（岩土工程专业论文）浅埋暗挖双孔并行隧道近接施工数值模拟及控制技术.pdf

摘要 摘要 随着城市地下空间的进一步开发，大城市轨道交通路网的规划和建设中， 新建地铁穿越既有地铁隧道和车站是不可避免的问题，其近距施工时相互影响 非常复杂。如何把这些影响降到最低限度，既能保证新结构物的施工顺利进行， 又能保证既有线路安全、正常运营，寻求一种安全、合理、经济的施工方法就 成为一项重要的课题。 浅埋暗挖地铁车站穿越既有地铁隧道施工地表沉降及既有线的变形的控制 对施工及运营安全具有重要意义。地表沉降被普遍认为是由于地层损失引起的， 暗挖法地铁隧道施工是在岩土体内部进行的，隧道施工将不可避免地扰动地下 岩土体，破坏原有的平衡状态，引起地层变形。变形达到一定程度时，将会对 地面建筑物和生态环境造成破坏，甚至会危及人民财产及生命安全。因此，对 隧道施工过程中的地表沉降进行深入研究，探求不同区域、不同地层中地表沉 降变化的基本特性和规律，论证地层变形的机理，进而提出合理可靠的预测方 法和控制措施，对地铁隧道的设计、施工和安全运营有十分重要的意义。 本文以北京地铁四号线西单站上穿既有地铁1 群线隧道、下穿长安街施工为 研究对象，主要研究地铁车站施工开挖对既有1 群线及地表的影响，得出不同开 挖方式及支护方式下地铁车站施工丌挖引起的既有隧道及地表位移和变形规 律，对影响位移和变形的因素进行分析。在详细研究该区工程地质条件和地铁 设计参数的基础上，采用f l a c 3 d 工程分析软件对地铁丌挖过程及其引发的地 表、拱顶及既有隧道的变形规律进行了数值模拟分析，优化开挖施工方案，模 拟动态施工过程，总结出不同开挖方式和支护方式引起的地表和既有隧道的位 移变形规律。 同时结合地铁暗挖车站施工对下穿既有运营隧道的保护，讨论在施工中采 取综合保护措施对既有地铁隧道隆起变形的控制。分析影响既有运营隧道卸载 变形以及地面沉降的主要因素，提出了系统性的保护措施，希望能对类似工程 的设计和施工参考。并在此基础上，进一步对现有的施工参数方案进行优化， 合理设计隧道开挖步序，对施工中的监控量测提出建议，指导地铁安全施工， 并确保运营地铁隧道的安全。 关键词：地铁车站穿越地面沉降数值模拟 a b s t r a c t i i i ii i a b s t r a c t w i t hf u r t h e ru s i n gt h es u b t e r r a n e a ns p a c eo fm a j o rc i t i e s ，t h en e w c o n s t r u c t i n g s u b w a yu s u a l l yn e e d st os p a ne x i s t i n gs u b w a yt u n n e l sa n ds t a t i o n sd u r i n gt h ep e r i o d o fp l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o np r o c e s sw i l li n f l u e n c ee x i s t i n g i n f r a s t r u c t u r e si nt h i sc o n d i t i o nc o n s i d e r i n gt h en a r r o ws p a c eb e t w e e nt h e m t h i s t h e s i sp r o p o s e san e wc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u et oe n s u r et h ec o n s t r u c t i o nc o u l db e c o n d u c t e di nas a f ea n de c o n o m i c a lw a yw i t h o u ti n f l u e n c i n ge x i s t i n gs u b w a y s y s t e m u s i n gs h a l l o wb u r i e dt u n n e ls u b w a ys t a t i o nm e t h o dc o u l dc o n t r o l t h e s u b s i d e n c eo ft h ee x i s t i n ge a r t h ss u r f a c ea n dt h et r a n s f o r m a t i o no ff o r m e rt u n n e l s 。 