黄土地区地铁隧道浅埋暗挖法施工地表变形规律研究-硕士论文

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取 得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机 构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 万方数据 万方数据 论文题目：黄土地区地铁隧道浅埋暗挖法施工地表变形规律研究 工程领域：建筑与土木工程 硕 士 生：刘 翔 （签名） 指导教师：杨更社 （签名） 王建智 （签名） 摘 要 地铁轨道交通是城市的绿色交通工具，是实现城市合理布局的最有效的工具，是缓 解城市道路交通压力最有利的工具。在城市中大规模地铁建设的同时，涌现出许多工程 技术问题急需解决。如何在地铁隧道施工中预测和有效地控制地表变形，从而保护地铁 隧道沿线的已有建筑和地下管路设施的安全，成为了有待解决和研究的一项重要而长期 的课题。 本文以西安地铁一号线洒金桥北大街区间隧道为工程背景，针对西安黄土地区地 铁隧道施工过程中岩土体的变形特征进行研究。文章以现场监测为基础，采用理论分析 和有限元数值模拟相结合的研究方法对黄土地区地铁隧道施工引起的地表变形进行分 析研究。 通过分析地铁隧道在浅埋暗挖法施工时地表土层变形的机理，对地铁隧道开挖的过 程中地层原始应力的改变、土体的固结沉降、地层的损失等理论进行了综述，并对西安 地铁施工中影响地表沉降程度较大的因素进行了分析。 运用 MIDAS 软件建立数值模型， 分析地铁隧道在不同施工参数下开挖时对土体变形特征与隧道性状的影响，主要考察岩 土体的变形响应、应力分布及地表变形等。根据隧道施工现场的设计施工参数、工程地 质条件和环境条件，运用分析软件对西安地铁一号线区间隧道进行了数值模拟，分析了 在超前支护开挖过程中，地铁隧道围岩位移变化和围岩应力变化。并且通过现场监测数 据分析围岩的变形规律，掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈。最后将数值模拟的计 算值与现场监测数据进行对比，对地表变形进行分析，验证隧道施工的合理性，为地铁 隧道的设计优化与施工工序优化提供科学的依据。 关 键 词：浅埋暗挖法；地铁隧道；黄土地层；现场监测；数值模拟 研究类型：应用研究 万方数据 万方数据 Subject : Research on the Changing Rule of Ground Deformation Caused by Construction of Subway Tunnel with Shallow Tunnelling Method in Loess Area Specialty :Architecture and Civil Engineering Name :Liu Xiang (Signature) Instructor :Yang Geng-she (Signature) Wan Jian-zhi (Signature) ABSTRACT Metro transportation is a green vehicle for cities, which could both help to implement rational urban construction layout and to alleviate road traffic pressure in cities. However, a lot of tunnel engineering problems emerged and required urgent solutions during massive metro development. Therefore, how to predict and effectively control surface deformation as well as protect existing buildings and under-ground pipes infrastructure during metro development has become an important theme for us to answer and investigate . This paper takes metro line 1(from SaJin-Bridge to North street) in XiAn city as the engineering background and field measurement and monitoring as fundamental, adopts the investigation method combined of theoretical analysis and finite element numerical analogue to conduct research on the surface deformation rule of yellow soil in XiAn arose by the metro tunnel construction. Through the analysis of the surface deformation when