（岩土工程专业论文）盾构施工引起的地层变形及对邻近桩基的影响研究.pdf

摘要 本文系统分析了目前盾构隧道施工诱发的地层变形的预测方法和估计地铁隧道施 工对地面和地下临近构筑物的影响理论，针对现有分析理论存在的不足提出了适当的修 正方法，为解决实际地铁隧道施工引起的工程问题提供科学依据。本文主要完成如下几 方面的工作： 1 、 针对传统p e c k 公式在计算浅埋或超浅埋地铁隧道开挖诱发的地表沉降时存在 一定的误差，本文建立了一个将隧道开挖引起的地层损失集中在过隧道中心的直线上的 简化计算模型，推导出预测地铁隧道开挖诱发地表变形的二维和三维修正p e c k 公式。 通过工程实例验证了该修正p e c k 公式的正确性，结果表明：修正p e c k 公式能反映隧道 开挖断面的形状对沉降槽曲线的影响，在相同的地层损失情况下，隧道的横向宽度越宽 地表的最大沉降值越小；在浅埋和超浅埋隧道中，采用修正p e c k 公式计算所得到的沉 降槽曲线会显得“宽而浅”，更接近实测值。 2 、将隧道断面椭圆化收缩模型引入随机介质理论，把隧道断面的最终变形分解为 均匀径向收缩、整体竖向移动和断面椭圆化三部分。在此基础上推导出随机介质理论计 算公式中的积分界限，并利用殆删班的复变函数解给出了圆形隧道中的椭圆化3 个分 量的计算公式，编制了随机介质理论的f o r r m n 计算程序，用它进行了地表移动的影 响因素分析，并得出计算施工引起的地面最大沉降的经验公式。 3 、研究了盾构施工的数值模拟方法，包括施工过程中的应力释放模拟、各种材料 和荷载的模拟，提出了非均匀应力释放法。通过分析发现盾构法施工的隧道在模拟应力 释放时不适宜采用均匀应力释放法，否则会出现施工后隧道整体上拱过大的问题，而非 均匀应力释放法更符合盾构施工的实际情况，计算结果更合理。 4 、采用有限元方法研究了隧道的开挖对临近桩基的影响，分析了在各种条件下( 不 同桩顶约束情况、不同桩长、不同桩与隧道间的距离) 的桩身位移，桩体受力( 轴力、 剪力、弯矩、桩侧摩阻力) 的变化规律，以及桩体的存在对地层移动的影响。 关键词：地铁隧道；p e c k 公式；随机介质理论；数值分析；桩基；地层变形 a b s t r a c t ，1 1 1 i st 1 1 e s i sh 嬲a 1 1 a l y z e dt h en l e 0 五嚣o fh o wt 0p f e d i c t 也eg r o u l l dd e f 0 1 ：i n 鲥0 na n d e s t i i n a t e 廿l ei i l n u 锄c et 0b e s i d eb u i l d i n g sa j f i e rs u b w a ye x c a v a 垃o n a i ma t 也ei n a d e q u a t eo f p r e s e n tm e o r i e s ，t 1 1 i s 也e s i sb 血笋u p 也e 形v i s e dm e m o d s ，w 1 1 i c hp m v i d eas c i e i l t i f i cb a s i sf o r s o l u 6 0 n 廿l ee n g i n e 萌n gp r o b l e md u r i n g 姗b w a ye x c a v a t i o n n em a i l lc o n t e l l to ft l l i st 1 1 e s i si s 嬲f o u o w i n g f i j s t l y ，a i 】皿a tt h e 劬出廿伽融p e c km e 廿1 0 d sc a l c u l a t i o ni sn a i r o 、v e ra n dd e 印e ri ns h a l l o w 0 rr a t l l e rs h a l l o wt u 】眦e 1 ，l i sn l e s i se s t a b l i s h e dac a l c u l a t i o nm o d dm a tm a k i n gm e 乒o u n d l o s sca _ u s e db ym e 乜- 0e x c a v a t i o nc 0 n c 删e do n a1 i 1 1 ew h i c hc r o s s i l l gt l l ec e l l t e ro ft l l et 1 1 】m e l o nb 蕊so fm i sm o 出，缸1 i st l l e s i sd e r i v e d 也ef o r 