地表建筑物（精选十篇）
地表建筑物 篇1
随着城市地下空间越来越多的开发及利用,一系列的环境问题随之产生。浅埋隧道开挖不可避免的对周围土体产生扰动,引起土体变形,进而导致地面建筑物倾斜、开裂甚至坍塌等环境问题,甚至会危及到人的生命安全,如何保证地表建筑物与隧道结构的安全成为施工中的难题。
浅埋隧道开挖引起地表建筑物沉降,已取得了不少的研究成果,由于浅埋隧道的边界条件在数学处理上存在一定的困难,因此,大多采用有限元[8,9,10]等数值方法进行计算分析,而这些方法计算量一般较大。其中大部分研究成果重在考察隧道开挖对地表建筑物的影响,而对于建筑物存在情况下隧道开挖引起的地表沉降问题研究的较少。事实上当浅埋隧道开挖对地表建筑物产生影响的同时,地表建筑物的存在对隧道开挖引起的地表沉降问题更加的不容忽视。
本文根据已有研究成果,得出地表存在建筑物情况下,浅埋隧道施工引起的地表沉降。结合广州地铁五号线右线穿越地表建筑物隧道工程,通过编制计算程序得出的结果与实测数据进行对比,证明了该解析方法的可行性。
2 浅埋隧道开挖引起的地表沉降
2.1 无建筑物情况下隧道开挖引起的地表沉降
单元开挖引起的地表沉降We(X,Y)为:
其中,为单元开挖在Z水平上的主要影响半径,β为隧道上部围岩的主要影响角,它决定于所开挖处的地层条件,其值可以通过地质勘测资料以及隧道洞内测量资料加以确定。
隧道开挖可以认为是一个平面应变问题,由文献[3]可知隧道开挖引起的地表沉降为:
其中,O为开挖横断面区域;w为变形后区域。
2.2 建筑物存在情况下围岩的初始位移
集中荷载下,土体中任意两点的相对沉陷公式为:
其中,s为基点距集中荷载的距离;r为所关心点距集中荷载的距离。
均布荷载下(如图1所示),对Q进行微分,在微分力dQ作用下,点K相对于基点B的微分为:
对式(4)进行积分即可得到点K相对于基点B的相对沉陷:
设点K到基点B的距离为a,将s=r+a代入到式(5),即可得到土体受均布荷载时相对基点B的相对沉陷的精确解:
区庄区间隧道与某建筑物的空间俯视图见图2。将建筑物重量等效为均布荷载,将基点B设定在离均布荷载较远处(如图3所示),则在均布荷载作用下,基点B的沉降近似为0。因此此时计算的距离均布荷载较近处各点相对沉陷即为地表各点的沉降值。
2.3 穿越地表建筑物浅埋隧道开挖引起的地表沉降
建筑物存在情况下,将建筑物重量视为均布荷载,隧道开挖引起的地表沉降可以认为是建筑物存在情况下地表初始沉降与无建筑物时隧道开挖引起的地表沉降之和,即:W:We+w,其中初始沉降和隧道开挖引起的地表沉降具体可各自编制成相应的计算程序分别计算出。
3 工程实例
区庄区间隧道右线与建筑物位置如图3,图4所示,隧道拱顶埋深21.6 m,隧道中心距建筑物中心距离8.2 m。为了解隧道开挖引起的地表沉降情况,区庄区间隧道选取了多个断面进行了地表沉降量测,本文选取了断面进行计算分析,采用本文推导出的穿越地表建筑物隧道开挖引起的地表沉降公式,分别编制计算程序,将计算结果与实测数据结果对比,如图4所示。从对比结果可以看出,计算值与实测值具有良好的一致性。
4 结语
由已有研究成果推导出了建筑物存在情况下土体的初始沉降,进而得到了浅埋隧道穿越地表建筑物开挖引起的地表沉降公式。从理论推演和实例计算结果看出该方法具有计算简洁方便、计算精度较高、计算量小等特点。应用该方法,可预测出地面任意荷载位置及任意大小情况下浅埋隧道开挖引起的地表沉降规律,适用范围广,方便类似工程的应用。
摘要：采用解析法研究穿越地表建筑物浅埋隧道开挖对地表沉降的影响,推导出了穿越地表建筑物浅埋隧道施工引起的地表沉降公式,依托广州地铁五号线右线区庄区间隧道穿越地表建筑物工程实例,验证了此方法的可行性,可为类似穿越已有建筑物隧道工程提供一定指导。
关键词：浅埋隧道,地表沉降,建筑物,初始沉降
参考文献
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农村饮水安全工程地表水构筑物 篇2
1)位于水质较好的地带，
2)靠近主流，有足够的水深，有稳定的河床及岸边，有良好的工程地质条件。
3)尽量靠近主要用水地区。
4)尽可能不受泥沙、漂浮物、冰凌、冰絮等影响。
5)符合河道、湖泊、水库整治规划的要求，不得妨碍航运和排洪。
6)施工和运行管理方便。
(2)地表水取水构筑物形式应通过技术经济比较确定，可选择固定式(岸边式、河床式、斗槽式〉，活动式(浮船式、缆车式〉，低坝式或底栏栅式取水构筑物。
(3)取水构筑物的防洪标准不得低于当地的防洪标准，供水能力小于1000m3/d的给水系统的设计洪水重现期不得低于30年;供水能力大于1000m3/d的给水系统的设计洪水重现期不得低于50年，
设计枯水位的保证率，不应低于90%。
(4)在河流〈水库、湖泊)中的取水头部最底层进水孔下缘距河床的高度，应根据河流的水文和河床泥沙特性、河床稳定程度等因素确定。侧面进水孔下缘距河床的距离不宜小于0.5m;顶部的进水孔宜高于河床1.0m。
进水孔上缘在设计最低水位下的淹没程度，应根据河流水文、冰情和漂浮物等因素通过水力计算确定，且顶部进水时不宜小于0.5m，侧面进水时不宜小于0.3m，虹吸进水时不宜小于1.0m，当水体封冻时，可减至0.5m。
(5)取水构筑物进水孔应设置格栅，格栅间净距应根据取水量大小、冰絮和漂浮物等情况确定，可采用10〜30mm。
(6)进水口的过栅流速应符合下列规定：
1)河床式取水构筑物有冰絮时，可采用0.1〜0.3m/s;无冰絮时，可采用0.2〜0.6m/s。
2)岸边式取水构筑物有冰絮时，采用0.2〜0.6m/s;无冰絮时，采用0.4〜1.0m/s。格栅阻塞面积应按25%考虑。
地表建筑物 篇3
关键词充填采煤;地表建筑;种类;影响
中图分类号TD8 文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)051-0151-01
全国各家煤炭集团已经形成大小不一的开采,以及各种非法小煤窑的长期破坏式开采,造成了可连续开采的煤矿资源日益减少。面对国内市场煤炭资源的紧缺和煤炭价格的大幅上涨,对采区的遗留煤炭资源进行回收,就显得尤为重要。长期以来,我国开采的方法是以壁式体系采煤法与柱式体系采煤法为主。无论是哪种开采方式,都有共同缺点:需要预留大量的煤柱,起支护巷道的作用。而煤柱的损失在当前可开采煤炭资源损失中占有很大的比重。因此,急需研究新的开采工艺,以便经济、高效、安全地回收煤柱。而充填采煤就是一种新型“绿色采煤”开采方式,它具有防护强度高,封闭性好、利于环保、减少占用土地等特点。
1充填采煤法种类
充填采煤法依据充填动力可分为人力充填、风力充填、干粉充填、水力充填等。我国其中最为广泛应用的是水力充填。在水力充填中,最初为不含胶结剂的水砂充填,以后发展了胶结充填,并使充填体的浓度逐步提高。逐步发展到高浓度的似膏体充填、膏体充填。
1)胶结充填采矿法。由于水砂充填体的强度较低,井下排水也较为困难,作业环境较差,所以在现在的生产实践中应用最多的是胶结充填。
2)覆岩离层注浆充填法。该方法利用上覆不同层位的岩层在沉降过程中形成离层,利用高压注浆方法往离层中注入充填材料来实现减少地表沉陷的目的。
3)冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉技术。该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结。
4)粉煤灰部分代替水泥充填技术。在应用水砂胶结充填的矿井中,为了节约生产成本和保护生态环境,有人提出用热电厂的粉煤灰部分地代替水泥形成充填料浆,也取得了良好的经济和社会效益。
我国煤炭资源丰富,目前煤炭工业是我国不可或缺的支柱产业。伴随着地下采煤,诱发大量的采空塌陷和地面裂缝,对矿区内耕地、水环境、交通设施和地面建(构)筑物造成破坏。目前我国因地下采煤引起的地表沉陷已达200km2/年,造成巨大的经济损失和人员伤亡。在制定煤炭工业可持续发展战略时,一个需要研究的重要课题是资源开发与地面保护的关系问题。必须重视和做好煤炭工业建筑的现代化工作,推动煤炭工业的进一步发展。
2采区地表沉陷机理
煤矿采空塌陷与煤层厚度、倾角、采深、采厚、上覆岩层性质及开采方式等有密切关系。开采煤炭资源的同时,在地下形成了开挖空间,破坏了原有岩体的应力平衡状态,引起从开挖地层开始自下而上的覆岩内部依次发生冒落、断裂、裂隙、弯曲等岩层移动过程。地下开采引起的上覆岩层移动和破坏改变了上覆岩土层的工程地质性质,形成了采空区破损岩体地基工程地质条件。当其内部拉应力超过岩层的抗拉强度极限时,直接顶首先断裂、破坏,并冒落下来。而老顶岩层则以某种梁弯曲的形式沿层理面法线方向移动、弯曲,进而产生裂隙、离层。随着工作面的向前推进,受采动影响的岩层范围不断扩大。当开采范围足够大时,岩层移动发展到地表,在地表形成一个下沉盆地,这就是地表沉陷。
3地面沉陷对地表建(构)筑物的影响
地下采煤对地表的影响主要有垂直方向的移动和变形(下沉、倾斜、曲率)与水平方向的移动和变形(水平移动、拉伸和压缩)等。不同性质的地表移动和变形,对建筑物与构筑物的影响也不相同。
3.1开采引起地表变形对建筑物的影响
由于地下开采引起的地表变形一般分为地表下沉、地面水平变形、地表倾斜等。一般来说,当建筑物所处位置出现均匀下沉时,对建筑物本身不会产生破坏,因为建筑物和构筑物中不会产生附加应力,但是主要管路的坡度会发生变化,四周的防水坡也可能造成损坏。特别是由于地表下沉使潜水位相对上升,造成建筑物长期积水或过度潮湿时,就会影响建筑的强度,以致影响建筑物的使用。地表倾斜后,建筑物随之歪斜,重心偏移,影响其稳定性,而且承重结构内部将产生附加应力,基础的承压也会发生变化。地表水平变形对建筑物的影响较大。一般建筑物抵抗拉伸变形的能力小,在较小的拉伸变形作用下,建筑物的薄弱部位(如门窗附近)就会出现裂缝,建筑物抗压强度较抗拉强度大,地表压缩变形较小时,建筑物不出現破坏现象。
3.2建筑物自身的抗变形能力
建筑物一般能够承受一定程度的地表变形而不发生明显损坏。建筑物所能允许的地表变形值,称建筑物临界变形值。通常以地表变形值大小来判断建筑物可能破坏的程度,地表的水平变形到建筑物的底面和侧面,使建筑物受到附加的拉伸和压缩应力。由于建筑物的破坏程度还与其结构类型,建筑质量,建筑物的长、宽、高、使用时间等因素有关,尤其与建筑物长度关系较大,所以有人主张将建筑物所占长度内的地表变形总量作为衡量其破坏程度的指标。断层对地表移动与变形产生影响的原因在于断层带处岩层的力学强度大大低于周围岩层的力学强度。由于应力的集中作用,故使该处成为岩层变形集中的有利位置;地下煤层开采后,在上覆岩层发生移动与变形的同时,岩层还沿着断层面发生滑动,于是在断层基岩露头处的地表就出现台阶状的破坏。这是地面建筑在选址和施工过程中应该高度重视的问题。
4解决方法
地下开采引起岩层与地表移动,在其影响范围内建筑物会受到损害或破坏。为充分采出煤炭资源又维持建筑物的安全使用,必须研究建筑物下允许开采的条件和采煤方法。通过地面建筑物加固、建抗变形建筑物、井下采用条带开采、协调开采、离层注浆减沉、合理布置工作面等措施和方法,解决建筑物下采煤问题。这决定于:开采引起的地表变形值;建筑物允许的地表变形值;建筑物加固防护措施和井下开采措施的技术可能性以及经济合理性;地表积水的排泄条件等。
5结束语
地下采煤对地表的影响主要取决于采空区地表沉陷情况和建筑物的设计情况。矿区地面建筑在选址和施工过程中是应该高度重视的问题。为解决矿区地表沉陷对建筑物的破坏,可以通过地面建筑物加固、建抗变形建筑物、井下采用条带开采、协调开采、离层注浆减沉、合理布置工作面等措施和方法,解决建筑物下采煤问题。
参考文献
[1]马金荣.煤矿废弃采空区建筑场地稳定性研究[J].建筑科学,2008,22.