we use shallow tunneling method during subway construction,we have summarized the change of the in situ stress, the consolidation settlement of soil and formation of the loss. And analyze the factors which influence ground surface settlement the most in the subway construction at the same time. Software MIDAS is adopted to build the numerical models to analyze the effect of different factors on Soil deformation characteristics and tunnel traits when we conduct excavations. Especially focus on the deformation response of rock and soil mass, stress distribution and surface deformation. This paper analyzed the deformation tendency of surrounding rocks and the dynamic information of surrounding rocks and its strut and give feedbacks based on field 万方数据 measurement and monitoring. Numerical simulation is conducted for Metro line 1 of XiAn city based on construction parameters, Engineering geological and environment conditions. The result of simulation and field measurement has been compared to reach dynamic change of displacement and the stress of surrounding rocks. The analysis in land surface deformation has laid scientific groundworks for design optimization and implementation order optimization in metro tunnel construction. Key words:New Austrian Tunnelling Method; yellow soil layer; field measurement;numerical simulation Thesis ：Application fundamental study 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 .1 1.1 研究背景及研究意义.1 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究意义 4 1.2 国内外研究现状 .5 1.3 本文研究方法和内容7 2 黄土地区地铁隧道土层变形机理及影响因素9 2.1 地铁隧道开挖土体的变形机理 9 2.1.1 地层初始应力状态的改变 .9 2.1.2 土体的固结沉降.11 2.1.3 地层的损失理论.16 2.2 影响西安地铁地表沉降的因素分析.16 2.2.1 隧道断面形状.16 2.2.2 隧道埋深 16 2.2.3 黄土性质 17 2.2.4 地面沉降槽.18 2.2.5 地下水18 2.2.6 支护结构 18 2.2.7 施工工序 19 2.2.8 邻近施工 19 2.2.9 时间因素 19 2.3 地层变形的形式 .19 2.3.1 地表整体变形形式.20 2.3.2 地表拱式变形形式.20 2.4 小结.21 3 施工参数对地表变形的影响分析.22 3.1 引言22 3.2 MIDAS 软件简介22 3.3 数值模拟计算分析.23 3.3.1 数值模型的建立.23 3.3.2 埋深对地铁隧道性状和地表沉降的影响 .24 3.3.3 开挖孔径对地铁隧道性状和地表沉降的影响27 万方数据 目 录 II 3.3.4 围岩的性质对地铁隧道性状和地表沉降的影响29 3.3.5 支护措施对地铁隧道性状和地表沉降的影响31 3.3.6 开挖方式对地铁隧道性状和地表沉降的影响36 3.4 小结.37 4 西安地铁隧道区间段数值模拟39 4.1 区间概况.39 4.2 区域水文地质条件.39 4.2.1 地层岩性 39 4.2.2 湿陷性黄土.41 4.2.4 古土壤41 4.2.5 区间水文 41 4.3 数值模拟42 4.3.1 工程概况 42 4.3.2 模拟条件的确定.44 4.3.3 基本假设 45 4.3.4 模型参数的选取.46 4.3.5 数值模型建立.46 