锄1 1 勰o f2 da n d3 dw h i c ha r eu s e dt o c a l c l l l a 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y ，m em l m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do fs h i e l dc o n s t m c t i o nw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n g s i m u l a t i o nm e t l l o do ft h es 仃e s sr e l e a s e ，m a t 甜a l sa i l dl o a d sd u r i n ge x c a v a t i o n a n d n o n - u i l i f 0 咖s t i i e s sr e l e a s em e m o dw a sb r o u 曲tu p i ti sf o u n db ya n a l y s i st h a tu n i f o ms t r e s s r e l e a s em e t h o dw a sn o ts u i t a b l ef o rs h i e l dt u 彻e l i n g ，o t h e n i s et l l et u m l e lw o u l du p w a 印 n o n u 1 1 i f o ms t r e s sr e l e a s em e t h o dw a sa c c o r dw i t ht h ea c t u a lc o n d i t i o n so fs 1 1 i e l dc o n s t m c t a n di t sr e s u l tw a s m o r er e a s o n 山】e h f i n a l l y ，t l l i s 山e s i ss t u d i e dm ei n n u e n c et ob e s i d ep i l e sd 血n gt u 姐e l i n ge x c a v a t i o nb y f e m ，a i l a l ) ，z e dt h ec h a n g el a wo f p i l ed i s p l a c e i i l e n ta 1 1 df o r c e ( i n c l u d ea 】【i a lf o r c e ，s h e a rf o r c c ， m o m e 咄a i l d 伍c t i o n ) a 1 1 dt h e 砌u e i l c et 0g r o u l l dd e f o 肌a t i o nu 1 1 d e rm a n yd i 彘r e n t c 0 n d i t i o n s ( i n c l u d ed i f 】衙e i l tc 0 i l s 仃a i n tc o n d i 6 0 no nm et o po fp i l e ，d i 侬：r e mp i l e1 e n g t l l ，a n d d i f | 陆e n td i f 衔e n c eb e 觚e 钮p i l ea n dt u n l l e l ) ， l ( e yw o r d s ：s u b w a yt u 皿d ；p e c km e 吐l o d ；s t o c h 删cm e d i u mn l e o q ；m l m e r i c a la n a l y s i s ；p i l e ； 粤砌d e f 0 肌a t i o n i l i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：仓毒江 醐：垆朋妇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：锌春江 新签名镅丫 _ 月iv 西 ，r 日期：垆歹月日 日期。7 年 月彭日 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着我国经济建设的高速发展，城市现代化建设的加快，目前许多城市都出现了 “城市综合症，主要表现为城市超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化面积减少。由于汽 车数量日益加速增长，大城市交通堵塞十分严重。