t h i si sv e r ym e a n i n g f u lt ot h ec o n s t r u c t i o ns a f e t ya n ds u b w a yo p e r a t i o n a ls a f e t y t h e s u b s i d e n c eo ft h ee x i s t i n ge a r t h ss u r f a c ei sc a u s e db yl o s i n go fs t r a t u m t h e s u b s u r f a c ee x c a v a t i o nm e t h o di sc o n d u c t e di nt h er o c k ，s ot h i sm e t h o di n e v i t a b l y w i l l d e s t r o yu n d e r g r o u n dg e o t e c h n i c a lv o l u m ea n dt h eb a l a n c eo fu n d e r g r o u n d g e o t e c h n i c a lv o l u m e ，t h i sw i l lc a u s et h ed i s t o r t i o no fs t r a t u m w h e nd i s t o r t i o nr e a c h e s ac e r t a i ne x t e n t ，t h eg r o u n db u i l d i n g sa n de c o l o g i c a le n v i r o n m e n tw i l lb ed e s t r o y e d t h i sm a ye v e nt h r e a tt h es a f e t yo ft h ep u b l i cw i t h o u te f f e c t i v ec o n t r 0 1 s ot h er e s e a r c h o nt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e ro ft h es u b s i d e n c eo ft h ee x i s t i n ge a r t h ss u r f a c ei n d i f f e r e n tr e g i o n sa n ds t r a t u mi sm e a n i n g f u li fp r o p e rf o r e c a s ta n dc o n t r o lm e t h o d s c o u l db ep r o p o s e d t h ex i d a ns t a t i o no fb e i j i n g4 菇s u b w a yi sd e s i g n e dt ot r a v e r s et h es p a c e b e t w e e nt h e1 撑a n dt h ec h a n g a na v e t h i st h e s i sd i dac a s es t u d yw i t hx i d a n s t a t i o n t h ea u t h o re x p l o r e st h ee f f e c t so fd i f f e r e n t d i gm e t h o d sa n ds h o r i n g m e t h o d st ot h ee x i s t i n gt u n n e l sa n de a r t hs u r f a c ed u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s t h ef a c t o r sc o n t r i b u t i n gt ot h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n dt h ed i s t o r t i o nh a v e b e e na n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ef l a c 3 dm o d e l i n gs o f t w a r ei su s e df o rq u a n t i t a t i v e l y s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h ed i g g i n gm e t h o dt o g e tt h ec o n s t r u c t i o nd e s t r o y e f f e c t so ne a r t hs u r f a c e , v a u l ta n de x i s t i n gt u n n e l s t h et h e s i sa l s oc l a i m st h ec o m p r e h e n s i v e l yp r o t e c t i v em e t h o d st oc o n t r o lt h e u p l i f td e f o r m a t i o nt op r o t e c tt h ee x i s t i n gl o w e rt u n n e l s f a c t o r si n f l u e n c i n gt h e p r e s e n tt u n n e l su p l o a d i n gd e f o r m a t i o na n ds u b s i d e n c eo fe a r t hs u r f a c ea r ea n a l y z e d a n ds y s t e m a