（岩土工程专业论文）地铁车站浅埋暗挖法施工引起沉降的控制措施研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 随着我国经济和社会的发展，地铁这一交通方式因其运量大、快速、正点、 低能耗、少污染、乘坐方便等优点，被越来越多的城市所采用。城市地铁工程一 般位于城市的繁华地段，一旦沉降事故发生，将可能造成建筑物开裂、倾斜，地 下管线断裂等事故。因此，研究地铁施工地表沉降的规律，提出控制地表沉降的 措旌具有重要的现实意义。 本论文以广州地铁小北站作为工程背景，采用三维显式有限差分程序f l a c 3 d 作为计算工具，对地铁隧道的开挖方法，群洞开挖顺序，地下水对沉降影响等一 系列问题进行了分析研究，提出了控制地表沉降的措施及建议。 首先针对小北站西侧站厅超浅埋、大断面的特点，选择了6 种施工模拟方案， 通过对地表沉降量，沉降历史及塑性区分布的综合对比分析，选择了最优的施工 方案，同时对实际施工提出了意见及建议，此部分研究成果及时运用到了工程建 设当中；其次，针对小北站站厅、站台隧道呈空间立体交叉的特点，重点研究了 此类群洞工程开挖顺序选择的问题，即对先下后上、先上后下两种施工顺序进行 了数值模拟研究，分析得出了两种方案最终地层沉降及衬砌结构内应力分布的特 点，同时对群洞施工中关键工序的安全保证提出了建议与意见；最后，采用流固 耦合的计算方法，对地铁建设中地下水流失的问题进行了研究，分析了地下水渗 流引发地表沉降的原理，采用数值模拟手段研究了地下水流失对地表沉降的大小、 范围等的影响，另外验证了地面既有建筑物帷幕注浆止水加固措施的保护效果， 最后对在富水地层中修建地铁的地表沉降控制措施提出了自己的建议。 关键词：城市地铁；沉降控制；群洞隧道：流固耦合；数值模拟 分类号： 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m i c , s u b w a yh a sb e c o m e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f o ri 乜l a r g ec r d g h tv o l u m e , l o we t l e r g yc o n s u m p t i o na n dl o wp o l l u t i o n g e n e r a l l y l o c a t e da tt h eb u s yz o n eo fe i t y , i ta l w a y sl e a d st oc r a c k s ，i n c l i n a t i o no ru n d e r g r o u n d o p a l m er u p t u r ei ft h e r ei ss e t t l e m e n ta c c i d e n ti n1 l r b a nm e t r o t h e r e f o r et h e r ei sm u c h p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yt h el a wo fs e t t l e m e n ta n dp u tf o r w a r dm e a s u r e so f s e t t l e m e n tc o n t r o l 。 t h i st h e s i si so nt h eb a c k g r o u n do f x i a o b c is t a t i o ni ng u a n g z h o us u b w a y , w i t ht h e u s eo ff l a c 3 dt h ee x c a v a t i o nm e t h o d s ，e x c a v a t i o ns e q u e n c ei nm u l t i t u u n ds y s t e m ， s e t t l e m e n te f f e c tc a u s e db yg r o u n dw a t e r e t ca r