（土木工程专业论文）地铁暗挖隧道竖向土压力研究.pdf

一，一 i ， 独创性声明 删 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啾斋酌研究成果。 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 签名： 日期了型旦：! ：! 三 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) 日期：业 ， i 摘要 摘要 暗挖隧道衬砌设计时的关键问题是合理地确定作用于衬砌的土压力，它是 衬砌结构设计安全且经济的基本要求。垂直土压力的确定不仅与土体复杂的力学 特性有关，而且与开挖方法、辅助工法、支护时机、衬砌刚度有关。准确地确定 垂直土压力的关键是合理地评价隧道上部土体的土拱效应。目前国内地铁设计规 范对土压力计算公式的选取没有给出明确规定，铁路设计规范的土压力计算公 式，随着埋深的增加，土压力会出现锯齿形状，另外计算参数过于粗糙，不能反 应不同土体性质的差别，与实际值有较大差别。导致不同设计单位在设计中垂直 荷载计算方法各不相同，即使埋深、地层都很接近的隧道衬砌配筋差别很大，很难 实现经济性与安全性的统一。 本文基于大量的文献和广泛的实践，以理论分析、数值模拟研究手段，对城 市地铁暗挖隧道竖向土压力和土拱效应进行研究，取得了一系列有益理论和研究 结果： ( 1 ) 总结影响土压力的因素，通过隧道周边主应力的变化情况解释了隧道土 拱效应的机理。 ( 2 ) 基于主应力分析方法，研究了不同埋深、不同跨度、不同土体、不同断 面、有无超前支护、不同拱顶位移时，土拱内外边界的变化情况。 ( 3 ) 讨论常用土压力公式存在的问题；对比理论值和实测值，发现简单修正 太沙基土压力公式最接近实测值；指出地铁矿山法区间隧道设计土压力计算存在 的问题，给出新的地铁隧道竖向土压力荷载模式。 关键词地铁暗挖隧道竖向土压力土拱效应土压力公式 北京t 业大学t 学硕士学位论文 - a b s t r a c t a b s t r a c t t h ek e yp r o b l e mo fs h a l l o wt u r m e l l i n i n gd e s i 印i st oc o n f i mt l l es o i lp r e s s u r e o nm e l i n i n gr e a u s o n a b l y i ti st 1 1 eb a s i cd 锄a n dt od e s i 印m e1 “n gs 仃u 咖es a f e l ya n d e c o n o m i c a l l y t h e v e n i c a ls o i l p r e s s u r e h a sac o n n e c t i o nn o t o i d y w i mt h e c o m p l i c a t i 。d m e c h a n i c sc h a r a c t 嘶s t i c o f s o i l ，b u t a l s o w i t h c o n s 缸u c t i o n p r o c 。d u r e ，s 仃狐l i l lp r e - r e i n f o r o e m 毗t h eo fs u p p o 心雕百d 时o fl i i 血g ，d i 锄e t e r 锄d d 印mo ft 1 1 e t u 】n l l e la n ds oo n ：b u tt h ec u 盯e n td e s i g no fm e t r os o i lp r e s s u r eo nm e s e l e c t i o nf o m l u l ai sn o ts oc l e a rt h a tm er a i l w a yd e s i g ns t a l l d a r df o n l l u l af o r c a l c u l a t i n gm ee 砌p r e s s u r e w i mt h ed 印mi i l c r e a s i n g ，s o i lp r e s s u r ew i l la p p e a r j a g g e ds h 印ea sw e l l2 l st h eo m e rc a l c u l a t i o np a r 锄e t e r sa r et o or o u 曲，w h i c hc a nn o t s h o wt l l ed i f 衔e n c eb e 觚e e nd i 触e ms o i lp r o p e n i e s ，a n dw e r eq u i t ed i 跚e m 舶m m ea c t u a lv a l u e s ，1 e a