（岩土工程专业论文）隧道施工对周边环境影响的研究.pdf

摘要 摘要 在软土地区修建城市地下隧道时，采用暗挖法施工具有造价低、适用于不同 隧道断面等优点。采用该种方法不可避免地会对周边环境造成一定的影响。本文 运用随机介质理论和三维有限元程序a n s y s 对暗挖隧道施工引起的环境岩土问 题进行了分析。主要工作如下： ( 1 ) 根据暗挖隧道施工对土体的扰动机理分析得到：暗挖隧道开挖后，其断 面并不是均匀收敛的，它是隧道断面的形状和隧道施工方法等因素共同作用的结 果。对于圆形隧道，其断面收敛可以分解为圆形断面均匀收敛和圆形断面的椭圆 化两部分。 ( 2 ) 根据随机介质理论推导出隧道断面收敛的计算公式，并分析了计算公式 中的参数取值。用两个工程实例进行了验证，结果表明：应用随机介质理论计算 公式可以比较准确地预测隧道施工引起的地表竖向沉降。 ( 3 ) 应用平面有限元程序模拟隧道开挖过程。针对不同的开挖方式和开挖顺 序分析得出：城市地下隧道施工一般采取交叉中隔墙法施工。 ( 4 ) 应用三维有限元程序分析隧道施工对地下管线的影响。结果表明：管线 材质模量越大，其变形越小；随着管线埋深增加，管线的水平位移和竖向沉降最 大值都增大，其沉降槽宽度逐渐交窄；管线最大位移在管线与土体模量比为1 0 0 0 时有一个明显转折点。 ( 5 ) 通过对平行于隧道的管线分析表明：管线和隧道轴线间距与管线埋深比 大于2 5 时，隧道施工对管线的水平位移影响可以忽略；当比值大于1 0 时，隧 道施工对管线竖向沉降的影响也可以忽略不计：当比值小于5 时，随着比值变小， 管线的拉应力和压应力急剧增大，容易对管线造成破坏：当比值大于5 时，管线 的拉应力和压应力值比较小，不会对管线造成危害。 ( 6 ) 基于弹性地基粱理论，将地下管线简化为弹性地基梁，推导隧道施工弓 起的地下管线竖向沉降公式。 关键词： 隧道；地下管线；随机介质理论；有限元 摘要 a b s t r a c t w h e nb u i l tu n d e r g r o u n du i r i i e i si ns o f ts o i la r e a , h i d d e ne x c a v a t i o nm e t h o dh a s m u c ha d v a n t a g e si nc h a n g e si nt h eu n m c ls e c t i o na n dc o n s t r u c t i o nc o s ta s p e _ 2 t s 撇 k i n do fa p p r o a c hw i l li n e v i t a b l yh a sa ni m p a c to ns u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t i nt h i s p a p e r , r a n d o mm e d i u mt h e o r ya n dt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s w e r eu s e dt o a n a l y s i st h ei n f e c t i o nt h a tt h e t u n n e la c to nt h ee n v i r o n m e n t a l g e o t e c h n o l o g y ，a n dg i v et h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) a c c o r d i n g t ot h es o i ld i s t u r b a n c em e c h a n i s m a n a l y s i s o ft u n n e l i n g c o n s t r u c t i o n ：a f t e rat u n n e le x c a v a t i o ni sc o m p l e t e d ，i t sc o n v e r g e n c es e c t i o ni sn o t u n i f o r m ，i tr e l e v a n tt ot h et u n n e lc r o s s - s e c t i o ns h a p e t h et u n n e ls e c t i o nc o n v e r g e n c e c a nb ed e c o m p o s e di n t oc i r c u l a rc r o s s - s e c t i o nu n i f o r ma n dc i r c u l a rc r o s s - s e c t i o n c u i p t i cc o n v e r g e n c e ( 2 )a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fr a n d o mm e d i u mb a s i cf o r m u l a , w eg i v ea f o r m u l at oc a l c u