4.4 模拟结果分析.47 4.5 小节52 5 西安地铁隧道区间段监测分析.54 5.1 监测的目的及原则.54 5.1.1 监测的目的及意义.54 5.1.2 监测的原则.54 5.2 监测的项目.55 5.2.1 监测项目控制标准55 5.2.2 地表沉降监测57 5.2.3 拱顶沉降监测60 5.2.4 结构净空收敛监测63 5.2.5 围岩压力监测65 5.3 现场实测数据和模拟算结果数据对比69 5.4 小节70 6 结论与展望71 6.1 结论71 6.2 展望72 万方数据 目 录 III 致 谢.73 参考文献 .74 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及研究意义 1.1.1 研究背景 城市地铁已成为现代化城市的重要标志与美化城市的窗口， 它作为现代化城市的新 型交通工具，具有绿色、环保、快捷等优点，也是城市绿色环保的交通工具。当今中国 处在高速发展时期，在经济发展的同时城市现代化水平也在高速发展。伴随着全球范围 内现代化城市的形成，城市规模快速扩大，导致人口快速增长、生活空间减小、交通拥 堵等，在很多城市出现用地紧张的现象，给现代化城市带来的负面影响会很大，同时也 制约着经济的发展。公共交通的发展是最基础的策略，大容量快速轨道交通的发展己成 为解决大城市、特大城市交通问题的技术路线。尤其在城市里，对于地下空间的开发利 用，修建地铁交通系统，并且对于新型交通的开发利用将会是今后现代化城市交通系统 发展的主要趋势。 远古时代的人类对于地下空间有一定认识，并且在生活中能够简单的利用地下空 间，直到欧洲产业革命发生之前，人类对于地下空间的开发利用是非常有限的。随着人 类文明的进步及新型科技的出现，在欧洲产业革命爆发以后，地下空间的开发利用得到 迅猛的发展。17 世纪 60 年代世界上第一条铁路在欧洲的英国伦敦修建成功之后世界范 围内许多发达国家相继都在修建城市轨道，如：莫斯科纽约、雅典、东京、巴黎、布达 佩斯、柏林、马德里、等 20 个城市。我国的地铁始建于 1965 年，目前中国已经在北 京、深圳、广东、上海、哈尔滨、成都、重庆建成一定规模的地铁并投入运营。在我国 21 世纪初期， 有的大城市及特大城市的主要交通干道， 单向干道的车流量达到超饱和状 态，这种情况紧靠传统的交通是不能得到解决的，而高流量的有轨交通系统方案就成为 解决这一问题的首选。高架道路产生的震动和噪声会给城市环境和人们的生活带来负面 影响，高架线的建设会使周围用地的价值贬值，但是地铁沿线用地的价值却会增值。因 此，城市地铁的建设会是我国 21 世纪城市地下空间发展的重点1-2。 现代化城市地下交通系统不仅具有高速舒适、安全准时，而且还具有环保无污染、 节能等特征，对地上空间的占用面积较小，不会破坏地面的景观，交通路线简单，载送 乘客的数量大大增加。分担了地面上交通的载客量，同时也解决了现代化城市交通拥堵 的问题。修筑地下地铁工程时也要把人防工程考虑在内，使得在平时生活中地铁发挥其 交通载客的功能，在爆发战争时能够使其转变为防空掩体安全堡垒，近些年来，它已成 为现代化城市交通运输设施的重要组成部分。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 中国占世界人口的比率较大，在中国交通严重拥堵的现象在许多大中城市都出现， 对于这一难题要使其得到解决，最有效的方法是对人流量进行分流，所以修建地铁可以 很有效的把人流引入地下，减少地面交通压力。伴随着经济和科技的迅速发展，城市中 的地铁已在修建或者将要被修建，所以在我国城市地铁工程将会是一项长期而艰巨的任 务。 城市交通问题同城市的经济、环境、人口、规模等因素紧密联系。经济迅速增大， 人均收入增加以及人均消费水平提高，同时交通结构的需求也发生很大的变化；现代化 城市不断扩增，人们出行次数、时间及距离的增大；商业化和工业化的发展使得车辆的 增加在城市道路上行驶的路程更长；城市化人口的增长及人口数目占全球总人数的比例 也在上升；城市区域地价飞涨，道路难于拓宽。在城市中用修建道路的传统方法来解决 拥挤的交通问题已无法满足日益增长的城市交通需求问题。 经济增长的同时城市化也在加速发展， 城市人口的增多使得城市中的用地空间日益 减少，所以对地下空间进行合理的开发利用已迫在眉睫，建设地下地铁交通可以把城市 中的主干线路转移到地下，构成通畅地下交通网线，同时为解决城市交通拥挤提供有效 的措施。地铁交通是现代化城市的绿色、环保交通工具，具有效率高、载客量大、准时、 污染小等优点同时安全舒适、快捷方便、缓解拥堵、节能环保、使城市更适宜居住的优 点，它给城市的布局提供合理实现方案，在各大城市中地铁工程已被提上规划日程，用 以缓解拥堵的交通压力。 我国经济在日益增长的同时现代化城市也在加速成长， 同时也带动了地下工程的快 速发展，包括有地下隧洞、人防工程、地下市政工程、地下通道工程等。施工时难免会 对地层土体产生扰动，破坏围岩应力状态，从而导致邻近建筑物出现不同程度的变形。 在地层中由于地质条件的复杂性与地下岩体状态的不明确性，施工中采用施工方法不同 的，即使在施工中采用最合理的施工方法也难免消除对围岩的扰动从而引起的地表变 形。当变形超过极限时，施工现场及附近会出现隧洞破坏、基坑坍塌、地下管道断裂、 地面塌陷、周边建筑物损害等诸多安全事故。