d i n gt od i f j f e r e n td e s i 盟吼i t su s ed i 仟e r e n td e s i 萨c a l c u l a t i o n m e t h o d ss ot h er e i n f o r c 锄e n to ft l l m l e l l i n i n ga r ev e 巧d i f f 旨e n te v e ni fm ed 印ma 1 1 d f o m a t i o ni sa l m o s ts 锄e ，w 1 1 i c hi sv e 巧d i 艏c u l tt oa c h i e v em eu n i t yo fe c o n o m i ca n d s e c u d t y b a s e do nv a s tl i t e r a t u r e sa 1 1 de x t e n s i v ep r a c t i c e s ，v e n i c a ls o i l p r e s s u r ei i l 切七a n s u b w a yi si n v e s t i g a t e db ym e o r ya n a l y s i sn l 加1 e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n da1 0 to fr e s u l t s w e r eo b t a i n e d ( 1 ) s 吼a r i z et h ef a c t o r si 1 1 n u e n c i n gm ee a r t hp r e s s u r e ；e x p l a i n l es o i la r c h i n g e f 梵c tm e c h a 血s mo ft h et u n n e lb yp r m c i p a ls 仃e s sc h a n g e so f 仙m e ls m t o u n d i n g ( 2 ) b a s e do nm e t h o do ft 1 1 ep 血c i p a ls 仃e s sa n a l y s i s i n g ，t h eb o u n d a r yo fs o i l a r c h j n gc h a n g ew a ss t u d i e do nt h ec o n d i t i o no fd i f 衔e 1 1 tb 嘶a 1d e p t h ，d i 蜀陆e n t s p a l l ，d i 胁e n ts o i lp r o p e n i e s ，d i f f e l 舶ts e c t i o n s ，d i 腑e n td i s p l a c 锄e n to fv a u l t ( 3 ) d i s c u s sp r o b l e r n sa b o u tm ec o i i l 】m o m yu s e df o m u l af o re 砷p r e s s u r e ；c o r r e c t m es i m p l ee a n l lp r e s s u r ef o m m l ao ft e r z a g h i ；c o m p a r et h e o r e t i c a la n da c t u a lv a l u e s ， j e i n das i m p l ef o 姗u l at o 锄e i l dt e r z a g h js o i lp r e s s u r ef o n t l u l aa i l dm a k ei tc l o s e dt o t h em e a s u r e dv a l u e s ；s h o wt h ep r o b l e m st h a t t h eb e i j i n gs u b w a yt u i m e lm i n i n g m e t l l o dd e s i 印g u i d e p a t t e n l so fe 矾1p r e s s u r e ，a 1 1 d 百v en l en e wo fv e n i c a le a 劬 p r e s s u r e1 0 a dm o d e lo f t u n n e l s k e yw o r d s ：u r b a ns u b w a y ；n a t mt u 皿e l ；v e n i c a ls o i l p r e s s u r e ；s o i la r c l l i n g ；s o i l p r e s s u r ef 0 肌u l a 北京t 业大学丁学硕 。学位论文 h 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第1 章绪论。