汽车尾气产生大量的氮氧化物，一氧 化碳等污染物已成为城市大气污染的主要原因。为了减轻城市交通的压力，许多城市的 道路都进行了加宽和新建，这对日益紧张的城市用地无疑是雪上加霜，同时也很大程度 上破坏了城市的绿化建设，造成城市环境的恶化。 交通的拥塞、事故和污染是大城市建设的头等难题，曼谷的交通堵塞曾消耗掉大量 的g d p 。为解决这一难题，二十世纪，美国、日本的一些城市向空中发展，修建高架路。 高架路在缓解交通拥挤方面功不可没，但也带来负面影响：噪声、振动和污染的环境影 响使得沿线房地产贬值、破坏了城市景观、造成了高架路周围地区的割裂。二十一世纪 人类对环境、美化和舒适的要求越来越高。人们的环境意识和对城市的环境要求将越来 越加强和提高，以前修建的高架道路将逐步转入地下。地下高速轨道交通将成为大城市 和高密度、高城市化地区城市交通的最佳选择n 1 。如果说二十世纪是桥梁建设的世纪， 那么二十一世纪就是地下空间开发的世纪口3 。地铁的出现不但可以很好的解决人们的日 常出行问题，缓解交通压力，同时还可以在一定程度上减少汽车的使用率，减少汽车尾 气的排放以及节约石油资源，这在石油资源日趋紧缺，国际油价高涨的今天是很有意义 的。 随着我国地下空间开发的不断发展，许多的城市已经修建了地铁或者规划了地铁。 盾构法作为一种先进的施工方法在我国地铁隧道工程施工中得到了越来越广泛的应用。 盾构掘进不可避免的会扰动周围土体，造成地层位移和地表沉陷。地层位移和地表沉陷 会带来系列的工程问题，主要包括以下几个方面： ( 1 ) 、地铁一般位于城市主干道下面，地面沉陷或隆起会影响道路的平整度，对路 面行车造成影响。例如2 0 0 5 年7 月1 9 日北京地铁5 号线干杨树车站北区间段的地下暗 挖区间的管棚工作室位置充填混凝土施工时造成地面路面突然拱起，并扩大成一个约 1 5 m 长、占据两个车道宽、高约6 0 c m 的鼓包，同时，路面出现多处裂缝，造成了严重 的交通堵塞。【摘晰浪网删帆哺闻】 ( 2 ) 、地层移动会影响隧道周围的既有管线以及既有隧道的安全。例如1 9 9 9 年在 广州一矿山法地铁施工工地，一混凝土供水管由于地铁开挖诱发的沉降过快造成水管突 然爆裂瞒自网络新刚。 ( 3 ) 、当隧道通过建筑物下面时，会引起建筑物的倾斜、开裂，直接威胁到建筑物 的安全使用。例如2 0 0 9 年1 月4 日上午，广州地铁二、八号线东晓南路隧道上方因为 地面沉降导致周边7 幢建筑受到影响，其中一幢6 层居民楼发生倾斜嘲白人民罔拥1 。 ( 4 ) 、引起邻近构筑物桩基础的变形以及桩的受力情况发生变化，影响桩基础的安 全使用。近年，由于土地价格上扬，城市土地用地不足等原因，接近施工的工程大量涌现， 这类工程不仅工程规模大，而且与既有地下结构物的间隔距离更小，例如，在建的深圳 地铁一期工程天虹一岗厦区间隧道，在左线里程c k 6 + 7 8 4 1 5 5 处，与民房桩基的距离 仅为o 3 1m ；北京目前在建的地铁5 、4 和l o 号线为例，3 条线合计6 3 1 虹的地下 线路需穿越城市道路立交桥桥桩十多处，距桥桩最近的仅为o 1 9m 。 如何预测地层移动和地表沉陷，以及准确估计地铁隧道开挖对地面和地下临近构筑 物的影响、保证盾构的顺利掘进，是当前城市地铁隧道盾构设计施工中的热点和难点问 题。受到了地下工程学术界、设计单位、施工单位的广泛关注。 1 2 隧道开挖引起的地层移动的研究现状 关于地铁开挖引起的地层移动( 如图1 1 所示) 的预测方法国内外学者做了大量的 研究，并取得了不少成果。目前关于地铁开挖引起的地层的预测方法大致可以分为五类： 经验公式法、解析法、半解析法、模型试验法，数值模拟方法。 1 2 1 经验公式法 经验公式法就是用特定的曲线形式来表示隧道开挖以后实测得到的地表沉降曲线 形状，再根据地表沉降的实测结果得到拟合曲线的具体参数的计算方法。 p e c k 于1 9 6 9 年在国际土力学大会上提出的p e c k 公式3 1 是目前应用最广泛的预测方 法。p e c k 教授假定地面沉降槽符合正态高斯分布规律( 如图1 2 所示) ，并且在隧道开 挖引起的地层移动的过程中不考虑剪胀效应，假定土体的体积不发生变化。所以地表沉 降槽的体积等于地层损失的体积，并且沉降槽横断面大致遵循正态分布曲线规律。地表 沉降的计算公式为： 一e x p ( 等 ， x2 焉 q2 式中： 地层损失的体积； 卜沉降槽的宽度； r 从隧道中心线对应的地面点到所计算点的水平距离； j 一地表最大沉降量。 图1 1 开挖引起的地层移动示意图 与隧道中线的横向距离 西 o 。o 0 2 0 4 0 。