地表建筑物 篇4
随着经济建设的快速发展,一些矿区为减少占用耕地、有效利用土地资源,准备在或正在已有采空地表建设建筑物或构筑物(桥梁、高速公路等)。随着煤层开采,覆岩失去平衡(开采后活化),破坏了岩体内部原有的应力平衡,导致应力重分布,使采空区周围的岩体产生移动和变形,进而使岩体上方地表土产生移动和变形。而地表土的移动和变形又势必会对其上方的建筑物基础产生不利的影响,这就容易导致建筑物从基础到上部结构的不同程度的损坏,从而危及建筑物的安全,严重时会引起建筑物的破坏。
已有研究者通过分析建筑物荷载的影响深度与采空区冒落裂缝带发育高度来确定老采空区的稳定性以及建筑物的安全性[1]。为了在开采沉陷区范围内兴建建筑物(尤其是高层),避免影响生态环境和造成巨大经济损失,则必须在确保合理的采矿方法和工艺外,设计出结构合理的抗采动建筑物,同时应对稳定沉陷区兴建的可行性建立完整的评价体系,这对煤炭企业可持续发展具有现实意义。
1 开采沉陷区上部岩体结构的破坏
煤炭等地下矿物资源的开采必将会造成采场周围的岩体产生变形和破坏,同时这种变形和破坏还会波及到地表,从而引起地表沉陷。
1.1 开采沉陷区覆岩破坏
随着采动工作面的推进,上部覆岩的破断过程:岩梁先是悬露,然后在重力作用下发生离层弯曲,上部岩层的破断过程总体趋势是由下而上发展。煤层开采后,其上覆岩层形成冒落带、裂隙带、弯曲带,见图1。从地基基础设计考虑,冒落带、裂隙带的岩体由于已遭到严重破坏,虽经多年压实,仍不可避免地存在一定的离层、裂隙,其抗拉、压、剪强度明显低于原始岩体的强度,如果建筑物的荷载传递到这两带上,就会造成该区域建筑物的不均匀沉降或整体塌陷,导致建筑物上部结构的破损或破坏;而弯曲带的岩层基本保持整体完好,符合基础持力层的要求。
1.2 部分开采沉陷区失稳
采空区的岩体结构为弹塑性地基上煤柱支撑的上部比较完整的层状岩体结构,由于煤柱和煤层设计的不合理而导致结构的失稳会引起覆岩破坏和地表塌陷。关于煤柱强度的估算、稳定性分析和验算方法,已在文献[2]中进行论述。开采沉陷区地表下沉形式主要有塌陷坑和塌陷盆地两种。
2 开采沉陷区地表移动变形分析
2.1 开采沉陷区下沉变形
开采下沉的过程中地表下沉的三个阶段为开始、活跃、衰退,且都为采煤沉陷非稳定阶段。地表任意点的下沉速度由慢到快,达到最大值后逐渐减小,直至停止。随着采煤进行,覆岩产生垮落带、导水断裂隙带和伴随有地表下沉的整体弯曲下沉带。
采空冒落带在覆岩的自重应力作用下的固结稳定需要经过一个漫长的历史时期,采空冒落带会引起地表残余变形。采煤沉陷区残余变形分为两个部分:一部分为开采沉陷地表移动衰退期结束后的变形量,另一部分为受到影响的地基土的自变形。
2.2 水文地质构造因素影响
在采煤沉陷过程中起决定作用的是覆岩移动变形。而水文地质因素也会对地表沉陷产生一定影响,主要原因为:地下水位降低会在采煤沉陷的基础上进一步扩大地表下沉值和下沉面积[3]。相对于采矿区的广阔性和矿区水文地质参数变化而言,地下水位变化或含溶水岩层的释水量不能准确预计地表下沉的过程。
开采煤层时会造成离层,采动断层会使地表形成沿其走向分布的错动台阶、拉伸变形、槽型沟壑等。当开采结束后,受到回采、地下水等的影响,断层可能活化,对采煤稳定区地表移动同样会有影响。在采煤沉陷引起的地表移动过程中始终存在着冲积层的影响。
3 开采沉陷区建筑物抗变形及设计加固技术分析
3.1 地表变形与建筑物破坏作用机理
地表土的移动变形必定会对其上部建筑物的基础产生不利影响,使建筑物受到附加应力作用而产生变形,从而导致建筑物从基础到上部结构不同程度受到破坏,甚至危及建筑物安全。
开采沉陷区地表建筑物的破坏主要有下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平变形和剪切扭曲变形五个因素。实际上地下开采引起的岩层与地表的移动是一个极其复杂的时间空间现象。出现地表移动盆地会使处于采空区的建筑物经历一个动态的变化过程,要依次或者同时经历以上几种变形。
3.2 采空区建筑物设计与加固技术
随着基础与地基接触面的调整、基础与地表变形的协调,采空区建筑物的变形和附加应力是由地表变形传递到基础,进而波及到上部结构而形成,因而地基和基础的处理是抗变形建筑设计的关键。而对于建筑上部结构的设计处理也是至关重要的。
3.2.1 地基土的影响和处理
由于受到采动影响地基土的原始结构发生变化,其倾向对地震不利的方向变化,建筑物所受到的地震力将比正常的情况(原始状态)偏大。因此对于是否应该提高设计烈度,是采空区抗变形建筑结构设计中不可忽视的一环。整个开采沉陷非人为力量可以控制,建筑物基础与地基相互作用可看作是系统自身的一种平衡。 开采方法、地表离层注浆等措施可以增加地表的整体性从而减缓地表的移动变形,但不可能完全消除地表下沉,要在经过开采沉陷3个变形阶段后的地表兴建建筑物,地基的残余变形和采动区地质环境仍然对建筑物的位置和类型提出特殊要求[4]。
3.2.2 基础方案选择
采空区建筑物基础不但要有足够的刚度强度和承载力,还应具有一定的适应变形的能力,以抵抗或部分吸收地表变形,常见的基础设计有刚性方案、柔性方案,或者两者结合设计。刚性方案就是指采用刚度大的基础圈梁、檐口圈梁或钢筋混凝土柱等构件组成空间骨架,提高建筑物的空间刚度和整体性,增强墙体的稳定性,以抵抗地基变形引起的附加应力,防止墙体开裂。该类结构的优点为对于抵抗较大的地表变形、不均匀沉降效果显著。
柔性方案就是指在基础与地基之间,或者基础与墙体之间设置滑动层(水平的或者竖直的),滑动层可用石墨、油毡、砂垫层等制作,实践证明滑动层对吸收水平变形是很有效的。
3.2.3 建筑物结构设计选型及构造措施
平立面设计应当遵循对称、整齐、均匀、低矮等设计原则,而在结构选型时要注意静定与延性结合、结构的整体性、结构的可靠性等。
对抗变形建筑物设置钢筋混凝土圈梁是刚性保护措施,设计时要尽量减小房屋的长度尺寸,既可以降低造价成本,又可以有效保护建筑物的完整性,当地表变形较大时可以采用筏板基础或者双板基础等整体性好的基础。变形缝的设置是采空区建筑物设计采用的基本措施之一,它可以有效减小地表的不均匀沉降。变形缝的位置宽度受建筑物约束,建筑物各单位的长度主要决定于地表水平变形值跟曲率变形值。
建筑结构设计时还可考虑设置墙壁与构造柱、地表变形缓冲沟、应用可升降点式基础等措施,使得建筑物、基础、地基持力层三者有效结合,使得三者协调共同工作。
4 结语
开采沉陷区对建筑物变形影响很复杂。在建筑物下进行开采对建筑物有许多不利影响,通过在对覆岩三带的破坏及地表移动分析的基础上,从多方面提出采动区抗采动设计理念。在选择基础方案时要尽量使地基、基础和建筑物刚度三者相互协调来减小基础及建筑物的附加应力,从而达到保护建筑物的目的。文章仅对开采区建筑物的变形和破坏机理作了初步探讨,还需对不同采空建筑物设计和加固技术深入研究,提出相应合理的设计规范是解决采空区建筑物抗变形的根本。
参考文献
[1]滕永海,张俊英.老采空区地基稳定性评价[J].煤炭学报,1997,22(5):504-508.