l a t et h et u n n e ls e c t i o nc o n v e r g e n c e a n da n a l y z e dt h ev a l u eo ft h e p a r a m e t e r si nt h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a f i n a l l y ，w ec o m p a r e dt h ec a l c u l a t i n gv a l u e s w i t hm e a s u r e dv a l u e si nt w oe n g i n e e r i n ge x a m p l e s t h er e s u l t ss h o w e d ：r a n d o m m e d i u mt h e o r yc a l c u l a t i o nf o r m u l a sc a np r e d i c tt h ev e r t i c a ls u r f a c es u b s i d e n c ed u et o u n d e r g r o u n dt u n n e lc o n s t r u c t i o ne x a c t l y ( 3 ) t h ep l a n ef i n i 钯e l e m e n tp r o g r a mw a sa p p l i e do nt h et u n n e le x c a v a t i o n p r o c e s ss i m u l a t i o n w i t ht h ea n l y s i so fd i f f e r e n te x c a v a t i o nw a y s 、d i f f e r e n t e x c a v a t i o no r d e r , w ek n o w ：t h ec o n s t r u c t i o no fu r b a nu n d e r g r o u n dt u n n e lg e n e r a l l y u s cc r o s s o v e rc o n s t m c t i o no ft h ef e n e em e t h o d ( w ea n l y s i st h ei m p a c to nt h ep i p e l i n ed u et ou n n e lc o n s t r u c t i o ni n3 df e m w i t ho t h e rf a c t o r sr e m a i nu n c h a n g e d ，w h e nt h em o d u l u so ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e i n c r e a s e ，t h e d e f o r m a t i o no ft h e u n d e r g r o u n dp i p e l i n eb e c a m es m a l l e r ；w i t h i n c r e a s i n gd e p t ho fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e s , t h em a x i m u mh o r z o n t a la n dv e r t i c a l s e t t l e m e n to ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e si n c r e a s e d , b u ti t ss e t t l e m e n tg r o o v ew i d t h g r a d u a l l yn a r r o w i n g t h el a r g e s td i s p l a c e m e n to ft h ep i p e l i n ei sam u t a t i o nv a l u ew h e n p i p e l i n ea n d s o i lm o d u l u sr a t i of o r1 0 0 0 ( 5 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n ep a r a l l e lt ot h et u n n e l ，w e k n o w ：t h er a t i oo ft h es p a c eb e t w e e nt u n n e la n du n d e r g r o u n dp i p e l i n et ot h ed e p t ho f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e s i s g r e a t e r t h a n2 5 ，t h eh o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t