t i cp r o t e c t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e d ，w h i c hw i l lb et h er e f e r e n c e st ot h e i l l 北京t 业大学t 学硕十学位论文 f u t u r es i m i l a rc o n s t r u c t i o np r o j e c t s b e s i d e s ，t h en e wt e c h n i q u eh a st h em e r i t st h a t t h eo l dp a r a m e t e r so fc o n s t r u c t i o np l a n sh a v eb e e no p t i m i z e da n ds t e p so ft u n n e l s d i g g i n ga lem o r er e a s o n a b l e s u g g e s t i o n sa l em a d ef o rt h es u r v e y i n gd u r i n gt h e c o n s t r u c t i o np r o c e s s a l lt h e s em e t h o d sc o u l ds e c u r et h ec o n s t r u c t i o ns a f e t ya n dt h e p r e s e n ts u b w a yo p e r a t i o n a ls a f e t y k e yw o r d s ：s u b w a ys t a t i o n ；c r o s s i n gt u n n e l i n g e n g i n e e r i n g ；g r o u n d s u r f a c e s e t t l e m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：二苫吾卜同期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第1 章绪论 1 1 选题目的及意义 由于城市人口和人类活动的增加导致的地面空间紧张，使得地下空间作为 一种浅未充分利用的资源，弓| 起了人们的广泛重视并积极的开发利用。为缓解 或从根本上解决入翻增长对城市环境的蓬力和威胁，大力开发地下空间使其成 为人类在地球上安全舒适生活的第三个空间已经成为世界各国广泛关注和研究 的课题。掘预测，2 1 世纪末，将有1 3 的世界入口工作、生活在地下空间中 。 目豁国际上把“2 l 世纪作为人类- 丌发利用地下空闽的年代”。我雹大城市的主要 于道近些年将达到巨大的高峰单向断面客流量，靠一般公共电气车是不能解决 的，只能选用有轨交通系统方案才行【2 1 ，毫无疑问，隧道与地下构筑物的修建 是条能够从环境和经济上解决城市闩益增长的社会经济问题的有效途径。城 市功能空闽能转入和适宣转入地下的领域是缀广阔的，包括商业、交通、部分 市政设施、文化娱乐休闲、部分工业生产、仓储、防灾避难和救灾空间等。充 分利用地下空间是城市立体化开发的最重要组成部分1 3 1 。它可以达到扩大空间 容量、提高丌发集约度、促使交通顺畅、商业更加繁荣，地面绿地增加，环境 优美开敞，购物与休阕，娱乐穗互交融的多功能效果，与向城市上空发展的模 式相比，是一种更为合理的发展模式。 据全世界的统计，在过去的3 0 到4 0 年间，人口超过5 0 万的1 0 0 多个城市 修建或讵要修建在地下运行的地铁、城市轨道或快速运输系统。1 9 世纪修大桥， 2 0 世纪建高楼，2 l 世纪开发地下交通资源。 中国工程院王梦恕院士说：“中餮 确实需要地下交通，地铁将不单是城市发展的需要，也是未来地下资源开发的 必然”。王院士进一步说，地铁建设解决的不仅仅是城市交通问题，更重要是为 未来的资源考虑洚l 。 随着我国地铁建设事业的发展，越来越多的新建地铁工程将投入建设。| 以 北京地铁为例，现有地铁1 号线、2 号线、5 号线、1 3 号线和八通线，还有正 在建设的4 号线、l o 号线、机场专线等。 我国地铁建设项匿的数量和规棱将逐渐增大，新建地铁与既有地铁隧道之 间难以避免会出现上跨或者下穿的情况。在这种施王条件下，新建地铁施工过 程中会引起地表的位移和变形，同时既有隧道和新建地铁之间也会存在相互影 响，对既有线的运营产生安全隐患，而既有地铁隧道的存在对新建地铁施工提 出更高更严的要求。 本文将进行数值模拟分析，总结出不同开挖方式和支护方式弓| 起的地表和 北京- e g i , 火学工学硕：1 二学位论文 既有隧道的位移变形规律。结合地铁暗挖车站施工对下穿既有运营隧道的保护， 讨论在施工中采取综合保护措施对既有地铁隧道隆起变形的控制。分析影响既 有运营隧道卸载变形以及地面沉降的主要因素，提出系统性的保护措施，希望 能对类似工程的设计和施工参考。目前，国内外对类似情况的地铁施工理论研 究并不是很成熟，从而造成施工时的风险。因此，对于穿越既有线的新建地铁 施工引起的既有线及地表的位移变形规律研究非常有意义。 1 2 相关研究成果 在早期的地铁建设中，主要涉及平行隧道的施工，对于平行隧道的研究已 较多，取得了很多成果。