1 1 1 论文的选题背景及意义1 1 2 隧道土压力的研究现状3 1 3 1经典土压力理论4 1 3 2围岩与结构相互作用方法4 1 3 3离心机试验方法及现场量测5 1 3 土拱效应的研究现状一6 1 4 目前地铁设计竖向土压力计算存在的问题7 1 5 本文的主要内容8 1 6 技术路线10 第2 章暗挖隧道衬砌土压力的基本问题1 1 2 1 引言1 1 2 2 地下结构设计方法【1 1 1 1 1 2 3 地铁暗挖隧道衬砌设计荷载的分类1 6 2 4 城市暗挖隧道土压力的影响因素1 6 2 5 小结2 0 第3 章暗挖隧道土拱效应研究2 1 3 1 引言2 1 3 2 土拱的定义2 1 3 3 土拱效应的机理2 4 3 3 1土拱效应的力学机理2 4 3 3 2隧道开挖引起拱效应进一步解释2 5 3 4 基于有限差分法的暗挖隧道土拱效应研究2 9 3 4 1压力拱边界的确定2 9 3 4 2 算例3 0 3 4 3地铁暗挖隧道压力拱规律研究3 2 3 5 小结4 2 第4 章经典土压力理论适用性研究4 3 4 1 引言4 3 4 2基于室内试验的土压力计算理论4 3 4 2 1 太沙基土压力理论( t e 忆雏m1 9 3 6 ) 4 3 4 2 2 简单修正的太沙土压力计算公式5 4 北京t 业人学t 学硕十学位论文 4 3基于工程经验土压力计算方法5 6 4 2 3 土柱理论( 考虑埋深) ：5 7 4 3 1 比尔鲍曼土压力计算公式( 考虑埋深因素) 5 7 4 3 2 谢家您土压力计算理论( 考虑埋深) 6 2 4 3 3 铁路规范土压力计算方法( 忽略埋深) 6 6 4 3 4 普氏拱理论( 忽略埋深) 6 9 4 4常用土压力计算公式与实测值对比分析7 2 4 4 1 常用土压力计算公式比较7 2 4 4 2 实测资料与理论公式比较7 7 4 4 3 各种公式在城市地铁隧道设计应用中存在问题7 8 4 5地铁隧道竖向土压力推荐公式7 9 4 6 小结8 2 结论及建议8 7 本文主要结论8 7 进一步研究的计划和建议8 8 参考文献8 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文9 3 致谢9 5 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 论文的选题背景及意义 随着城市化进程的加速，城市道路和轨道交通路网不断扩大，各大中城市如 北京、上海、广州、南京、深圳等城市都制定中远期地铁线路规划。近期，国务 院又批复了2 2 个城市的地铁建设规划，总投资达8 8 2 0 0 3 亿元。至2 0 1 6 年我国 将新建轨道交通线路8 9 条，总建设里程为2 5 0 0 公里。 图1 1 北京市区轨道交通线网规划图( 2 0 5 0 年) f i g 1 1b e 蜘gr a i l w a y 仃a 衔c1 a y o u tp l a i l ( 2 0 5 0 ) 以北京为例( 如图1 1 所示) ，按照最新的北京市城市轨道交通线网优化调整 规划，2 0 0 8 年以前，北京将新增城市轨道交通1 5 4 公里，加上市郊铁路，北京 轨道交通总里程将达到3 0 0 公里。2 0 1 5 年，规划共建成1 9 条轨道交通线，总通 车里程将达到5 6 1h ，形成“三环、四横、五纵、七放射”的线网格局。按照2 0 2 0 年的中期规划，北京城市轨道交通运营线路总里程将达到7 9 8 公里。根据远景目 标，北京还将继续加大城区轨道线网密度，对城市重点建设地区提供强有力的交 通支持。其中包括新建两条穿城对角线的轨道，以缓解北京传统棋盘式交通的不 足，增加第二条环线地铁，市区轨道交通线网延伸到市区周边边缘集团和较近的 卫星城。按照2 0 5 0 年的长期规划，北京将有2 2 条市区轨道线路，总长6 9 3 公里， 北京工业人学工学硕士学位论文 加上郊区线路3 0 0 多公里，北京轨道交通总里程将超过1 0 0 0 公里，其中，城市 轨道交通系统承担客运总量的比例要达到5 0 至6 0 一j 。 城市轨道交通的大规模建设必然带来各区间线路和节点车站的交叉、换乘问 题。根据北京轨道交通建设2 0 1 5 年中期规划，对已经实施完成、正在实施或规 划设计中的穿越工程进行粗略统计，节点车站和地铁区间穿越段的数目高达4 3 处。北京已建地铁构筑物的埋深大多小于2 0 m ，新建工程穿越既有工程时，受到 地表环境、地质环境及建筑使用界限等因素的限制，现有的埋深条件限制上穿方 案的实施，此时必须采用下穿方案。下穿工程意味着车站和区间隧道埋深较大， 可达2 5 4 0 m ，以六号线东四站朝阳门站区间线路0 3 标段为例，区间隧道顶面 覆土达2 0 2 4 m ；九号线下穿军博站，区间隧道覆土埋深达3 0 m 。