o ft h e u n d e r g r o u n dp i p e l i n ed u et ot u n n e lc o n s t r u c t i o nc a nb en e g l e c t e d ；t h er a t i oo ft h e s p a c eb e t w e e nt u n n e la n du n d e r g r o u n dp i p e l i n et ot h ed e p t ho fu n d e r g r o u n dp i p e l i n e s i sg r e a t e rt h a n1 0 , t h ev e r t i c a ls e t t l e m e n to ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n ed u et ot u n n e l c o n s t r u c t i o nc a nb en e g l c c t e d ；p a r a l l e lp i p e l i n ed e p t hr a t i oe q u a lt o5 ，t h em a x i m u m 摘要 t e n s i l es t r e s sa n ds t r e s so ft h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n ei sav a l u eo fm u t a t i o n ；w h e nt h e d e p t hr a t i oi sl e s st h a n5 ，t h et e n s i l es t r e s sa n dc o m p r e s s i v es t r e s su n d e r g r o u n d p i p e l i n ei n c r e a s e sr a p i d l y , i tw i l lb ee a s yf o rd a m a g i n gt h eu n d e r g r o u n dp i p e l i n e ； w h e nt h ed e p t hr a t i oi sg r e a t e rt h a n5 ，t h et e n s i v es t r e s sa n dc o m p r e s s i v es t r e s so f u n d e r g r o u n dp i p e l i n e i sr e l a t i v e l ys m a l l , i tw i l ln o td oh a r mt ou n d e r g r o u n dp i p e l i n e ( 6 ) u n d e r t h ee l a s t i cf o u n d a t i o nt h e o r y , w eg i v et h ev e r t i c a ls e t t l e m e n tf o r m u l a o fp i p e l i n ed u et ot h ec o n s t r u c t i o no ft u n n e l s k e y w o r d s ： t u n n e l ；u n d e r g r o u n dp i p e l i n e ；r a n d o mm e d i u mt h e o r y ；f i n i t ee l e m e n tt h e o r y h i 浙江大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 随着我国国民经济快速发展，城市化水平不断提高，大量人口不断涌向大城 市，城市发展面临严峻的局势。在我国已经形成了城市综合症【1 】( 城市人口超饱 和、建筑空间拥挤、城市绿化减少等) 。首先表现在交通阻塞和行车速度下降方 面，有资料显示；中国大城市的交通负荷不断增长，从而导致机动车辆行驶速度 降低，增加了油耗和污染排放量，而且造成了巨大的经济损失；其次，表现在建 筑空间拥挤方面，随着人口不断涌向城市，城市必须扩大发展自己的规模来适应 人口增长。但我国人口众多，人均耕地占有量相当缺乏，无限制的占用耕地资源 来扩展城市空间是我国有限的土地资源难以承受的。不解决好城市综合症问题对 我国经济社会可持续发展会起到很大的限制作用。 很明显修建隧道和地下构筑物可以解决日益严重的城市拥挤问题。修建隧道 可以解决城市综合症问题，缓解城市交通拥挤，带来巨大的经济效益。同时，修 建地下隧道是城市现代化发展的一个必需途径。一个一般规模的城市，其煤气供 应管道、供水、排污、电、通讯、远距离的供热等是必须的地下设施；对超过 5 0 万人口的大城市，除此以外还应有市区轨道交通、郊区火车、汽车及电车和 人行走道等的运输隧道；在入口超过百万的大或特大城市，还应有地下购物商店、 地下文化设施( 如博物馆) 、地下住宅、地下办公室、地下停车场、地下行人通 道、储藏室及废物处置地等生活、储存、运输及废物处置的地下设施。 在我国经济发达地区已经进入了开发利用地下空间的时代。