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地表变迁教学设计 篇5
乔瑞霞
【教学内容】
苏教版六年级上册第二单元《我们的地球》的第五课《地表的变迁》的第一课时。【教学目标：】
1.能够根据提供的资料对地表以前的情况进行推测 ；能设计模拟实验验证自己的猜想。
2.知道地球表面是在不断变化的；知道岩石的风化过程；知道各种自然力量对地表改变的作用以及地表形态形成的原因。
3.喜欢进行科学探究活动，并从中体验和感受乐趣；乐于交流，愿意倾听和分享他人的劳动成果。【教学重点】
认识岩石的分化 【教学过程】
一、导入新课
谈话：在学习今天的科学知识之前,老师将带领同学先去欣赏一部科普短片，注意同学们要从中获取科学信息。
二、认识地表的变迁是漫长的多因素的
1．提问：20世纪60年代，科学家们在喜马拉雅山采集到了鱼龙的化石，同时，还在山体岩石中发现有鱼、海藻、海螺等海洋生物的化石。这说明了什么？据此，你可以得出什么结论？
2．学生讨论、推测，并说出理由。
3．教师小结：喜马拉雅山在几千万年前曾是一片汪洋大海，后来受到强大挤压力的作用，海底隆起抬高，形成今天雄伟高峻的山脉。由此可见，地球地壳在不断运动，地表也在不断的变化。
4．学生阅读教材第25页北宋时期沈括对了地球演变、地质变化的资料。获取科学信息，意识到地表到变迁是长期到，多种因素共同作用造成的。
三、分析猜测造成地表变迁的因素 1．猜测各地不同地貌的成因
（1）谈话提问：刚才大家提出了许多因素共同造成了地表在不断的变化，那到底是怎样的呢？我们还是来听听科学工作者的解释（课件展示）。好，现在让我们来料流一下你获得了那些科学知识？
同学们可真细心，居然有这么多收获。那你能试着用这些收获来解释下面的地貌是如何形成的吗？
（出示：课件）石林、海边礁石、风蚀石
厉害，那你能说说这沙漠中的漫漫黄沙是怎样形成的吗？（2）总结提问
为什么一些巨大的岩石最后会变成细小的沙子和泥土呢？
三、认识岩石的分化
（1）岩石在昼夜和冬夏天气冷暖反复的变化下会发生什么变化？ 你能用实验证明吗？（2）学生讨论交流汇报。
用小石块模拟岩石 用酒精灯模拟剧烈日晒
用冷水模拟冰冷夜间（3）设计实验，验证猜想。（4）交流实验中的发现。
（5）小结：通过实验，我们发现岩石在高温和低温反复影响下，有了裂缝。在大自然中，岩石在昼夜、冬夏天气冷暖反复的变化下会不会也有这样的变化呢？
（6）学生交流想法。
（7）除了上述原因，还有好多其他因素也可引起岩石这样的变化？
（8）小结：在长期的风吹日晒、雨水冲刷、生物破坏的作用下，地表岩石破碎的过程叫做风化。（板书：风化）
师：生物破坏到底指什么？这里主要指植物对地表的影响（播放录像 植物对地表的影响）引发思考。
三、全课小结
地球本身蕴藏着巨大的能量，加上太阳的照射和吸引，经过风、流水、冰川、海浪等力量的共同作用，形成了千姿百态的地表形态。人类要合理地利用自然、改造自然，保护自然。
教学反思
乔瑞霞
本课是苏教版小学《科学》六年级上册《我们的地球》单元的第5课，本课的学习是建立在学生对地球的形状、内部构造以及变化的基础上进行的。
地球表面形态的变化，除了褶皱、断层、火山、地震等地球内部运动的作用外，地球外部运动，也在不断地改变着地表形态。本课通过独特的地貌景观、岩石的风化、流水的搬运作用等内容，指导学生认识地球外部运动对地表的影响，通过这部分内容教学，激发学生的求知欲和好奇心。通过实验，提高学生动手操作能力、分析问题的能力和学会探究的策略，同时培养学生树立正确的科学自然观，意识到自然界是不断变化的。本课的思路非常清晰，由现象入手，对现象进行猜想，即假设，再用实验验证猜想，最后得出结论。在认识岩石的风化作用时，教材以巨大的岩石如何变成细小沙子和泥土这一问题，引入自然界具有风化作用的概念。
为了使学生直观地认识温度对岩石的破坏作用，教材设计了模拟实验，在做这个模拟实验的时候，要注意以下两点：第一因为学生用的是普通的酒精灯，加热速度比较慢，因此，尽量取小一些的石块比较合适，而且要有耐心等待，它需要一个比较长的加热过程，才会出现比较明显的现象。另外，通过“结冰与融化”、“植物生长”两幅图的分析，引导学生认识，除了温度的风化作用外，自然界中还有一些力量可使岩石风化，例如水的作用和植物的生长力。通过认识地球外部运动——风化这一地质现象，培养学生的分析问题能力和促进学生动手操作技能的发展。
《地表的变迁》说课材料
乔瑞霞
大家好，今天我说课的内容是苏教版小学六年级上册，第二单元《我们的地球》的第五课《地表的变迁》。
本课的学习是建立在前四课学生对地球的形状、地球表面、内部构造以及火山地震等地质变化的基础上进行的。本课内容呈现双线交错的态势，第一条线是自然力量影响地表线，第二是人类的认识和活动影响地表变迁。
通过前几课的学习，学生对地球已有所了解，对于地表变迁的原因认识还不深刻，本课主要通过观察和实验让学生来了解地表变迁的原因。综合以上分析我确定本节课教学目标及重难点为：
1.能够根据提供的资料对地表以前的情况进行推测 ；能设计模拟实验验证自己的猜想。
2.知道地球表面是在不断变化的；知道岩石的风化过程；知道各种自然力量对地表改变的作用以及地表形态形成的原因。
3.喜欢进行科学探究活动，并从中体验和感受乐趣；乐于交流，愿意倾听和分享他人的劳动成果；意识到保护地球，保护我们的生存环境的重要性。教学重点：了解岩石风化对地表的影响。教学准备：录像材料、世界风景图片。教学过程设计
一、导入新课
谈话：在学习今天的科学知识之前,老师将带领同学先去欣赏一部科普短片，注意同学们要从中获取科学信息。
二、认识地表的变迁是漫长的多因素的
1．提问：20世纪60年代，科学家们在喜马拉雅山采集到了鱼龙的化石，同时，还在山体岩石中发现有鱼、海藻、海螺等海洋生物的化石。这说明了什么？据此，你可以得出什么结论？
2．学生讨论、推测，并说出理由。
3．教师小结：喜马拉雅山在几千万年前曾是一片汪洋大海，后来受到强大挤压力的作用，海底隆起抬高，形成今天雄伟高峻的山脉。由此可见，地球地壳在不断运动，地表也在不断的变化。
4．学生阅读教材第25页北宋时期沈括对了地球演变、地质变化的资料。获取科学信息，意识到地表到变迁是长期到，多种因素共同作用造成的。
三、分析猜测造成地表变迁的因素 1．猜测各地不同地貌的成因
（1）谈话提问：刚才大家提出了许多因素共同造成了地表在不断的变化，那到底是怎样的呢？我们还是来听听科学工作者的解释（课件展示）。好，现在让我们来料流一下你获得了那些科学知识？
同学们可真细心，居然有这么多收获。那你能试着用这些收获来解释下面的地貌是如何形成的吗？
（出示：课件）石林、海边礁石、风蚀石
厉害，那你能说说这沙漠中的漫漫黄沙是怎样形成的吗？（2）总结提问
为什么一些巨大的岩石最后会变成细小的沙子和泥土呢？
三、认识岩石的分化
（1）岩石在昼夜和冬夏天气冷暖反复的变化下会发生什么变化？ 你能用实验证明吗？（2）学生讨论交流汇报。（3）设计实验，验证猜想。（4）交流实验中的发现。（5）学生交流想法。（6）小结。
（7）除了上述原因，还有好多其他因素也可引起岩石这样的变化？
（8）小结：在长期的风吹日晒、雨水冲刷、生物破坏的作用下，地表岩石破碎的过程叫做风化。（板书：风化）
师：生物破坏到底指什么？这里主要指植物对地表的影响（播放录像 植物对地表的影响）引发思考。
三、拓展思考
这样设计把课内学习引申到课下探究，把科学学习从课内延伸到课外。
《地表的变迁》教学设计 汇 济 小 学
乔 瑞
霞
汇 济 小 学
乔 瑞
霞 《地表的变迁》教学反思
汇 济 小 学
乔 瑞
地表的艺术 篇6
说起麦田怪圈，最早要追溯（sù）到1647年，人们在英格兰发现了这一奇怪的现象，但当时的人们以为那是恶魔的恶作剧。到1678年，人们将这种怪现象写进书中，并为其画了一幅插画，插画的名字叫作《割麦的魔鬼》，画中一个恶魔手持镰（lián）刀在麦田里做圆形的图，这大概就是关于麦田怪圈最早的记载了。
自从20世纪末，人们真正开始注意到麦田怪圈以来，在全世界各地的农田里，已经出现2000多个各式各样的怪圈了。这令科学家和一些所谓的“麦田怪圈研究专家”大惑不解。随着时间的推移，怪圈发生的范围越来越广，单个怪圈的面积也越来越大，并且形状也越来越复杂，甚至某些英国物理学家还将这种现象称为“外星人给地球人送来的象形字”。
越来越多人开始到世界各地探寻这种奇怪的现象，在所有发现的怪圈中，其中最令人震惊的，莫过于1990年7月12日，在英国威德郡的一个名叫阿尔顿巴尼斯小村庄发现的麦田怪圈了。有1万多人参观了这个麦田怪圈，其中包括多名科学家。这个巨大图形长120米，由圆圈和爪状附属图形组成，通过长期观察，人们发现，仅仅几个月内，这一带就频繁出现了十几个大小不一的麦田怪圈，这引起了科学家和研究员们的浓厚兴趣。
为了研究这种怪圈究竟如何形成，在1991年6月4日，以迈克·卡利和大卫·摩根斯敦为首的6名科学家来到英国威德郡迪韦塞斯镇，并在附近的摩根山的山顶上建立了观察指挥站。在指挥站里，他们注视着一排电视屏幕，希望能够通过他们在农田附近架设的摄影机来记录麦田怪圈形成的过程。
但是，这些科学家们等了足足20多天，却没有发现任何不寻常的东西，在6月29日清晨，当科学家们就快要放弃的时候，一团浓雾降落在他们正在监视的那片麦田的正上方。他们虽然看不见雾里有什么，但却继续让摄影机开动。
到了早上6点钟，雾开始消散，麦田上赫（hè）然出现了两个奇异的圆圈。6位研究人员大为惊愕（è），他们立即跑下山来仔细观察，发现在两个圆圈里面的小麦完全被压平了，并且完全都是呈现出顺时针方向的旋涡形状。科学家们还发现，这些麦秆虽然弯了，但没有折断，圆圈外的小麦则丝毫未受影响。