从而影响到地下隧道的安全运营和地表建 筑物的正常使用，不仅使国家受到重大的经济损失，而且对社会产生不良的影响。 在城市中修筑地铁的线路都会下穿城市繁华的区域，由于城市中地质环境复杂、地 下管线网密布、建筑物密度大，地铁施工现场场地狭小、周围交通繁堵，所以要求对施 工条件和区域内环境的控制更为严格。除青岛、重庆等城市在修筑地铁隧道时穿越岩石 层外，绝大部分城市地铁隧道将在土质地层中施工建设，埋深一般不大。由于土层地质 本身的物理特性，强度低，结构性强，容易变形破坏，因此，地层的沉降和变形问题在 地目前铁建设中尤为突出，成为各个参与建设工程中技术及管理人员普遍关注的焦点。 对未来地面变形的正确预计，制定出完善的施工方案，选取最合理的支护措施，确保施 工区域地层上部建筑物以及地下基础设施的正常运行。在我国相继在北上广等地区大概 万方数据 1 绪论 3 有 40 多座城市中地下地铁隧道的修筑时，会造成地表及地下建筑物的损坏，因地铁施 工时引起的围岩变形过大而增加，因此，研究地下地铁施工引起地表变形及其沉降规律 已迫在眉睫。 西安是世界闻名的历史古都，自 1994 年西安市人民政府在西安城市总体规划 （19952010 年） 中首次提出兴建 4 条城市地下交通线路，长度 73.17km，这项规划 于 1999 年获得国务院批复。按照 2005 年西安市城市地铁规划线网，西安市将会共建设 6 条地铁线路， 总长 251.8km， 由三条骨干线和三条辅助线组成， 网络共设 16 座换乘站， 150 座车站（不含一号线东、西延伸段） ，10 座车辆段，4 座停车场，2 处控制中心，如 图 1.1 所示3，并且已取得重要阶段性成果。西安地铁二号线已在 2011 年 9 月 16 日通 车试运营，一号线也已在 2013 年 9 月 15 日通车试运营，地铁三、四号线正在加快建设 中。预计在 2018 年，西安市将会修建成 6 条地铁线路并且运行，通车总路程将会达到 200 公里，城区主要地下交通网线将会形成，交通拥堵问题会有很大程度上的缓解，城 市发展的速度将进一步加大。 2006 年 9 月 29 日，西安地铁二号线（试验段）工程破土动工，这标志着古城西安 进入了大规模修建地下轨道交通的地铁时代。在复杂地质条件下，地铁隧道开挖过程中 面临着众多的技术性难题，其施工规模和开挖深度不断加大。西安地铁二号线是修建在 建筑物较密集和人口较稠密的区域，由于受到施工场地周围空间的制约，对于监测和控 制在地铁施工时诱发的地表沉降与变形，最为严格。严格监测控制沉降值（包括不均匀 沉降和整体沉降）和横向变形值，确保监测数值在合理的范围之内。 图 1.1 西安市城市地铁轨道交通规划图 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 西安地铁是我国在黄土地区修筑的第一条城市地下轨道交通系统。 由于西安特有的 地层特性（属湿陷性黄土区） 、施工条件（穿越市中心繁华地段及大量古建筑、古遗址） ， 使得西安地区开挖隧道引发的沉降以及对周围环境问题尤为突出，为了保证工作面稳定 与施工的顺利进行，就必须对地铁隧道施工中地层变形做出系统的研究。本文以西安地 铁一号线洒金桥北大街区间为工程背景，针对地铁工程建设过程中的某一实际问题进 行多方面研究的基础之上，系统地探讨地铁隧道在浅埋暗挖法施工时对地表变形的影 响，如何降低地铁施工中对地表变形影响，以及施工中减少对周围环境产生的破坏。为 地铁工程设计、施工及工程环境问题的处治提供科学的理论依据和实用的工程技术 1-5。 1.1.2 研究意义 目前在世界各国的地铁隧道建设过程中，浅埋暗挖施工方法已经被广泛采用。这种 方法是在新奥法原理的基础上在第四纪软土中开创的新的岩石隧道施工方法。浅埋暗挖 法最初成功应用在北京的地铁建设过程中，施工时采用了“管超前、严注浆、短开挖、 强支护、早封闭、勤监测、速反馈”的施工原则，然而这是在第四纪地层、无水、地表 无建筑物的条件下完成的。1987 年，北京地铁复兴门车站折返线工程，是首次通过采 用暗挖法而建成的。城市地铁浅埋暗挖法施工适用于复杂多变的地质环境及不同隧道结 构断面，它的施工设备比较简单，施工方法多变灵活，对施工现场周围环境和交通干扰 小等诸多优点，在全国被广泛推广应用。经过在北京、广州、南京等多年的地铁施工实 践，该方法已经成为我国地下工程施工的重要技术方法，对于过街通道、市政管网及公 路、铁路等浅埋工程同样适用。在诸多的工程实践中，浅埋暗挖法与盾构法、明挖法相 比较，在经济性、可操作性、以及应对复杂多变地层的灵活性上有着突出的优点。 地铁施工的监测技术对于地铁施工的安全实施及后期的运营中安全的研究在近几 年已引起高度的重视。但是由于其特殊性和复杂性，在施工时对地表沉降的监测以及控 制标准就会更加严格。比如在上海地铁、广州地铁和北京地铁的施工中，要求地表沉降 量30mm，一些特殊地段要求地表沉降15mm。由于在城市地铁施工时，对于围岩变 形的规律以及如何控制缺乏系统的研究，对这一问题仍需要更深一步的探讨和研究。 地下空间工程施工需要在土体内部进行实施，在使用最先进的隧道施工技术时，也 都会不可避免的对岩土体造成扰动，从而引发围岩体变形。地铁隧道工程建设的大量实 践表明，在施工的过程中会带来不同程度的影响，例如施工区域周围的建筑物、地下构 筑物或地下市政管网等。