盾構法施工地表高速公路安全監測及穩定性評價
第1章 盾構施工引起地層移動與變形規律
地鐵隧道盾構施工引起土體局部應力釋放，導致地層損失，周圍巖土體在彌補該空隙損失的移動過程中，引起地表沉降與變形。地層體積損失的大小與地質條件、開挖面的水土壓力平衡狀況、地下水位情況、隧道施工方法、隧道開挖進度、盾尾空隙和壁后注漿量的大小、隧道埋深、隧道形狀、地下水位及永久支護的形式和強度因素等相關。盾構法施工的特點：對周圍環境影響小；工序循環進行，施工容易操作管理，挖掘土方量較少，且施工不受氣候的影響；對地表周邊建（構）筑物影響程度小；對地層要求低，適應軟弱地質條件。施工精度高；盾構施工工藝比較安全、掘進速度快等。盾構法是全斷面推動圓筒狀鋼殼(稱為盾構)開挖隧道的方法，從盾構前部的土層進行挖掘，盾構后部將鋼管片或混凝土管片組裝成襯砌環，液壓千斤頂將盾構向前推進。水文地質條件不同盾構構造也不同，在含水較高的地層中更適合采用盾構施工。
1.1 隨機介質理論
隨機介質理論是波蘭學者李特威尼申（j.litwiniszyn）等于上世紀 50 年代通過研究沙箱模型，并采用數學方法表示模型，這些嚴密的數學方程式就是隨機介質理論，具體體現在五大公理：唯一性；均值性：n 個相同單元開挖產生的影響等同于單個開挖所產生影響的 n 倍；疊加性；存在單位運算子；正值性：開挖引起的巖層只有下沉。我國學者劉寶琛、廖國華等進行深入研究發展為概率積分法，并 1990 年代引入到地鐵隧道等城市開挖工程的地表移動與變形的預計。地下開采所引起的巖層及地表移動過程看成是由地下多個單元開采所引起的巖層及地表單元水平移動表達式,單元下沉盆地表達式是經迭加的移動與變形分布表達式的隨機過程。
1.1.1 隨機介質理論模型
李特威尼申研究漏斗漏砂模型，認為介質是由類似沙粒的顆粒組成，顆粒之間彼此獨立，且顆粒之間的移動是相互獨立的隨機過程。因此可將大量的顆粒介質體的移動看成隨機運動過程。假設顆粒介質是由大小相等、質量均一的大量小球組成，當一個小球被移走后，上一層的兩個相鄰的小球，由于重力作用下將有一個小球滾下占據移走小球的位置。假設上一層每個小球下滾的概率都是隨機的，并且彼此都獨立，且概率相等。一個由無數小間，每間中有且僅能放一個小球所構成的體系。該體系滿足如下條件：假設第 1 層取走小球 b1 后，其位置將由第 2 分層的小球b1或者 b2滾下代替；第 2 層小球又由于空缺一空間，引起第 3 層的小球下滾，如此循環滾下上一層的小球替代下一層的小球。取走第 1 層 b1 后，第 2 層 b1與b2下落的機率均等，分別為 1/2 的概率；若第 2 層是 b2下落的概率為 1/2，引起第 3 層 b1,b2和 b3下落，它們落入第二層 b2的分別為 1/4,2/4,1/4；同理，第三層某個滾入第二層后，引起第四層的某一個小球滾入第三層某一個滾下的小球，如此類推，得到各層小球滾下的概率分布，見圖 2.3。采用德莫佛-拉普拉斯定理和數學歸納法，假定小球十分的小，即可認為是單位開采所引起的地表沉降。
1.1.2 隨機介質理論
設直角坐標系為 x , y,z及 s , q,m。在采深為 h 處，地下開挖0002 s × 2q×2m的單元體積引起地表點下沉所形成的最終穩定盆地稱為單元下沉盆地。地下處開采使地表點 a( x,y)附近某一小塊面積發生下沉的概率表明單元體積的開采影響地表時的概率，地表下沉盆地的表達式:( x,y)ds=p exp[ h(x+y)]w(x,y,z)令開采單元面積 1,則地表下沉盆地為單元盆地.