为了防止有人来弄虚作假，探测队已在麦田的边缘藏了几具超敏感的动作探测器。任何东西一经过它们的红外线，都会触动警报器，但是，警报器整夜都没有响过。在麦田泥泞的地上，没有任何能显示曾有人进入麦田的迹象。录像带和录音带没有录到任何线索，那两个圆圈似乎来历不明，这为怪圈形成的原因更添一层迷雾。
虽然也曾有人称，一些怪圈是自己恶作剧的行为，但是，并非所有怪圈的形成都能够用恶作剧来解释，因为人为的麦田怪圈根本并不符合研究者所发现的麦子未断裂、包含电磁波等条件，尤其当那些人已宣告自己不再继续制造麦田怪圈后，那些形状日益复杂化的麦田怪圈仍持续不断出现。
那么，麦田怪圈形成的原因，究竟有哪些可能性呢？
有一部分人认为，麦田怪圈大多是在一夜之间形成，很可能是外星人的杰作。
据说，很多出现麦田怪圈的地方也会出现UFO。目击UFO制作麦田圈的人数已经有10几人，他们说，UFO制作麦田怪圈，往往只用10几秒的时间。因此，有人认为麦田怪圈是地球以外高智慧生命体留下的记号。
同时，也有人认为，麦田怪圈只是一种自然现象，但是，成因还未被人类发现。相信自然形成的人们认为，天气变化无常，在一些极端天气下，麦田怪圈很容易形成，而龙卷风是造成怪圈的主要原因。很多麦田怪圈出现在山边或离山六七公里的地方，这种地方很容易形成龙卷风。也有气象学家提出：大量尘埃包含在陆地上生成的小型龙卷风中，在风的作用下，尘埃与空气剧烈摩擦产生静电荷。神秘怪圈就是在带有静电荷的小型龙卷风的作用下产生的。
在你的家乡有没有见过类似的麦田怪圈呢？有的话可以跟小瓦力分享一下哦！
地表建筑物 篇7
随着我国城市人口的不断扩大, 修建地铁越来越成为大中型城市缓解交通压力的首选。然而由于城市的建筑物比较密集, 修建地铁不可避免地会对周围土体及邻近建筑物产生一定影响, 即使采用比较先进的盾构法开挖。因此在这种情况下, 如何把对邻近建筑物的影响降到最低限度, 是地铁施工过程中出现的一种不容忽视的新问题和新趋向。
1 盾构施工引起地表及邻近建筑物沉降变形因素
理论分析和大量的工程实践经验证明, 盾构施工引起地表及邻近建筑物沉降变形的因素很多, 如地质条件、覆土厚度、施工方法、施工管理、地层损失等, 主要原因是施工过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、衬砌结构的变形、土体的固结和次固结作用。这些影响地表及邻近建筑物沉降变形的各个因素并不是孤立的, 而是相互影响的。
1.1 施工方法
不同的地铁隧道施工方法对地层的扰动机理不同, 从而对邻近建筑物产生的影响也不同, 即使是同一种施工方法, 也存在许多影响地表和建筑物沉降变形的因素。盾构法包括敞开式、气压平衡、土压平衡、泥水平衡等, 在选择盾构机时, 应该以保证开挖面的稳定为原则进行选择。不同盾构机对地层的适应情况不同。在软土地区, 一般情况下, 泥水盾构通过泥水压力与水土压力平衡, 泥水压力容易控制, 有利于开挖面的稳定, 比土压平衡盾构更有利于地表沉降控制。敞开式盾构一般在开挖地层能自稳时采用。
1.2 地层条件
由于不同地层其力学性质、透水性等差异很大, 工程施工对其扰动程度、失水固结等引起的地表及周围建筑物沉降差异很大, 隧道所处的地层条件对地表沉降的影响也很大。在地层条件较好时, 如可塑、硬塑黏土地层、中等密实以上的砂土地层、软岩地层等, 开挖面的断面收敛、地表沉降的大小和分布也较容易控制;在软土地区, 由于软土层的强度低、地下水位高, 开挖面自稳能力差, 一般需要采用特殊的辅助施工措施, 才能保证开挖后隧道断面的收敛值得到控制, 使开挖引起的地表沉降限制在允许的范围内。因而, 地层条件不仅影响地表及周围建筑物的沉降值, 而且直接影响着地铁隧道施工方法的选择。
1.3 覆土厚度
地下铁道工程设计阶段一个重要的技术问题便是确定合理的埋深, 地铁隧道埋深受多种因素的制约, 隧道使用条件、运营功能、工程地质条件、岩土体一支护系统的稳定性等都必须在隧道合理埋深中加以考虑。一般情况下, 地表最大沉降值与隧道埋深为非线性关系。当隧道埋深增大时, 地表最大沉降值减小。因此增大隧道埋深有助于减小地表沉降, 对地表设施及邻近建筑物的保护有利。
1.4 地下水作用
开挖前进行了降水施工, 施工过程中, 士体失水固结产生沉降。同样在开挖捧水后, 造成地下水因压力差的存在不断渗出, 使地层失水。土层孔隙及节理裂隙固结收缩, 引起地层、地表的沉降。根据施工经验, 地层的持续失水是引起地层变形、地表沉降的重要原因之一。
1.5 结构断面大小
结构断面的大小对于地表及周围建筑物沉降变形的影响非常显著。一般情况下, 开挖跨度大、施工作业时间长, 对土体扰动就更严重, 引起地表及周围建筑物的变形就越大。
1.6 施工管理
隧道施工引起的地表及周围建筑物变形的因素有些主要在设计阶段进行控制, 如线路设计确定后, 施工过程一般很难改变, 地层性质、结构断面大小、覆土厚度等, 但特殊情况下, 可以采用辅助施工措施来改变地层性质、地下水位、覆土厚度等, 如降水、冷冻、注浆、覆土回填等。其中施工方法、支护形式、地层损失、地下水位下降等因素在施工过程中, 可通过加强施工管理进行控制。对于盾构施工, 在推进过程中也可加强施工管理来控制地表的沉降, 如保持推进量与排土量平衡, 控制压力舱压力, 防止蛇行、控制曲线超挖等。
2 地层及邻近建筑物处理措旋
在地层中引入结构单元, 可加强地层结构。这种结构单元不是在建的地铁隧道的一部分。结构单元通常通过以下方式减小地铁隧道盾构施工对邻近建筑物的影响:提供地层刚性反应因而减小地层运动大小、在被保护建筑物与运动源间提供约束。对地层及邻近建筑物处理措施主要包括隔离桩、隔断墙、地层注浆、基础托换、建筑物结构加固等等。
2.1 隔离法
在建筑物附近进行地下工程施工时, 通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙等措施, 阻止盾构机掘进造成的土体变形, 以减少对建筑物的影响。避免建筑物产生破坏的工程保护法, 称为隔断法。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工空间。隔断墙墙体可由密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成, 主要用于承受由隧道施工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力, 使之减小建筑物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移, 还可在墙顶部构筑联系梁并以地锚支承。
2.2 土体加固
土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固。前者通过增大盾构隧道周围土体的强度和刚度, 以减少或防止周围土体产生扰动和松弛。从而减少对近邻建筑物的影响, 保证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基, 提高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。当地面具有施工条件时, 可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施工当地面不具备施工条件或不便从地面施工时, 可以采用洞内处理的方式, 主要是洞内注浆。例如上海市的下水道主干线工程中, 采用外径为的土压平衡盾构, 通过洞内注浆的处理方式, 顺利通过了临近桥台的基础桩, 且把最终沉降成功地控制在要求的内。
2.3 建筑物自身措施
对邻近建筑物应进行以下几方面的工作:
(1) 邻近建筑物的现状评估和安全性评价, 由此可确定出邻近建筑物的沉降和变形控制标准以及建筑物所能承受的极限变形值。
(2) 进行施工附加影响分析和评价, 由此可确定出合理的施工方案。
(3) 考虑大隧道开挖对地层影响的时空效应, 依据地层和结构的变位分配原理, 初步拟定相应施工方案下邻近建筑物变形及稳定性控制方案并实施。
(4) 监测及反馈。基于信息化施工的原理, 通过监测结构与既定控制方案的对比, 可及时对施工方案和控制标准进行调整, 以及在必要时对地层和结构进行加固, 以达到预期的目标。
(5) 待施工完成后应对邻近建筑物的损坏状况进行检测和评估, 并据此制定恢复方案和具体措施, 包括恢复的必要性、恢复程度以及工后沉降和变形的预测等。
3 结语
在不同地层条件下, 盾构隧道施工对地表和建筑物的影响有着不同的规律, 弄清典型地层条件下盾构施工对地表沉降和建筑物的影响规律, 提出相应的保护措施, 对于地表沉降和建筑物的安全以及盾构施工质量的提高都有很重要的意义。
摘要：盾构机在城市地铁建设中得到了广泛的应用, 但在盾构掘进过程中会引起地层损失, 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, 本文以主要探讨了盾构施工对地表及邻近建筑物的影响因素和解决措施。
关键词：盾构掘进,影响,周围环境,地下管线,建筑物
参考文献
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[4]李希元, 闰静雅, 孙艳萍.盾构隧道施工工程事故的原因与对策[J].地下空间与工程学报, 2005.