因此在地下工程开挖时，要把与城市中有意义的基础设施保护 起来。一直以来地铁施工引起的围岩变形是人们关注的非常重要研究课题，特别是在建 筑物密度相对集中的城市中进行的隧道施工。在进行地下施工的过程中，不可避免的扰 动围岩体引起地表变形。当变形值超过规定的范围时，会影响到地面建筑物和地下市政 管线的安全及正常使用。为了减小在地下施工时引发的不良影响，人们必须正确的预计 万方数据 1 绪论 5 地表移动与变形。因此地表沉降成为城市地下工程施工过程中最为重要的控制指标。为 此目的，人们进行了广泛而长期的研究 6-8。 在地铁建设过程中准确估计地表沉降以及如何控制这种变形是非常重要的而且有 着很大的意义。从我国目前的工程实践和学术研究来看，在施工参数对暗挖地铁隧道开 挖土体变形的影响上，对多个施工参数（埋深，围岩性质、开挖方式、支护方式等）影 响进行系统的分析，对于地铁的建设具有借鉴意义。因此本文针对西安黄土地区浅埋暗 挖地铁隧道施工过程中对地表层变形（地表沉降、拱顶的沉降、拱底隆起、洞内收敛、 围岩压力等）的影响进行系统的研究。 1.2 国内外研究现状 对于地表沉降的影响因素有很多，如：埋深大小、施工方法、断面尺寸、支护方式、 地质条件等，诸多因素造成地铁施工中地表变形和移动。在地铁施工过程中引起的隧道 围岩体受到扰动、地层中围岩体的缺失以及围岩受到剪切力的作用产生破坏等原因使得 围岩发生固结现象造成地表沉降与变形。因此，在施工中即使采用最好的施工方法，也 不可避免的引起地表沉降与变形。因地铁隧道施工而引起的地层沉降，一直都是国内外 长期研究的问题。在国内外，诸多学者及科技工作者对地铁隧道施工引起地表变形及如 何较好的预测其变形做了大量的研究工作，在长期的实践中总结了一系列预测的方法， 主要可以概括为经验公式法、数值分析法、理论解析法和相似模拟法等。 （1）经验公式法 应用数学知识建立曲线模型来表示隧道在开挖后由于诸多方面的作用在地表层产 生得沉降槽，依据沉降槽的形状特征及地表沉降监测的数据，与工程资料等，来分析确 定曲线模型的特征参数是经验公式法的表现。施工中引起的地表沉降分布和数值的大小 是人们最为关心的问题 二世纪六十年代末期，Peek 经过大量工程实践及隧道实地测量，首次对地层损失的 理论进行发表，在大量的理论及计算基础上建立了估算地表沉降量的计算公式。Peck 认为地下施工在不排水的状态下产生地表变形，地层中隧道开挖导致的地表下沉值的分 布曲线可以近视为正态分布曲线称为高斯曲线（如图 1.2 所示） 。 2 max 2 ( )exp() 2 x S xS i （1-1） ( ) 2 i V S x i （1-2） 式中 ：( )S x距离隧道中心轴线为 x 处地表沉降值(m)； ( ) i V 施工造成的隧道单位长度地层损失(m)； max S隧道中心线处地表最大沉降值(m)； 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 i隧道中心至沉降曲线反弯点的距离(m)。 图 1.2 地表横向沉降图 地表沉降公式的提出具有划时代的意义，大量学者在表沉降公式的基础上做了大量 的研究工作， 1981 年 Atewell 认为地表下沉的横向沉降槽宽度系数主要由地表附近地层 土体的强度、地层中隧道埋深以及隧道洞径来决定；1991 年刘建航等在 Peck 公式的原 理地基础上对其公式进行优化， 并提出了预测地表沉降新的计算公式； 1993 年同济大学 侯教授学渊根据理论研究并结合现场实测资料做大量的分析研究，在考虑时空效应的基 础上对 Peck 公式进行了修正；2000 年 Celestino.T.B 等应用有限元数值软件并结合现场 监测数据对地表沉降进行研究，提出在隧道掘进的过程中使得地层中土体大面积的变为 塑性区时，土层内隧道断面的横向沉降槽分布曲线与正态分布曲线大不一样，这种状态 下应用 Peck 公式计算得到沉降值会比实际测量值小得多 6-9。 （2）数值分析法 用传统的计算方法来计算地表沉降量，由于影响地层变形的因素很多，所以在计算 时不能全面综合的进行分析。随着科技的进步，我们可以借助计算机强大的功能来帮助 我们快捷的计算出影响地表变形的原因， 预测地表沉降量的大小， 给施工合理有效依据。 计算机与数学的相结合研发出有关于计算地面沉降的数值软件，现如今数值分析的 计算方法大体上有：有限单元分析法、有限差分分析法、离散单元分析法及边界单元分 析法等。对于地下工程的某一特定的工程问题借助数值模拟分析的方法会更准确合理的 计算出结果。 1985 年 Finno隧道拱顶竖向沉降从 26.31mm 降到 22.23mm，降低了 15.51%;拱腰横向收敛从 24.36mm 降到 18.95mm，降低 了 22.21%;拱底竖向上鼓从 29.31mm 降到 23.62mm，降低了 19.41%。从上面数据可以 看出，仅仅依靠超前预支护措施对土体变形的控制效果并不明显，但是由于预注浆与周 围土体的紧密粘结，使得土体的强度得到大幅度提高，土体中应力集中被减弱，同时增 加了围岩的密实度。所以对拱顶部位进行预注浆支护能够提高掌子面前方围岩体得强 度，使得施工可能引起的坍塌或围岩松动的情况得到降低，提高工作面的稳定性，提高 初期支护的安全度。 2通过工况 3 与工况 1 进行对比分析可以得出：围岩变形在混凝土初期支护的作 用下得到很好的控制。 