6 0 8 1 o 譬 蘧蓁 毋聋 蕊 图1 2 地表沉降槽曲线 关于沉降槽宽度f 的计算公式许多学者进行了研究，其中应用最多的是 k n o t l l 1 9 5 7 ) 【4 】提出的适用于岩石材料的公式( 1 3 ) 和o r e i l l y ( 1 9 8 2 ) 【5 1 提出的近似公式 ( 1 4 ) ： k n o m e 公式：f = 1 j ) _ 一 ( 1 3 ) 2 万t a i l ( 4 5 。一缈2 ) o r e i l l y 公式：f = k z o ( 1 4 ) 式中：矽隧道上部土体内摩擦角加权平均值； k o 一沉降槽宽度系数，根据当地经验取值。 a t t e w e l l 和w r o o d m a i l 【6 1 ( 1 9 8 2 ) 提出用累积概率曲线来描述沿隧道轴线方向的沉降曲 线，并在此基础上推导了沉降槽的三维表达式。根据试验结论提出，在深层一个点位移 源引起的地层位移为： s = 篆e 砷 警 5 ， 则深层的线位移源就可以通过对上式积分得到： j = 矗唧圈 g t 半t 半) ) 6 ， 式中：广所计算点的沿隧道轴线上的坐标，一般开挖处的地表设尸0 ； 乃为沿隧道轴线上隧道起点的位置； y ，为沿隧道轴线上隧道起点的位置。 o r e i l l y 和n e w ( 1 9 8 2 ) 【习为了计算隧道开挖引起的水平位移，假定地层位移矢量方向 指向隧洞中心从而得到水平位移的计算公式： ”：竖( 1 7 ) ”= 一 l 1 ， 气 式中：r 唧挖引起的竖向沉降，可由p e c k 公式计算得到。 m a i rr j 和t a 姐o rr n ( 1 9 9 3 ) 同等人为了计算地层中的沉降，假定地表以下的沉降 槽曲线仍然能用高斯曲线来拟合，只是需要重新考虑沉降槽宽度i ： f = k ( 气一z ) ( 1 8 ) 其中：r 计算点的埋深。 m a i r 等人根据实测结果沉降槽宽度系数可以用式( 1 9 ) 来表示： 瓦：堕墨型 ( 1 9 ) ” l z z 0 相应的沉降槽宽度为： 江o 5 z o o 3 2 5 z ( 1 1 0 ) 根据式( 1 1 0 ) 可以发现在地表( z = o ) 时，江o 5 ，k 0 = 0 5 。即在( 1 1 0 ) 式中 假定了地表沉降槽参数为0 5 。实际上硒是因地区而异的，为了解决这个问题，韩煊 ( 2 0 0 6 ) 【8 1 引入一个归一化系数刁j 进行了简单的修正： 矿 ：竺( 1 1 1 ) 。 k o 其中：k 地表以下深度z 处的沉降槽宽度系数。 韩煊( 2 0 0 6 ) 【8 】根据与实测数据的拟合，发现地层损失率沿深度方向上变化不大时， 不论是砂性土还是粘性土，都可以采用下式来计算7 7 4 ： ”d ：! 二竺! 三! 型( 1 1 2 ) 、一z | z q 在没有地区经验时，对于粘性土韩煊建议取o 6 5 ，砂性土取0 5 。 t b c e l e s t i n o 等【2 0 0 0 】【9 1 根据实测数据与有限元计算结果，指出p e c k 公式在当有较大 面积土体进入塑性区时，横断面沉降槽不再是正态分布曲线形式，而是类似“塞子”形， 他建议用下式来计算地面沉降： 弘高 n j 3 式中：a 长度量纲常数，影响沉降槽宽度； 卜大于1 的常数( 无量纲) ，影响沉降槽的形状。 对于a 、b 的取值他根据资料分析，提出以下经验公式： 口d = o 3 9 ( 气d ) + o 3 1 ，减 2 8 ( 硬粘土) 口d = o 4 6 ( 乞d ) + o 3 7 ，b = 2 3 o ( 高空隙比粘土) 。 唐益群等人( 1 9 9 5 ) 结合上海地铁一号线的实测数据，提出以下地表沉降估算的 经验公式： s ： q ：丝! 丝 e x p f ， 日( o 9 5 6 一日2 4 + o 3 9 )l 式中：d 一隧道直径； 广间隙参数； h - 隧道埋深。 ( 1 1 4 ) 经验公式法大多是认为隧道施工以后地表沉降曲线的形状可以用特定的曲线形式 来表示，然后根据当地实测资料或已有的经验来确定曲线的具体参数。经验公式法的计 算过程一般比较简单，比较容易操作。而且它是基于实测结果的规律总结得来的，往往 能得到比较满意的计算结果，一般用于经验丰富的局部地区。但是在新地区使用时还需 要利用实测资料进一步的研究，以便获得计算参数的合理取值。