es m d i e da n dt h em e a s u r e so fs e t t l e m e n t c o n t r o la r ep r o p o s e d f i r s t , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a - s h a l l o wa n dl a r g es e c t i o no f t h ew e s t h a l li nx i a o b e is t a t i o n ，s i xs i m u l a t i o ns c h e m e sa r ep r o p o s e d ，o fw h i c ht h eb e s to n ei s c h o s e nt h r o u g hs u r f a c es e t t l e m e n t ，s u b s i d e n c eh i s t o r ya n dt h ed i s t r i b u t i o no fp l a s t i c z o n e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ea p p l i c a t e di na c t u a lc o n s t r u c t i o na n dp l a y e dag o o da c t i o n ； t h e na i m e da tt h es p a c eo v e r h e a dc r o s s i n gb e t w e e nt h ep l a t f o r mt u n n e la n ds t a t i o nh a l l i nx i a o b e is t a t i o n ，t h ee x c a v a t i o ns e q u e n c ei sf o c u s e d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e dt o d e c i d ew h i c hi sb e t t e r , “u p p e ra f t e rl o w e r o r “l o w e ra f t e ru p p e r a l s ot h es u r f a c e s e t t l e m e n ta n di n t e r n a ls t r e s sd i s t r i b u t i o ni nl i n i n gs t r u c t u r ec a u s e db yt h e s et w o s e q u e n c e sa r es u m m a r i z e d ；i nt h ee n d ，w i t ht h eu s eo ff l u i d s o l i dc o u p l i n g , t h eg r o u n d w a t e rl o s si ns u b w a yc o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d ，t h et h e o r yo fs u r f a c es e t t l e m e n tc a u s e db y g r o u n d w a t e rs e 叩a g ci sa n a l y z e da n de j e c t i o nf o rw a t e rp l u g g i n gb yb u i l d i n gc u r t a i ni s p r o v e d f i n a l l yt h es u r f a c es e t t l e m e n tc o n t r o lm e a s u r e so fs u b w a y i nw a t e r ys t r a t aa t e p r o p o s e d k e y w o r d s ：m b a nm e t r o ；s e t t l e m e n tc o n t r o l ；m u l t i - t u n n e ls y s t e m ；f l u i d - s o l i d c o u p l i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c l a s s n 0 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：辟乙币岔 签字日期：加。