根据北京地铁 四、五、六、十暗挖区间隧道统计，目前埋置较深的区间隧道统计结果，如表 1 1 所示【5 3 】，从统计结果可以看出，北京地铁埋深不局限于初期的1 0 1 2 m ，有 向更深度化发展的趋势。 现在，考虑到未来地上空间及浅埋地下空间已呈饱和状态，那么深埋地下空 间的有效利用则是必须面对的课题，综上两种因素，深埋地下工程相关技术的研 究不但是长远之计，更是迫在眉疾。 表1 1 北京地铁四、五、六、十号埋至较深的暗挖区间隧道统计( 单位：m ) t 曲l e1 1d e 印c o v 耐n gs u b w a ys t a t i s t i c so fm e 仃01 m e4 ，m e 仃ol i n e5 ，m e 仃ol i i l e6a n dm e 们 l i n e10i nb e i j i n g ( u n i t ：m ) 最小值( m )最人值( m ) 工程名称 1 4 0 01 5 8 0北京地铁四号线陶然亭站菜市口站 6 o o1 6 0 0 北京地铁四号线宣武门站一西单站 9 0 01 6 o o 北京地铁四号线黄庄站中关村站 7 4 0 1 6 2 0北京地铁四号线双榆树站黄庄站 1 4 9 21 6 2 2北京地铁五号线天坛东门站一磁器口站 4 6 01 7 o o北京地铁五号线崇文门车站东单站 1 3 0 01 7 0 0北京地铁十号线麦子店西路站学院路站 1 6 1 01 7 1 0北京地铁五号线雍和宫站一和平里北街站 1 6 2 01 7 6 1 北京地铁五号线磁器口车站崇文门车站 1 2 o o1 8 0 0北京地铁四号线西单站灵境胡同站 1 6 0 01 8 0 0 北京地铁十号线工体北路站一呼家楼站 1 6 0 01 8 0 0 北京地铁十号线呼家楼站光华路站 9 6 0 1 8 0 6 北京地铁四号线动物 司站白石桥站 1 2 2 31 8 9 7北京地铁四号线西直门站动物园站 1 4 6 51 9 3 1北京地铁四号线新街口站一西直门站 1 5 2 01 9 8 0北京地铁四号线菜市口站宣武门站 2 0 0 02 4 o o北京地铁六号线东四站朝阳门站区间 2 第1 章绪论 浅埋暗挖法沿用新奥法的基本原理，结合中国国情和浅埋的特点发展起来的 一种设计、施工方法，其特点是运用量测信息，反馈设计和施工，同时采取超前 支护、改良地层j 注浆加固等的辅助施工措施，完成隧道及地下工程的设计与施 工【3 】，其中浅埋暗挖法特别强调隧道开挖后尽早提供具有足够刚度和早强的初期 支护，以控制地表变形，而不是最大限度发挥围岩的自身承载能力，该方法大多 应用于城市地下工程。与浅埋暗挖地下工程相比，城市深埋暗挖地下工程与其有 相同之处，即深埋暗挖地下工程也需要对掌子面前方土体超前加固，开挖时保持 洞周稳定。但深埋暗挖地下工程与浅埋暗挖亦有不同之处，随着隧道的埋深增加， 隧道开挖引起地表沉降逐渐减小，因此城市深埋地下工程可以允许围岩发生一定 变形，适度发挥围岩自身承载能力。 目前，城市软弱围岩中修建深埋地下工程实例较少，可借鉴之处不多，为确 保城市深埋地下工程安全、经济、环保的实施，将需面临以下技术要点：城 市深埋地下工程是否仍沿用浅埋暗挖法的强支护理念? 支护时机、支护类型、支 护参数如何选取? 根据北京地质情况，隧道埋深处于2 0 4 0 m 之间时，隧道 可能处于承压水层之间或者隧道顶部位于潜水层以及仰拱部位于承压水层，开挖 时如何有效控制地下水，防止隧道塌方和涌水? 随着地下结构埋深增加，作 用在支护结构的荷载模式如何确定? 深埋和浅埋如何划分，土压力随埋深的 关系? 本论文主要针对地下工程的土压力竖向荷载模式进行研究。 土压力的计算是地下结构设计中的关键问题之一。土压力是隧道衬砌设计荷 载的主要组成部分，城市地下结构设计主要采用结构荷载模型，如何评价竖向 土压力是深埋地下工程设计的关键。对于土质浅埋隧道支护结构所受竖向压力通 常按照土柱理论计算，但对于深埋隧道而言，由于深浅埋界限划分不明确，不同 的土压力公式计算结果相差较大，设计师常参照铁路规范或根据工程经验来确 定，这就带来主观随机性和不统一。合理确定衬砌上的土压力及其分布，是确保 衬砌结构设计安全且经济的基本要求，所以暗挖隧道竖向土压力的计算是一个值 得继续研究的问题? 由于土与结构相互作用问题的复杂性，目前无论是结构荷载法还是地层结 构法都不能准确计算衬砌上的土压力。鉴于此，本课题在老师的精心指导下，以 北京市自然科学基金重点项目“基于流固耦合作用的北京市深埋地下工程关键技 术研究”为依托，将“地铁暗挖隧道竖向土压力研究 作为论文题目，以探求隧 道开挖引起的土拱效应、竖向土压力的大小，从而为竖向土压力的计算提供依据。 1 2 隧道土压力的研究现状 作用暗挖隧道的土压力大小及分布形式不仅与土体参数、衬砌的刚度有关， 而且与隧道施工开挖方法、辅助工法、围岩的收敛值，隧道的覆土厚度、跨度、 断面形状等参数有关。