经验法建立在经验的基 础之上，缺乏明确的理论依据，因此不可避免的存在一些缺陷： ( 1 )不能反应所开挖隧道的具体断面形状和开挖方式的影响； ( 2 ) 在隧道埋深较小的时候计算结果存在较大误差； ( 3 ) 参数的确定主要依靠地区的经验得到； ( 4 )地面水平位移的计算方法还缺乏大量数据的论证； ( 5 )地表以下的地层移动的公式还缺乏实测资料的支持： ( 6 )不能求出地层中的应力场。 1 2 2 解析、半解析法 解析法中一般都采用间隙参数g 来表示地层损失，r o w e 和k a c k ( 1 9 8 3 ) 【1 1 】提出间 隙参数的概念。l e e 等人( 1 9 9 2 ) 【1 2 1 提出理论分析模型得到不排水条件下间隙参数的计 算公式为： g = g 。+ u 3 d + w ( 1 1 5 ) 式中： g 。物理间隙，等于盾构机最大外径和衬砌外径之差； u ，d 隧道的三维弹塑性变形； w 工艺水平参数。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 【1 3 】提出用镜像法来解决线弹性半无限体内由于空隙产生的位移场 的求解问题，如图1 3 所示。假设在无限体内有一半径为a 的空隙，根据体积不变假定 可以算出其距离为r 的任意一点处将产生的径向位移为： 墨( r ) = 一罢( 乌2 j， 镜像法的基本步骤为： ( 1 1 6 ) ( 1 ) 、忽略地面的存在，半无限体问题转化为无限体内的空隙问题，在原地面位 置产生正应力和剪应力靠。 ( 2 ) 、在无限体内与原空隙镜像位置假想一大小相等的体积膨胀，该体积膨胀将 在原地面产生正应力和剪应力。 ( 3 ) 、上两步在原地面的正应力相互抵消，剪应力为2 靠，为了使之符合实际的 边界情况在半无限体地表面施加2 n 的剪力。 ( 1 ) 、( 2 ) 步产生的位移可以由式( 1 1 6 ) 得到解答，从而可以进一步的求出前两 步产生的应变以及应力场并得到靠的函数。然后应用c 删t i 解答求出第( 3 ) 步产生的 位移场和应力场。以上三步产生的位移之和即为半无限体内空隙问题的解答。 实际闯簇t 地璇口= 龟r = o 0 空陵 第( 2 ) 步缎想体识膨胀 9 体积彩裁 地廊忽嚷一一f i m 筇( 1 ) 步疑患薏限体 地面忽略仃2 - f 3 孙 。空隙 第( 3 ) 涉 疆翻豪匿磁力 i 黛一一l 翌一 i 占 图1 3 镜像法基本原理 v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 考虑了土体泊松比和隧道的椭圆化变形的影响对 s a g a s e t a 解进行了修正，得到的竖向位移为： 以= 警c 半一鼍产卜2 文争+ 磊燮 式中：占均匀径向地层损失； 万由于衬砌变形而引起的椭圆化变形； i 卜隧道半径，聊= l ( 1 2 ) ；z 2 = z + h ；眨2 = x 2 + z 2 2 。 一6 l 0 9 a n a m a n 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 【1 习重新定义了地层损失参数( 如图1 4 所示) ，提出等 效地层损失的概念： 岛：竺孥! ：掣枷。 岛2 卜2 节灯0 0 穆i 河：耐 ( 1 1 8 ) 图1 4 地层损失图 并在给定的边界条件下地层中一点的地层损失为： 铲警唧 _ 器+ 警 代入v c 棚】i j t 解并忽略万的影响，得到地层中一点的位移为： 够= 尺2 一端+ c 3 4 y ，端一黼 掣唧 器+ 销) 2 。， k h p a r k ( 2 0 0 4 ) 【1 6 】。采用弹性力学中的a i r y 应力函数，假定在浅埋和深埋条件下 的应力状态如图1 5 所示： ( a ) d e e pt u n n e i b ) s h a l i c n t u n n e i 图1 5 浅埋和深埋隧道的应力状态 推导出在深埋和浅埋条件下的地层的应力和位移： 深埋隧道： 2 蚱= 一口o ，- 1 + 2 a ：，- 3 + 2 ( 1 一l ，) 6 2 ，1 c 0 s 2 9 2 = 2 口：，- 3 一( 1 2 y ) 6 2 ，- 1 s 洫2 秒 口o = 学彬；口2 = 学咖4 ；铲学 式中：剪切模量。 y 泊松比； 4 隧道半径。 浅埋隧道分别考虑隧道变形的如图1 6 所示的四种边界条件： b c 1 ：吩( 厂= 口) = 一“o b c 一2 ：z ( ，= 口) = 一“o ( 1 + s i i l 回 b c 一3 ：“，( ，= 8 ) = 一“o ( 1 + s i n 秒一o 5 c o s 2 秒) b c 4 哆”加一等( 5 + 3 如弘3 耐d 柑也0 ，一童船1 8 囊一 图1 6 隧道边界条件 2 咋= 一口。