地表建筑物 篇8
近年来, 我国轨道交通得到了迅猛的发展, 地铁线路已延伸城市地下各个角落, 同时随着城镇化建设的快速发展以及充分利用土地考虑, 在已建地铁上部施做建筑物是不可避免的, 而地面建筑物的施工将必然会对已有的隧道造成一定的影响。由于建筑物施工和隧道施工并不同步, 此时存在两种情况:一是隧道后于邻近建筑物施工, 此时隧道的施工对已有建筑物产生影响;二是隧道先于邻近建筑物存在, 此时地面建筑物的施工将必然会对已有的隧道造成一定的影响。对于隧道施工对地表及邻近建筑物的影响, 国内外已研究的非常多[1,2,3,4];而对于建筑物施工对地表及其下部隧道的位移、内力等的影响国内外研究的较少。因此, 论文以某地铁工程为背景, 考虑建筑物楼层荷载的不同位置和建筑物楼层荷载的不同大小两种工况对地表的水平位移、竖向位移和隧道周围特征点的水平位移和竖向位移以及隧道管片结构的轴力和弯矩的影响。
2 数值分析
2.1 工程概况
某地铁区间盾构隧道, 衬砌外径6000 mm, 内径5400mm, 管片宽度1500mm, 厚度300 mm, 每环6片错缝拼装。衬砌环采用通用环的组合形式。隧道所处地层由地表至下依次为素填土、粉质黏土、砾质黏性土、砂质黏性土、全风化岩、强风化岩、中风化岩、微风化岩。其间没有明显的不良地质现象。
2.2 数值计算模型
采用二维平面应变模型, 计算盾构隧道开挖后的围岩及管片力学分布规律。土体采用平面应变单元, 摩尔库伦理想弹塑性本构模型;管片采用梁单元, 线弹性模型。模型尺寸90×42m (X×Y) , 计算模型如图1所示。
2.3 地层参数
模型土层由地表至下依次为杂填土、粉质黏土、含碎石粘土、粉质粘土和基岩层, 围岩和支护结构物理力学参数如表1所示, 盾构管片为C50钢筋混凝土预制件, 考虑到施工过程中错缝搭接强度损失, 盾构管片强度折减0.25[5,6]。
2.4 边界条件
(1) 位移边界:模型左右边界固定水平位移, 底部边界固定竖向位移和水平位移, 上部边界为地表自由面[7]。
(2) 载荷边界:取每层房屋单位面积的总荷载为10 kN/m, 作用区域18m, 楼层的高度考虑为8层楼。则作用在每平方米房基上的荷载为80kN/m。
(3) 应力释放系数:在隧道开挖时定义应力释放系数, 根据工程经验, 开挖时应力释放0.4, 支护完成后释放0.6。
2.5 模拟工况
(1) 不同载荷作用位置工况。为了分析载荷作用于地表不同位置对盾构隧道的影响, 以左右隧道中心连线的中垂线 (以下均简称“中心线”) 为起始零点, 建筑物宽度为18m, 定义建筑物中心与中心线的距离为“载荷偏移距离”, 用字母P表示, 以P=0作为为工况1, 然后将建筑物依次向右移动3m, 依次命名为工况2、工况3、……、工况10 (此时载荷左边界与右隧道右端水平距离9m) 。
(2) 不同载荷作用力工况。为了分析载荷作用于地表不同位置对盾构隧道的影响, 以工况5 (载荷中心距离对称轴12m) 作用位置为基准, 调整载荷大小, 依次设置20kN/m、40kN/m、60kN/m、80kN/m、100kN/m, 并依次命名为工况Ⅰ、工况Ⅱ、工况Ⅲ (同工况5) 、工况Ⅳ、工况Ⅴ。
(3) 隧道周围特征点。为了更细致比较隧道围岩的具体变形规律, 设置特征点进行数据统计分析。
3 建筑物载荷位置对地表及隧道的影响
3.1 对地表位移的影响
3.1.1 水平位移。从图2可以看出: (1) 在无荷载作用时, 地表水平位移最大绝对值约为7.85mm, 而在60kPa建筑荷载作用下, 地表水平位移最大绝对值约为13.15mm, 表面建筑物载荷显著增大了地表水平位移。 (2) 随着载荷偏移距离的增加, 地表左右侧的水平位移不再对称分布, 表明当载荷偏向一侧隧道时, 该侧地表水平位移将增大, 而另一侧将有所减小。 (3) 随着载荷偏移距离继续增加, 至远离隧道开挖范围一定距离时, 地表左右侧的水平位移又逐渐趋于对称分布, 表明当建筑载荷偏离距离增加到一定程度时, 其对地表的水平位移影响很小。
3.1.2 竖向位移。从图3可以看出: (1) 在无荷载作用是, 地表最大沉降为20mm, 在中心线处, 最小沉降为0.45mm, 而在60kPa建筑荷载作用下, 最大沉降为44mm, 左右两侧出现地面隆起约0.91mm。 (2) 随着载荷偏移距离的增加, 最大沉降点发生位置随之向右侧偏移, 且最大沉降量逐渐减小, 如工况5条件下, 最大沉降约为30.69mm, 发生在右隧道拱顶上方对应地表点;表明当载荷偏向一侧隧道时, 地表最大沉降点也会随之偏移, 且最大沉降量会随之减小, 同时在两侧远中心线处的地表会出现轻微隆起现象。
3.2 对隧道周围特征点位移的影响
3.2.1 水平位移。
水平位移主要集中在隧道两腰上, 主要位移趋势是向隧道内收缩。载荷作用下的右隧道水平位移较大, 且两腰对称分布, 而远离载荷作用的左隧道水平位移值相对较小, 且左腰小于右腰。从图4可以看出: (1) 左隧道左拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加而逐渐减小, 最终趋于定值;右隧道左拱腰水平位移则随建筑载荷偏移距离的增加先保持一段平稳, 而后逐渐减小后趋于定值, 其位移整体要比左隧道拱顶大。 (2) 左隧道右拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加而逐渐增大, 而后趋于定值;右隧道右拱腰水平位移随着建筑载荷偏移距离的增加先减小后增大, 最终趋于定值。P=21以内, 左隧道拱底水平位移均大于右隧道;而P=21以外二者水平位移基本一致。
4.2.2 竖向位移。
从图5可以看出: (1) 左、右隧道拱顶位移均为负值, 表现为拱顶下沉。左隧道拱顶竖向位移随着建筑荷载偏移距离的增加而逐渐增大, 在P=15m以后趋于定值;右隧道拱顶竖向位移随着建筑荷载偏移距离的增加先减小后增大, 最终趋于定值。 (2) 左、右隧道拱底位移均为正值, 表现为拱底隆起。左右隧道拱底的位移随着建筑载荷偏移距离的增加而基本保持平稳, 右隧道位移要大于左隧道的。 (3) 左隧道左拱腰和右拱腰的竖向位移均为负值, 在P=0时, 左拱腰最大位移为-8mm, 右拱腰最大位移为-15mm;随建筑载荷偏移距离的增加逐渐增大, 最终趋于零。
5 建筑物载荷大小对地表及隧道的影响
5.1 对地表位移的影响
5.1.1 水平位移。从图6可以看出: (1) 隧道开挖后地表的水平位移呈正弦曲线分布, 左侧部分为正向位移, 右侧部分为负向位移, 均向中心线靠拢, 且在各隧道上方偏移中心线一段距离处出现极值。 (2) 随着建筑物载荷的增加, 左侧部分的地表水平位移减小, 且极值点向右偏移;右侧部分的地表水平位移增大, 且极值点也向右偏移。且当载荷较大 (大于80kPa) 时, 右侧地表水平位移出现极值后迅速增大, 而后出现部分正向位移, 且随着载荷的增大而增大, 如载荷由80kPa增加到100kPa时, 右侧反转的正向位移由约1mm增加到3.7mm。
5.1.2 竖向位移。从图7可以看出:地表竖向位移随着建筑载荷的增大而增大, 沉降极值点也逐渐向右侧偏移, 而右侧P=20后的地表位移基本保持不变, 故导致沉降槽曲线随着载荷的增大逐渐不对称。
5.2 对隧道周围特征点位移的影响
5.2.1 水平位移。
水平位移主要集中在隧道两腰上, 主要位移趋势是向隧道内收缩。载荷作用下的右隧道水平位移较大, 且两腰对称分布, 而远离载荷作用的左隧道水平位移值相对较小, 且左腰小于右腰。从图8可以看出: (1) 左隧道的拱顶、拱底和右拱腰均随着建筑载荷的增加而增大, 且大致呈线性变化, 三者斜率也基本一致;而左拱腰则随着建筑载荷的增加而减小;也呈线性变形, 斜率与右拱腰一致。 (2) 右隧道拱顶水平位移随着建筑载荷的增加而增大, 由0增加到约30mm, 为负向位移;拱底水平位移基本保持不变;左拱腰的水平位移随着建筑载荷的增加而增大, 由50mm增加到70mm, 且为正向位移;右拱腰的水平位移随着建筑载荷的增加而增大, 由38mm增加到120mm, 且为负向位移。
5.2.2 竖向位移。
竖向位移主要以拱顶下沉和拱底隆起为主要特征, 两帮也表现为一定程度的下沉, 但相对较小。从图9可以看出: (1) 左隧道的拱顶、拱底和左右拱腰的竖向位移随着建筑载荷的增加基本保持不变, 拱顶和左右拱腰为增大, 拱底为减小。 (2) 右隧道拱顶、拱底和左右拱腰的竖向位移均随着建筑载荷的增加而增加, 其中拱底为正向位移, 其余均为负向位移。其中拱顶增幅最大, 左右拱腰增幅次之, 拱底增幅最小。
基于建筑载荷在隧道上方作用的不同位置和不同大小工况, 分析了地铁隧道盾构开挖以后的地表、管片拱顶、管片拱底和左、右拱腰的位移和变形分布规律以及各指标随着隧道开挖施工步的变化规律, 得出以下结论:
(1) 随着建筑载荷的偏移距离的增加, 远离建筑物一侧的地表水平位移逐渐减小, 而靠近建筑一侧的地表水平位移先增大后减小, 当建筑载荷偏移隧道P=21m (约两倍隧道直径) 以上时, 地表水平位移趋于无荷载时的分布情况。
(2) 随着建筑载荷大小的增加, 地表水平位移逐渐增大, 但当载荷偏向隧道一侧时, 远离建筑物一侧的地表水平位移随载荷增大而减小, 靠近建筑物一侧的地表水平位移随建筑载荷的增大而增大, 且当建筑物载荷增到80kPa以上, 在P=21m处水平位移出现反向。
