论文总字数：58073字

摘要

盾构法已成为我国城市地铁施工中一种重要的施工方法，由施工引起的地面沉降及其对周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题。本文对盾构法施工过程中引起的地层位移和地面沉降规律以及对邻近已建隧道的影响进行了研究，得到了一些有意义的结论。本文的主要研究工作包括：

（1）归纳总结地铁盾构施工对地表沉降、周边建（构）筑物产生的影响、原因及机理。

（2）研究地铁盾构施工对地表沉降影响的理论分析方法，针对黄土地区利用经典peck公式对地表最大沉降值进行预测并针对问题提出改进建议。

（3）在理论分析基础上，结合北京盾构下穿既有地铁6号线隧道工程实例，对现场监测隧道纵向应变、曲率、环缝变形结果数据进行分析，研究了新建隧道下穿既有隧道施工时的既有隧道纵向变形的规律。

（4）研究了盾构隧道施工对邻近结构物的影响，着重从盾构隧道施工对桥梁、地下管线、桩基以及各种位置下的邻近隧道产生的影响分别进行论述。

关键词：盾构隧道施工，地表沉降，周边环境

Study on the Influence of Shield tunneling on Surrounding Environment

05111509 Chang Cheng

Supervised by Tao Jin

Abstract

The shield driving method has been one of the main construction methods in the metro engineering of our country. The surface settlements and influence on surrounding environment caused by shield tunneling are the problems highly concerned in the design and construction process of shield tunnel. In this paper, the formation displacement, ground subsidence and the influence on the adjacent tunnels caused by shield tunneling are studied. A number of useful conclusions have been gained. The main works of this paper are listed as follows:

(1) Summarize the reason and mechanism of the ground subsidence and the influence of surrounding (structure) buildings caused by subway shield tunneling.

(2) Study on the theory analysis method of the influence of surface subsidence caused by the subway shield tunnel construction. For loess area, using classical peck formula to calculate the maximum surface settlement and putting forward suggestions for the improvements.

(3)Based on the previous theoretical analysis, a distributed long-gage FBG sensors have been used to monitor the longitudinal deformation of Beijing metro line 6. The monitoring results of the existing tunnel including longitudinal strain, curvature and girth opening amount were analyzed to study the law of longitudinal deformation of the existing tunnel under the new tunnel crossing.

(4)Study on the influence of adjacent structures caused by shield tunnel construction, emphatically from the methods of the effects of bridges, underground pipeline, pile foundation and all kinds of positions of adjacent tunnel caused by shield tunnel construction.

Key words：Shield tunnel construction, surface subsidence, surrounding environment目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章绪论 1

1.1引言 1

1.2盾构隧道施工对环境影响的研究现状与评述 2

1.2.1国内外研究现状 2

1.2.2研究现状评价 8

1.3本论文主要的研究内容和目的 10

第二章盾构施工地表沉降理论预测分析 11

2.1理论分析 11

2.1.1横向地表沉降 12

2.1.2纵向地表沉降 16

2.2盾构法施工引起的地表沉降计算 16

2.2.1工程概况 16

2.2.2横断面沉降曲线计算 17

2.3本章小结 20

第三章新建隧道下穿对既建盾构隧道的影响 22

3.1既有隧道结构纵向变形性能研究 22

3.1.1隧道纵向变形性能 22

3.1.2新建隧道下穿施工的力学过程及沉降机理 22

3.1.3既有隧道纵向沉降的主要影响因素 23

3.2工程概况 25

3.2.1工程概述 25

3.2.2工程地质及水文条件 26

3.3传感器布设方案 28

3.3.1传感器的选择 28

3.3.2传感器布设方案设计 30

3.4监测结果分析 32

3.4.1既有隧道纵向应变分布监测结果 32

3.4.2既有隧道纵向曲率分布监测结果 36

3.4.3既有隧道横向接缝变形监测结果 38

3.5本章小结 40

第四章盾构隧道施工对邻近结构物的影响 42

4.1盾构隧道施工对桥梁的影响 42

4.2盾构隧道施工对地下管线的影响 43

4.3盾构隧道施工对桩基础的影响 44

4.4各种位置下邻近盾构隧道施工对已建隧道的影响 46

4.4.1平行盾构隧道施工对已建隧道的影响 46

4.4.2交叠盾构隧道施工对已建隧道的影响 47

4.4.3正交盾构隧道施工对已建隧道的影响 47

4.5盾构隧道施工邻近结构物变形控制措施 48

4.5.1盾构隧道施工控制措施 48

4.5.2地层加固措施 48

4.5.3邻近结构物自身加固措施 49

第五章结论与展望 50

5.1主要结论 50

5.2展望 50

致谢 52

参考文献 53

第一章绪论

1.1引言

近年来，随着国民经济高速发展，以及城市化进程的不断加快，导致大城市的人口越来越密集，从而要求必须不断扩大城市建设的规模，以此来适应城市人口的急剧增加。由于城市的急剧扩展，这必将导致占用大量的耕地资源，但是我国人口众多，人均耕地面积相对匮乏，不加限制地以占用耕地资源为代价，从而来扩展城市空间是土地资源无法承受的。另一方面，由于经济与社会的发展，提高了对于城市集约化程度和效率的要求，从而限制了城市的平面布局，使其不能无限制地扩大。以上的这些因素使得城市建设不断朝着高空和占用城市绿地这两个方向发展，从而导致了诸如交通拥挤、空间拥挤、基础设施落后等一系列的“城市综合症”。这些问题严重制约了经济与社会的发展，阻碍了现代城市可持续发展^‎[1]。