工况 3 与工况 1 比较， 在硐室断面上部表层的纵向沉降从 19.68mm 降到 5.95mm，降低了 69.76%；隧道拱顶竖向沉降从 26.31mm 降到 10.52mm，降低了 60.01%；拱腰横向收敛从 24.36mm 降到 16.15mm，降低了 33.70%；拱底竖向上鼓从 29.31mm 降低为 12.83mm，降低了 56.22%。 3工况 4 与工况 1 进行对比分析，可以看出超前支护和初期支护的综合支护方式， 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 36 很好的控制了围岩的变形。与不做围岩体加固措施相比，硐室断面上部地表纵向沉降量 由 19.68mm 下降到 4.24mm，降低了 78.45%；硐室拱顶纵向沉降量从 26.31mm 降到 8.61mm，降低了 67.27%；拱腰横向收敛从 24.36mm 降到 13.62mm，降低了 44.08%； 拱底竖向上鼓从 29.31mm 降到 9.06mm，降低了 69.08%。 4施加初期支护后，不仅能降低地表沉降量，而且使得硐室的强度增加并能够使 得地表中横向影响范围缩小。取 1mm 作为影响地层的界限，在 4 种工况下地表中横向 影响范围分别为：33mm、31mm、19.8mm、18.5mm。随着支护方式的不同，对地表沉 降的控制力度也有所不同。 3.3.6 开挖方式对地铁隧道性状和地表沉降的影响 建立如图 3-3 的数值计算模型，模型开挖孔径为五心圆，埋深为 13m，采用全断面 开挖，支护前土层荷载释放设为 30%，土层及计算参数见表 3.1 工况 1:采用全断面开挖； 工况 2:采用台阶法开挖。 计算结果： 通过计算可得出， 在上述 2 种工况下： 控制点硐室断面上方中心线地表纵向位移； 控制点硐室拱顶纵向位移； 控制点硐室拱腰横向位移； 控制点硐室拱底纵向位移。 纵向向下为正，横向向左为正。 表表 3.9 不同开挖方式下各控制点位移不同开挖方式下各控制点位移 各控制点位移（mm） 工况 1 5.55 12.28 -14.02 -29.92 2 3.11 7.09 -6.71 -9.46 工况 1 万方数据 3 施工参数对土体变形的影响 37 工况 2 上台阶开挖 工况 2 下台阶开挖 图 3.14 各工况地表竖向位移云图 -6 -4 -2 0 -40-30-20-10010203040 距隧道中线距离/m 地表竖向位移/mm 工况1工况2 图 3.15 各工况地表竖向位移曲线图 根据图 3.15 可得出，隧道的开挖方式对于隧道的性状和隧道开挖面中轴线上方地 表层的沉降有明显的影响，具体结果如下： 与全断面开挖的隧道对比可知，当采用台阶法开挖时，隧道开挖面中轴线上方地表 层的沉降由 5.55mm 降低到 3.11mm，降低了 43.96%；拱顶沉降由 10.43mm 降低到 6.10mm，降低了 41.51%；横向收敛由 14.02mm 降低到 6.71mm，降低了 52.14%；拱底 隆起由 25.88mm 降低到 8.98mm，降低了 65.30%。 因此，全断面施工有自己的优缺点，优点有施工简单、施工进度快、各工序独立， 缺点是对于地表变形量及地表影响范围相对较大。相对于全断面施工而言台阶式施工比 较复杂， 其优点有对于地表变形量及地表影响范围相对较小， 缺点是工序间交叉口较多、 施工进度较慢 47。 3.4 小结 本章节运用 MIDAS-GTS 软件对暗挖隧道施工建立数值模型，分析隧道施工引发地 表变形特征与围岩的运动规律，在不同施工参数下如：隧道的埋深、开挖孔径、施工方 法、围岩物理力学性质、支护方式等因素对浅埋暗挖隧道性状和地表沉降的影响进行了 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 38 分析，给有效的控制地表变形及优化设计与施工提供可靠的依据。得到主要结论有： (1)隧道开挖扰动土体诱发地层变形，使得原岩的应力平衡状态发生改变，围岩发生 明显的位移和变形，主要是由于围岩土体由原来的三向应力状态变为二向应力状态，发 生挤土效应土体向洞内自由空间移动，以致开挖面上方地表出现明显的沉降。 (2)埋深是影响地表沉降和隧道性状的重要因素之一。隧道埋深越小，施工开挖对地 层及隧道性状的影响就越弱。埋深小时，隧道上部土层厚度将变小在一定程度上会增大 围岩应力值和围岩影响范围。 (3)开挖断面面积越大，地层中缺失土体就越多，对围岩应力的影响范围也就越大， 进而对地表的影响也越明显，波及地表建筑物。 (4)围岩类别越高，越稳定，由开挖引起的应力和变形越小，隧道性状和地表沉降越 弱。 (5)隧道开挖选择支护方式和支护时机的不同对于隧道性状和地表变形的影响较大， 按照围岩的性质对支护方式和支护时机进行合理的选择，使支护和围岩的承能力得到充 分发挥。 (6)隧道施工采用台阶发时，增加了对于围岩的扰动程度，但对于隧道开挖面的稳定 性有很多大程度上的提高，在上部开挖支护后下部施工的安全性就得到了保障，但应注 意下部作业时对上部稳定性的影响。后者对隧道性状和地表的沉降小于前者，而且地表 横向和纵向影响范围也明显的小于前者，因此应根据具体情况选择合适的开挖方法。