(3) 随着建筑载荷的偏移距离的增加, 地表最大沉降值逐渐减小, 且最大沉降点先向载荷偏移方向移动, 而后当建筑载荷偏移大于P=12m时, 最大沉降点背离载荷偏移方向移动。
(4) 随着建筑载荷大小的增加, 地表最大沉降值逐渐增大, 且最大沉降点向载荷偏移方向移动, 在建筑载荷偏移P=21m以上时, 地表沉降点迅速减小, 各载荷大小情况下相差不大。
参考文献
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地表建筑物 篇9
20世纪40年代, 国外的充填主要是以处理废弃物为目的, 20世纪50年代开始在欧洲普及, 到了20世纪80年代和90年代, 由于科技的发展, 矸石充填技术有了长足的发展。在我国20世纪60年代初, 由于充填技术不成熟, 矸石充填在我国基本被淘汰。20世纪80年代至今, 由于我国经济和技术的迅速发展, 我国的充填技术已经处于世界先进水平, 与矸石充填开采技术相关的各个环节也取得了丰硕的理论成果和经验积累[1]。
充填开采岩层运动特征主要与充填材料的压缩率和充满率相关, 压缩率越小, 充满率越大, 越有利于控制地表的移动变形[2]。而压缩率与矸石的物理力学性质和充填材料的选择密切相关, 充满率主要取决于充填工艺[3]。对某矿的矸石物理力学性质进行测试分析, 得到最优配比矸石材料压缩率与压力的变化规律。推出在保证地表建筑物安全的前提下, 不同开采条件下的矸石充填量。
1 工程概况
某煤矿地表为村庄, 要保证地表建筑物安全不受损坏, 不同采深的条件下, 当其顶板的允许下沉量h已确定。充填开采顶板直接顶破坏程度较小, 由于顶板压力再次压实破碎顶板, 碎胀可忽略不计。故假设顶板下沉过程中没有形成碎胀, 顶板完全下沉, 则顶板的下沉量等于采厚减去矸石压实稳定后的高度[4], 则得:
式中:h为保证地表建筑物安全条件下顶板允许的下沉量, M为采厚, h0为矸石充填高度, η为矸石压缩率。
2 数学模型
在试验中, 要将记录数据拟合出一个函数近似表达式S (x) , 即根据m个数据点 (xi, yi) (i=1, …, m) , 求近似函数y=S (x) 。在拟合函数问题中, 确定参数的常见方法是最小二乘法, 该方法的基本原理是最小化拟合值和实际值之间的偏差平方和。在Φ=span{φ0 (x) , φ1 (x) , …, φn (x) }中寻找f (x) 的逼近函数 (其中φi (x) 为关于x的i次向量函数) , 即求ak (k=0, 1, …, n) , 使Φ空间中的作为f (x) 的最佳逼近函数[5]。
求最小二乘法解S (x) , 等价于求多元函数的极值问题[6]。令:
其中ρ (xi) 表示权值函数。
由式 (2) 可得:
式 (3) 为关于ak的n+1阶线性方程组, 从而可以求出解ak (k=0, 1, …, n) , 从而得到试验数据的拟合函数:
3 试验准备
3.1 矸石试样的制备
矸石试样原材料取于某煤矿的矸石山, 样本原料约为1000 kg。以粒径10mm为分级单位进行分选。矸石样本粒径分布在0~60 mm之间的矸石量占总数的87%左右, 粒径分布在60~100 mm的占9%左右, 粒径大于100 mm的占4%。考虑到样本分布的情况, 确定本次试验采用的矸石试样最大粒径确定为60 mm。
确定六种分级粒径:0~10 mm、10~20 mm、20~30 mm、30~40 mm、40~50 mm、50~60 mm分别为g1、g2、g3、g4、g5、g6。考虑到现场进行充填矸石时有可能出现的大粒径占多、中粒径占多或者小粒径占多的情况, 特别按照一次压缩试验所装矸石的量, 根据不同的质量配比, 利用电子秤配出以下四组矸石级配试样:A组为g1:g2:g3:g4:g5:g6=1:1:1:1:1:1;B组为g1:g2:g3:g4:g5:g6=3:3:1:1:1:1;C组为g1:g2:g3:g4:g5:g6=1:1:3:3:1:1;D组为g1:g2:g3:g4:g5:g6=1:1:1:1:3:3来分别代表均匀粒径、小粒径占多、中粒径占多和大粒径占多的现场充填情况。
3.2 试验设备的选择及模具的设计
3.2.1 压缩试验机
试验采用YE-200A液压试验机进行测试。该试验系统可以进行岩石的单轴压缩、常规三轴压缩等试验[7], 最大压力可以达到2000 k N。
3.2.2 矸石压缩筒的设计
按照粗粒土材料压缩试验的研究成果, 为了降低尺寸效应对试验结果的影响, 压缩体颗粒最大粒径要小于容器直径的1/5[8]。由于所选矸石试样的最大粒径为60 mm, 则压缩容器的内径应为300mm。设计最大单轴压力为30 MPa, 取侧压系数为1[9], 则筒内壁的径向最大压力也为30 MPa。
由厚壁圆筒的环向应力计算公式得到筒壁内最大环向应力发生在筒内壁, 即:
式中:a为内径, b为外径, σθ为屈服极限, qa为筒壁内压。
在试验中要保证钢筒发生弹性变形, 最大环向应力应小于钢筒的剪切屈服极限, 即:
式中, n为安全系数, 取值1.6;σs为钢材屈服极限。
综合分析式 (6) 和式 (7) , 最终确定外径为340mm, 内径300 mm, 筒深360 mm。选取的钢材为45#钢, 其此时屈服极限为355 MPa。为了消除试验过程中压头与筒壁之间的摩擦, 在加工圆筒时, 需将上口和筒壁进行打磨。
为了在压缩的过程中利于筒内空气的排出而又不至于矸石粉末飞散出来 (图1) , 在钢筒的周边打四排对称的内径为l mm的小眼。
由于钢桶内径较大, 压头整体重量大, 不利于安放, 因此, 将其设计成一大三小四个部分组成, 方便安放和从压筒中取出。压盘也是用45#钢作为材料, 大压盘直径是299 mm, 厚为45 mm。加工直径为150 mm的三个小压盘, 每个高度是65 mm。在三个小压盘轴心处打直径为20 mm的圆孔, 与大压盘通过插销串联, 插销下与大压盘相连接, 利于压缩后提起大压盘 (图2) 。实物如图3所示。
4 试验过程
进行矸石的压缩试验时, 先将钢筒放置于YE—200A液压试验机的承压台上, 然后将预先筛分好的矸石试样装入钢筒, 为使钢筒内的矸石受压时能够承受均布荷载, 把矸石试样的表面铺平, 然后依次放好压盘。在压缩筒的外筒壁上利用磁力吸座固定好量程为50 mm的千分表, 用来读取试验机的压缩行程。将液压试验机的压力板调整到与千分表刚刚接触的位置;调整千分表的位置, 使其伸缩杆与液压试验机的压力盘垂直接触。做好上述准备后, 开动试验机, 每加压10 k N记录一次位移行程。施加的最大压力为1500 k N, 约为22 MPa。加载完毕后, 先卸载油压, 然后把试验机的压力盘升起到一定高度, 把压缩筒搬下试验机承压台, 使用工具把压缩筒的筒身和底部分离, 利用扦子等工具把被压缩后的矸石试样掏出来, 然后装下一组试样, 继续重复着上面的步骤[10]。
5 试验结果分析
5.1 压缩率与压力的关系
矸石试样压缩率是压缩量和装料高度的比值, 式:
式中:η为矸石试样在某压力下的压缩率;ΔH为该组试样在某一时刻的压缩量, H为原始的装料高度。
本次试验每组试样的装料高度都为280 mm。按照式 (8) 得表1, 由表1可以看出, 在整个压缩过程中, 各个阶段的压缩率对比, 均匀配比试样 (A组) 的压缩率一直最小。所以, 在充填开采过程中, 选择均匀配比的充填材料。
5.2 压缩率随压力变化的回归函数确定
由于试验室过程中记录数据各个压力之间存在间隔, 而在某矿生产过程中压力是连续变化的, 为了得到任意压力条件下矸石的压缩率, 对A组矸石试样压缩率随压力的变化曲线进行回归分析, 拟合出回归方程, 将对现场矸石充填工作有很大的指导意义。由表1中A组矸石试样数据, 拟合出压缩率与压力之间的回归函数为:
式中:η为压缩率, σ压力。回归函数的拟合度为0.99, 说明拟合的精度高。绘制出回归函数与A组数据的散点对比图, 如图4所示。
5.3 充填高度回归函数的确定
虽然在矸石压缩试验中, 矸石受压处于完全侧限状态。在充填开采过程中不留巷, 已有三个方向侧限, 只有靠近工作面一侧可能是自由面。由于充填支架有夯实锤, 可以防止矸石向工作面的滑落, 在充填过程中刚刚充填后的矸石和顶板不能完全接触, 矸石没有受到顶板压力, 随着充填工作不断向前推进, 当矸石与顶板接触并开始承载时, 该部分矸石处于侧限状态。所以充填工作面中也可以近似视为完全侧限, 试验中的结果可以在现场中应用。
由式 (9) 计算出充填体的压缩率, 再通过式 (1) 反推出充填体的高度。最终得出矸石充填过程中, 充填高度与采厚、顶板允许下沉量和顶板压力的函数关系为:
式 (10) 各个参数意义与之前相同, 通过式 (10) 就可以确定不同开采条件下的矸石充填量h0。
6 结论
1) 根据试验目的和要求设计的新型试验模具, 该模具具有风孔排压功能, 而且尺寸大使得边界效应对试验结果影响达到最小, 试验所得数据更接近现场条件。
2) 均匀配比的矸石材料充填后压缩过程中压缩率最小, 对顶板控制效果最好。整个矿区都应选择均匀配比的充填材料, 对本矿区及附近矿井充填材料配比的选择具有指导意义。
3) 分析得出了某矿均匀配比的矸石充填材料与压力的变化规律:η=0.0661×lnσ+0.141, 并在此规律的基础上推导出矸石充填量与采厚、顶板允许下沉量和顶板压力的关系式:。
