施工，都不能完全消除工程開挖對(duì)地表的影響。由于地層損失，周圍巖土體在彌補(bǔ)損失空間移動(dòng)過程中引起地表移動(dòng)與變形。非疏水開挖時(shí)，地表移動(dòng)與變形可認(rèn)為是由隧道的地層損失引起的，而在人工疏水開挖的情況下，還需考慮巖土體疏水固結(jié)所引起的地表沉降與變形。地鐵隧道盾構(gòu)開挖產(chǎn)生的影響是指盾構(gòu)施工開挖引起的圍巖或地表移動(dòng)與變形，地面沉降橫剖面一般呈盆狀，可用概率積分法來描述。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起土體應(yīng)力的改變分為 5 部分：土體應(yīng)力在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)前方改變；土應(yīng)力在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中土體與盾構(gòu)機(jī)的摩擦改變；土應(yīng)力在盾構(gòu)機(jī)在切削過程中工作面的改變；土應(yīng)力在盾構(gòu)機(jī)脫盾時(shí)空隙引起土層改變；土體應(yīng)力在恢復(fù)地應(yīng)力時(shí)長(zhǎng)期流變的變化。盾構(gòu)隧道施工引起的地層位移分 5 個(gè)階段盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前超前影響產(chǎn)生的沉降當(dāng)隧道開挖面距地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)十米時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)開始產(chǎn)生沉降，這部分沉降是由于超前影響導(dǎo)致。盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的沉降或隆起盾構(gòu)機(jī)的推力過大、開挖面的塌陷等因素，導(dǎo)致地層隆起或沉降。盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)所產(chǎn)生的沉降盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)后盾尾應(yīng)產(chǎn)生空隙而沉降后續(xù)長(zhǎng)期固結(jié)沉降劉建航、侯學(xué)淵將其簡(jiǎn)化為 3 個(gè)時(shí)段：①盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)前的地面變形；②盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)下方時(shí)的沉降；③盾構(gòu)機(jī)通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)的地面變形以及巖土體后期固結(jié)變形。

        1.2.1 地層損失理論 

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        1.2.2 隧道盾構(gòu)法施工地表移動(dòng)與

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    1.3 本章小結(jié)

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第2章 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析處理 
    2.1 高速公路監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì) 
        2.1.1 高速公路監(jiān)測(cè)精度要求

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        2.1.2 監(jiān)測(cè)原則

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        2.1.3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及范圍

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        2.1.4 測(cè)點(diǎn)的布設(shè)

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        2.1.5 監(jiān)測(cè)周期 

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        2.1.6 監(jiān)測(cè)方法 

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    2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與處理
        2.2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常情況類型

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        2.2.2 異常數(shù)據(jù)異常分析 

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        2.2.3 小波分析數(shù)據(jù)處理模型

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    2.3 本章小結(jié) 

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第3章 高速公路穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 
    3.1 高速公路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)
        3.1.1 盾構(gòu)地下施工對(duì)

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        3.1.2 盾構(gòu)開挖對(duì)

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第4章 結(jié)論
 

   由于地層損失城市地鐵隧道盾構(gòu)法施工打破了巖土體的原始應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起周圍巖土移動(dòng)與變形。城市地鐵隧道盾構(gòu)施工穿越高速公路容易引起高速公路、橋梁涵洞以及附屬設(shè)施變形，其變形是一個(gè)復(fù)雜的過程，變形量的大小與多種因素相關(guān)，本文以長(zhǎng)沙地鐵 2 號(hào)線 1 期工程光達(dá)站～新長(zhǎng)沙站區(qū)間，盾構(gòu)施工穿越京珠高速公路為例，經(jīng)研究得出以下結(jié)論：(1)根據(jù)地鐵盾構(gòu)施工的特點(diǎn)、盾構(gòu)施工導(dǎo)致地層損失的機(jī)理以及盾構(gòu)施工導(dǎo)致地表移動(dòng)與變形的規(guī)律進(jìn)行了分析，研究了隨機(jī)介質(zhì)理論模型在隧道工程施工引起周圍地表移動(dòng)與變形機(jī)理。(2)研究了城市地鐵盾構(gòu)施工對(duì)高速公路的影響類型，主要圍繞高速公路下沉、水平移動(dòng)、水平變形、傾斜、曲率 5 個(gè)方面而展開；通過分析評(píng)價(jià)高速公路穩(wěn)定性的五個(gè)指標(biāo)，得出其相互間定量與定性的關(guān)系，研究出一套評(píng)價(jià)高速公路穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。(3)通過已確定高速公路穩(wěn)定性指標(biāo)，將高速公路穩(wěn)定性劃分為 4 個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，劃分界限分別為 0 倍允許值，1/3 倍允許值，2/3 倍允許值，1 倍允許值，并在各個(gè)閾值范圍內(nèi)建立隸屬函數(shù)，通過采用模糊函數(shù)模型對(duì)其進(jìn)行五個(gè)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)高速公路的穩(wěn)定性評(píng)估。(4)針對(duì)城市地鐵穿越高速公路，設(shè)計(jì)專門對(duì)高速公路穩(wěn)定性的監(jiān)測(cè)方案，主要包括監(jiān)測(cè)精度要求、原則、監(jiān)測(cè)內(nèi)容及范圍、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的制作以及埋設(shè)、監(jiān)測(cè)周期確定、監(jiān)測(cè)方法的選擇。(5) 提出了 3 種異常值出現(xiàn)的類型：外界環(huán)境無異常情況下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與以往數(shù)據(jù)比較，發(fā)生突變，表現(xiàn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)較大的上升量或者下降量；外界環(huán)境無異常情況下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)幾期數(shù)據(jù)具有時(shí)升時(shí)降；外界有異常情況時(shí)，變形量與常規(guī)相違背。接著提出了采用置信區(qū)間的方法對(duì)異常監(jiān)測(cè)值進(jìn)行判定，并根據(jù)異常值的 3 種類型對(duì)異常值進(jìn)行了成因分析，對(duì)偶然誤差系統(tǒng)誤差提出了采用小波分析的方法進(jìn)行去噪處理，還原事物的實(shí)際變形規(guī)律。