土木工程案例分析 课程论文

土木工程案例分析

程 论 姓名: xx 专业: xx 学号: xx 队别: xx

课 文

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