1.2 地鐵盾構開挖引起的地表移動與變形
暗挖法施工的隧道，不管是采用新奧法還是盾構法施工，都不能完全消除工程開挖對地表的影響。由于地層損失，周圍巖土體在彌補損失空間移動過程中引起地表移動與變形。非疏水開挖時，地表移動與變形可認為是由隧道的地層損失引起的，而在人工疏水開挖的情況下，還需考慮巖土體疏水固結所引起的地表沉降與變形。地鐵隧道盾構開挖產生的影響是指盾構施工開挖引起的圍巖或地表移動與變形，地面沉降橫剖面一般呈盆狀，可用概率積分法來描述。盾構機掘進引起土體應力的改變分為 5 部分：土體應力在盾構機推進前方改變；土應力在盾構機推進過程中土體與盾構機的摩擦改變；土應力在盾構機在切削過程中工作面的改變；土應力在盾構機脫盾時空隙引起土層改變；土體應力在恢復地應力時長期流變的變化。盾構隧道施工引起的地層位移分 5 個階段盾構機到達前超前影響產生的沉降當隧道開挖面距地表監測點數十米時，監測點開始產生沉降，這部分沉降是由于超前影響導致。盾構機到達監測點下方時監測點產生的沉降或隆起盾構機的推力過大、開挖面的塌陷等因素，導致地層隆起或沉降。盾構機通過監測點時所產生的沉降盾構機通過監測點后盾尾應產生空隙而沉降后續長期固結沉降劉建航、侯學淵將其簡化為 3 個時段：①盾構機到達監測點前的地面變形；②盾構機到達監測點下方時的沉降；③盾構機通過監測點時的地面變形以及巖土體后期固結變形。
1.2.1 地層損失理論
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1.2.2 隧道盾構法施工地表移動與
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1.3 本章小結
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第2章 監測方案設計及數據分析處理
2.1 高速公路監測方案設計
2.1.1 高速公路監測精度要求
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2.1.2 監測原則
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2.1.3 監測內容及范圍
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2.1.4 測點的布設
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2.1.5 監測周期
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2.1.6 監測方法
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2.2 監測數據分析與處理
2.2.1 監測數據異常情況類型
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2.2.2 異常數據異常分析
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2.2.3 小波分析數據處理模型
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2.3 本章小結
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第3章 高速公路穩定性評價
3.1 高速公路穩定性評價指標
3.1.1 盾構地下施工對
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3.1.2 盾構開挖對
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第4章 結論
由于地層損失城市地鐵隧道盾構法施工打破了巖土體的原始應力平衡狀態，引起周圍巖土移動與變形。城市地鐵隧道盾構施工穿越高速公路容易引起高速公路、橋梁涵洞以及附屬設施變形，其變形是一個復雜的過程，變形量的大小與多種因素相關，本文以長沙地鐵 2 號線 1 期工程光達站～新長沙站區間，盾構施工穿越京珠高速公路為例，經研究得出以下結論：(1)根據地鐵盾構施工的特點、盾構施工導致地層損失的機理以及盾構施工導致地表移動與變形的規律進行了分析，研究了隨機介質理論模型在隧道工程施工引起周圍地表移動與變形機理。(2)研究了城市地鐵盾構施工對高速公路的影響類型，主要圍繞高速公路下沉、水平移動、水平變形、傾斜、曲率 5 個方面而展開；通過分析評價高速公路穩定性的五個指標，得出其相互間定量與定性的關系，研究出一套評價高速公路穩定性評價指標。(3)通過已確定高速公路穩定性指標，將高速公路穩定性劃分為 4 個風險等級，劃分界限分別為 0 倍允許值，1/3 倍允許值，2/3 倍允許值，1 倍允許值，并在各個閾值范圍內建立隸屬函數，通過采用模糊函數模型對其進行五個指標綜合評價高速公路的穩定性評估。(4)針對城市地鐵穿越高速公路，設計專門對高速公路穩定性的監測方案，主要包括監測精度要求、原則、監測內容及范圍、監測點的制作以及埋設、監測周期確定、監測方法的選擇。(5) 提出了 3 種異常值出現的類型：外界環境無異常情況下，監測數據與以往數據比較，發生突變，表現為監測點較大的上升量或者下降量；外界環境無異常情況下，監測數據連續幾期數據具有時升時降；外界有異常情況時，變形量與常規相違背。接著提出了采用置信區間的方法對異常監測值進行判定，并根據異常值的 3 種類型對異常值進行了成因分析，對偶然誤差系統誤差提出了采用小波分析的方法進行去噪處理，還原事物的實際變形規律。