由于作用暗挖隧道的土压力受以上很多因素的影响，该课 北京t 业大学t 学硕l ：学位论文 题虽然是一个经典的课题，但仍然值得深入研究，目前国内外将土压力研究现状 分三类：即经典土压力理论、围岩与结构相互作用方法和现场量测及模型试验方 法【4 1 。 1 3 1经典土压力理论 经典土压力理论一般应用于荷载结构模型，将土压力定义为只与围岩特性有 关，而与衬砌无关的松弛荷载，其中经典土压力计算理论按照推导依据分两类， 一类为：根据滑落门试验或离心机试验结果，研究隧道开挖洞周上方的应力状态 及破坏性形式，在平面应变条件下推导土压力计算公式，比较典型有太沙基的土 压力理论和周小文的改进土压力计算公式。二类为：源于工程经验简化的土压力 计算方法，这些经验和半经验方法最终也能给出一个作用在支护结构的土压力定 值，有些通过非常简单的静力分析获得，而有些则完全以经验为基础提出，并且 经验土压力计算公式又分两类，一类考虑隧道覆土厚度的影响，例如比尔鲍曼理 论；一类忽略隧道覆土厚度的影响，例如普氏拱理论，虽然这些理论与现代隧道 设计理念有所背离，但是由于简单实用，目前国内外仍广泛应用这些理论。各公 式存在的问题及适用条件会在第四章详细讨论。 1 3 2 围岩与结构相互作用方法 p o t t s 和z d r a v k o v i c 【5 】所开发的有限元程序i c f e p 采用了如下的方法来模拟 隧道的开挖：1 ) 确定要开挖部分然后把其从生成的网格中移除；2 ) 计算并施 加刀：挖内边界上的等效节点力；3 ) 在边界上逐步施加节点力，计算每步时的体积 损失当其值等于事先的确定值，改变事先定义好的用来表示衬砌的参数。 b e n l “5 4 】等人( 1 9 9 8 ) 对隧道的丌挖和支护过程进行了一些更为细致的模拟工 作，把整个过程分为四个阶段：1 ) 支护安装前的阶段；2 )安装衬砌，施加剩 余的反向支护力；3 ) 在隧道周边施加水压，以模拟地下水和液体浆的作用；4 ) 模拟浆体的硬化并施加衬砌的重量。 宋二祥【8 】利用初始应变法来模拟施工超挖的影响，初始应变类似于温度降低 时的收缩应变，根据超挖量计算得到，分析时需要减去初始应变才能得到真实的 应变。这就需要对超挖进行统计，利用该法对圆形隧道应用比较简便。 河海大学的张云【1 2 】提出了等代层的概念，用等代层来代替盾尾空隙闭合、注 浆充填作用及盾构推进对周围土体的扰动对地层位移的影响，对盾构隧道施工过 程进行了三维有限元模拟。得到以下结论：土体坚硬时，衬砌与地层的刚度比较 小，土压力分布较均匀；而土体软弱时，衬砌与地层的刚度比较大，法向土压力 在拱顶、拱底与起拱线处的差别较大。 河海大学的季亚平【l5 】提出了用变刚体模拟注浆体性质随施工过程的变化， 用有限单元法模拟盾构法隧道施工的全过程。分析了注浆体厚度、土质条件、衬 4 第1 章绪论 砌刚度、隧道相对埋深对衬砌土压力分布的影响，得到以下结论：注浆体厚度对 土压力分布的影响要比小；土体越密实，衬砌上竖向和侧向土压力分布越趋于均 匀；衬砌刚度越大，衬砌不容易产生变形以应对衬砌周围土压力进行调整，土压 力分布越不均匀；当衬砌刚度较小时，衬砌周围土压力分布较为均匀。 河海大学的钟小割6 】利用数值滑落门试验研究土压力和位移的关系特征，通 过支护压力和位移特征曲线关系，将拱顶上方土体从开始发生变形到失去稳定性 的过程分三个阶段，第一阶段为：发生少量变形，支护压力大幅降低，土体处于 弹塑性小变形阶段；第二阶段为：随着位移的增加，支护压力降低缓慢，土体处 于极限平衡状态；第三阶段为：随着位移大幅增加，支护压力降低很小之后，出 现增加现象，此时土体处于破坏状态。当允许地面发生2 c m 的沉降时，则隧道 支护压力可降低4 0 一8 0 左右。 河海大学的加瑞【1 5 】利用p f c 2 d 软件，通过对比数值试验和室内挡板试验的 结果，验证了砂土颗粒流模型参数取值的正确性和p f c 研究土拱效应的可行性， 在该基础上深入研究盾构隧道开挖土拱效应，得到以下结论：盾构隧道管片上的 松动土压力与土柱自重相比会小很多；随着盾尾空隙增加，松动土压力逐渐减小， 但减少量越来越小；随着隧道直径的增加，松动土压力成线性增大。 地层结构模型与经典土压力理论相比，克服了人为假设的主观随意性，考虑 土与结构的相互作用、断面形式、施工方法、辅助工法及支护结构的刚度、地下 水等影响土压力的因素，该方法一定程度真实反映隧道开挖的力学效应，其计算 结果具有一定的合理性。但由于现有的土体本构模型不能准确反映土体的真实性 质，并且随着隧道的开挖，掌子面前后方的土体参数不断变化，准确确定土体参 数的取值非常困难；另外，缺少数值结果和实测数据对比分析，计算结果往往不 被大家所信服【l 引。 1 3 3 离心机试验方法及现场量测 由于地下工程的复杂性，除了经典土压力理论和数值检算，现场量测和模型 试验更是不可缺少的手段，更能综合反映各种因素对土压力的影响【l 引。 