其中地铁建设是 我国2 1 世纪城市地下空间开发的重点。在我国3 4 座人口超过百万的城市中1 2 j ， 有超过2 0 个超大城市和特大城市正在建设或筹建自己的轨道交通。北京、天津、 香港、上海、广州、南京和深圳已经拥有了地铁，而且北京、上海和广州的地铁 都在扩建中。如据北京市城市快速轨道交通建设的规划，北京市的远景规划线将 由十六条地铁线、六条轻轨线和六条市郊铁路组成，其中地铁总长将达到5 6 1 5 公里，并将形成第二个地铁环线。在未来的五年中，广州要建设的地铁长度达 2 5 5 公里的九条线路和1 6 4 座车站，实现各区都有轨道交通覆盖。此外，杭州、 长春、武汉、西安等已经在建设或拟建地铁或轨道交通。 城市区间隧道施工方法主要有：浅埋暗挖法、盾构法和明挖法等。在过去修 建城市地铁隧道时，一般采用明挖法。明挖法是在垂直受力体系形成以后自上而 下进行开挖土方、绑扎钢筋等工作的一种施工方法，其特点是施工安全性高、施 浙江大学硕士学位论文 工空间较大、适用于各种地层条件、受地下水的影响小、断面可以灵活变化。但 明挖法施工对地面干扰太大，在繁忙的市区采用明挖法修建隧道无论从经济还是 从环境角度都不是一种实用的工法。目前我国大部分地铁隧道都是采用盾构法施 工，盾构法的优点是在软岩或不稳定岩层中该法经济有效，特别在隧道距离较长 时更能体现出经济效益。 1 9 8 7 年8 月2 5 日，北京市和铁道部有关专家共同组织了成果鉴定会闭，经 过讨论将北京地铁复兴门折返线工程采用的施工方法定为浅埋暗挖法。与明挖法 相比，浅埋暗挖法避免了大量拆迁和改建工作，减轻了对周围环境的粉尘污染和 噪声影响。对城市交通影响较小；和盾构法相比，当隧道长度不是很长时，其经 济效益较好。而且适用于多种断面形式。 1 1 1 暗挖隧道旌工发展历史及现状 2 0 世纪7 0 年代初，国外开始研究新奥法应用于浅埋地层，到7 0 年代末已 基本形成了一套完整的技术。德国、日本、美国、法国、香港等国家和地区都有 新奥法成功应用的实例。应用暗挖法修建的城市地下工程越来越多。表1 1 1 3 】列 举了国外部分地下工程应用新奥法施工的实例。我国创新的浅埋暗挖法技术对国 际上这个技术领域的发展有积极的促进作用。 表1 - 1 国外地下工程采用新臭法施工实例 国家德国德国日本法国日本奥地利 工程法兰克福地慕尼黑地铁9 成田机场里尔地铁 北陆高速公 维也纳地 高速铁路1 号线4铁u 矾工 名称铁2 5 号工区号区段路泊隧道 隧道号工区 区 施工 1 9 8 l 1 9 7 5 年代 1 9 6 9 1 9 7 11 9 7 5 1 9 7 81 9 跖1 9 7 5 1 9 7 8 1 9 8 31 9 7 8 第三纪流 地质 第三纪砂层 砂层、粘土 及水粘土层、石灰粘土、白层和砂、卵 文地岩和含水砂 和泥灰岩，遇沉积砂土， 垩土、砂冲、洪积粘土石层，地下 质条 层。无水 水时其塑性含地下水 等 水面位于 和粘土一致 件隧道拱顶 附近 埋深1 1 1 3 m8 2 6 m8 1 5 m约1 5 m5 1 5 m8 2 0 m 断面 圆形，直径 最大跨度 最大跨度最大跨度 最大跨度 最大跨度 1 1 5 m ，最大 1 1 5 m ，最6 8 m ，最 1 1 4 m ，最大8 5 m ，断面 形式 6 6 8 m 大高度大高度 高度7 - 5 m高度8 6 m 约6 0 i n 2 7 5 m5 8 m 施工全断面台阶 双侧壁导洞分部开挖，上、下台超前侧壁导侧壁导洞 2 浙江大学硕士学位论文 方法 法施工，使用 法，使用掘进使用小型阶分部开洞及分部开法，使用掘 反铲挖掘机机及反铲挖掘进机、反 挖( 两台 挖法，环形部进机及反 掘机，并采用铲挖掘机掘进机1 ，分用人工开铲挖掘机， 地面井点降及带式输弃渣用泵挖，核心部分必要时使 水送机，采用送至洞外 使用反铲挖 用拱部插 超前管棚 掘机板支护 支护 锚杆l = 3 锚杆k 3 5 4 m ，钢筋冈。5 m ，钢支撑 锚杆l ；3 钢支撑加 锚杆l喷厚2 0 c m ， 主要喷厚1 5 1 h 2 1 或网构4 m ，喷厚 背板，钢 - - 4 0 m ，喷厚钢支撑，钢 支护1 8 c m ，钢拱架拱t h - 2 9 ，喷2 0 c m ，钢支 筋混凝土2 0 c m ，钢支撑筋混凝土 形式1 1 舶，钢筋厚2 5 c m 钢筋撑h 1 2 5 ， 内衬厚 h 一2 0 0 ，村砌内衬厚 混凝土内衬混凝土内衬衬砌6 0 c m 5 0 c m6 0 c m 4 ( k ：m 厚1 5 1 8 c m厚4 0 c m 长度 4 2 0 m6 0 m4 1 0 m1 2 4 0 m7 7 0 m7 0 踟恤 我国在2 0 世纪7 0 年代末开始将新奥法原理应用于地下工程施工，8 0 年代 中期开始系统研究新奥法在浅埋较弱地层中的应用1 9 8 4 年我国首先在大秦线 军都山铁路隧道进口黄土段研究试验浅埋暗挖法并获得成功。之后又成功地应用 于北京地铁复兴门车站折返线工程，已形成了一套完整的综合配套技术。表1 2 【3 】 是我国部分地下工程采用浅埋暗挖法施工的实例。 