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁隧道数值模拟 39 4 西安地铁隧道区间段数值模拟 西安地铁一号线洒金桥北大街区间位于黄土梁洼区域，黄土地区地铁隧道在开挖 的过程中地表变形受到诸多因数的影响，为了了解隧道硐室及地表的动态变化情况，可 以借助有限元模拟软件，根据施工现场的地层岩性、施工工序、支护结构等对现场工况 进行模拟，分析围岩及地层的变化情况。 4.1 区间概况 西安地铁一号线洒金桥北大街区间断隧道的施工地点位于西安市莲湖路正下方。 该区间段东端设有洒金桥地铁站，西端与西安市地铁二号线北大街站相连接，区间中部 设有联络通道兼水泵房一处。区间段周边沿线建筑物及明挖段管线较多，周边环境较为 复杂。洒金桥站北大街站区间右线起讫里程为 YCK18+897.500YCK19+906.233，左 线起讫里程为 ZCK18+897.500ZCK19+906.723，全长 1009.223m，其中暗挖段里程为 YCK18+897.500YCK19+617.026（ZCK18+897.500ZCK19+617.026） ，长 715.926m， 其余为明挖区间。联络线里程为 L1K0+091.945L1K0+362.028，长 270.083m，暗挖段 长 150.916。 莲湖路为东西走向，道路设有双向8车道及两侧人行道，其中含有2个公交车专用车 道，道路中间设有1.2m1.5m宽的绿化分隔带，道路总宽度为50m。该区间段和北大街 地铁车站相连接的区域有硐室断面大于100m2的暗挖隧道段，长度约有60m左右，里程 为K19+846.711K19+906.723，该区段开挖面积较大，所以该段施工方法采用浅埋暗挖 法中的交叉中隔墙法（CRD法）施工，开挖断面共分为两个台阶，四个开挖断面，开挖 断面根据开挖顺序分为左上、右上、左下、右下四部分，在施工初次衬砌时钢拱架做成 钢筋格栅的形式。 4.2 区域水文地质条件 4.2.1 地层岩性 西安位于西部黄土地区， 西安地铁一号线沿线的地貌分别有黄土梁洼、 现代洪积扇、 浐灞河阶地及皂河阶地等，其中洒金桥北大街区间段属于黄土梁洼区域。该区段地面 标高在 399.37402.17m 之间，地势比较平坦。该区域地表分布的土层有全新统人工填 土( 4 ml Q)（见表 4-1） 。 第四系地层土体颗粒的粒径是按照细至粗分类的；粘性土的分类是按照土体的塑性 指数、孔隙比压缩性及湿陷性等工程特性来划分的；砂类土是依据土体的密实程度及分 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 40 布差异等来划分。在施工深度范围内，地层从上到下分层见图（4.1） （1）第四系全新统： （1-1 杂填土；1-2 素填土；1-3 素填土（细砂） ） 。 （2）第四系上更新统： （3-1 新黄土；3-2 古土壤） （3）第四系中更新统： （4-1 老黄土；4-4 粉质粘土；4-5 粉土；4-6 细砂；4-7 中砂； 4-8 粗砂） 图 4.1 洒金桥-北大街区间工程地质横断面图 在区间隧道施工地层中没发现不良地质灾害及地质作用，如：构造断裂带或地裂缝 及其它地质作用等，该区段施工场地的地层岩性状态较为良好，施工场地较为稳定。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁隧道数值模拟 41 表表 4.1 区间地表岩性分布区间地表岩性分布 区间隧道地表岩性分布 上部 上更新统风积( 3 eol Q)新黄土及残积( 3 el Q)古土壤 地表 中下部 上更新统、中更新统冲积( 34 alal QQ、)粉质粘土、粉土、细砂、中砂及粗砂 4.2.2 湿陷性黄土 （1）湿陷性黄土性质及分布 根据室内湿陷性黄土测试结果，并结合该区域场地的地层条件，可以得出场地内湿 陷性土层分别为1-2层素填土、3-1层新黄土、3-2层古土壤及4-1层老黄土。其中3-1层、 3-2层分别为新黄土层和古土壤层，然而3-2层为区间主要湿陷性土层。该区域湿陷性土 层厚度大约12.0m14.0 m。 （2）湿陷类型及地基湿陷等级 根据土工测试结果，参照湿陷性黄土地区建筑规范 （GB50025-2004）第4.4.4条 规定计算区间沿线场地自重湿陷量。根据计算结果，综合判定隧道施工区间沿线的湿陷 性黄土属于自重湿陷性黄土，地基湿陷等级为级（中等）级（很严重） ，全区间 主要为级（中等） ，局部为级（严重） ，个别级（很严重） 。 4.2.4 古土壤 对3-2层古土壤通过室内试验测定其自由膨胀率，并按铁路工程特殊岩土勘察规 程 （TB10038-2001）规定，测定了古土壤中的蒙脱石含量及阳离子交换量CEC，其结 果汇总于表4.2中。按表4.2结果，综合认为古土壤为非膨胀土。 表表 4.2 古土壤膨胀性评价指标测定结果古土壤膨胀性评价指标测定结果 指标 土样 CEC (mmol/kg) 蒙脱石含量 (%) 自由膨胀率 ef（%） 膨胀力 Pe(kPa) （TB10038-2001） 表 4.5.1-2 判定 13.3 133.3 9 17 18 非膨胀土 13.35 161.8 10.7 27 20 非膨胀土 XZH36-1 13.6 142.8 6.3 24 20 非膨胀土 4.2.5 区间水文 西安地铁一号线洒金桥北大街区间段土体主要为粘性土，沿线地层土体主要有黄 土及古土壤局部为厚层填土。按铁路工程地质勘察规范(TB10012-2001)将隧道围岩 综合分段划分为级及级。