7 年f 溯夕日 导师签名： 纸札 签字日期：一吵年j 调7 尸日 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 致谢 本文是在我的导师乔春生教授的精心指导下完成的。两年多来，导师在生活 以及学习科研上给予了我无尽的关怀，使我终身难忘。和导师的每一次交流都让 我受益匪浅，导师的每一句话，字字铭刻在我的心里。导师忘我的敬业精神、朴 素的生活作风、认真严谨的治学态度，渊博的知识和高尚的情操，深深地感染了 我，在我的灵魂深处留下了永不褪色的烙印，将不断激励我踏踏实实地前进。值 此论文完成之际，谨向导师致以最真诚的敬意和最衷心的感谢。 感谢岩石力学教研室刘保国教授、刘开云老师的悉心指导和无私关怀，他们 在论文研究过程中给了我大量宝贵意见和建议，使我受益匪浅，事半功倍。 感谢教研室的博士师兄阎文发、刘勇、滕文彦、张志刚、朱正国、赖永标、 焦健、石洪斌和高保彬的大力支持；感谢硕士师兄魏英华、曲军彪、王伟峰、吴 金刚、袁正辉等的耐心指导；感谢硕士师弟卢国营、朱天然、王鹏的积极配合。 感谢同窗好友及隧岩所2 0 8 实验室的王超、李建宇、盖起磊、盖怀涛、孟凡 会、陈书丽、向科铭、闫宇蕾、翟文华、王旭刚等同学给予我学业和生活上的热 心帮助和大力支持。 最后感湔赐予我身体发肤、哺育我成长的父母，这么多年他们默默地支持我， 鼓励我，使我能够专心读书，完成学业。祝他们身体健康，平安幸福。 阮松 2 0 0 7 1 2 1 8 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 近年来，世界范围内的城市化水平一直呈现出不断上升的趋势，即城市数目 和规模都不断增加和扩大。改革开放以来，随着中国经济的高速发展，中国的城 市化进程也已大大加快，到1 9 9 7 年底，中国城市总数已达6 6 6 个，其中超大、特大 和大城市有7 5 个，预计：至1 1 2 1 世纪中期，我国的城市将增加到1 0 0 0 多个，城市化水 平将达到5 0 以上。随着城市化的高速发展，也带来了一系列的城市环境问题，形 成了所谓的“城市综合症”。主要是城市人口超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化 减少、交通阻塞。我国上海和北京城区位于世界人口高密度城市之首，按国际标 准，处于超饱和状态。我国城市人均绿地面积距国家制定的人均l o m 2 的卫生标准 和联合国建议的人均4 0 m 2 的城市绿地标准相差甚远。交通阻塞也已成为我国许多 城市普遍的突出问题。如北京市于道平均车速己比1 0 年前降低5 0 以上，两且时速 正以每年递减2 k m 的速度继续下降，交通阻塞的关键在于城市道路面积在城市面积 中的比例以及人均道路面积太低，每公里道路汽车拥有量太大。 纵观当今世界，发达国家已把对城市地下空问的开发利用作为解决城市人口、 资源、环境三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施城市可持续发展的 重要途径。城市地下空间作为新型国土资源受到世界发达国家的越来越多的重视。 自1 9 9 7 年以来，已召开多次以地下空间为主题的国际会议，通过了不少呼吁开发 利用地下空间的决议、文件和宣言。在工程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日 本、美国、法国和芬兰等国在城市地下空间利用领域已达到相当规模和水平。城 市地下空间的开发利用，己成为世界性发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的 重要标志。