wA环境岩土工程学课件-东南大学-潘华良环境岩土工程学概论-8人类工程活动造成的环境岩土工程问题

地表的变形与隧道的埋深、盾构的直径、 软土的特性、盾构的施工方法、衬砌背 面的压浆工艺等因素有关。
8.3.1盾构掘进中的环境问题
由于盾构掘进引起地层扰动，诸如土体 地表沉降和分层土体移动、土体应力、 含水量、孔隙水压力、弹性模量、泊松 比、强度和承载力等物理力学参数的变 化是不可避免的。
武警战士正用 黄沙填堵凹陷
同一时期，沪西工业区回灌前地面累计 下 沉 43 ～ 59cm ， 回 灌 后 地 面 累 计 上 升 26～~44mm。
申昆毛纺厂位于昆山市区、长江三角洲 冲积平原。
境内水网密集，水利资源丰富，主要河、 湖有吴淞江、娄江、阳澄湖、淀山湖， 水面占全市总面积22％。
申昆毛纺厂自1989年开始已连续6年采用 深井回灌。
的地面
2003年7月2日 凌晨，上海地 铁四号线发生 地面沉陷事故， 楼房倒塌，外 滩防汛墙被破 坏。
8.3.3盾构掘进引起的土体沉降 机理
1.水和泥浆的扰动
❖盾构经过的地区，可能引起地下水含量和紊 流运动状态的改变。
2.对不良土层的影响
❖盾构法施工刀盘的切削旋转振动引起饱和砂 土或砂质粉土的部分液化。
降，导致孔隙水压力降低，土中有效应力增加， 地层发生压密变形的外在表现。 回灌，则有利于稳定地下水位，并促使地下水 位回升，使土中孔隙水压力增大，土颗粒间的 接触应力减小，土层发生膨胀，从而导致地面 回弹可控制地面沉降。
在地下水集中开采地区，如沪东工业区， 回灌前1959年10月至1966年9月，地面累 计 下 沉 0.5 ～ 1m ， 回 灌 后 1965 年 9 月 至 1974年9月，地面累计上升18～36mm；
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8.1.1桩挤土效应的理论分析
1.小孔扩张理论
塑性区的应力变化
对饱和软土，其塑性区任一点的应力两 个方向(径向 r 、切向 t )上的总应力增量：
r Cu2lnR1 t Cu2lnR1
R--塑性区半径；
应力扰动
孔隙水压力增大，总应力 增大 孔隙水压力消散，有效应 力增大 土体应力释放
土体应力释放
土体应力松弛
变形机理
土体压缩产生弹 塑性变形 孔隙比减小，土体 固结 弹塑性变形
弹塑性变形
蠕变压缩
盾构掘进对 土体的影响 范围
1s inr
R acpcposcpr ctcarcntranr 2s inr
8.4抽汲地下水引起的地面沉降
施。
6.减少沉降的措施
(1)采取刚度较大的地下连续结构； (2)分层分段开挖，并设置支撑； (3)基底土加固； (4)坑外注浆加固；
(5)增加维护结构入土深度和墙外帷幕； (6)尽量缩短基坑施工时间； (7)降水时，应合理选用井点类型，优选
滤网，适当放缓降水漏斗线坡度，设置 隔水帷幕；
(8)在保护区内设置回灌系统； (9)尽量减少降水次数。
(6)其他。
❖如设置防振沟等等。
加强监测。
8.2基坑开挖造成地面移动或失稳
随着经济建设的发展，高层建筑的基坑面积越 来越大，深度也越来越深。
开挖基坑，大量卸荷，由于应力释放，即使有 刚度很大的支护体系，坑周土体仍难于避免会 发生水平方向和竖直方向的位移。再由于地下 水的渗流，基坑施工期长，坑周土体移动对建 筑物、道路交通、供水供气管线、通讯等造成 很大的威胁。
(2)振动的影响。
❖打桩时会产生一定的振动波向四周扩散。振动对人 来说，较长时间处在一个周期性微振动作用下，会 感到难受。特别是住在木结构房屋内的居民，地板、 家具都会不停地摇晃，对年老有病的人影响尤大。
❖在通常情况下，振动对建筑物不会造成破坏性的影 响。点振源，迅速衰减,精密机床、仪器仪表的正常 操作有影响
(1)撑后挖，留土堤； (2)对支撑施加设计轴力(30％～70％)的预
应力；
(3)每步开挖及支撑的时限tr≤24h； (4)坑内井点降水以固结土体、改善土性，
减少土的流变发展。
5.变形监控
(1)施工工况实施情况跟踪观察； (2)日夜不中断的现场监测与险情及时预测
和预报； (3)定量反馈分析，信息化设计施工； (4)及时修改、调整施工工艺参数； (5)及时提出、检验、改进设计施工技术措
三级
2.围 护 墙 最 大 水 平 位 移 0.7％ H
3.Ks≥ 1.2
离基坑周围 mm 范围内没有需保护的 建筑设施和构筑物，地下管线
注 ： H 为 基 坑 挖 深 ， Ks 为 基 底 隆 起 安 全 系 数 ， 按 圆 弧 滑 动 公 式 算 出 (c， φ 取 峰 值 的 70％ )。
3.地铁车站深大基坑的施工技 术要求
3.周围土体应力状态的变化
盾构掘进施工引起的土体沉降机理
沉降类型