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地表建筑物 篇10
随着地铁行业的快速发展, 隧道穿越的土层多样化, 线路穿越建筑群数量增多, 施工过程中, 对地表的沉降要求更加严格。苏州4号线4标火车站站~北寺塔站盾构隧道施工过程中, 由于地表沉降值较大引起一处围墙开裂、倾斜。通过使用新型材料———惰性聚氨酯, 采取同步注浆和及时注浆相结合, 上部软土层强注浆等方法, 有效地控制了地表沉降值。
1 工程概况
苏州轨道交通4号线4标火车站站~北寺塔站区间 (以下简称火-北区间) 总长2686.506m, 其中区间约1700m位于建筑群下方 (见详图1火北区间平面图) 。区间设置1处风井, 预留盾构机通过的洞门, 围护结构采用玻璃纤维筋墙, 抗压强度最大为51MPa。管片采用“3+2+1”即每环3个标准块A1、A2、A3;2个连接块B1、B2;1个封顶块K块。管片外径6200mm, 宽1200mm, 厚350mm, 转弯环最大楔形量37.2mm。
主要穿越的地层为: (4) 2粉土夹粉质粘土, (5) 1粉质粘土, (6) 1粘土层 (硬塑土层) 。
隧道施工采用复合式土压平衡盾构机海瑞克S-641, 刀盘直径6410mm, 盾尾外径6370mm。盾尾密封采用3道钢丝刷和1道止浆板, 焊接式连接, 抗压能力约0.5MPa。
盾构机从北寺塔站右线首次始发, 在火车站接收, 盾构机调头完成后, 左线隧道从火车站站二次始发。左线隧道因火车站站作业环境因素, 采用半环始发, 掘进至30环时盾尾4号点位漏水漏浆严重, 注浆压力为零, 地表监测数据正常。穿越平四路到达铁路新村时 (右线800环) , 路面整体沉降, 单次最大沉降值-3cm以上。路边1处围墙倾斜、开裂, 墙体与盾构机的相对位置为盾尾后3m。
2 地表沉降的分类
2.1 先行沉降
盾构机到达之前已产生的沉降。主要为地下水位的变化, 有效覆土厚度的增加产生超固结沉降。
2.2 开挖面之前沉降 (隆起)
盾构机通过开挖面之前产生的沉降 (隆起) 。主要为土仓压力与掌子面压力不平衡, 引起应力释放或附加土压力, 造成掌子面塌落和发生塑性变形。
2.3 通过时沉降 (隆起)
盾构通过时所产生的地表变形, 主要为超挖, 土体扰动等引起。
2.4 盾尾空隙沉降或隆起
盾构通过后所产生盾尾空隙, 应力释放引起的塑性变形。主要为同步注浆初凝强度、压力和注浆量不足引起地表变化。
2.5 后续沉降
壁后注浆完之后继续发生沉降。主要为盾构掘进后土体被松动、扰动而产生的固结沉降。
盾构机与地表沉降关系见图2。
3 盾构穿越主要建筑物简介
(1) 火车站南广场地下通道及铁路群 (右线970~1117环) :火车站站房及南广场地下空间施工预留四号线盾构通过中间风井;隧道顶至火车站地下室结构底的竖向净距约8.70~9.00m;火车站地基采用的抗拔桩采用钻孔灌注桩, 桩径0.85m, 隧道边线与地下空间最近桩基的水平净距约1.175m;盾构通过时土压的不稳定;及盾尾漏浆等引起地表沉降。
(2) 北环快速路隧道 (右线895~961环) :通道净高5.75m。火北区间隧道下穿段采用SMW工法桩进行地基加固深8m, SMW工法基坑围护。无桩基, 不影响盾构通过。盾构隧道顶至北环快速路隧道底的竖向净距约7.80~9.27 m。盾构机穿越SMW工法桩加固区时, 由于改良土体整体性好、强度高, 易出现超挖、盾构机无法掘进等现象。
(3) 护城河驳岸及平门城楼 (右线810~890环) :护城河河床底标高为-1.5m, 水面高程1.3m;护城河北驳岸板底标高为-1.5m。板底标高为-1.5m。隧道最浅覆土厚度约14.5m。平门城楼采用钢筋砼梁板式筏板基础和独立基础两种基础, 独立基础最深基底标高为-3.4m;城楼主体高度12.15m, 隧道与城楼基础之间垂直净距12.8~13.9m。由于平门城楼基础薄弱, 建筑年代久远, 半边基础和护城河相连, 长期浸泡在水中, 另一半基础和平四路的路基相接, 土体在路基压缩时固结较密实, 盾构通过时, 城楼极易发生沉降。
(4) 铁路新村 (右线660~772环) :区间隧道下穿铁路新村5栋5层住宅楼, 侧穿2栋5层住宅楼, 住宅楼基础宽为1m, 深为2.0m。隧道埋深与楼房基础之间垂直净距15.8~16.0m, 隧道与侧穿住宅楼的水平净距约5.41m。住宅楼建筑较早, 每栋住宅楼的楼前楼后均有违建平房, 房屋无基础, 墙体单薄且裂隙发育较多, 且作为出租屋使用, 楼间距过道右原来的12m侵占至约为5m。住宅楼地基薄弱, 违建较多, 隧道断面主要为粘土层, 后续沉降持续时间较长, 易发生盾构通过后沉降量较大, 引起建筑物开裂或违建无基础房屋的坍塌。
(5) 桃坞才苑别墅群 (右线490~650环) :隧道下穿桃坞苑别墅群17栋3层住宅楼, 侧穿8栋3层住宅楼, 楼基础为整板基础, 基础深为2.0m。隧道楼房基础之间垂直净距14.8~15.5m, 其中隧道与侧穿住宅楼的水平净距约1.6m。由于别墅群为整板式基础, 面积较大, 承载力较强, 隧道施工时, 隧道断面为6200mm, 隧道下穿或侧穿部分易发生不均匀沉降引起大面积的建筑物开裂。
(6) 苏州美术馆新馆 (右线220~270环) :文化馆新馆建有地下停车场大型建筑物。隧道侧穿新三馆, 与桩基础的水平净距约5m, 隧道与最近地下室底板底的垂直净距约11.8m。隧道侧穿苏州新三馆西南角, 与主体结构桩基础的水平净距约5m;与搅拌桩围护结构水平净距约1.8m。隧道覆土埋深较浅, 有大型地下停车场, 隧道施工时地表沉降对建筑的地下停车场影响较为明显, 从而引起地上建筑物的倾斜或开裂。
(7) 官库巷住宅楼 (右线180~260环) :隧道下穿官库巷2栋5层住宅楼, 条形基础, 基础宽1m, 深2.5m。违建平房较多, 房屋无基础, 部分房屋墙体裂隙发育, 房屋有不均匀沉降, 房屋主人多为孤寡老人。隧道顶与住宅楼基础的垂直净距约14m。房屋基础薄弱, 隧道埋深较浅, 违建房屋多且危险系数高, 隧道施工时沉降量超过控制值, 易发生建筑物开裂或坍塌。
(8) 丝绸博物馆右线 (右线160~203环) :两层结构, 基础为大板基础及条形基础, 大板基础尺寸为1.4×1.4m, 深约2.5m, 建筑年代久远, 砖砌结构, 后期进行了翻新, 隧道与博物馆基础的垂直净距约12.1~13.4m。盾构机通过时, 土压或者注浆量不足, 易发生后续沉降, 引起房屋结构开裂或者翻新面脱落。
4 火北区间地表沉降原因分析
通过对引起地表沉降的原因进行深入分析、研究, 主要原因为以下几方面:
4.1 软硬土层渐变引起的地表沉降。
隧道覆土自上而下依次有: (1) 填土层、 (3) 1粘土层、 (3) 2粉质粘土层、 (3) 3粉土层、 (4) 1粉质粘土层、 (4) 2粉土夹粉质粘土层、 (5) 1粉质粘土层、 (6) 1粘土层、 (6) 2粉质粘土层 (见图3火车站站~北寺塔站区间地质剖面图) 。隧道洞身主要穿越 (4) 2粉土夹粉质粘土层、 (5) 1粉质粘土层、 (6) 1粘土层 (硬塑土) 。典型的软硬土施工, 上部软土层“三低三高”特性:低密度、低强度、低渗透性、高含水性、高灵敏度、高压缩性。盾构机穿越时土体扰动, 孔隙水发生变化, 土体的有效应力减小、抗剪强度降低、改变了土体结构, 影响了土体状态和物理力学性质, 使土体的工程性状发生明显的变化, 易引起地表超固结沉降。盾构施工时, 对软土层的的扰动、土仓压力过高, 附加应力增加, 由于软土自身特性而引起地表的欠固结沉降。粘性土, 由于干强度高、韧性高、无振摇反应, 渗透性高等特性, 盾构穿越时, 随着土仓压力的不平衡引起地表的瞬时沉降;地下水位和孔隙水压的变化引起地表固结沉降、由于超挖和注浆等的影响地表发生次压缩沉降, 由于粘性土低灵敏度, 次压缩沉降引起地表沉降时间较长。
4.2 地下水位变化引起先行沉降
火北右线隧道掘进坡度为-2.5%和-0.35%, 掌子面前方的地下水位变化较小。左线隧道自穿越护城河后, 隧道坡度为0.35%或2.5%掘进。刀盘切削土体外径大于盾尾外径4cm, 掌子面前方的地下水流动, 引起掌子面前方水位下降, 有效覆土增加, 导致地表固结沉降, 引起先行沉降。
4.3 刀具受损, 泡沫使用
风井换刀后, 剩余墙体厚度40cm, 新换刀具刀头受损严重, 地层主要为 (6) 1粘土层, 粘聚力为57.2k Pa。刀具切削土体的能力下降。泡沫使用量增加至40L/环, 瞬间发泡膨胀, 破坏土体结构的完整性, 降低土粒粘聚力。泡沫发泡土仓压力瞬间增加, 掌子面在附加土应力作用下产生弹塑性变形, 地面隆起, 随着气泡的消融土仓压力慢慢降低, 掌子面应力释放, 造成掌子面失稳, 引起地表开挖面之前的 (隆起) 沉降。
泡沫发泡时, 土仓压力瞬间增加, 泡沫液击穿盾体周围包裹的土层 (刀盘直径大于盾体直径) 至盾尾处, 击穿盾尾刷与管环间的油脂释放压力, 击穿油脂的部位形成漏浆通道, 引起地表盾构通过时沉降。伴随着盾尾漏水漏浆, 注浆压力及注浆量达不到要求, 引起空隙沉降。
4.4 半环始发、尾刷受损