r 一1 + q ，_ 2 + q ( 1 一y ) h l ，+ d l ( 1 2 y ) 1 i l ， s i n 秒 + 2 以：，- 3 + 2 6 2 ( 1 一y ) ，_ 1 c 。s 2 9 + 3 c 3 ，- 4 + 以( 5 4 v ) ，- 2 s i n 3 9 2 “，= 一 c l ，一q y c l ( 1 一y ) l i l ，+ d 。( 1 2 y ) ( 1 一1 1 1 厂) c o s 伊 ( 1 2 1 ) ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) + 2 附。3 。2 6 2 ( 卜2 咖： 咖加 ( 1 2 4 ) 一l3 c 3 ，- 4 一以( 1 4 y ) 厂- 2i c o s 3 秒 q 一弦2 ；c i = 吉( 肛击加4 ；呸= 半伽4 咖半彬；q = 警肛6 ；小一半 各种边界条件下： b c - 1 ：口o = 2 l l o 口 b c 一2 ： 口o = 2 “o ( 1 + s i n 9 ) 口 b c 一3 ：a o = 2 ( 1 + s i n 口一o 5 c o s 2 秒) 口 b c - 4 ：= 等( 5 + 3 s i l l 秒一3 c o s 2 秒) 口 c g o n z a l e z 和c s a g a s e t a ( 2 0 0 1 ) 【1 8 】将隧道开挖引起的隧道断面变形分解为三部分： 均匀地层损失占、隧道的椭圆化变形万、隧道的整体竖向移动虬。并且假定地层损失只 发生在均匀地层损失部分。并且在总结前人成果的基础上，给出了各种假设条件下g 、 万、“的计算方法。 魏纲( 2 0 0 7 ) 【1 9 1 提出隧道土质软硬决定了盾构隧道周围土体的移动方向，移动焦 点在隧道中心与隧道底部位置之间变动。采用两圆相切的土体损失模型，通过引入移动 焦点参数，建立了统一的土体移动模型。在该模型的基础上利用镜像理论推导了由土体 损失引起的地表最大变形量的上、下限解。 朱贺隆、张庆贺等( 2 0 0 1 ) 【2 0 1 在随即介质理论的基础上推导了隧道开挖引起的纵 向地表沉降的计算公式。由于计算公式为原函数写不出的二重积分形式，作者采用了数 值积分的方法。 魏纲、徐日庆( 2 0 0 5 ) 【2 1 1 假定土体不排水，利用弹性力学的m i i l d l i n 解，推导了 由盾构正面推力和盾构与土体之间的摩擦力而引起的纵向地面变形的计算公式，并结合 s a g a s e t a 解得到隧道开挖引起的纵向地表沉降的计算方法。采用g a u s s - l e g e l l d r e 公式计 算积分值。 相对于经验公式法，解析法和半解析法一般计算过程较为复杂。但解析法和半解 析法由力学理论推导而来，具有一定理论基础，不但可以计算地表的沉降槽，还可以计 算地层中的应力场和位移场，是以后研究隧道开挖引起的地层移动的发展趋势。但是目 前的解析法和半解析法在推导的过程中均作了大量的简化，一般将地层视为单一均匀、 各向同性的半无限线弹性体，不考虑土体的非线性特性，这与实际情况是不相符的。同 时解析法不能很好的考虑不同施工工艺对施工引起的地层引力场与位移场的影响。 1 2 3 模型试验法 由于隧道开挖本身的复杂性，土层性质的不确定性，使得应用理论计算十分困难， 并且很多情况下不可能得到解析解。现场实测往往需花费大量的时间和资金，并且现场 实测只能在施工的过程中进行，不能在工程施工之前预测施工对周围环境的影响。所以 模型试验往往是一种合适的研究方法。模型试验主要有相似试验和离心机试验。 何川、李永林( 2 0 0 5 ) 圈，作为数值分析的验证和补充，对某连拱隧道进行了几何 比为1 2 0 的相似模拟试验，结果表明，三维数值模拟分析与实物相似模型试验具有良好 的一致性，二者结论可以互相印证和互补。 k i m u r a 和m a i r ( 1 9 8 1 ) 瞄】通过离心机模型试验探讨了伦敦几种地层中隧道施工引起 的沉降，得出了地表水平位移的计算公式。 h 1 1 锄哪等( 1 9 9 8 ) 【2 4 】采用一种微型盾构机机型隧道开挖和衬砌脱出盾壳过程的离心 机试验，研究了不同的隧道埋深条件下和有盾尾间隙的情况下衬砌拱顶土压力及地面变 形的情况。 姚燕明和杨龙才等人( 2 0 0 2 ) 【2 5 】采用离心机分析隧道开挖对地面沉降的影响。获得 了隧道围岩的破坏形式和破坏范围以及地面的沉降值。 相对现场试验来说，模型试验成本低、周期短、并且可以在隧道施工前预测施工带 来的影响。