向地下要土地、要空间己成为城市发展的历史必然。实践表明，它是 提高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市密度、人车立体分流、疏导交通、 扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持城市历史文化景观、减少环境污染、改 善城市生态的最有效途径因此国际上不少学者提出“2 l 世纪是地下空间开发利用 的世纪”，并预测2 l 世纪末将有三分之一的世界人口生活在地下空间“。 发达国家解决城市“交通难”的主要措施是发展高效率的地下有轨公共交通， 形成四通八达的地下交通网。根据预测和分析，我国特大城市的主要干道在2 1 世 纪初将达到巨大的高峰单向断面客流量，靠一般的公共电，汽车是不能解决的， 只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。高架道路对城市景观、噪声和震动的 北京交通大学硕士学位论文 影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线地价贬值，而地铁沿线的地价很 快增值。因此，地铁的建设将是我国2 1 世纪城市地下空间开发的重点【m 】除已开 通北京、上海、广州、天津、南京、深圳、香港等的地铁外，正在兴建的有北京 地铁、沈阳地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁、成都地铁、重庆地铁等。此 外，国家己经批准和正在筹建地铁的城市有武汉、长春、杭州、西安、大连等2 0 多座，预计2 1 世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代。与此相关，也会涌 现出大量的岩土工程技术问题需要解决。 城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，开挖施工 都不可避免地将扰动地下岩土体，使其失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态 转化，隧道在开挖过程中由于地层物质的被挖出，自洞室临空面向地层深处一定 范围内地层应力将发生调整，宏观表现为地层物质的移动与变形，把因开挖形成 的应力调整涉及有明显位移的地层范围称为施工影响范围，对于浅埋隧道情况， 这一范围波及到地表，形成施工沉降槽。施工沉降槽可能引起地面沉降和塌陷， 从而导致道路路面破损、地下已有管道破坏以及建筑物、构筑物的损坏，这些问 题严重影响人民生命财产安全及工程的建设，并造成严重的经济损失和社会影响， 因此，城市中进行地铁施工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的 设施协调起来，根据地表保护的要求，采取有效措施来减小变形，以使地表房屋、 道路、管线等不至造成损害，生态环境不至恶化。这就必须要研究隧道施工所引 起的地表沉降规律，并对隧道施工所引起的地表沉降提出较为可靠的预计与控制 方法 3 - 4 。 1 2 隧道施工地表沉降研究现状 在城市地铁隧道的兴建中，影响地表移动和变形的因素很多，地表移动和变 形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且还受工 程的水文地质条件的影响。 人们对地铁隧道开挖引起的地表移动和变形预计己有一些经验公式，如国外 的p e c k 公式“，我国的同济大学结合现场实测和理论研究，提出的p e c k 修正公式。 北方交通大学张弥等开发出了预计隧道施工后的地表沉降的专家系统瑚。上海隧道 股份有限公司等单位开发了施工技术专家系统“1 可以对隧道施工后的地表沉降进 行预估。波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 嗍为研究采煤岩层与地表移动问 题提出了随机介质理论，经过我国学者刘宝琛、廖国华、阳军生等的发展，随机 介质理论己逐步完善，也可用来对隧道施工后的地表沉降进行预估。