其中水上洞室隧道围岩为级，水下洞室和厚层人工填土 段隧道围岩为级。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 42 （1）第四系孔隙潜水 钻探揭露的场地地下水属潜水类型，实测地下水位埋深 12.7012.80m，相应高程 介于 389.33389.50m 之间，东西高，中间低。 根据陕西省西安市近 10 年得水位观测数据来看，该区间工程水位属近低水位期， 施工段低水位期在 12 月份到 3 月份，高水位期为 7 月份到 9 月份，高低水位期水位变 幅在 2m/年左右。水位最大流速为 7.65m/d，平均流速为 6.77m/d，实测流向为 NE19。 钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，在干湿交替条件下混凝土中的钢筋会受到影响，但 对混凝土结构无腐蚀影响。 （2）含水层与隔水层的分布 主要赋存于中、上更新统黄土、古土壤及粉质粘土层中的砂土、粉土夹层中，含水 层厚度大于 50m。区间内含水层与隔水层没有明显的界限，渗透性整体中等偏弱，且由 上自下变弱。 （3）潜水的补给、径流及排泄 潜水补给主要为大气降水及地表径流补给。在地形总体坡度下潜水流向的主要流向 为 NW 与地形总体坡度一致。人工开采、蒸发、及径流等对水量消耗是潜水排泄主要方 式 48-50。 4.3 数值模拟 MIDAS/GTS 有限元软件能够对岩土与隧道结构进行分析，并且对岩土工程和隧道 工程的施工阶段进行应力分析和渗透分析等优点。本次选取有限元模拟软件对隧道开挖 过程及支护结构进行有限元数值模拟， 分析隧道围岩变形、 围岩压力变化所引起的影响， 并对地层表面、隧道顶部、拱腰及拱底部位围岩的变化进行分析。 4.3.1 工程概况 该区间隧道与北大街地铁车站相连接，连接处有 60m 左右断面大于 100m2的隧道， 其起讫里程为 K19+846.711K19+906.233， 该段隧道采用浅埋暗挖法中的交叉中隔墙法 （CRD 法）施工，采用分导洞预留核心土开挖。设计断面如图 4.2 所示，该断面初衬采 用喷射混凝土、钢筋网等组成综合支护体系，二衬采用模筑钢筋混凝土支护体系。其中 初次衬砌中的钢拱架为钢筋格栅的形式，主筋为 32HRB335 级钢筋。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁隧道数值模拟 43 图 4.2 隧道断面示意图 各支护措施如下： 1.大管棚、超前小导管注浆加固：设于隧道拱部，108 定向超长自带钻头大管棚， 一次打射 60 米。钢管采用 42 无缝钢管，长 3.5m，环向间距 0.25m，纵向间距 1.5m。 注浆液采用水泥水玻璃双液浆。 2.钢筋网：采用 6.5 钢筋，双层设置，构成 150*150mm 的网格。初衬背后注浆： 42 普通钢管，1:1 水泥浆。 3.一衬背后注浆：钢管采用 42 普通钢管，浆液采用 1:1 水泥沙浆强度为 M30。 4.格栅钢架：全环设置，间距 500mm，采用 HPB235/HRB335 级钢筋，采用四肢格 栅钢架。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 44 5.二次衬砌：采用模筑钢筋混凝土，混凝土 C30、P8，钢筋采用 HPB235/HRB335 级钢筋，厚度 400mm。 6.喷射混凝土：C25、S6 早强混凝土，厚度 300mm。 4.3.2 模拟条件的确定 （1）荷载的确定 对于该工程所要穿越的地层，地应力的垂直分量为自重应力，由西安地区的地下工 程实践和浅层地质资料可知，水平侧压力系数经验值 0 K =0.40.5，进而求得地应力水平 分量。 在模拟时为了对初期支护的受力状况进行控制，可通过设置荷载释放系数对其进行 控制，对于释放荷载可以由初期支护和二次衬砌按照合理的比例进行分担。具体分担比 例见表 4.3。 表表 4.3 荷载释放荷载释放分担百分比分担百分比 分担比例 围岩级别 围岩+支护 二次衬砌 60%-80% 40%-20% 20%-40% 80%-60% （2）边界条件的确定 该工程的埋深不大，水平构造应力比较小，因此此次模拟不予考虑水平构造应力， 只是考虑自重应力。模型上部边界面为应力界面，上部载荷按上覆岩层厚度和岩层平均 容重施加。模型的左、右、前、后及下部界面均为位移固定约束界面，上边界为自由边 界面，围岩服从莫尔库仑屈服准则。 （3）初始地应力的确定 图 4.3 地应力场示意图 对本工程而言，由自重引起垂直应力场对隧道结构的影响为最为不利。因此，在进 行求解初始应力状态模拟时，以自重应力影响为主。模型的垂直应力为最大主应力，应 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁隧道数值模拟 45 力值由公式 H计算而得。模型的最小主应力为 2 /(1) xyy ，应 力场如图 4.3 所示。 （4）计算模型的确定 模型计算边界范围的大小和计算单元大小对于模拟的结果有一定的影响。隧道开挖 使得硐室周围一定范围内的围岩体受到扰动，围岩应力会发生重新分布的现象。在各向 同性的弹性介质中开挖隧道， 因卸载引起土体的应力分布发生变化， 位移场也随之改变， 开挖对 5 倍洞径以外的围岩应力基本没有影响，对 3 倍洞径以外的围岩压力有一