由于火车站站作业为封闭空间作业, 左线始发时, -8至-4环管片为半环拼装始发。-5环掘进时, 推进油缸仅下半圆伸出, 导致盾构机整体受力不均匀, 盾构机向左上浮动的趋势, 拼装好的管环整体向右上角隆起, 管环逆时针方向微旋转。盾体与土体摩擦力较小, 盾体随刀盘轻微滚动。当盾体滚动方向与管环旋转方向相反, 盾尾正右侧 (即4号点位) 处盾尾间隙较小, 盾尾刷与管片挤压受损严重, 造成盾尾刷塑性变形, 形成漏浆通道, 同步注浆的注浆量及注浆压力都无法满足要求, 管片与土体间的间隙造成土应力释放, 引起地表尾部空隙沉降。如图4。
4.5 盾构前后姿态、盾尾间隙的差值较大
由于S-641盾构机理想状态下的转弯半径为250m, 火北区间S型曲线半径分别为500m和360m曲线, 在半径为360m的曲线段时, 管片转弯环和直线环的使用比例为3:1, 坡度2.5%, 小半径曲线、大坡度作业, 盾构前后姿态差值较大, 左下铰接油缸拉出值大于右上铰接油缸的拉出值 (海瑞克采用被动铰接) , 前中盾与盾尾之间形成夹角, 盾构前后姿态差值较大。盾尾包裹管片的走向和前盾中盾的运动趋向成夹角, 盾构掘进时, 管片与尾盾壁发生挤压, 挤压力使管片外侧破损或拼装好的管片纵缝、环缝间次生错台严重, 易引起盾尾漏浆而发生地表沉降。
4.6 右线掘进时, 注浆量不足, 地表水倒灌
右线在掘进至护城河时, 由于注浆压力传感器故障, 注浆管空隙减小, 导致实际注浆量小于设计注浆量6m3 (见注浆量计算式) 。造成管片背面空隙较大, 地下水代填充管片与土体间的空隙。右线隧道掘进土体被松动、扰动较大, 地下水含水量的改变, 导致各土层力学性能改变, 引起右线地表后续沉降和左线地表的先行沉降。
注浆量计算式:
式中:V—理论注浆量 (m3) ;L—管片长度 (m) ;D1—刀盘外径 (m) ;D2—管片外径 (m) ;λ—注浆系数, 根据地层等情况确定, 一般取1.8~2.7。
4.7 建筑物的基础较薄弱
倾斜、开裂的围墙、铁路新村、管库巷, 苏州丝绸博物馆等基础差, 埋深浅, 建筑年代久远。盾构机穿越的过程中土体被扰动, 土仓土压的变化, 注浆量不足等原因易引起建筑物的开裂、倾斜、断面变形。
4.8 盾构机掘进时的土压值
盾构正常掘进过程中土压值来源有:第一、土建工程师根据通用土压力公式计算结果。因个人自身素质及土压计算式仅考虑了覆土的自重, 和水压力, 而忽视了预备土压力, 计算值小于实际值, 引起地表开挖面之前的沉降。第二、根据地面监测数据和工程地质条件, 盾构机操作手的经验等综合参考确定某阶段性的土压。由于地表沉降及隆起的监测数据具有滞后性, 可能出现土压太高, 地面先隆起, 盾尾经过后, 土体沉降填充管片与盾尾间的空隙, 监测数据显示正常, 实际土体位移变化值超出了控制值;土压偏低, 引起地表开挖面之前的沉降, 盾构通过过程中, 土体与盾体之间摩擦阻力引起隧道轴向剪切变形, 造成地表沉降值更大, 但盾尾经过后, 注浆量, 注浆压力较大, 造成地表隆起, 隆起值和沉降值相等, 监测数据反应地表无变化, 但实际地表变化位移超出控制值。由于土压不能和掌子面建立动态平衡的关系, 盾构通过后土体被松动、扰动, 随着土应力的重新分布, 地表后续固结沉降值较大。
通用土压力公式:
式中:P—土压力系数;K0—静止土压力系数;z—覆土厚度;γ土—土的比重;γ水—水的比重。
4.9 同步注浆压力控制
同步注浆压力及注浆量直接决定着地表沉降 (隆起) , 注浆压力通过盾尾注浆传感器传输, 注浆量根据注浆冲程计算所得, 如果注浆压力传感器的表面浆液凝固, 传感器的显示值高于实际注浆压力, 造成压力大, 填充空隙率低。注浆过程中, 注浆管内壁浆液凝固, 浆管内径变小。通浆能力降低, 注浆量较小, 注浆冲程数不变, 计算的注浆值总是小于实际注浆量, 引起管片与土体间空隙填充不密实而引起地表尾部空隙沉降。
4.1 0 同步注浆材料选择
由于苏州地区同步注浆材料主要为:黄沙、膨润土、粉煤灰、水。浆液和易性好、初凝后有一定的强度且无收缩率、材料来源充足, 但初凝及凝固时间较长, 不能满足强度要求, 且有失水性;流动的浆液可能向掌子面渗透, 引起土仓压力的变化和掌子面土体劣化, 造成掌子面失稳且降低空隙填充率, 造成地表沉降。
4.1 1 盾尾油脂的质量
盾构掘进的过程中盾尾油脂不断的注入油脂前后腔, 充填在盾尾刷与管环之间, 盾尾油脂的粘度、硬度不符合要求时, 盾尾压力很容易击穿尾刷形成漏浆通道。在实际施工中盾尾刷和盾尾油脂基本无法密封住清水, 水的流动会形成盾尾通道, 冲刷掉尾刷上的油脂, 加剧漏水漏浆, 引起地表沉降。如图5。
4.1 2 土体超挖、推力太大
在盾构机正常掘进时土体超挖, 管片与土体间的空隙较大, 引起盾构通过时沉降。推力较大时, 掌子面前方土体除了受到刀盘的切削力外, 受到附加水平土压力, 隧道轴向滑移, 土体密实度增加, 体积减小, 引起开挖面前沉降。
4.1 3 测量标准
规范规定地表变化范围为+10~-30mm, 但忽视了先沉后隆, 或先隆后沉的位移值, 导致监测数据在可控范围之内, 实际地表变化值, 超出控制范围, 出现监测数据正常而房屋沉降、倾斜、或者断面变形的乌龙事件。
4.1 4 盾构后退、盾体粘土包裹
盾构暂停掘进或者停机时, 油缸泄压, 引起盾构后退, 使开挖面土体失稳或松动, 造成地表沉降。粘土层粘性较大, 盾构外周粘附一层粘土时, 盾构通过后, 盾尾空隙增加, 引起地表沉降。
5 采取对策
(1) 针对软硬地层特性, 进行强注双液浆, 每环注浆1.5m3, 通过浆液拌合改变软土的特性, 控制固结沉降和欠固结沉降值在2mm范围内。
(2) 采取新工艺、新技术、同步注浆材料中加入少量的水泥和具有惰性发泡的化学物质———特质聚氨酯, 伴随同步注浆注入土层中, 保证每环注浆量为6m3。水泥作为胶结剂, 可以加快浆液初凝时间, 达到早期强度要求, 减少浆液流动对掌子面土体的劣化。特质聚氨酯的亲水性和发泡率高, 且发泡后具有适当的强度、弹性及渗透性, 可以更好地填充盾尾空隙, 有效的防止地表沉降。
(3) 管片外表面涂抹特质聚氨酯, 管片在盾尾脱出后, 涂抹的特质聚氨酯长期在水中浸泡, 发生化学反应, 发泡后的聚氨酯可以有效填充土体空隙, 增加空隙填充率, 有效地防止地表后续沉降。
(4) 针对盾尾刷受损漏浆、漏水的原因, 在建筑群更换尾刷风险太高, 可能造成不堪设想的后果。我们采取了同步注浆加及时注浆的补救措施, 盾尾4根注浆管中停止距离4号点位最近的2号注浆管, 改为在盾尾后6环 (及脱出盾尾3环的位置) 进行及时注浆, 每环的注浆量严格控制为6m3。同步注浆在掘进时进行, 保证注浆量3m3;及时注浆在掘进过程中和掘进完成后持续进行, 保证注浆量达到3m3后停止及时注浆。通过及时注浆结合同步注浆的措施, 保证了每环的注浆量, 降低了发生后续沉降的风险。同步注浆量相对减少, 降低了盾尾刷被击穿而发生漏浆漏水的概率。在盾尾进入建筑群前进行双液浆封环, 脱出建筑群后再次双液浆封环, 把每个建筑群划分为点, 各个击破。前后封环后, 从管片吊装孔引孔补浆, 使得管片与土体间的空隙填充饱满浆液, 降低后续沉降值。
(5) 对管片错台, 盾尾间隙严格要求, 纵缝、环缝的错台值控制在5mm以内, 盾尾间隙保证在30~60mm以内。对盾构姿态调整、线型纠正采用少量勤纠的原则, 管片选型时, 降低转弯环和直线环的使用量比为1:1, 每块管片之间增加条遇水膨胀橡胶条, 同原来的止水橡胶条形成双保险。
(6) 盾尾油脂由原来性能偏低的国产油脂, 全部更换为性能优越的进口油脂, 国产油脂硬度较大, 粘性偏低, 抗击穿能力较差, 而进口油脂粘性较强, 硬度低, 填充率强。盾尾刷受损, 漏浆漏水易污染油脂腔, 使油脂腔内油脂夹浆, 浆液凝固, 油脂填充口封堵或油脂腔无法储存油脂, 我们采取隔7~8环盾尾填充海绵条的方法, 进行油脂腔清理, 提高盾尾刷封浆能力和油脂的纯度, 更好的密封盾尾。由于盾尾刷受损或发生弹性变形, 封浆能力下降, 我们采取每环开始掘进前10分钟开启油脂泵, 增加油脂腔的油脂压力值和油脂量, 由原来的28kg/环增加至38kg/环, 提高盾尾刷油脂抗击穿能力。
理论油脂填充量计算式:
式中:Q—油脂填充量;D—管片外径;B—管片宽度;t—管片表面油脂附着膜 (通常取值5mm) 。
(7) 严格控制土压值, 建立土仓压力和掌子面压力的动态平衡。每环掘进时都进行土压计算, 计算式中考虑预备土压力值, 结合地表监测值进行调整, 确定每环的最终土压力, 建立起动态土压动态平衡。
土压力公式:
Pmax=地下水压力+静止土压力+预备土压力
预备土压力:补偿施工中损失的土压力, 通常取值为10~20k N/m2。
(8) 严格控制每环出土量不超过36m3, 避免出现超挖或者欠挖现象, 控制推力至20000k N以内, 减少土体前方掌子面的附加应力值, 预防掌子面隆起。
6 结束语
实践证明, 火~北区间通过强注浆, 更改注浆材料, 管片外表面涂抹特质聚氨酯, 同步注浆结合及时注浆等一系列措施, 保证了盾构在直线段掘进期间及完成后, 地表累计最大沉降量-4mm;最小半径360m掘进及完成后, 地表累计最大沉降量-8mm, 整体累计沉降控制在+2~-8mm之间。软硬土层中盾构穿越建筑群时地表沉降得到有效控制, 保证了盾构机顺利穿越建筑群, 保证工程进度和工程质量。
参考文献
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[3]刘国彬, 王卫东主编.基坑工程手册[M].北京:中国工业出版社, 2009.