盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究本科
中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）
中文题目：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究
英文题目：Research on Subsidence Analysis and the Relevant
Encountering Measures for TBM undergoing the Buildings 姓名：学号：
学院：
专业：班级：
指导教师：职称：
完成日期： 2012 年 05 月 31 日
中国矿业大学（北京）本科生毕业论文任务书
学院专业
班级学生姓名
任务下达日期：2012年1月18日
完成日期：2012年5月31日
题目：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究
专题题目：
主要内容和要求：
1、盾构工法的发展和应用：
①盾构工法发展概况。
②盾构工法在中国的应用。
2、盾构施工沉降问题的提出：
①阐述对盾构施工沉降的认识。
②国内外盾构施工沉降分析及控制技术研究现状。
3、对盾构下穿建筑物沉降问题的认识：
①简述盾构下穿建筑物的安全风险。
②对盾构下穿建筑物沉降规律进行分析与归纳。
4、盾构施工引起建筑物沉降控制技术分析：
①分析盾构施工引起建筑物沉降的主要影响因素。
②阐述控制建筑物沉降的方法及其适用条件和优缺点。
③工程实例分析与研究。
5、结论和展望：
①谈谈自己对盾构下穿建筑物的理解，通过研究人们对盾构下穿建筑
物沉降的分析、控制和处理方法得出自己的结论以及对今后发展趋势的展望。
②对完善盾构下穿建筑物沉降控制方法以保证施工安全，提出自己一家之言。
院长签字：指导教师签字：
学院：专业：班级：姓名：
题目：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究
专题题目：
指导教师评语
同学的论文：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究。
论文以北京地铁常见的土压平衡式盾构施工法为背景，在阅读国内外盾构工法及盾构施工对建筑物的影响等相关文献后，系统总结了盾构施工引起地表沉降的机理，对盾构下穿建筑物的沉降规律进行了相关分析，同时研究了盾尾同步注浆等主要技术措施对控制周围建筑物沉降的影响，这对盾构下穿建筑物的安全施工有着一定的指导意义。论文篇幅完全符合学校规定，内容完整，层次结构安排科学，主要观点突出，逻辑关系清楚，有一定个人见解。
同学学习认真，态度端正，时间安排合理，在规定时间内完成毕业论文的全部工作，同意其进行毕业答辩。
成绩：
指导教师签名：
年月
学院专业班级班学生姓名
题目：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究
专题题目：
评阅教师评语
成绩：
评阅教师签名：
年月日
中国矿业大学（北京）2012届本科生
毕业设计（论文）答辩及综合成绩学院：力学与建筑工程学院
学生姓名：学号：专业：班级：
题目：盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究
专题题目：
设计说明书（论文）：页，图纸：张，其它材料：
答辩情况
提出问题
回答问题
正
确
基本
正确
有一
般性
错误
有原
则性
错误
回
答
不
清
答辩成绩：答辩小组长：年月日指导教师评价成绩：指导教师：年月日评阅教师评价成绩：评阅教师：年月日答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任：
年月日
学院领导小组综合评价成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
盾构法施工已成为我国城市地铁、隧道施工中一种重要的施工方法。盾构隧道施工对周围地层产生扰动，从而引发地层位移，并主要表现为地面沉降以及由地面沉降引起的对周围建筑物的影响。这是盾构隧道设计与施工中非常关注的问题。虽然围绕这一问题已做了不少的研究工作，但由于地质条件的复杂多变及施工参数的变化，使得研究成果具有一定的局限性。
本文针对北京八号线二期第九标段由安德里北街站到鼓楼大街站区间隧道盾构施工引起的地面沉降的影响因素进行了初步探讨。系统地总结了盾构施工引起地面沉降的机理，以及盾构下穿建筑物沉降规律分析。主要研究盾尾注浆等主要技术措施对控制地表沉降以及周围建筑物的影响，得出盾构法施工引起的地表沉降规律。同时也总结了一些现场监测的作用和地表沉降的控制方法。
关键字：盾构法；地表沉降；下穿建筑物；控制措施；监测。
ABSTRACT
Shield Tunneling has become one of the most important methods in China’s urban subway and tunnel excavation. Shield tunnel construction disturbance on the formation around and induced formation displacement, mainly presented as the influence on surrounding buildings which caused by land subsidence. It is the key issue in designing and construction of shield tunnel. Although there has been done some research on this problem, the limitation of the results couldn’t be avoided because of the complicated geological conditions and the changing construction parameters.