但是，上述 诸方法都没有或不能很好的反映隧道的实际施工过程，由于隧道结构及其周围岩 2 土介质的高度非线性，地下工程的开挖问题具有非线性的路径相关性，即随着旆 工进程的变化，结构的形状也在不断发生变化，与此同时作用在结构上的外荷载 也随之改变，从力学意义上来看，结构响应量是与加( 卸) 载途径有关的。在隧 道施工中，采用不同的施工工法、不同的开挖步骤、不同的支护参数将会引起程 度不同的地表变形。也就是说只有考虑施工过程和路径才能准确反映隧道旌工过 程中围岩和结构的应变、应力状态，进而才能准确的预计地表的移动与变形，因 此上述方法的使用范围和发展前景是非常有限的。实际上，隧道开挖特别是在软 弱围岩地层中进行复杂隧道结构的开挖是非常复杂的三维时空问题，随着数值计 算方法的发展和计算机软硬件的高速发展，复杂定解条件问题的处理才成为可能， 也使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能。目前国内外学者对于地下隧道工 程，尤其是对地下洞室群的施工已基本形成了这样的观点，即实际施工中都采用 分步分块开挖和支护，这种分步分块的不同组合及支护的施作时机，对洞室最终 的稳定状况有非常重大的影响；存在某一种特定的施工步骤，按照这种施工步骤 能够达到最佳的终结状况，合理地选择这种施工步骤，就可以使施工最经济、最 有效嘲。 在地下隧道施工中利用动态数值模拟进行规划，是近年来随着计算机软硬件 技术的发展而新兴起来的。1 9 9 5 年左右，朱维申等对某水电站地下洞群进行了施 工顺序优化，得出许多有意义的结果。如采用不同的开挖分块组合和不同的开挖 顺序，得到的围岩塑性区大小分布有很大的不同，从而会对围岩的稳定性产生不 同的影响，其中有两种不同的旌工工艺方法得到的塑性区面积甚至相差十倍“。 随着这方面研究的进行，越来越多的学者认识到施工途径对施工效应的巨大影响， 并且提出了岩体动态施工力学的新方向。但限于当时计算机软硬件设施，以前在 这方面进行的研究，大多基于二维的平面分析“1 ，且没有考虑实际施工支护等 的影响。本文拟在城市地铁隧道施工方面进行不同施工途径的三维动态模拟，且 考虑实际施工支护对地表沉降的影响“”“。 隧道施工对地面建筑物及地下管线产生的影响，实际上是隧道施工引起的地 层位移问题。在地下水位较高的富水地层进行隧道施工时，如果采用降水开挖的 方法施工时，降水过程中排水漏斗范围内的岩土与地下水之间存在相互作用问题， 即所谓的非稳定渗流场和应力场相互耦合的问题；当施工期间采用不降水方案旌 工时，如果忽略施工对流场的扰动影响，这时，我们可以采用常规的应力分析法 进行研究：如果施工期间虽然不降水，但是有一定量( 相对较少) 的地下水在旆 工过程中通过隧道周边易透水边界涌进洞室，这种情况在富水地层控制降水方法 隧道施工中是常见的甚至是不可避免的，这种情况可以定性为稳定渗流场和应力 场相互耦合的问题。单纯的固结理论不能反映水土之间实际上存在的耦合效应问 北京交通大学硕士学位论文 题。 针对上述实际问题，人们为了去研究和分析其本质和机理，以验证理论和解 决工程实际问题，目前常常使用以下几种研究手段： 理论分析法 从已有的结论出发，经过复杂的理论推导、证明，得出新的结论。鉴于地下 工程应力场与渗流场作用的复杂性，这种方法使用十分有限，即便是得出结论， 也由于结论中含有许多未知参数不能确定而不具有实用价值。 数值分析法 计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。因为隧道施工引起的地表沉 降影响因素很多，任何简单实用的计算方法都无法反映众多因素的综合影响。而 借助于计算机，可以较全面地考虑影响地表沉降的各主要因素，较为准确地预计 隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。近3 0 年来，土力 学数值分析方法得到迅速发展，出现了有限差分法( f 删) 、有限元法( f e m ) 、边 界元法( b 跏) 、无限元法( i e m ) 、拉格朗日元法( l 叫) 、刚体弹簧模型或刚性有 限元法( r b s m 或r f e m ) 、离散元法( d e m ) 、非连续变形分析方法( d d a ) 、无单 元法( e f 1 ) 、流形元法( 唧) 及其耦合的数值计算方法和以数值模拟为主的渐进 破坏模型等各种数值分析技术。