表1 - 2我国地下工程采用浅埋暗挖法的施工实例 工程 军都山隧北京地铁 北京地铁 原国家计高碑店污 北京长安 道出口黄复兴门折委地下停 狗磨湾隧 水处理厂街过街通 名称西单车站道出口段 土段返线车场排水隧道道 施工 1 9 8 4 1 9 8 6 1 9 9 0 1 9 9 2 1 9 9 l 1 9 9 21 9 9 4 年代 1 9 8 51 9 8 71 9 9 1 21 9 9 31 9 9 1 2 地质 细砂层、 石英云母亚粘土及 及水第四纪粉第四纪粉粉细砂、片岩。节理第四纪粘 人工填 文地 黄土，低 细砂层，无细砂层，圆砾，无发育，风化土、砂粘 土，砂粘 质条 水位地下 地下水无地下水地下水严重，无地土，高水 土，无地 水下水 件下水 位地下水 0 8 埋深 3 1 2 m9 1 1 m6 2 1 m2 8 m4 1 5 m0 8 1 0 m 2 8 m 工跨两 最大跨度 三跨两 最大跨度 最大跨度柱，最大 1 3 m ，主 最大跨度柱，最大 最大跨度 断面1 2 m ，最 1 4 6 m ，最跨度 大高度 2 1 m ，最大跨度 1 1 5 m 。最 形式 大高度1 1 大高度 大高度8 m2 6 m ，最1 3 2 m高度8 6 m1 5 i m 最 4 0 m 大高度大高度 3 浙江大学硕士学位论文 1 3 5 m4 m 正台阶法， 施工 正台阶法 侧壁导洞 眼镜工法 僳d 工 眼镜工法 中洞法， c r d 工 方法法侧洞法法 超前法 超前小导超前小导 锚杆 超前小导 管，钢筋 超前小导 超前管 管，钢筋 l f f i 3 m ，钢筋 管，钢筋钢筋网 网 管，钢筋网 棚，钢筋 网 网 网 1 5 c m x l 5 主要 2 0 c m x 2 0 l o c m x l o c 网，网构 1 5 c m x l 5 1 5 c m x l 5 c l o l o c m 锄，网构 支护 c m ，网构 m 。网构钢 钢架，喷 锄，网构 m ，网构钢 网构钢钢架，喷 钢架，混架，喷混凝 混凝土 钢架，喷架、喷混混凝土 形式 3 0 c m ，混 架，喷射混 凝土 土3 0 c m ， 混凝土 凝土3 0 c m , 凝土3 0 c m ，混 3 0 c m 混混凝土内 凝土内衬 3 0 c m ，内2 5 c m ，混凝土内衬 5 0 c m 混凝土内 凝土内村 衬5 0 e m 衬3 0 衬5 0 c m 凝土内衬 5 0 c m 5 0 c m5 0 c m2 5 c m 长度 6 0 m 3 5 8 m 2 6 0 m 1 0 4 8 m2 3 0 m9 5 m5 0 m 1 1 2 暗挖隧道施工方法分类及特点 采用浅埋暗挖法施工时，常见施工方法是正台阶法、全断面法、单侧壁导坑 超前正台阶法、双侧壁导坑正台阶法( 眼镜工法) 、中隔墙法等。表1 3 列举了 浅埋暗挖法修建隧道及地下工程主要开挖方法及重要指标阱。 浅埋暗挖工程设计中，应根据不同的围岩工程地质条件、水文地质条件、工 程建筑要求、机具设备、施工技术、施工经验等多种因素，选择行之有效的一种 或多种施工方法。其中以围岩的地质条件为主要选择标准。当围岩较稳定且岩体 较坚硬时，施工中往往先把隧道坑道断面开挖好，然后修筑支护结构，并在有条 件时争取一次把全断面挖成。当围岩稳定性较差时，则需要随开挖进行一次支撑， 防止围岩变形及产生坍塌。分块开挖时，应及时进行初期支护的施作，一般先开 挖顶部，在上部断面开挖完成后及时进行初期支护，在上部支护的保护下再开挖 坑道下部断面。在二次衬砌修筑中必须先修筑边墙，之后再修筑拱圈，即采用先 墙后拱法施工。总之在选择施工方法时，要根据各种因素并结合地质条件变化的 实际情况，选择最经济、最理想的设计和施工方案，甚至要综合多种方案，因而 这也是一个受多种因素影响的动态的择优过程。 表1 - 3 浅埋暗挖法修建隧道及地下工程主要开挖方法 重要指标比较 施工方法示意图初期支护 适用条件沉降工期防水造价 拆除量 4 浙江大学硕士学位论文 全断面法 。 地层好， 一般 最短好无低 跨度- - 8 m 下 地层较差， 一般短好无低正台阶法 l j 跨度= 1 2 m 上半断面临时 q 地层差， 一般短好小低 封闭正台阶法跨度- - 1 2 m 正台阶环形开憾地层差， 一般短好无低 挖法 u 跨度= 1 2 m 单侧壁导坑正 。 地层差， 较大较短 好小低 台阶法跨度= 1 4 m 中隔墙法价地层差， 较大较短好小偏高 ( c d 工法1 u 跨度- - 1 8 m 交叉中隔墙法 地层差， 较小 长 好大高 ( c r d 工法1 跨度= 2 0 m 双侧壁导坑法 小跨度，连 续使用可扩大 长效果差大高 ( 眼镜工法) 成大跨度 中洞法 小跨度。连 续使用可扩 小长效果差大较高 成大跨度 侧洞法 小跨度，连 续使用可扩大长效果差大高 成大跨度 侧洞法 旋蕊 多层多跨 大长效果差大高 盖挖逆筑法 厕 多跨小短效果好小低 5 浙江大学硕士学位论文 1 2 暗挖隧道施工对周边环境影响的研究现状 浅埋暗挖法应用予实际工程以来，在很大程度上解决了日益严重的交通阻塞 问题。与其他施工方法( 如明挖法、盾构法) 相比，暗挖法具有对城市生活扰动 小、适用于各种断面形式、不需要昂贵的设备、施工成本低等特点，在城市地下 隧道施工中得到了越来越广泛地应用。但采用暗挖法建造隧道将不可避免地对周 围土体产生扰动，进而引起土体变形，导致地面建筑物倾斜、开裂乃至坍塌，既 有隧道或地下管线断裂、破损，道路路面破损等一系列的环境岩土问题。