a t k i n s o n 和p o t t s ( 19 7 7 ) 1 刀通过常规小比尺的物理模型研究表明：水平静止侧 压力系数对土体的位移有重要影响，即使隧道的支护压力很小时，当k o = 1 时， 与磁= 0 5 相比，地表发生的位移小得多，这说明水平应力较大时，促进成拱效应， 反过来水平应力较小时不利拱效应的形成。 h n 锄啪等【1 6 ，5 6 】人的微型盾构机离心机试验，根据土压力和变形结果表明： 砂土具有较强的拱效应，得到当h d 3 时，竖向土压力基本保持不变的结论。 清华大学的周小文【18 】对盾构隧道进行了离心模型试验研究，用圆形橡皮囊模 拟隧洞，用橡皮囊充气再放气的办法模拟隧道周围土体应力的逐渐减小的过程。 得到以下结论：试验中上部土体形成了垂直方向的滑动面，宽度为隧洞直径；对 北京r 丁业人学t 学硕十学位论文 太沙基的松动土压力公式进行了改进，用改进公式计算的松动土压力值与模型试 验结果较为相近。 河海大学的张云【1 4 对埋管隧道进行了离心模型试验研究，根据离心机试验结 果，结合数值计算，分析了埋管隧道土压力的分布特点，提出了改进的土压力计 算方法；对几种常用的计算土压力的方法有了更辨证的认识。太沙基方法在计算 垂直土压力时考虑了土体力学参数的形响，理论值与试验结果较为接近，但理论 值偏小。 c o r b e t t 【5 7 】在肯尼代尔隧道( 直径3 2 m ，埋深1 3 7 m ) 施工中对支护压力和 地表沉陷的关系进行了量测，表明：随着地层变形的增大，作用在初衬的压力迅 速减小，当s d 达到2 后( s 为地表沉降；d 为隧道直径) ，支护压力值最小； 施加相当于地层竖向应力5 1 0 时足以防止隧道塌方。 目前我国关于隧道土压力的现场量测数据相对缺少，应该尽可能收集实测资 料，回归分析，然后再将统计公式应用于新建隧道设计中。 1 3 土拱效应的研究现状 由于土拱效应广泛影响岩土工程，数十载，人们一直致力于探讨土拱效应机 理，这个领域已经做了很多研究，主要包括理论推导、数值计算、试验研究。压 力拱效应的概念从提出到现在已经有1 0 0 多年的历史，并取得了显著的成果，并 将土压力理论应用于工程实践。 1 8 8 4 年，英国科学家r o b e r s t 首次发现了“粮仓效应”，堆积于容器内的颗 粒物质底部压力在颗粒物堆积到一定高度不再随颗粒物质增高而变化，这就是通 常所说的拱效应【l6 | 。 1 9 3 6 年，t c 忆a g m 2 0 】通过挡板下落试验证实了土力学领域拱效应的存在，通 过试验获得挡板土体上方竖向应力和水平应力随深度的变化关系，随着挡板的下 移，竖向应力逐渐减少，水平应力有所增加( 位于距底板h 3 处) ，但是水平应 力增加到一定值后开始减少。距离挡板底部5 b 时，k 近似等于k ( 静止土压力 系数) ，t e 忆a 蛳认为挡板竖向位移对其上方一定高度土体应力场不再产生影响， 即在这个范围内不存在土拱效应。 1 9 4 3 年，t c 挖a 2 m 【2 0 】把隧道开挖上方土体的应力状态近似等于滑落门试验 挡板上方土体的应力状态，并且认为隧道边墙的土体沿4 5 。一兰发生滑动，并推 2 导了松动土压力计算公式。 l o o s 和b r e m ( 1 9 4 9 ) 、b r o w n 和p o t t s ( 1 9 7 5 ) 【3 9 ，5 9 】等利用滑落门试验研 究土拱效应，结果表明：砂土的土拱效应能否形成主要取决于挡板的竖向位移， 只要有效控制挡板的竖向位移，即使浅埋隧道( h d 2 5 ) 也存在土拱效应。 e i s e n t e 证( 1 9 8 4 ) 【3 9 ，删提出三维拱概念，研究表明隧道开挖会产生三维土 拱，且三维土拱的范围是从掌子面前方1 d 2 d 范围到掌子面后方1 d 范围之内， 6 第1 章绪论 当在掌子面后方的距离大于1 d 时，三维土拱变为二维土拱。 d a 锄e m ( 1 9 7 5 ) 和1 9 1 e s i a ( 1 9 9 9 ) 【”，6 基于对以自重应力场为主的浅埋暗挖隧 道的力学机理，提出了土拱和围岩位移曲线的动态概念，由此可建立明确的压力 拱和围岩变形的全过程。如图1 2 所示，其中s 代表沉降值，d 代表跨度。 图1 2 土拱与围岩位移曲线的动态关系图 f i g 1 2d y n 锄i cr e l a t i o n s h i pd i a g r a mb e 铆e e ns 打a t u ma r c ha n ds 如t u mr e s p o n s e 国内的徐东【2 2 】在1 9 9 8 年利用离心模型试验对粘土中的土拱效应进行了研 究，探讨了上海粘土的成拱能力。开挖双孔隧道时，无支护情况，覆土厚度为8 m 时，灰色砂质粉土或粘土中不能形成稳定的天然拱。该类型粘土土所需的成拱 深度至少为1 2 m 。 土拱效应的研究历程已有1 0 0 多年，但仍存在很多需要深入研究的问题，土 拱内外边界如何确定? 隧道上方拱体的形状和厚度? 