Aiming at ninth tenders of the 8th line(by Andrea North Street station tunnel shield construction projects to the Drum Tower Street Station)，this paper preliminary discussed the influencing factors those caused land subsidence and systematically summarized the mechanism of land subsidence caused by the construction and analysis the regular pattern of shield beneath the building settlement. It concentrated on the influence of the surrounding buildings and the control of land subsidence which caused by the main measures, grouting at the tail for example, and got some regulation of that. Here also summarized some effects of field monitoring and control methods of land subsidence.
Keywords: Shield tunnel; The surface settlement, Undergoing the building, Encouning measures; Monitoring
目录
1绪论 (1)
2盾构及其工作原理 (2)
2.1盾构及其工作原理 (2)
2.2盾构的分类： (2)
2.2.1按断面形状分类： (2)
2.2.2按支护地层的形式分类： (3)
2.2.3按开挖面与作业室之间隔板的构造分类： (3)
2.3盾构的基本构造 (3)
2.4现阶段盾构施工法主要内容 (5)
2.5盾构的分类及其使用范围 (6)
2.6盾构的选型依据 (7)
2.7盾构的发展和发展趋势 (8)
2.8盾构在我国的发展与应用 (9)
2.8.1手掘式盾构的开发与应用； (9)
2.8.2网格挤压式盾构的开发与应用 (9)
2.8.3插刀盾构的开发与应用 (10)
2.8.4盾构的引进 (11)
2.8.5国家“863”计划 (12)
2.8.6中国与国外的差距 (14)
2.9盾构法施工的技术特点与盾构法隧道的优缺点 (14)
3盾构施工沉降问题的存在与提出 (17)
3.1.盾构施工问题的提出 (17)
3.2对盾构施工隆沉原因的简单分析 (17)
3.3盾构施工而对土体的扰动特征 (19)
3.4地层隆沉的发展过程 (19)
3.5地层隆沉的分布范围 (23)
3.6国内外盾构施工沉降分析及控制技术研究现状。 (23)
4．盾构下穿建筑物规律与控制 (28)
4.1盾构下穿建筑物沉降问题的认识与风险 (28)
4.1.1盾构下穿建筑物沉降问题的认识 (28)
4.1.2地表移动与变形对周围建筑物的影响 (28)
4.1.3地表沉降控制基准分析 (30)
4.1.4盾构下穿建筑物沉降导致的风险 (30)
4.2盾构下穿建筑物沉降导致的风险的控制 (31)
4.3盾构下穿建筑物时的沉降控制 (33)
4.3.1严格控制土舱平衡压力 (33)
4.3.2严格控制盾构推进速度 (33)
4.3.3加强对盾构掘进姿态的控制 (34)
4.3.4严格控制注浆压力和注浆量 (34)
4.3.5合理控制注浆材料配合比 (34)
4.3.6合理确定盾尾油脂用量 (35)
4.3.7正确选择泡沫剂 (35)
4.3.8加强对盾构机的维修保养 (35)
4.3.9加强对值班工程师及盾构操作人员的培训 (37)
4.3.10建筑物周边止浆帷幕 (37)
4.3.11建筑物条基及地基加固 (38)
4.3.12动态跟踪补偿及抬升注浆 (38)
4.3.13基础加固注浆参数 (39)
4.4盾构下穿建筑物时的沉降监测 (40)
4.4.1盾构施工地面沉降监测的内容 (40)
4.4.2盾构施工地面沉降监测方法 (41)
5.工程实例 (43)
5.1工程简介 (43)
5.2下穿平房区概况 (44)
5.3工程地质概况 (44)
5.4下穿平房区沉降控制要求 (46)
5.5主要技术措施 (46)
5.5.1掘进姿态控制 (46)
5.5.2土压力控制及土体改良 (47)
5.5.3严格控制同步注浆和二次注浆 (49)
5.5.4多次补浆 (52)
5.5.5出土量控制 (52)
5.5.6盾尾间隙控制 (53)
5.5.7下穿平房区施工措施 (53)