随着地下空间的进一步开发和利用，尤其是地铁的建 设，已经向地下更广的空间挺进。新地铁隧道的建设，将从既有地铁隧道的上 面或下方穿过，这不可避免将会对既有隧道产生不良影响。必须在施工中对既 有地铁隧道采取相应保护措施。地铁车站穿越已运营地铁隧道的影响在欧洲以 及日本等国家已经渐渐形成了一些相对成熟的施工方法，但是目的在国内这项 研究还是起步阶段。 目前，国外在交叉隧道施工技术方面进行的研究，均偏踅于隧道施工引起 的位移变形监测分析。指导安全施工方面，未形成系统的施工技术理论体系。 很多国家在近接地铁隧道方面已经做出了很多成功的实际工程，并总结出很多 值得借鉴的理论分析。 关于隧道工程对于岩土环境影响的研究，大多集中于地层变形和对邻近建 筑物和管线的影响方面，在这些方面的研究己经取得了不少成果。隧道引起的 地层移动的计算方法大致分为四类：经验公式法、数值分析法、解析法、试验法。 1 3 地表沉降相关理论 1 3 1 基于经验法的研究 ( 1 ) 地表横向沉降预测 1 9 6 9 年，在当时大量隧道丌挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上j p e c k 在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上系统地提出了地层损失的概 念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法，即p e c k 公式。p e c k 认为，在不排水 的条件下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。他假 定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工产生的地表沉降横向分布近 似为一正态分布曲线，提出如下地表沉降分布的预计公式： 羔酽 p xe 缸 2 s = 、- 、 xs 第1 章绪论 & 孤= 老噫 ( 1 2 ) l z 死 二3 i 式中： s ( 工) 距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值； k 施- r _ i j l 起的隧道单位长度地层损失： 隧道中心线处地表最大沉降量； f 地表沉降槽宽度系数，即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离。 英国是世界上最早修建地下铁道的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降 的问题研究较多。它们的工作大部分是由英国t r r l ( t r a n s p o r ta n dr o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 所进行的。o r e i l l y - n e w 等针对不同的地层，研究了采用 不同施工方法所引起的地表沉降问题。在大量实测资料的基础上，提出了实际 沉降槽宽度、地层损失和地表沉降的预计公式。根据单孔隧道地表沉降结果， 按照叠加原理，得出了开挖双孔隧道引起的地表沉降计算公式。 a t t e w e l l 和p e c k 一样也假定沉降槽呈正态分布，于1 9 8 1 年提出下列最大 地表沉降预测量，即式( 1 1 ) 中的氐。预测公式： 页i “l 去j ( 1 3 ) 尺 k2 尺， 矿 矗“= 赢 ( 1 - 4 ) z 、z 4 式中： 尺隧道丌挖半径； z 从地表到隧道中心的深度； 。地表最大沉降量； k ，刀常数； 彳隧道丌挖面积。 a t t e w e l l 还推广到三维情况来估算周围管线及建筑物的变形【5 6 】。 欧洲其他许多国家和美国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表 沉降问题进行了许多研究，积累了丰富的实测资料，他们大都采用p e c k 公式 或者基于英国学者所提出的以经验为主的方法进行预测。 日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，尤其是在软土地层中进 行隧道建设，因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注，许多学者对 此课题进行过深入研究。f u j 池提出了盾构隧道地表沉降预测方法；半谷根据 实测资料，给出了地表最大沉降量的预计方法，并于1 9 7 7 年根掘地层条件和 北京丁业人学_ 学硕1 ：学位论文 围岩种类给出了地表最大沉降量范围。藤用进行了软土地层中不同盾构施工方 法对地层的影响方面的研究，于1 9 8 2 年根据围岩的种类、盾构型式及辅助施 工法的不同给出了地表最大沉降量的预测值及其误差。森氏、岛f 日等亦提出过 实用的计算公式。 随着我国大量的城市隧道施工的进行，我国对隧道施- r _ 弓l 起的地表沉降问 题也进行了研究。同济大学自2 0 世纪7 0 年代起，便丌始了隧道施工地表沉 降的实测和理论研究工作，在对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验 段进行计算分析，并与现场测试结果对比后，提出了考虑到固结因素的p e c k 修 正公式： m 卅= 警e x p 晦) m 5 ， 式中： 占( x ，r ) 在任一圃结时问t 内，距隧道中心线x 处的施工沉降量和固 结沉降量之和： i ，隧道顶部_ - = 体加权平均的渗透系数，m d ： 日埋深。 