目前国 内外许多学者采用数值模拟和经验公式等方法对暗挖隧道与厨边结构物( 如地下 管线) 的影响进行了研究。 1 2 1 暗挖隧道施工对土体、路面影响研究现状 暗挖隧道施工不可避免会对上覆地层产生扰动。由于地层损失、孔隙水压变 化等，地层原始应力将重新分布，原有的土体平衡状态遭到破坏，导致地表发生 下沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及非连续变形等。 在暗挖隧道施工对地表、路面的影响研究中，许燕峰1 4 、吕勤嘲、吴应明同 等对浅埋暗挖隧道施工引起的地表和土体变形规律、影响因素做了分析。他们认 为：隧道开挖引起的周围土体变形的原因是地层压缩、地层内地下水流失导致的 土体固结和隧道开挖支护不当等因素引起的。暗挖隧道施工引起的土体变形可以 分为四个阶段：微小变形阶段、变形基本稳定阶段、变形缓慢阶段、变形剧增阶 段。影响土体、路面沉降的因素有很多，但是主要影响因素是隧道施工工艺及现 场操作不规范、施工方法、地下水、地层土体特性。 对于隧道施工引起的地表沉降的计算研究，国内外学者主要采用经验公式 法、解析法、数值模拟法以及模型试验等方法。如r b p e c k l q ( 1 9 6 9 ) 通过对大量 地表沉陷数据及工程资料分析后，首先提出地表沉降槽似正态分布的概念，认为 地层移动由地层损失引起，并认为施工引起的沉降是在不排水条件下发生的，所 以沉陷槽的体积应等于地层损失的体积。提出地表沉降横向分布的估算公式： ， s ( x 卜s e 。4 ( 1 1 ) 矿 s = a 一_ 二兰o ( 1 2 ) x 2 p i 式中：s o ) 地面沉降量( m ) ； x 距隧道轴线的横向水平距离( m ) ； s 一隧道轴线上方的最大地面沉降量( m ) ； p 0 隧道单位长度土体损失量( m 3 n 1 ) ； f 地面沉降槽宽度系数( m ) ，即沉降槽曲线拐点离隧道轴线的水平距 6 浙江大学硕士学位论文 离。通过现场观测得出f 和隧道外半径r 的关系如下： ( 生2 r ) i ( 1 3 ) ij 。 式中：r 隧道外半径( m ) ； j i 隧道轴线至地面深度； 弹= o 弘1 0 ，土越软，n 取值越大。 其后a o u g h s 岫i d t 【8 1 ( 1 9 r 7 惦其关于软粘土隧道工程的著作中，提出饱和 含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数f 由如下公式求取： 侬= ( z 陀r ) 0 8 ( 1 4 ) 式中：r 一隧道半径。 a t w e l l l 9 l 等( 1 9 8 1 ) 也假定沉降槽曲线为正态分布，给出了估算地表沉降的经 验公式： 三k f 土1 。 ( 1 5 ) 一- 一 i j ， r l 2 r 耽：幼i j 一 ( 1 6 ) 式中：驴一隧道沉降槽的断面积； a - - 隧道开挖断面面积； k 、万与土体性质和施工因素有关的系数( 可查表) 。 o r e i l y - n e w ( 1 9 8 2 ) 1 1 0 1 对英国粘性土地层的1 1 处1 9 例及砂性土和回填土地层 6 处1 6 例的最大沉降量d 。、沉降槽断面积k ( m 3 m ) ，反弯点距离f 实测值， 并考虑沉陷槽形状为正态分布曲线，提出实际的沉降槽宽度为6 f ，可以由以下公 式估算地表沉降： f = k z( 1 7 ) d m 。= 2 疥 ( 1 8 ) 式中：k 一与土性有关的系数； 砂性土k = l 。0 2 旗- 平0 3 均值 f 0 4 ，硬粘土 粘性土x = j 0 7 ，软粘土 i o 5 ，中等值 m a i r 【1 1 l 等( 1 9 9 3 ) 把经验法延伸到计算地下土体沉降，通过实地测量和离心模 型试验探讨了粘土中隧道施工引起的地表沉降槽宽度与最大沉降量随深度的变 化规律。假设地下某水平参考面处的沉降槽曲线也为似正态分布，根据地面处沉 降槽的最大沉降量的计算公式为s 。= 0 3 1 3 v l d 2 k z o ，考虑d = 2 r ，用( z 口- - z ) 代替z 0 ，并采用根据实测数据拟合的彤值( 不同于地面处采用的k 值) ，可以得 7 浙江大学硕士学位论文 到： 垒 ! ：垄兰兰 旦( 1 9 ) r 0 1 7 5 + 0 3 2 5 x ( 1 一z z o ) z e 式中：，z ) 一距离地面为z 处的沉降参考面的最大沉降量； k 一地层损失相对于隧道开挖断面积的百分比； z o 一隧道中心线距离地面的深度。 姜忻良【1 2 l 等通过对h e a t h r o w 通信隧道、雷湾隧道等工程实测数据的分析， 绘制了( 1 - z z o ) 焉，。( z ) 慨。( o ) 曲线，并通过曲线拟合计算，得到： s 。( z ) s m ( o ) = ( 1 - z z o ) ( 1 1 0 ) i ( z ) f f i i ( o ) ( 1 - z z o ) 田3 ( 1 1 1 ) 并可以通过公式计算得到隧道施工引起的最大位移。 