但是模型试验的尺寸效应问题和相似性问题仍然值得进一步研究。 1 2 4 数值分析方法 由于地铁隧道施工工艺的复杂性以及岩土性质的高度非线性，采用一般的方法难以 考虑这些因素的影响。因此数值分析方法在研究地铁隧道开挖引起的地层移动和地表沉 陷的过程中应用的十分广泛。 s w o b o d a ( 1 9 7 9 ) 2 6 】提出用于模拟新奥法隧道开挖的逐步软化法。主要是将隧道边界 范围内的土体模量逐步降低，来模拟卸载效应。逐步软化法和反转应力释放法是目前模 拟开挖的两种最基本的方法。 朱合华、丁文其等( 1 9 9 9 ) 【2 7 】针对盾构的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性 分别提出模拟方法，然后剪力盾构隧道施工模拟有限元程序应用于大阪地铁7 号线盾构 隧道施工的力学分析中，并将计算结果与现场测量值进行了比较。 张云、殷宗泽等( 2 0 0 2 ) 【2 8 】考虑到盾尾空隙的大小、注浆填充的程度、隧道壁面 土体受扰动的程度和范围等对地层变形有着重要的影响，而实际工程中又难于分别量化 的因素，概化为均质、等厚的等代层，并分析了地表变形对等代层参数的敏感性。 张海波、殷宗泽( 2 0 0 5 ) 【2 9 】提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性 有限元模拟方法，并利用对m a r c 进行二次开发的有限元程序对某地铁隧道盾构施工过程 的模拟，分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深 度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近，计 算结果表明所提出的盾构施工模拟方法是有效可行的。 鞠杨、徐广泉等人( 2 0 0 5 ) 【3 0 】结合广州地铁三号线盾构隧道工程实例，应用非线性 有限元程序a n s y s 分析了上部和周围土体荷载作用下衬砌的应力场与变形情况。结构 计算模型采用三维实体单元，考虑了衬砌与周围土体的共同作用、土体和钢筋混凝土材 料的非线性性质，通过模型刚度折减考虑了管片接头的不连续性对衬砌应力和变形性质 的影响。 李曙光、方理刚( 2 0 0 6 ) 【3 l 】以南京地铁1 号线许府巷一南京站区间隧道为背景，结合 现场监测数据及各项掘进参设置，对土压平衡盾构在富水饱和粉土、粉砂夹细砂、粉细砂 地层中掘进引起的地表变形过程和分布规律进行分析，并使用有限差分法程序f l a c 如对 考虑盾构施工工序、地下水位、土仓压力和注浆等因素的地表变形进行模拟计算分析。 何川、苏宗贤( 2 0 0 7 ) 【3 2 1 以盾构隧道装配式衬砌结构为研究对象，引入各向刚度 不等的连续材料模型，按变形等效原则对不连续的隧道结构横向和纵向的刚度分别进行 了等效折减，采用室内相似模型试验和三维有限元数值分析相结合的手段，以广州地铁 三号线大沥区间盾构隧道工程为背景，对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变 位、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行深入研究，探讨和揭示 围岩条件，隧道净距，顶推力等因素对已建平行隧道的变形和附加内力分布变化规律的 影响。 王绍君、刘宗仁等人( 2 0 0 7 ) 【3 3 】对北京地铁1 0 号线某标段浅埋单洞双层隧道进行 了数值模拟。探索一次性开挖成洞及隧道分步开挖引起的地表沉降槽的变化形态。 数值计算虽然在岩土工程的研究和设计过程中起到越来越重要的作用，但在实际模 拟的过程中由于土体性质的复杂性，以及开挖方法多样性，数值方法其实也对实际情况 进行了适当的简化。计算的结果只能定性的分析，与实测结果还是会有一定的误差。长 江水利委员会司兆乐总工也曾提出数值分析能达到“精确定性，粗略定量”的目标。 除了上面提到的预测地表沉降的五种方法外，还有神经网络法、专家系统法和波兰 学者j l i 铆i i l i s z y n 基于砂箱模型试验研究建立了随机介质理论。随机介质理论经过我国 学者阳军生、刘宝琛等【蚓的进一步发展和完善后，被引入城市地铁隧道开挖引起的地表 沉降的预测当中，成为应用比较广泛的一种预测方法。但是文献 3 4 考虑地层损失的时 候是用的均匀地层损失。 1 3 隧道开挖对临近桩基影响的研究现状 目前地铁隧道临近既有地下桩基础的工程大量涌现，隧道施工对邻近桩基础的影 响是一个十分复杂的动态过程，隧道开挖对建筑物桩影响的研究也越来越引起国内学者 的重视。 