影响因素( 地质情况、埋深、 地下结构形式、开挖方法、辅助工法等因素) 和土拱效应的关系? 另外土土体的 成拱机理和条件还需要深入研究。上述问题的解决，是研究地铁暗挖隧道土压力 的关键所在，因此，土拱效应的机理和成拱规律还需要深入研究。 1 4 目前地铁设计竖向土压力计算存在的问题 鉴于以上研究成果，目前土质地铁暗挖隧道广泛应用荷载结构计算模型，荷 载结构模型包括结构体系和荷载体系，目前结构体系已向细微化复杂化方向发 展，但荷载体系的模型化发展缓慢，竖向土压力问题尚未很好解决是其原因之一。 实测土压力数值往往小于设计值，对于浅埋隧道而言，采用保守的土压力计算方 法尚可，但对于深埋隧道，作用在支护结构土压力的计算精度，在造价和安全方 面尤为重要。目前北京己建地铁区间暗挖隧道，由于设计者对洞周土体的稳定性 和支护结构耐久性缺乏信心，通常采取保守的设计，即使存在土拱效应，竖向土 压力仍按照土柱理论计算，致使支护结构刚性有余而柔性不足。工程经验表明， 支护结构的刚度愈大，作用于结构的土压力也愈大，当支护结构刚度达到一定值 时，控制地表沉降的效果并不明显。因此，一味的增加结构的刚度并不能有效控 7 北京t 业大学t 学硕十学位论文 制地表沉降，反而工程的造价却显著增加。 如果隧道埋置较深，仍然采用土柱理论，会遇到另外一个问题，衬砌强度验 算很难通过，配筋率不满足要求( 超过最大配筋率) ，例如东四站一朝阳门站区间 覆土厚度达2 4 m ，这种情况，应该采用土拱理论，对竖向土压力进行折减。但是， 对于覆土厚度达到多少才应该考虑拱效应，折减系数是多少? 一直是困扰设计师 的问题。不同设计单位采用的标准不同，有的将土拱效应的临界深度定为1 5 d ( d 为隧道外径) ，有的定为2 od ，甚至有的当埋深小于3d 时，均采用土柱理论进行 设计【4 9 1 。目前地铁设计规范对土压力公式的选取没有给出明确规定，铁路设计规 范的土压力计算公式，随着埋深的增加，土压力增加会出现锯齿形状，另外由于 铁路规范对土体性质缺少亚分级，土体计算参数过于粗糙，不能反映不同土体性 质的差别，与实际值有较大差别。由于对各种经典土压力公式的适用范围和存在 的问题尚不太清晰，致使不同设计单位在选择土压力计算公式时缺乏统一标准， 即使覆土厚度相同、土体性质都很接近时，隧道支护结构的厚度和配筋率差别很 大，很难实现经济性与安全性的统一。以刘家窑站蒲黄榆站区间( 隧道覆土深 约9 8 1 2 6 m ) 和团结湖地铁车站( 埋深1 1 2 m ) 为例，结构断面形式分别如图1 3 和1 4 所示，如果按照北京地铁设计中常用土柱理论进行强度验算时，支护结构 的强度都不满足要求。 图1 3 蒲黄榆站刘家窑站隧道断面图1 _ 4 团结湖车站横断面图 f 嘻1 - 3c r o s ss e c t i o n a lo f t l l 皿e 1b e t 、) l ，e e np h yf i g 1 _ 4c r o s ss e c t i o n a lo f t u a n j i e h u s u b w a ys t a _ t i o na n dl i l j j 认y a os u b w a ys 枷o n 吼l b w a y s t a t i o n 因此有必要对地铁暗挖隧道竖向土压力的荷载模式进一步研究，作为土压力 计算的理论基础。根据以上讨论可知，对土压力公式的选择和适用性、拱效应有 必要进行深入的探讨。 1 5 本文的主要内容 本文的目的在于研究地铁暗挖隧道开挖引起的土拱效应，以及作用在地铁衬 砌竖向土压力的模式。有关土拱效应的研究已经取得一些成果，但是对于暗挖隧 第1 章绪论 道而言，埋深、跨度、断面形式、辅助工法、洞周收敛等因素和土拱效应的关系 仍需要深入研究；有关地铁暗挖隧道竖向土压力的计算模式尚存在一些问题，需 要进一步研究。 基于土拱效应、土压力研究现状的讨论，以及目前地铁暗挖隧道竖向土压力 计算存在的问题，本文进行以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 讨论确定垂直土压力的关键点，分析土压力与地质条件、衬砌结构几何 尺寸和刚度、施工方法、支护时机、埋深、跨度与土压力的关系。 ( 2 ) 讨论隧道开挖拱效应的机理，基于主应力分析法，研究隧道的埋深、土 体的力学参数、隧道跨度，断面形式、开挖方法、辅助工法、洞周收敛因素对暗 挖隧道土拱效应的影响。 ( 3 ) 根据暗挖隧道土拱效应的研究结果，对常用的经典土压力计算公式进行 分析和讨论，指出其存在的问题；对各种土压力公式理论值和实测值对比分析， 探求其在城市地铁设计中的适用性；讨论北京地铁矿山法区间隧道设计中关于竖 向土压力的荷载模式存在的问题，在此基础上给出了地铁暗挖隧道竖向土压力新 的计算公式及适用条件。 