经验法只是祠l 略给也了预测地表沉降的计算公式或范围，有的甚至有附加 条件并需从各自统计表中查取有关参数，计算出的结果与实测值偏差一般较大。 当衬砌形式、刚度不同，以及施工条件和地层条件等复杂时，它们的应用将更 受到限制。 ( 2 ) 地表纵向沉降预测 刘建航等在p e c k 法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般 规律，提出了负地层损失的公式，得出了地面沉降量的纵向分布估算公式： 跏，= 去 中( 学) 一( 半) + 志 ( 半) 一吖半 m 6 ， 式中： s ( y ) 纵向地表沉降量； y 沉降点至坐标轴原点的距离： ”盾构推进起始点处盾构开挖面至坐标轴原点的距离； 盾构开挖面至坐标轴原点的距离： y i = 弦一l ，= j r l ，l 为盾构机的长度： 巧，盾构开挖面引起的地层损失( 欠挖时为负值) ； 4 第l 章绪论 开挖面以后因盾层空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有 其它施工因素而引起的地层损失； m ( s ) 函数可由标准正态分布函数表查得。 经验公式法原理篱单，易操作，由于它根据现场及室内试验结采而来，采 用大量实测数据进行拟合，所以采用这种方法预测的结果往往同实际工程的测 量结果符合的很好，是发展比较成熟也较多采用的预测地层沉降的方法。 经验公式法将地面沉降曲线认为是花态分布的概率曲线其实是没有理论基 础的，只是由于地面实测沉降蘸线形状与歪态分稚的概率醢线相似。通过几个 参数我们就可以确定个讵态分布的概率曲线的形状，因此在实际工程的应用 中是非常方便的，往往可以拟合得到和实际工程符合较好的结果【f 8 】。 1 3 2 基于数值法的研究 对地表沉降的预测，羽内外都进行了大量的数值模型研究，其主要方法有 有限元法、边界元法、半解析元法等。有限元法又分线弹性、非线性弹性、弹 塑性、粘弹性、粘弹塑性等几种。 在众多的数值分析方法中，有限单元法被最早用于隧道结构计算，在这方 面做出重要贡献的代表学者有：s f 瑞弧斯和d v 迪尔( 1 9 6 6 ) p 】、o c 辛克 维奇( 1 9 6 8 1 9 7 4 ) 1 0 - l l 强l 威尔逊( 1 9 6 8 ) f 滋、f h 库尔荷威【强、w 维特基( 1 9 7 7 ) 【h 】等。由于有限单元法能较容易地处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的 物理非线性和几何非线性性状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快， 目前融成为隧道数值分析的主要手段。采用有限单元法( f e m ) 预计隧道施工 弓| 超的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表舱移动及变形， 丽且可以键到地层内部的应力、变形状况。由于在隧道施工过程中，阂豳的土 体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算值偏小，因此通常 需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法不仅能够考虑隧 道施工弓| 超的地层损失，丽且霹以考虑土体的失水固结、土体本身的压缩性等， 并且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以考虑各种断颓形式，因 而获得了广泛的应用。r k r o w e & k m l e e ( 1 9 8 3 ) 1 5 - 1 6 编制了一种可以对 不同土性和施工技术条件下隧道开挖引起的地表沉降进行预测的弹塑性有限元 程序，并且提出了“闻隙参数( g a pp a r a m e t e r ) ”的概念。他们( 1 9 8 9 ，1 9 9 0 ) u 7 - 2 0 又发展了一种用于模拟施工工序、后继地层位移、开挖面周围和地表应力状态 及地表沉陷的三维弹塑性有限元方法。给出了非线性问题的求解步骤和适用于 三维隧道分析的弹塑性土体本构模型，研究了浅埋隧道的三维性状，考虑了具 有简单几何形状帮地层条件的隧道。 5 北京t i k 人学t 学硕。i j 学位论：艾 詹美礼等运用粘弹塑性双屈服面流变模型，根据有限元分析理论建立了一 整套的相应计算公式和分析方法【2 1 1 。并且依照上海市打浦路隧道现场软粘土试 样进行三轴流变试验所获得的参数，对打浦路隧道l ：| | j 井进行了三维粘弹塑性及 土体固结的有限元分析，揭示了隧道与1 群井刚性连接部位开裂的原因。通过沉 降实测与计算结果的对比分析，论证了模型的合理性和计算方法的正确性。丁 春林等人针对广州地铁二号线越秀公园三元里区间隧道，采用弹塑性有限元法 分析了地应力释放对隧道围岩强度和变形以及地表沉降变形的影响1 2 2 1 。