发达国家大城市的发展历程说明了城市中心区改造的唯一现实途径，即城市立体化再开发，将地面、地下和上部空间协调发展，而城市立体化开发中的重要构成部分就是充分利用地下空间。当今发达国家在解决城市中的人口、环境、资源这三大问题时，把对于地下空间的利用开发视为重要的方案，同时也是医治“城市综合症”、为可持续发展的实施提供保障的重要方法^‎[1]。

当前，我国部分发达地区已经开始大规模地进行开发利用地下空间。地下空间的利用包括建设包涵很多部分，例如地下交通系统，地下公用设施系统，地下防灾系统，地下商业街等等。而其中，我国在21世纪开发的重点则将是地铁的建设‎^[1]。

区间隧道主要的施工方法有：盾构法、矿山法、盖挖法、明挖法。当今城市在市区进行明挖隧道施工时，其对城市正常运行的干扰影响日益严重，尤其在隧道埋深较大、地质复杂的时候，采用明挖法建造隧道则具有较大的难度，而吐过采用盾构法进行施工则具备明显的优势^‎[2]。除此之外，盾构法也因为在诸如穿越水域、沼泽等特定条件下的经济合理性而得到青睐^‎[3]。与其它施工方法相比较而言，盾构法具有以下五点优势‎^[2]：

（1）大部分的施工作业竣工在地下完成，因此施工不受天气气候等因素的影响，盾构施工速度快，对环境所造成的影响较小，同时对地面交通不造成影响，也减小了由于盾构施工所产生的噪音和震动对周边居民带来的影响；

（2）对于地面的建筑物、地下的埋设物以及结构物等均无不良影响产生；

（3）盾构的主要工序循环进行，从而便于对施工进行管理，现场所需要的施工人员较少，产生的土方量较少；

（4）盾构法施工能够适应各种地质条件，当面临土质差、水位高、埋深大时，盾构法施工相比其他施工方法有较高的技术经济优越性；

（5）盾构法施工的机械化水平高，施工精度较高。

从手掘式盾构、挤压式盾构、网格式盾构、半机械式盾构到现如今的机械式盾构，盾构法经历了将近180年，机械化程度越来越高，对于不同地层的适应性也越来越好。

历经多年的发展，虽然盾构法施工技术有了很大程度的提高，但是仍然会导致地层扰动，引起隧道周围的地层变形以及地表沉降，在软土地层当中这种现象尤为突出。当地层运动超过一定的限度时，就会对周边的建筑物、构筑物、道路、管线和文物等的安全与正常使用造成影响，从而导致环境土工问题。特别是在城市施工时，区间隧道大都经过城市中心区域，而中心区域由于建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下管网密布、交通繁忙、施工条件受制等等问题，从而对环境的控制要求更为严格。

由于盾构法施工的环境土工问题十分繁杂，至今尚不能很好解决以下几点情况^‎[4]：

（1）同一地铁区间内，上、下行线同向或者对向盾构施工；

（2）上、下行线地铁，上下位近接交错盾构施工；

（3）紧靠城市高架（立交）或者紧邻深、大基坑盾构施工；

（4）位于地下管网交叉、密集区段内的盾构施工；

（5）穿越大楼桩群的盾构施工；

（6）在浅覆土下的进、出洞盾构施工；

（7）浅埋、大直径沿弯道呈曲线形的盾构施工，并且曲线曲率半径较小。

因此要深入研究由于盾构施工所引起的地层移动情况，尽可能准确地去预测由此产生的地表沉降和对周围环境的影响程度，从而在设计和施工阶段可以采取一定的措施，选择最佳施工技术，减少地层移动，确保施工地区建筑物与地下管线等其他重要设施设备的安全。

1.2盾构隧道施工对环境影响的研究现状与评述

1.2.1国内外研究现状

1.2.1.1地表变形的理论及经验预测

在进行对由于盾构施工而引起的地面变形的预测时，主要选用的是在实际工程监测数据基础上建立的经验预估法，或者在解析和数值计算基础上得到的半经验公式方法。

一、横断面地表沉降分布

1 Peek公式

在预测时，目前实际工程中应用较多的是Peck公式以及修正的Peek公式。R.B.Peck（1969‎^[7]）通过对大量数据资料分析后得出，在不排水情况下，隧道开挖后产生了瞬时地面沉降，因此沉降槽和地层损失的体积应相等。R.B.Peck假定地层损失在隧道长度上是均匀分布的，地面沉降的横向分布如图1-1所示，类似于正态分布曲线。英国剑桥大学七十年代和八十年代初期所得出的结果都和Peck的假定一致。