5.5.7.1盾构下穿平房区地层组段划分 (53)
5.5.7.2盾构下穿平房区地层拟定参数 (54)
5.5.7.3深孔注浆 (55)
6结论与展望 (57)
参考文献 (59)
致谢 (61)
英文原文 (62)
中文译文 (64)
1 绪论
当今是一个人类文明快速发展的时期。随着经济、文化的进步，人口增多，环境污染等问题也随之而来。原本宽阔的马路显得拥堵不堪，骑车尾气肆意排放。城市也以成为了拥挤，污染的代名词。“地铁”——地下铁道，简称地铁，亦简称为地下铁，狭义上专指在地下运行为主的城市铁路系统或捷运系统；但广义上，由于许多此类的系统为了配合修筑的环境，可能也会有地面化的路段存在，因此通常涵盖了都会地区各种地下与地面上的高密度交通运输系统。地铁的出现缓解了城市拥堵，环境污染等等问题，是新时代交通的先行者。中国最为世界上最大的隧道及地下工程施工市场，前景广阔。
随着我国工程建设领域法制和法规的完善、对工程建设项目综合效益的要求和环境保护意识的提高，对施工技术和管理的要求日渐提高。在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地形区段普遍要求采用浅埋暗挖法和盾构法。盾构法具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等有点。随着长距离、大直径、大埋深、复杂断面盾构施工技术的发展和不断成熟，盾构法越来越受到重视和亲睐。但是由于地质条件和施工工艺的限制, 盾构推进过程对地表的改变是不可避免的,过大的地层
损失, 可导致较大的地面沉降, 对地面建筑物、地下管线等设施产生不利影响甚至会导致破坏, 引起较大的经济损失。为此, 本文以理论研究与实际工程例子来说明, 阐述盾构下穿建筑物沉降分析与控制技术研究。
2 盾构及其工作原理
2.1盾构及其工作原理：
盾构，其英文名为“Shield Machine”，是一种用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土渣排运、整机推进和管片安装等作业，而使隧道一次成形的机械（见图2-1和2-2）。它是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构集机、电、液、传感、信息技术于一体[5]，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构的工作原理就是一个钢结构组件沿隧道轴线边向前推进边对土壤进行掘进。这个钢结构组件的壳体称“盾壳”，盾壳对挖掘出的还未衬砌的隧道起着临时支护的作用，承受周围图层的土压、承受地下水的水压以及将地下水挡在盾壳外面。掘进、排土、衬砌等作业在盾壳的掩护下进行。
图2-1 盾构的外形图2-2 盾构的结构
2.2 盾构的分类：
2.2.1按断面形状分类：单圆盾构、复圆盾构（多圆盾构）、非圆盾构。复圆盾构和非圆盾构统称为“异形盾构”（见图2-3 2-4 2-5）
图2-3 单圆盾构图2-4 双圆盾构
图2-5非圆盾构
2.2.2按支护地层的形式分类：主要分为自然支护式、机械支护式、压缩空气支护式、泥浆支护式和土压平衡支护式五种类型。
2.2.3按开挖面与作业室之间隔板的构造分类：全敞开式、部分敞开式及闭胸式三种。
2.3盾构的基本构造
盾构机主要由：1）刀盘切削系统；2）推进系统；3）加泥注浆系统；4）螺旋输送机系统；5）管片拼装系统；6）盾尾密封系统；7）数据采集与监控系统；8）后配套设备及电器设备。以下分别简单介绍盾构机的各个部分：
（1）刀盘切削系统：刀盘采用中心支撑或中间支撑或两边支撑方式，由盘体、切削刀、仿形刀、传动箱、集中润滑等系统组成。掘进时，刀盘直接与开挖面接触并旋转切削土体，切削下来的土体在密封舱内与外加泥
或水充分搅拌，使之成为可塑、渗透性极小的泥土，并保持一定的动态平衡压力，控制开挖面土体不塌陷和地面不发生较大降沉。
（2）推进系统：盾构机的推进是靠设置在支撑环内侧的盾构千斤顶的推力作用在管片上，进而通过管片产生反推动力使盾构前进的。
（3）加泥注浆系统：注浆分为同步注浆、管片二次注浆和堵水注浆三种，其中同步注浆效果直接影响到地面沉降。同步注浆系统可根据地层与地面构筑物状况，进行双液或单液注浆。注浆压力和注浆量均可自由设定与调节。此外，还配有一套注浆管路清洗系统，从而保证衬背注浆系统正常使用。
（4）螺旋输送机：螺旋输送机采用液压驱动，可根据密封舱内土压力伺服控制，是控制密封舱内保持一定土压与开挖面土压和水压平衡的关键。螺旋输送机还设有断电紧急关闭出土口装置，以保证隧道的施工安全。
（5）管片拼装系统：用于隧道管片拼装。该设备可实现绕轴向回转、径向提升和轴向等三个自由度的移动，由回转盘体、悬臂梁、提升横梁、举重钳，以及千斤顶等组成。
（6）盾尾密封系统：结构型式为三排二室钢丝刷。采用电动油脂泵注入油脂，每推进一环注入一次，可保证盾尾在压力下不渗漏。