计算结 果显示：随着地应力释放值增加，隧道开挖面洞周拱顶、拱底、拱腰变形增大， 围岩塑性区明显扩大，由稳定状态向不稳定状态转化：地表沉降变形也大大增 加。曾小清应用时变力学弹塑性理论【2 3 】【2 4 1 ，采用半解析数值法对双线盾构隧道 施工过程中的地层移动、隧道受力进行了三维时空动态的数值模拟分析。 目前图内外，用有限元法对于地铁隧道开挖引起的有关地表沉降变形的研 究已经作了大量工作，分析时可以考虑土体的塑性，能够考虑隧道丌挖而位置 的影响，地应力释放对隧道围岩强度和变形以及地表沉降变形的影响，研究了 能够综合反映衬砌的几何形状和施工工艺等因素的所提出的i 口j 隙参数的影响， 能够反映地铁丌挖引起的纵向地表沉降。 但是，由于目前土体的复杂性，以及其基本参数和本构关系等仍然依赖于 试验或实测的方法，地铁隧道的施工过程模拟的复杂性与随机性等等实际问题， 致使地铁丌挖引起的沉降研究主要还是集中在对于某个具体工程开挖引起地表 沉降的研究一e 。这种方法也有缺点，比如计算结果的准确性依赖于本构关系和 参数的选择；需要对很多情况进行近似处理。 1 3 3 基于解析法的研究 目前就隧道工程而言，对岩土环境影响的研究，大多集中于地表面变形的 经验预估、数值模拟方面，但是考虑到经验公式的局限性，有限元法的不确定 性，简单的闭合解析解也是一种可取的分析隧道工程对周围岩土环境影n 向的有 效方法。但是，目前解析法的研究基本上都考虑弹性或者粘弹性分析，实际情 况是隧道周围的地层以及衬砌的变形都不是弹性的，解析解分析的结果和工程 实测数据的对比说明了这一点，但是弹性或者粘弹性的分析仍然十分有意义， 尤其是在缺少地层的变形特性资料时候或者为了确定地层变形的非均匀性和多 变性需要做大量的数据处理时。简化的弹性方法可以迅速找到要求解的结果相 对于各参变量的敏感程度，为用数值法求解提供一定的基础。 ( 1 ) s a g a s e t a 方法 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 假设土层各向同性和不可压缩，提出地表三维沉降公式； 6 第l 章绪论 后来又由s a g a s e t a 和u r i e l 等人进行了推广。其公式为： 驰) = 睾南 ( 1 - 7 ) 洲= 嘉 ，+ 丽y m 8 ， 疋( x 卜与隧道走向轴线正交的平面内土层的竖直位移： 疋( y ) 一与隧道轴线平行的平面内土层的竖直位移； y 一该点距中心线的距离； k 一土体体积损失； 以后，g o n z a l e z 和s a g a s e t a 对以上公式进行了修正 驰) - 2 玳争一丽1 ( 1 + 户菩) ( 1 - 9 ) 另外，v e r r u i j t & b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 采用了s a g a s e t a 的方法，提出了均质弹 性半空间中隧道变形引起的地表沉降的解析解。他们的结果是s a g a s e t a 解的推 ( 2 ) n l o g a n a t h a n 等提出的方法 土层的损失包括两个阶段：开挖面通过后立即产生的不排水状态的损失； 固结和蠕变产生的损失。但是，以往的土体损失仅考虑了第一阶段的损失。该 7 方法对土层损失给出了新的定义，提出了等效损失的概念。n l o g a n a t h a n 等认 为地表位移是由地层损失引起的，但是隧道的径向位移不是均匀的，其形状近 似椭圆形；地层的沉降主要发生在隧道轴线与水平方向夹角为4 5 。的范围内。 因此，地层等效损失为： = 簪唧 一c 器+ 等) m 式中： h 一隧道的埋深； 尺一隧道的半径； g 一等效地层损失参数，包括隧道超挖损失、地层的弹塑性变形与工艺水 平的影n 1 6 j z 部分之和。 把上式代入v ：r r u j j t | 和b o o k e r 提出的基于地层损失沿隧道径向均匀分布 假设的地表沉降解析解，得到预测地表位移公式。 垂直方向的位移： ”r 2 - 端+ ( 3 山) 端屹端降m fr 】3 8 x 20 6 9 2 2 娃p 1 一【丽+ 可j j 水平方向的位移： 驴划工卜研z - h + 端吨端怿 “：= 一尺2 工x 2 + ( z h ) 2 。x 2 + ( z + 日) 2x 2 + ( z + ) 2 二墨 【j0 - 1 2 ) e x p 一 器+ 0 6 9 2 2 h 2 ) 该公式在硬粘土中的预测值很好，但高估了软粘土中的沉降；预测的沉降 槽的宽度比观测值大；对各向同性的粘土的地层位移和水平位移的预测与观测 值较为吻合。 1 3 4 基于试验法的研究 在各种实验方法中，相似材料模拟实验是最基本的方法，其中有普通相似 模拟实验和离心机模拟实验。 k i m u r a 和m a i r 等通过离心机模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所产生 的地表沉降预计参数进行了探讨t 2 5 1 ，按照体积不变的假定，得出了地表水平位 8 第1 章绪论 移的计算公式。a t k i n s o n 和p o t t s ，c o r d i n g 等通过常规小比尺隧道的物理模型 试验表明1 2 6 】【2 7 1 ，当k o = 1 0 时，即使隧道内支护压力小得多，而地表沉陷却比 k o = 0 5 时小得多，这种差别是因为土体发挥拱效应有助予减少因隧道支护压力 降低产生的沉降。