9 北京工业人学t 学硕 ：学位论文 1 6 技术路线 图卜4 技术路线图 f i g 1 _ 4t e c l l i l 0 1 0 百c a lr o u t e 1 0 第2 章略挖隧道衬砌十乐力的基本问题 第2 章暗挖隧道衬砌土压力的基本问题 2 1 引言 目前荷载结构模型仍然是应用于地下工程设计常用方法，荷载结构模型包括结构体 系和荷载体系，两者必须统一兼顾，近些年结构体系的模型化已经向细微化、复杂化的 方向发展，但是荷载体系的模型化精度3 0 多年基本没有发生变化，两者的平衡特别重 要，因为只提高结构体系的模型化精度，不一定反应地下结构的实际受力状态，本章节 首先回顾了地下结构设计方法的发展历程，明确合理的评价地层的土拱效应是确定垂直 土压力的关键所在，讨论土压力与其影响因素的关系，影响围岩压力的因素很多，通常 分为两类，一类是地质因素( 围岩类别、地下水、初始应力场) ；一类是工程因素( 包 括施工方法，支护时间，支护刚度，隧道形状等) 。该章详细讨论这些因素与土压力的 关系，为后面的土工效应和竖向土压力研究奠定基础。 2 2 地下结构设计方法j ( 1 ) 隧道结构计算理论发展 早期地下工程的建设完全依据经验，十九世纪初才逐渐形成自己的计算理论，开始 用于指导地下结构的设计与施工。在地下结构计算理论形成的初期，人们仅仿照地面结 构的计算方法进行地下结构的计算。经过较长时期的实践，地下结构的受力变形特点才 逐渐被认识，并形成以考虑地层对结构受力变形约束为特点的地下结构计算理论。二十 世纪中期起，电子计算技术的出现和进步大大推动了岩土力学和工程结构等学科的发 展，地下结构的计算理论也因此有了更大的发展。例如岩土介质的性态、地层自承力的 特点及与结构相互作用的规律等因素，目前都已经可以在地下结构计算中按连续或不连 续介质力学和材料非线性的原理加以考虑。其发展过程大致可以分为以下七个阶段： 刚性结构阶段 1 9 世纪的地下结构大多是砖石砌筑的圬工结构，这类材料的抗拉强度较低，且结构 物存在较多接缝，故容易产生裂缝。为了维持结构稳定，这时的地下结构的截面都定得 很大，使结构受力后产生的变形较小，因而最先出现的计算理论是将地下结构视为刚性 结构的压力线理论。 弹性结构阶段 1 9 世纪后期，混凝土和钢筋混凝土材料开始出现，并被用于建筑地下工程，使地下 结构具有较好整体性，从这时起，地下结构开始按弹性连续框架进行内力计算。荷载为 主动地层压力，按超静定力学原理进行计算。 假定抗力阶段 混凝土衬砌在受主动荷载的作用产生弹性变形的同时，受到地层对其变形产生约束 垂直地层压力瑟j d 助 ljjjjjjilll 1 i 豚专 蹩裂 图2 2 朱拉波夫和布加也娃计算圆形衬砌的简图 f i g 。2 - 2c i r c u l a rl i n i i l gs k e t c hm a po fp o f j fa i l db u y a w am e l o d 弹性地基梁阶段 第2 章暗挖隧道衬砌十厍力的基本问题 由于假定抗力法对抗力图形的假定带有较大的任意性，人们开始研究将衬砌视为弹 性地基梁的结构计算理论。按局部变形弹性圆环理论计算圆形衬砌的方法出现较早，前 苏联地下铁道设计事务所在2 0 世纪3 0 年代已经提出这一方法，如图2 3 所示。 共同变形弹性地基梁理论也被用于地下结构的计算。1 9 5 4 年奥尔洛夫用弹性理论进 一步研究了按地层共同变形理论计算地下圆形隧道的方法，如图2 4 所示。舒尔茨和杜 德克在1 9 6 4 年分析圆形衬砌时不但按照共同变形理论考虑了径向变形的影响，而且还 计入了切向变形的影响。 图2 3 杠杆法 f i g 2 3s k e t c hm 印o fl e v 盯m e m o d 连续介质阶段 撼麟 翟剿 图2 - 4 奥尔洛夫计算简图 f i g 2 _ 4c a l c u l a t i o nd i a g r a mo fo 订o vm e n l o d 鉴于人们逐渐认识到地下结构与地层是一个受力整体，按连续介质力学计算地下结 构内力的方法也逐渐有所发展。 史密德和温德耳斯得出了按连续介质力学计算圆形衬砌的弹性解。费道洛夫得出了 有压水工隧洞衬砌的弹性解，缪尔伍特提出了圆形衬砌的简化弹性解析解，克铁斯又对 此法作了改进。塔罗勃和卡斯特奈得出了圆形洞室的弹塑性解。塞拉塔和柯棣斯采用岩 土介质的各种流变模型进行圆形隧道的粘弹性分析。我国学者同济大学侯学渊等利用地 层与衬砌之间的位移协调条件得出了圆形隧道的弹塑性解和粘性解。 数值方法阶段 由连续介质力学建立地下结构的解析计算方法是一个困难的任务，目前仅对圆形衬 砌中的简化本构关系有了较多的研究成果。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子数字计算机 的推广和岩土介质本构关系研究的进展，地下结构的数值计算方法有了较大的发展。莱 亚斯和迪尔在1 9 6 6 年应用特鲁克一普拉格屈服准则进行了圆形洞室的弹塑性分析。1 9 6 8 年，晋齐维齐等按无拉力分析研究了