m o r t o njd 硒n gkh ( 1 9 7 9 ) 【3 5 】进行了室内试验研究，探讨了隧道开挖对桩基承载 力和沉降的影响，发现邻近桩基会受到隧道开挖的影响，从而认为隧道开挖对软土地层 中既有邻近或其上部桩基的影响，是设计和施工时应考虑的主要的和控制性的因素 李永盛、黄海鹰( 1 9 9 7 ) 【3 6 】利用弹性力学开尔文解及弹性地基梁理论推导出盾构推 进对上部桩体内力及挠曲影响的计算公式，结合上海地铁一号线的实测结果进行了工 程实例分析所提出的计算方法及其计算程序，为预测桩体因盾构推进产生的挠曲与弯 矩、确定盾构与桩体的最小允许间距等提供了定量化分析依据。 c h e nlt p o u l o sg h ，l o g a i l a 也a n ( 1 9 9 9 ) 【3 刀采用两阶段法来分析隧道开挖引起桩 基的侧向和轴向反应，首先在解析法的基础上估算隧道开挖引起的地层位移，然后用简 化的边界元分析法将这些估算桩所在位置地层位移作用在桩基上，进而计算桩基的反 应。 l o g a | l a m a nn p o u l o shg 等人( 1 9 9 9 ) 【3 s 】，通过3 个离心模型试验( 桩端位于洞轴 线以下1 d ( d 为洞径) 、洞轴线上、洞轴线以上1 d ) 得出了由隧道施工引起的地层 变形和施工对邻近桩基( 单桩、群桩) 的影响。 m r 0 1 】e hh 和s h a h f 0 1 】r ( 2 0 0 2 ) 【3 9 】通过建立三维弹塑性有限元模型模拟了隧道开挖 对单桩和群桩的影响，结果表明，隧道开挖会在邻近桩基中产生较大的内力，而内力的分 布则取决于桩尖与隧道水平轴线的相对位置以及桩基与隧道中心线之间的水平距离：隧 道开挖对群桩的影响结果表明，群桩效应会产生一些积极的影响，大大减小了同一承台 下另一侧桩基中的内力。 张志强、何川( 2 0 0 3 ) m 】用三维有限元数值模拟新建隧道临近既有民房桩基工程的 施工力学行为研究。研究结果表明：临近桩基施工将造成新建隧道自身结构( 特别是与 既有桩基近接一侧边墙) 不利的受力状况和变形特征。 芮勇勤、岳中琦、唐春安等人( 2 0 0 3 ) 【4 1 】运用岩石破裂与失稳过程分析r f p a 2 d 系统以及f l a c 3 d 程序对广州地铁二号线隧道通过某建筑物桩基的变形与力学特性进行 研究。 李宁、王柱( 2 0 0 6 ) 【4 2 】探索了因隧道开挖而引起周围土体及不同位置单桩的变形规 律，并对于变形影响分为如图1 7 所示的a 、b 、c 、d 四个区，在此基础上研究了开挖 对周围土体位移及桩的变形的影响因素与特性。 篷髫 图1 7 桩端位置分区图 李强、王明年( 2 0 0 6 ) 【4 3 1 针对广州地铁五号线西村站暗挖隧道的设计和施工方案， 运用有限差分方法，论证了地铁车站暗挖隧道施工过程中，其附近的既有桩基的受力特 性及位移变化规律，提出了相应的施工关键工序和预加固措施。 何海健、项彦勇等人( 2 0 0 6 ) m 】用三维非线性数值模拟方法分析了广州市某临近道路 梁桩基的地铁车站。详细分析了车站隧道群旌工对邻近道路桥梁桩基的影响方式和影响 水平，从而为设计与施工提供依据。 张宏博、黄茂松( 2 0 0 6 ) 【4 5 】重庆武隆隧道成功截桩的工程实例，采用弹塑性本构模 型，建立三维有限元模型模拟隧道复杂的结构形式及施工过程，分析隧道与桩基的相互 影响，针对桩基内力及位移的变化规律进行了深入探讨，得出了相应的结论，可为类似工 程提供良好的借鉴 张海波、刘国楠，高俊合( 2 0 0 7 ) 以深圳地铁白石洲科技园区间盾构隧道近距 离穿越沙河立交桥桩基础为研究对象，采用三维非线性有限元，对盾构掘进施工所引起 的桥台桩基础的应力和变形进行了模拟计算。研究结果表明：盾构掘进过程中将会引起 临近桩基发生平行盾构轴线和垂直盾构轴线方向的挠曲变形，从而导致桩基内部产生显 著的附加轴力和弯矩：桩基础的应力和变形都随着盾构的推进而不断变化，在盾构尾部 通过桩基平面时达到最大值。同时提出了盾构近距离掘进过程中的施工注意事项和对桩 周土的加固措施。 柳厚祥、方风华等人( 2 0 0 7 ) 【4 。丌，用数值分析软件a n s y s 建立二维有限元模型：考虑 位于区间隧道轴线不同位置的邻近桩基及不同桩长情况，对区间隧道施工诱发邻近桩基 的变形进行数值仿真试验分析，同时分析隧道开挖后土体与桩体参数等因素对邻近桩基 变形的影响。 由于问题的复杂性，目前国内外对于隧道开挖对桩的影响研究主要是采用模型试验 的方法和数值分析的方法，应用解析法的分析很少。在数值分析中大部分仅局限于二