（7）数据采集与监控系统：采用PLC系统，可对挖掘数据进行采集、数值运算、逻辑控制、故障报警、实时画面显示与数据输出等管理工作。
（8）后配套设备：配套设备主要由以下几部分组成：管片运输设备、四节后配套台车及其上面安装的盾构机操作所需的操作室、电气部件、液压部件、注浆设备、泡沫设备、膨润土设备、循环水设备及通风设备等。
（9）电气设备：盾构机电气设备包括电缆卷筒、主供电电缆、变压器、配电柜、动力电缆、控制电缆、控制系统、操作控制台、现场控制台、螺
旋输送机后部出土口监视器、电机、插座、照明、接地等。
2.4现阶段盾构施工法主要内容
盾构法是一项综合性的隧道施工技术。隧道施工是指修建隧道及地下洞室的施工方法、施工技术和施工管理的总称。隧道施工方法的选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。盾构法施工的概念流程如图2-6所示。
图2-6 盾构法施工流程示意图
1——盾构； 2——盾构千斤顶； 3——盾构正面网格； 4一一出土转盘； 5－一出土皮带运输机； 6——管片拼装机； 7——管片； 8——压浆泵； 9－一压浆孔； 10——出土机； 11——由管片组成的隧道衬砌结构； 12——在盾尾空隙中的压浆； 13——后盾装置； 14——竖井构成盾构法的主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁预留孔处出发，在地层中沿着
设计轴线，向另一竖井或基坑的设计预留孔洞推进。盾构推进中所受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制衬砌，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是一个能支承地层压力，又能在地层中推进的圆形、矩形、马蹄形及其他特殊形状的钢筒结构，其直径稍大于隧道衬砌的直径，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳体，在盾尾内可以安置数环拼成的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一环衬砌，并及时向盾尾后面的衬砌环外周的空隙中压注浆体，以防止隧道及地面下沉，在盾构推进过程中不断从开挖面排出适量的土方。
盾构是进行土方开挖正面支护和隧道衬砌结构安装的施工机具，它还需要其它施工技术密切配合才能顺利施工。主要有：地下水的降低；稳定地层、防止隧道及地面沉陷的土壤加固措施；隧道衬砌结构的制造；地层的开挖；隧道内的运输；衬砌与地层间的充填；衬砌的防水与堵漏；开挖土方的运输及处理方法；配合施工的测量、监测技术；合理的施工布置等。
2.5盾构的分类及其使用范围
盾构是修建隧道的正面支护掘进和衬砌拼装的专用机具，盾构类型的区别主要是盾构正面对土体支护开挖的方法工艺不同而言。为此盾构的种类按其结构特点和开挖方法来分，主要可分为四大类，即手掘式盾构、挤压式盾构、半机械式盾、构机械式盾构。
(1)手掘式盾构是结构最简单、配套设备少、因而造价也最低，制造工期短。其开挖面可以根据地质条件决定，全部敞开式或用正面支撑开挖，一面开挖一面支撑。在松散的砂土地层，可以按照土的内摩擦角大小将开挖面分为几层，这时的盾构就被称为棚式盾构。在地质条件良好的工程中
得到广泛应用。
(2)挤压式盾构的开挖面用胸板封起来，把土体挡在胸板外，对施工人员是比较安全、可靠，没有塌方的危险，当盾构推进时，让土体从胸板局部开口处挤入盾构内，然后装车外运，不必用人工挖土，劳动强度小，效率也成倍提高。在特定条件下可将胸板全部封闭推进，那就是全挤压推进。挤压式盾构仅适用于松软可塑的粘性土层，适用范围较狭窄。在挤压推进时对地层土体扰动较大，地面产生较大的隆起变形，所以在地面有建筑物的地区不能使用，只能在空旷的地区或江河底下、海滩处等区域。
(3)半机械式盾构是在手掘式盾构正面装上机械来代替人工开挖，根据地层条件，可以安装反铲挖土机或螺旋切削机。土体较硬可安装软岩掘进机。半机械式盾构的适用范围基本上和手掘式一样，其优点除可减轻工人劳动强度外，其余均与手掘式相似。
(4)机械式盾构是在手掘式盾构的切口部分装上一个与盾构直径一般大小的大刀盘，用它来实现盾构施工的全断面切削开挖。当地层土质好，能自立或采用辅助措施亦能自立，则可用开胸式的机械盾构，反之如地层土质差，又不能采用其它地层加固方法，此时，采用闭胸机械式盾构比较合适.
2.6盾构的选型依据
盾构法施工的地层都是复杂多变的，因此对于复杂的地层要选用较为经济的盾构是当前的一个难题。在选择盾构时，不仅要考虑到地质情况、盾构的外径、隧道的长度、工程的施工程序、劳动力情况等，而且还要综合研究工程施工环境、基地面积、施工引起对环境的影响程度等。选择盾构的种类要求掌握不同盾构的特征，同时，还要逐个研究以下项目：