I 盾构工作面前 方土体隆起 Ⅱ初始沉降 Ⅲ盾构通过时的 沉降
Ⅳ盾尾空隙沉降
V 土体次固结沉 降
原因
工作面处施加的土压力过 大；上隆(过小：沉降)
土体受挤压而压密
土体施工扰动，盾壳与土 体间剪错。出土量过多 土体失去盾构支撑，因建 筑空隙产生地层损失，管 片后背注浆不及时 土体后续时效变形(土体 后期蠕变)
如2号井剖面，孔深 68m以上为粉砂、 粉细砂潜水、微
承压水含水层， 68m～96m为第一 承压水，细砂含 水层厚度16m， 滤水管位置 73m～89m，承压 水位埋深7.5m， 水温20℃，出水 量56m3／d
申昆毛纺厂深井回灌量每年2万t左右，用 水量<1.6万t，回灌时问100d～105d。
(3)挤土效应的影响。
❖桩打入地下时，桩身将置换同体积的土。因 此在打桩区内和打桩区外一定范围内的地面， 会发生坚向和水平向的位移。
❖大量土体的移动常导致邻近的建筑物发生裂 缝、道路路面损坏、水管爆裂、煤气泄漏： 边坡失稳等等一系列事故。
上海外白渡桥立剖面图
按桩的挤土效应，桩可分为：
排挤土桩
3号井试验曲线可以看出：冬灌期回灌水 量2.03万t，平均水温9.2℃，夏用期水量 1.63万t，平均水温11.4℃，10个月采灌期 中在含水层中温差2.2℃。
2号 试 验 井 回 灌 量 与 水 温 变 化
试 验 时 间
夏 灌 期
冬 用 期
1990.6 1990.7 1990.8 1990.9 总 计1990.12 1991.1 1991.2 1991.3 总 计
8.4.1地下水位上升引起的岩土工程问题
❖1.浅基础地基承载力降低 ❖2.砂土地震液化加剧 ❖3.建筑物震陷加剧 ❖4.土壤沼泽化、盐渍化 ❖5.岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等 ❖6.地下水位冻胀作用的影响 ❖7.对湿陷性黄土、崩解性岩土、盐渍岩土的影响 ❖8.膨胀性岩土产生胀缩变形
8.4.2抽汲地下水产生的环境问 题
8.2.1深、大基坑工程及其环境 土工问题
地表沉降与土层位移
❖(1)墙体弹性变位； ❖(2)基坑卸载回弹、塑性隆起、降水不当引起的管涌、
翻砂； ❖(3)墙外土层固结沉降； ❖(4)井点或深井降水带走土砂(也是一种地层损失)； ❖(5)墙段接头处土砂漏失； ❖(6)槽壁开挖，地层向槽内变形。
基坑变形控制环保等级标准
回 灌 量 (t) 1577 9681 8170 4536 23964 1220 2110 1016 76 4422
水 温 (℃ ) 27.3
30.6
29.5
28.2 25.4 (平 均 ) 25.6
24.8
26
25.4 / (平 均 )
3号 试 验 井 回 灌 量 与 水 温 变 化
试 验 时 间
一级
2.围 护 墙 最 大 水 平 位 移 0.3％ H
水管、对沉降敏感的大型构筑物、建
3.Ks≥ 2.0
筑物
1.地 面 最 大 沉 降 量 0.5％ H
二级
2.围 护 墙 最 大 水 平 位 移 0.7％ H
3.Ks≥ 1.5
离基坑周围丑范围内没有较重要支线 管道和建筑物、地下设施
1.地 面 最 大 沉 降 量 1％ H
设 备 费 用 比 1
1.2
5
6 4 5.3
投 资 费 用 比 1
2.2
4.4 4.1 4.1 5.6
运 行 费 用 比 1
2.3
1.3 1.5 2.1 2.0
冬 灌 期
夏 用 期
1990.11 1990.12 1991.1 1991.2 1991.3 1991.4 总 计 1991.5 1991.6 1991.7 1991.8 1991.9 总 计
回 灌 量 (t) 264 5281 6703 5828 2141 172 20389 1393 2487 3969 4416 4073 16338
μ--土的泊松比。
Pu Cu
ln21ECu
1
2.强扰动区的范围
当土体确定后，土的力学指标E、μ、c、φ不变， 塑性区半径与小孔直径呈线性关系。
8.1.3沉桩对周围环境的影响
(1)噪音的影响。
❖打桩时柴油锤产生的噪音可高达120dB以上，一根 长桩至少要锤击几百次乃至几千次。这对附近的学 校、医院、居民、机关等都具有一定的干扰作用， 打桩产生的噪音影响人们学习、工作和休息。
水 温 (℃ ) 12.4
7.8
9.2 5.8 7.6 9.5 12.6 (平 均 ) 11.0
/
11.25 12.2
/
11.4 (平 均 )
表3深 井 制 冷 与 人 工 制 冷 机 经 济 效 益 对 比 表
项 目 冬 灌 井蒸 汽 喷 射 制 冷 机溴 化 锂 制 冷 机压 缩 制 冷 机
单 效 双 效 氨 压离 心 机
cu--土的不排水强度； ρ--离桩心距离；