g u t t l e r 和s t o f f e r s 用离心模型试验对圆形隧道变彩和破坏的 形态进行了研列2 8 】，试验发现：随着离心机加速度增加，衬砌呈椭圆状变形， 垂直向直径缩小而水平向赢径增大，加速度增加到一定程度时，隧道之上部分 土体塌落，且失效机制为以陡的剪切面向上部覆盖层内扩展，引起地基表面的 大幅沉降。w u ，c h i o u ，l e e 和c h e r t 等用离心模型试验磷究了粘地基中一条 单行隧道和两条并行隧道情况下周围土的位移和塌陷机理【2 9 1 ，试验结果表明： 隧道的稳定性随着埋深的增加而增加，两条隧道距离越近则其相互影响越大， 并行隧道不如单行隧道稳定，并行隧道的地面沉降槽曲线可以由两条隧道各自 沉降槠的讵念曲线叠加得到。 因内的周顺华也对隧道的稳定性及地表的变形性态进行了离心模型试验 【3 0 1 ，试验表明，坍塌的范围呈柱状，地表沉降范围约为4 倍洞径，并对联跨式 和双洞式隧道采用不同台阶长度施工时两类土中所引起的地表沉降进行了比 较，结果表明，联跨式的地表沉降大于双溯式。周小文等利用离心模型试验研 究了隧道开挖中支护压力p 与地层位移s 的关系以及地面沉降槽的形态【3 ，得 到了归一化p - s 曲线和沉降槽计算参数，还分析了土类、密度和含水量对地层 位移的影响。 由予洞周岩体是本身的复杂性，在开挖过程中，不同位嚣的洞周土体会 产生不同性质的变形，使得用计算理论来计算极其困难，在很多情况下是不可 能求解的。而现场实测往往会花费很多的入力、物力，且有时因为一些实际条 件丙不可能全面进行，因此相似模拟实验其就显示出独到之处。可以入为地控 制和改变实验条件，从丽可以确定单因素或多因素对阀题的影响规律，效应直 观清楚，周期短，见效快。此外室内试验可以重复且可以做破坏性实验，这是 现场无法比拟的。但乖爵似材料模拟实验的最大缺点是相似准则不容易满足，边 界条件和枥始条箨也只能近似，使得模型试验在定量分析方面还有一定的困难。 1 4 隧道近接旋工相关理论 1 4 1 新建隧道与既有隧道距离的划分 因受既有隧道的限制，施工难度急剧加大，国外把这种情况定义为近接施 工，给予高度重视，并对其范围进行了初步划分一般范围( 不考虑相互影响) ， 要注意的范围( 通常不产生有害影响，但影响存在) ，需要采取措施的范圈( 产 生有害影响) 。 9 北京t 业火学t 学硕i j 学位论文 关于隧道近接施工近接程度的判断，日本己于1 9 9 7 年公布了既有铁路隧 道近接施工指南，同时也发表了大量近接施工案例研究的论著。既有铁路隧 道近接施工指南对既有铁路隧道近接施工分类问题作了较为全面、系统的阐 述。近接工程的近接度的划分，需要对许多条件做出判断，这些条件包括：近 接施工的种类、近接工程的规模、近接施工的设计、施工方法、与既有隧道的 位置关系等。近接度一般划分为三个范围：无影响范围、要注意范围、限制范 围。根掘既有隧道与新建隧道的间隔，其近接度的划分如表1 1 和表1 2 所示【3 2 】。 近接度的划分主要足根据既有隧道与新建结构物的间隔。这里所谓的“间 隔”是指既有隧道衬砌外面到近接工程的最小距离。近接度判断采用的隧道外径 值，指隧道衬砌的外面的垂直高度、水平宽度中的最大值。在隧道并列、隧道 交叉的情况时采用新建隧道的外径d 。 表1 - 1 近接度划分表( 隧道了f 列) 两隧道的位置关系隧道间隔近接度划分 2 5 d 无影响范围 2 5 d 无影响范闱 当隧道的l l j j 隔小于0 5 d 时，近接施工可能对既有隧道的结构产生重大的影 响，施工时应当谨慎处理。上表适用于新建隧道在既有隧道左右并列的情况， 即从既有隧道断面中央向上下方向引度斜线的范围内并列的情况。在此线的上 方或下方新建隧道时，应按隧道交叉的情况处理。 表1 - 2 近接度划分表( 隧道交叉) 两隧道的能拦关系隧道间隔近接皮划分 3 0 d 无影响范围 3 5 d 无影响范同 新建隧道在既有隧道上方交叉时，既有隧道会向上拉伸变形。在非常接近 时，会损伤既有隧道的拱作用，而使既有隧道的衬砌荷载增大。此外，也可能 受到新建隧道内活荷载的影响。反之，新建隧道在既有隧道的侧下方时，既有 1 0 第1 章绪论 隧道会发生下沉，有可能发生超过管理基准的轨道变形。 隧道交叉对既有隧道的影响决定于以下条件：两个隧道的间隔、两个隧道 的相对位置关系、新建隧道的大小、新建隧道的施工方法、地形和地质条件、 既有隧道衬砌结构等。 以上对于近接度的判断仅限于既有铁路隧道的冬类近接施工问题，只是我 们在实际工程中遇到的近接工程的一小部分。对于近接度的划分，注重分割， 未注意联系，造成了有些工程判断出现不连续性，即近接度的突变。另外，在 限制范围内如何进行深入的影响程度预测、施工对策的优纯等一系列还有待予 进一步的研究。 圈内一些技术人员也做了相关研究，其中铁道第二勘察设计院的扈森等以 实例为基础，模拟了几种典垂工况，获得了主体结构的变形值和主要内力值 f 3 3 】f 3 4 1 。陈先固和高波应用a n s y s 程序在考虑圈岩类别、隧道闽的间距、丌挖 和支护方式等因素影响时，对近距离平行地铁隧道进行了有限元数值模拟【3 5 1 ， 得出近距离双孔隧道的计算结果不同于一孔隧道的计算结果，两孔隧道存在相 互影响，隧道闽距越近影响越大，这一影响还与开挖方式、支护方式等因素有 关，第二孔隧道对已建的第一孔隧道的影响大于第一孔隧道对未修建的第二孔 隧道的影响，第二孔隧道的地表下沉和拱顶下沉值大于第一孔的值，因此，在 两孔隧道地质条件不同的情况下，先开挖地质情况较差的比较有利。