这些数值分析方法大致分为连续变形分析方法和 非连续变形分析方法两大类，他们分别将岩土体介质抽象为连续介质模型和离散 体系模型两大类进行数值计算。 在连续变形数值分析方法中，以有限元法应用最为广泛，科技工作者应用有 限元法对隧道施工进行预测的文献很多“，这类方法主要分析岩土介质的连续 小变形和小位移特性。著名的大型通用分析软件a n s y s 就是基于有限元原理研发出 来的。有限元法在连续性分析方面取得了很大的成功，但在解决前处理问题、应 力与应变解答不连续问题和进行任意路径开裂计算等方面还存在着一些局限。为 了充分考虑岩土介质的非连续性、非均匀性和多相性等物理特性，必须对有限元 方法进行深入的改进和发展。 以连续介质大变形分析为目的拉格朗日元法在实际工程中也得到较好的应 用。拉格朗日元法运用流体力学中跟踪质点运动的物质描述方法，即拉格朗日拖 带坐标系方法，利用差分格式，按显示时步积分方法进行迭代求解，根据构形的 变化不断更新坐标系，以此模拟岩土介质的有限变形和大位移行为。基于拉格朗 日元理论，美国的i t a s c a 咨询集团于2 0 世纪8 0 年代编写的专用程序f l a c 现 已广泛应用于边坡、基础、坝体、隧道、地下采场和硐室等岩土工程分析中“”。 拉格朗日元法可以同时考虑岩土体的材料非线性和几何非线性，并能跟踪物体变 形的全过程，适于分析岩土力学中的大变形问题。这种方法避免了有限元法进行 4 大型矩阵的复杂计算，但时间步长的选择成了一个新的突出问题，时步过大会导 致解答的不稳定，时步太小则会使计算时间过长。 模型试验法 模型试验如果按尺寸比例来分又可分为足尺模型和缩尺模型两种情况。足尺 模型试验或现场原位试验，采用1 ：1 比例，这种方法最能体现原型的实际情况， 结果也是真实可靠的。但是由于采用的模型与原型几何尺寸、材料等一样，对于 比较大的土工构筑物来讲，就显得十分不经济，耗费大量的人力、物力、财力， 有时得不偿失，这种方法仅应用于较少的工程实践中；缩尺模型特别是小比尺模 型目前是人们常常采用的一种方法。即将原型的几何尺寸按照一定比例( 通常i 5 o - 1 2 0 0 ) 缩小后进行研究。小比尺模型又可分为小比尺常规模型和小比尺离心模 型，小比尺常规模型由于不能补偿几何尺寸的缩小带来的自重损失，同时也不能 解决隧道施工中地下水渗流场与地层应力场相互作用问题，因此不能反映原型的 真实情况。离心模型试验( c e n t r i f u g em o d e lt e s t ) 是将土工模型置于高速旋转 的离心机中，让模型承受重力加速度n 倍的离心加速度作用( n 为模型率) ，增加 模型的容重，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力( 重 力加速度= l g ) 条件下的常规模型更接近于实际。这一特点导致了离心模型与常规 模型本质的区别。 1 3 各种条件下隧道施工引起的地表沉降研究 隧道开挖特别是在软土地层中进行复杂隧道结构的开挖是一个复杂的三维时 空问题，如果地层富水，在旌工前采取地面降水或施工过程中洞内排水或通过隧 道周边失水，这时问题将变的更加复杂，涉及到固结理论和渗流应力耦合分析问 题，随着数值计算方法的发展和计算机软硬件的高速发展，使得复杂定解条件问 题的处理成为可能，使得隧道施工过程的动态仿真模拟成为可能。在城市地铁隧 道工程中，由于地质条件的复杂性、隧道结构的复杂性、工程边界条件的复杂性， 因此，要解决在这些复杂条件下隧道开挖所引起的地表沉降问题，国内外的众多 学者进行了长期而艰苦的探索和研究，主要可以分为三个大的方面：隧道施工过 程动态数值模拟技术的研究：复杂群洞隧道问题的研究；隧道施工过程中的渗流 应力耦合问题的研究。 ( 1 ) 隧道施工过程数值模拟技术的研究 关于隧道施工过程动态数值模拟技术的研究，就解决复杂工程问题的实用程 度而言，其发展水平主要体现在国内外的相关商业软件中，国外能够模拟地下工 程开挖过程的软件主要有f l a c ，a b a q u s ，a d i n a ，a n s y s ，姒r c 等；国内主要有 5 北京交通大学硕士学位论文 2 d - s i g k a 、3 d - s i g m a 、同济曙光等。