r a y m o n d d m i n d l i n l l l l ( 1 9 3 9 ) 研究了弹性介质中圆形隧道周围的应力分布，考 虑隧道为半空间弹性固体无限介质中受重力作用的圆柱形孔洞，通过双极坐标体 系，求出了满足上部自由边界条件和孔洞自由边界条件的精确解析解。以无限系 列的方式给出了应力公式，计算结果的图表显示当孔洞距离上部自由面很近或者 很远的时候，孔洞所引起的应力是重要的。 s a g a s e t a 1 2 】( 1 9 8 7 ) 得到了弹性均质不可压缩土中由于近地表地层损失所引起 的应变场。s a g a s e t a 认为这个问题是应变控制的，只用了不可压缩条件就得出了 应变。而且他引入了影像源法( v i r t u a li m a g et e c h n i q u e ) ：有y 效解决了用其它方法将 会产生的她表垂直应力不为零的难题。第一步首先考虑弹性无限空间中出现一个 奇点之后引起的空间位移解，第二步考虑对称于地表面的上部空间的一个影响奇 点引起的空间位移解，第一、二步结果叠加，会在地表位置产生正应力或剪应力， 为了符合边界自由条件，需要抵消这一部分力，于是第三步考虑地表面处作用正 应力或剪应力产生的空间位移解( 所谓的b o u s i n e s q 问题) ，将三部分的结果叠 加，即可得到弹性半空间中的位移解。这种方法在分析中没有考虑隧道存在的影 响，尽管用m i n d l i n ( 1 9 3 9 ) 的方法可以得到精确解，但是s a g a s e t a 的方法更简单 易行。 v e r u i j t & b o k e t 坫l ( 1 9 9 6 ) 采用s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 的方法，提出均质弹性半空间中 隧道变形引起的地表沉降的解析解。v e r u i j t & b o k e r 的结果是s a g a s e t a 解的推广， 他们给出的结果不仅适用于不可压缩土的情况( 泊松比为0 5 ) ，而且适用于泊松 比为任何值的土体情况，同时他们还考虑了隧道衬砌椭圆化变形的影畸。但用 v e m i j t & b o k e r 方法计算的沉降槽比实测的结果要宽，水平向位移比实测的结果 要大。产生这个结果可能的原因为：实际的土体性状是非线性的，表现出塑性行 为；分析中假设隧道处土界面的土层径向位移均一与实际情况不符。 另外，国内大多数学者一般采用数值模拟方法研究隧道施工对地表、路面的 影响。如杨晓杰【1 6 1 、卿伟宸【1 7 1 、吉小明【1 8 i 等。在数值模拟中主要存在一下问题： 8 浙江大学硕士学位论文 大多采用二维有限元模拟；将士体假设为均质线弹性体，与实际土体性质有较大 差异等。 阳军生、刘宝琛f 1 9 j 等将波兰教授j i j t w i n i s z y n 提出的随机介质理论引入中 国，并且加以完善，目前在矿山开采引起的地表变形预计方面已经取得了成功。 近年来已经成功应用到研究隧道开挖对周边环境的影响中，将隧道围岩看作一种 随机介质，将隧道开挖看作一个随机过程，推导了不同断面隧道开挖引起的地表 位移、地表变形、地表曲率计算公式。 韩煊 2 0 i 认为应用随机介质理论预测地表沉降中隧道变形并不是均匀收敛， 提出了隧道不均匀收敛的预测模型。并且推导了圆形、椭圆形、矩形和马蹄形断 面隧道断面引起的地层积分界限和断面计算公式。 姬永纠2 1 】根据随机介质理论推导了沉降槽宽度系数f 的计算公式，得出了影 响角正切t a n # 和隧道断面收敛值厶r 的计算公式，并与实测值做了对比。 韩煊、李宁吲将随机介质理论应用到预测盾构隧道施工引起的地表沉降， 假定隧道变形由隧道不均匀收敛和隧道椭圆化变形组成，与p e c k 公式做了对比， 得出隧道椭圆化变形不是引起地表位移的主要原因。 施成华l 矧等在随机介质理论中应用比例法分析了地表移动参数，分析得到 了影响角正切t a n 卢和隧道断面收敛值厶足。由此推导了浅埋隧道施工引起的隧道 纵向上覆土层下沉、水平移动、倾斜、水平变形及地层弯曲曲率的计算公式，并 给出了圆形以及其他复杂隧道开挖断面的具体计算方法。 前人针对隧道施工对土体和地表影响的研究计算方法主要有经验公式、解析 解、数值模拟以及随机介质理论等。除p e c k 公式以外，经验公式基本都是在某 一个或者某几个工程上的数据分析，没有很强的代表性。隧道施工对土体变形的 影响因素很多，解析解并不能考虑到影响施工的所有因素，这也导致了解析解不 准确的现状。在随机介质理论中，主要的问题存在于隧道收敛模式上，均匀的收 敛模式有待改善。 1 2 - 2 暗挖隧道施工对地下管线影响研究现状 在城市中暗挖隧道施工对地下管线的影响是隧道施工中的重点和难点。如何 在施工前准确预测地下管线的变形、在施工中采用技术措施保护地下管线、在施 工后借助控制标准对地下管线的安全性做出评价是一个很重要的课题。 在暗挖隧道施工对地下管线影响研究中，国内学者多采用数值模拟方法求 解如吴波叶铡等基于a n s y s 程序，建立了隧道支护结构土体地下管线耦合 作用的三维有限元分析模型，模拟了6 种不同的施工方案对地下管线的沉降影 响，得到最优施工方案。然后采用土工离心模型试验，模拟隧道开挖对地下管线 的影响；通过离心模型试验、数值模拟、现场实测值对比分析，验证了结果的可 靠性。 