陈先国和 王显军等人用a n s y s 程序，对近距离重叠隧道的不同断恧布置、不同开挖颓 序和支护形式进行了二维和三维非线性分析【3 6 1 。二维分析主要揭示了不阀开挖 顺序和支护方式的地表和拱顶下沉规律，三维分析主要揭示了隧道间相互影响 的空闻变化规律。 1 4 2 近接隧道施工的研究方法 研究邻近地下工程的施工方法大致分为两类，即数理力学方法和经验类比 方法。其中数理力学方法包括现场实测研实验室试验研究和理论分析研究，面 理论分析研究又分为纯理论解析分析和数值解析分析。 ( 1 ) 理论分析研究 通过隧道力学、有限元方法、隧道力学数值方法、f l a c 及a n s y s 使用 手艇等有关的论文和专著，了解到各种理论分析研究的意义、基本内容和思路。 理论分析研究的基本原理是将复杂的东西简化抽象，建立起理想的数学力 学模型，用数学力学方法进行求解，求解方法通常又分为解析法和数值法两种。 解析法能把握整体规律，寻找事物的共性，也有助于区分主要因素和次要因素。 但事实上，由于介质的复杂性和数学求解的困难，岩石力学闯题很少能缮到解 北京工业人学工学硕 ：学位论文 析解。近年来，由于计算机技术和数值计算方法的发展，提供了求数值解的方 法和工具，使得大量的问题可以采用数值计算方法找到近似解答，并能满足工 程上的精度要求，数值法发展迅速、应用广泛、解答快捷、费用低廉，这些特 点是它优于其他方法的地方。但是，基本参数和本构关系等依然依赖于试验或 实测的方法，因此实验的不准确性也容易带入数值法中，使得有时与实际存在 较大的差异。数值法通常分为三大类，即连续介质微分法、连续介质积分法、 不连续介质方法，这些方法均得到了广泛的应用。有时为了发挥各种方法的优 点，则将两种以上的方法相结合。在研究邻近施工这类复杂问题时，在无类似 工程可以类比的情况下，应首先采用数值法，体别是使用模拟丌挖与支护过程 的数值分析软件。 ( 2 ) 实验室试验研究 实验研究的主要任务是探索那些仅用数值分析方法不易解决的问题，以及 怎样与数值分析方法结合使用，取长补短。在各种实验方法中，桐似模拟是最 主要的方法，其中有普通相似模拟实验和离心相似模拟实验，而用的较多的是 普通相似模拟实验。相似模拟实验能定性的反应出力学模型的规律。地下岩体 是极其复杂的力学介质，在歼挖过程中，不同位置的围岩会产生不同性质的变 形，还有使岩体失去连续性的断裂、垮落等过程，使得理论计算极其困难，在 很多情况下是不可能求解的，采用现场实测往往因为工作量大、人力物力以及 实际条件的限制而不可能伞面进行，这时相似模拟实验就履示出了独到之处。 可以人为控制和改变实验条件，从而可以确定单因素或多因素对问题的影响规 律，效应直观清楚，周期短，见效快。此外，室内实验可以重复且可以做破坏 性实验，这是现场所无法比拟的。但相似模拟实验的最大缺点是相似准则不容 易满足，边界条件和初始条件也只能是近似的，这使得模型实验在定量分析方 面还有一定的困难，并且也要增加一定的研究周期和费用。 ( 3 ) 现场实测 现场实测的基本任务是查明被研究过程的机理，区分出主导作用的因素： 查出所有影响的综合作用效采，即从客观上把握规律性的东西。同时，还可以 对每一种具体的条件和环境予以评价，这是其它的研究方法所不能比拟的。现 场实测所获得的资料是多种因素综合作用下的实际反应，因此，利用这些实测 资料可以为问题的分析论证提供可靠的保证。由于现场实测往往具有很强的针 对性，可以直接解决现场实际问题，优势互补，现场实测缺点是工作量大，人 力物力耗用多，研究周期长，目前的研究手段和研究方法还有待改进和完善， 而且受多种因素影响，不易摸清系统的内部规律，对于邻近施工这类复杂工程， 通过测试控制施工的安全性与经济性，评价对策的有效性是十分必要的。 1 2 第l 荦绻论 ( 4 ) 经验类比法 经验类比法即工程类比法，此方法在已有工程成功修建的前提下才能采 用。因此，及时总结已有的工程经验，对于后续工程的成功修建将起到良好的 指导作用f 3 朝。 10 4 3 近接隧道施工的分类 根据以上的分类要素、受力特性和分类属性，我们把邻近地下工程施工分 为两大基本类型，即新建地铁隧道工程接近既有隧道施工和新建隧道接近既有 工程施工。表1 3 为邻近施工分类表。 1 3 北京- t 业人学丁学硕i j 学位论文 表1 3 邻近施工的分类 分类受力特征图示工程背景 汀蓬l ：_ i i i ：) 与既有隧道平行的新 隧 道 建隧道，增建另一条 并 线时多山现此情况 列 国国+ 隧 8 或 仓 冈条1 ：，| ：限制，两条隧 道 道近距离重替修建 重 叠 国国 新 建 隧 趟 ，一、j一、 近 接 ；新建l| 既有； 既 隧道ll 隧道 有 i j 1 一 冈条件限制，两条隧 隧 道 隧 沪或 = 尹 道近距离交错并行修 施 道 二 交 建 错 f 莲妻if 震誓 il 器 o 8 88 隧 圈 从既有隧道上部或下 道 应 交 八 部穿越 叉 剧 仓仓台 器 o 1 4 1 4 4 近接隧道施工处理措施 在隧道穿越既有线工程中应考虑的主要因素包括：新线结构与既有线结构 的位置关系、影响程度、既有线重要程度等。根据新