9 浙江大学硕士学位论文 毕继红、刘伟、江志峰 z 6 1 采用a b a q u s 有限元分析软件，考虑了不同埋深、 材质、下卧层刚度、距离等条件，分析了双线隧道施工对地下管线的影响。结果 表明：埋深、材质、下卧层刚度等对地下管线都有很大的影响 姜忻良瞄】等采用三维有限元方法模拟了隧道开挖引起的地下管线的变形。 并计算了一定埋深的管线的曲率。 国外学者多采用解析方法进行研究，如v o r s t c r l 碍l 等提出了一种预估隧道开 挖引起地下管线最大弯矩的计算方法，该方法考虑了隧道和地下管线的几何形 状、土与管线的刚度以及隧道施工在管线位置处产生的土体沉降的影响。考虑了 土体的非线性特性。与离心模型试验结果进行了比较，确定了其可行性。但该方 法作为一种上限解的近似值过于保守。 l 【l a r 【神l 等研究了隧道开挖对地下管线的影响，给出了连续弹性解和w i n k l c r 闭合解，并对这两种解进行比较。结果表明：应用v e s i c 方程，在相同外荷载作 用下得到的弯矩和位移解是一样的，但采用连续弹性解比较安全。 在预测评价暗挖隧道施工对地下管线的影响研究中，吴波瞄l 等在管线沉降、 管线受弯应力和管节缝张开值三个方面给出了管线评价标准。c h u n 黔i k l 3 0 1 等介绍 了一种评价隧道开挖对地下管线影响的方法，但在工程应用中结果略为保守。 研究表明，隧道与地下管线的相互作用包括地下管线对士体的锚固作用和土 体对地下管线的反作用两个方面。隧道施工过程中引起的土体变形会在地下管线 中产生附加应力和弯矩，进而引起地下管线变形。地下管线变形大小主要取决于 土体和管线的相对刚度以及隧道在管线处产生的土体变形。在数值模拟中，考虑 了地下管线变形、受力及管缝张开值，但没有考虑管线节点转动与管线的轴向移 动；解析方法则受现场实测数据的限制，且为二维解：多假设土体为各向同性和 线弹性，地下+ 管线与土一直接触，地下管线对隧道影响忽略，与实际情况存在 一定差别。 1 2 3 目前研究不足之处 暗挖隧道对邻近结构物作用的研究已经进行了很多，也得到了一些很有意义 的结论，但与实际工程还有一定差距，许多方面值得继续研究： ( 1 ) 研究方法。目前对于暗挖隧道与邻近结构物相互作用的研究方法主要有 以下几种：经验公式、解析方法、现场监测和数值模拟等。 数值模拟方法是目前采用最多的方法，原因主要是由于暗挖隧道与邻近结构 物的相互作用非常复杂以及现场监测非常困难。但目前大部分研究都基于二维有 限元，很少采用三维有限元模拟，对模拟结果有一定的影响。 建议可采用随机介质理论和人工神经网络方法来预测隧道施工与邻近结构 物的相互作用。目前，应用随机介质理论求解隧道施工引起的地表沉降时，暗挖 隧道施工后，其断面收敛模式假定为均匀收敛，与实际工况不符。 1 0 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 暗挖隧道施工工艺的影响。暗挖隧道有多种开挖方式和支护形式，不同 开挖方式与支护形式的结合对暗挖隧道与邻近结构物的相互作用会产生影响。应 对暗挖隧道的拖工工艺进行研究，通过比较，提出最优的施工方案，将可能产生 的损害降到最低。 ( 3 ) 运用理论方法研究暗挖隧道与邻近结构物的相互作用，推导出精确解析 公式是一个重要的研究方向。但由于暗挖隧道与邻近结构物相互作用的复杂性， 研究难度较大。而且目前关于隧道施工对管线影响的解析解比较少且复杂。 1 3 本文主要研究内容 ( 1 ) 运用随机介质理论基本公式，分析暗挖隧道施工后隧道断面的收敛模式，预 测暗挖隧道施工对地表的影响。 ( 萄运用有限元程序研究暗挖隧道不同开挖方式，不同施工顺序对路面的影响， 选择最优施工方案。研究暗挖隧道施工对路面的影响。 ( 3 ) 运用三维有限元程序研究暗挖隧道施工对地下管线的影响，分析地下管线 材质、管线埋深、管线间距等影响因素对管线变形的影响。 ( 4 ) 基于弹性地基梁理论，将地下管线简化为弹性地基梁，预测隧道施工引 起的地下管线竖向沉降公式。 u 浙江大学硕士学位论文 第二章暗挖隧道施工引起的地表变形计算 方法研究 随着城市建设的迅猛发展，地面空间压力越来越大，为解决城市交通、停车、 供水、供电等工程项目占地的重大难题，城市隧道及地下空间将被大力开发利用。 任何地下工程的开挖施工，无论其埋深大小，均将不可避免的对隧道周围土体产 生施工扰动，使周围土体出现卸荷等复杂的施工力学行为。土体应力应变状态将 发生改变，进而隧道周围土体、地表必将发生或大或小的变形。而城市地铁隧道 埋深浅，如不根据地表环境保护要求，分析引起沉降的主要因素，并采取适当措 施加以控制，则将危及地面建筑物、城市道路、地下管线的安全。 2 1 暗挖隧道施工对土体的扰动机理分析 2 1 1 暗挖隧道施工引起的地表沉降规律 ( 1 ) 地表纵向沉降规律 隧道浅埋暗挖法施工，不可避免的要引起周围土体扰动及土体损失，形成不 同深度和不同范围的沉降槽，沉降槽会对地表环境造成不同程度的影响或破坏。 不同的围岩，不同的埋深，隧道开挖引起沉降槽的深度和宽度也不同。 隧道开挖过程中地表沉降随着掌子面向前开挖的时空效应而变化。现以某埋 深浅、软弱围岩段工程实际测点的沉降曲线为例【1 】( 图2 - 1 ) ，对隧道开挖引起的 纵向地表沉降进行分析。 ， - k 、一 h 工一开挖