由于地下工程的复杂性，这些商业软件虽然 已经发展到具有能够求解时空问题的功能，但都暴露出专业性不太强，需要更多 地依赖计算者的工程和计算经验。此外，国内外学者对开挖过程的模拟还进行了 大量、深入的研究和相关程序的研制，能够较好地考虑地下工程问题中的某些特 点，但其实用性和普及范围受到很大程度的限制，其可靠性还有待进一步的考证 和鉴定。因此，地下工程施工过程动态数值模拟技术的研究还处在发展的过程中。 ( 2 ) 复杂群洞隧道问题的研究 在地下群洞的开挖过程中，不可能全断面一次成洞，而需要根据出碴运输方 式、施工机械的类型和围岩特性等条件，选择施工方案，因而就确定了大型洞室 是分层分块地开挖，逐步形成洞室设计体型的特点，在开挖时间上就有分期开挖 过程，在分期开挖过程中，每一个施工分别对应于一种施工短期洞型，不同的开 挖顺序，就意味着对围岩的一种不同的暂时加载方式，在施工期间不断变化着的 洞型和加载方式，不仅影响施工期内地表的沉降、围岩的应力、破损区和洞周位 移，而且影响洞体成型后的应力分布、破损区大小以及洞周位移、地表位移状况， 由于开挖是造成地表沉降和围岩应力重分布的基本原因，因此，地下洞室的开挖 方式已引起人们的广泛注意。为了维护大型地下洞室群的稳定，有许多可供采用 的工程措施，鉴于洞室群开挖存在分期分块的特点，在各项措施中，以采取合理 的开挖顺序和适时有效的支护方案最为经济有效，这便是洞室群施工力学的基本 思想。 关于群洞施工过程的优化分析，目前还主要处在以围岩稳定性作为目标的平 面问题水平，针对城市地铁群洞隧道以地表沉降作为目标进行优化分析与应用， 目前的研究还较少。特别是对空问三维立体交叉隧道群系统，采用三维数值模拟 分析研究的事例还很少有过相关文献的报道。 ( 3 ) 隧道施工过程中渗流一应力耦合问题的研究 鉴于城市地铁隧道工程，一般埋深比较浅，本文的渗流一应力耦合分析。只 针对多孔介质而言，自b i o t ( 1 9 4 1 ) 提出土体的三维圃结理论后。由于对稍复杂 的边界问题就无法得出解析解，随着计算机技术的发展，特别是有限元的发展， 人们开始把数值解法应用于固结理论中。对于多孔介质中渗流应力耦合分析的 研究进展归纳起来为：1 ) 对于典型的固结问题，土体介质的本构关系的运用已由 弹性一弹塑性粘弹性一粘弹塑性发展到粘弹粘塑性，对于弹性和弹塑性介质已 由一维问题发展到二维、三维问题，并且趋于成熟，其它类型的介质还局限于一 维或二维问题，实际工程应用不多；2 ) 就耦合方程的求解而言。基于有限元数值 解法，采用双场迭代求解或采用完全耦合法求解即所谓的“四自由度”法，后一 方法目前还处在弹塑性介质阶段；3 ) 对于具有自由水面变动的耦合问题，岩土介 6 质还处在弹塑性阶段，求解方法是采用双场迭代法求解，对于变动自由水面的跟 踪主要是采用水头试算迭代的方法，这种方法的求解精度不高：4 ) 就工程应用而 言，在超孔隙水压下的固结沉降应用较多，对于抽水或基坑开挖引起自由面变动 沉降分析应用不多，对于由于隧道失水过多而引起自由面变动的沉降分析，有关 这方面的报道很少。 1 4 论文研究目标 通过本论文的工作，研究总结浅埋暗挖地铁隧道开挖所引起的沉降机理，探 讨寻求控制地铁开挖引起的地层沉降措施，结合广州地铁五号线小北站分离岛式 车站的施工实际，以减小地表沉降为控制目标，选择和优化地铁车站隧道的开挖方 法，探索和研究空间立体交叉群洞的合理开挖顺序，以及分析和探讨地铁开挖时 地下水的流失对地表及建筑物沉降方面的影响。通过大量的数值模拟计算对比研 究，提出控制地铁开挖引起的沉降的措施，针对此工程找出最优的施工步骤，对实 际工程给予指导，为旎工单位创造经济效益和社会效益。同时也期望为相关工程 提供理论依据和参考。 1 5 主要研究内容及方法 ( 1 ) 隧道施工的基本问题研究 要研究控制隧道开挖引起的地表沉降的措施，必须研究如何正确模拟隧道开 挖过程以及支护过程，必须研究支护结构的力学效果以及如何合理模拟其效果， 必须研究隧道施工引起的地表沉降机理，这些问题的研究是寻求地表沉降规律以 及进一步提出控制措施的基础。文中将对这些问题进行相关的研究。 ( 2 ) 浅埋大断面隧道合理施工方案选择 以理论分析为基础，结合隧道开挖基本问题的研究，主要使用数值模拟手段， 利用大型有限差分软件f l a c 3 d ，针对小北站西侧站厅隧道埋深浅，地层上软下硬 的特点，改变隧道的开挖方法，对多种方案进行数值模拟，对比每种方案所引起 的地表沉降的结果，选择最优的施工方法来指导实际工程。同时对减小隧道开挖 对地表沉降影响的措施方面提出了一些建议，以期为同类工程提供指导。 ( 3 ) 空间立体交叉群洞的合理开挖顺序研究 以小北站站台与站厅隧道为研究对象，针对各隧道之间立体交叉的特点，通 过数值模拟的手段，利用大型有限差分软件f l a c 3 d ，对先下后上、先上后下两种 施工顺序进行对比，分析两种方案所引起的最终结果的差异，提出对控制地表沉 7 北京交通大学硕士学位论文 降有利的施工方案。 ( 4 ) 地下水渗流对沉降的影响研究 南方城市地层含水量丰富，地下水位较高，地铁施工时不可避免地会发生地 下水的流失，由此造成的固结沉降占整个地表沉降的比重很大。因此，在施工时 要控制隧道开挖时的排水量，减小地层产生的固结下沉本文将通过理论研究和 数值模拟的手段，利用大型有限差分软件f l a c 3 0 ，以广州地铁小北站的右线隧道， 二号风道及车站附近的建筑物为研究对象，探讨地下水流失对地层固结下沉的影 响，进而提出减小沉降的措施。 8 隧道施工的基本问题研究 第二章隧道施工的基本问题研究 2 1 隧道施工力学基本理论 2 1 1隧道施工力学基本概念 地下工程与地面工程全然不同，它是修筑在具有一定的应力场、渗流场和温 度场的复杂地质( 力学) 环境中的结构物，国内地下工程长期都处于“经验设计” 和“经验施工”的局面，这种局面与迅速发展的地下工程的现实是极不相称的， 因此，寻求用于解决地下工程问题的新的理论和方法，已成为近十几年来众所努 力的共同愿望。 近代工程建设发展提出一个设计中不但要考虑需要设计与建造的工程结构物 本身，同时也需涉及其施工与形成过程中，不同阶段中间产物及其动态与相互影 响问题，因此施工过程中，结构物及工程介质的分析，形成了与工程建设密切相 关的新的工程力学学科分支一施工力学。 土木工程施工力学是在时变力学的基础上，力学学科与土木工程等工程学科 结合的产物，研究工程施工过程中物体的力学性质，认为不仅研究对象的几何尺 寸、材料参数随时恻而变化，而且施加在物体上的荷载大小及方向也是时间的函 数。将涉及固体力学、结构力学、工程地质力学、岩土力学、( 渗) 流体力学、 计算力学以及结构工程、基础工程、地下工程、水工工程、海洋工程、道桥工程、 环境工程等多门学科，需要基础科学与工程科学密切配合与交叉、渗透。施工力 学研究在理论上属学科前沿，反映学科交叉；在应用上与国民经济密切相关，是 工程技术发展急待解决，体现科技与经济相结合的一个重要研究方向，其成果将 会对我国工程建设以及2 1 世纪发展产生广泛、深远影响。 隧道工程旌工力学可以认为是土木工程施工力学的一个重要分支学科，主要 研究隧道施工过程中隧道结构、围岩及周围环境的力学响应及控制，其所牵涉的 内容是比较广泛的，包括从地质体的研究一直到施工结束形成稳定洞室为止的全 部内容，涉及地质学、地质力学、岩土力学、渗流( 体) 力学、结构力学、固体 力学、藕合力学、优化理论以及建筑材料、设计、施工、试验、量测、防灾等诸 多方面的知识，可以说是一门综合性极强的边缘学科“1 。 2 1 2 隧道施工力学基本原理 9 北京交通大学硕士学位论文 地下工程施工的基本目的是在各类地质体( 岩体或土体) 中修筑为各种目的 服务的、长期稳定的洞室结构体系。从结构角度讲，这个结构体系是由周围地质 体和各种支护结构构成的，即洞室结构体系= 周围地质体+ 支护结构。它的形成则 是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的。这个过程大体上可作 如下表达卿： 【_ _ _ 丝i 垂量口 匾耍口 与之相应的力学过程为： 圆圆圆 新奥地利隧道设计施工法( 简称新奥法) 是r a b c e w i c z 在总结隧洞建造实践经 验基础上创立的，是一种设计、施工、监测相结合的科学的隧道建造方法，它的 理论基础是最大限度地发挥围岩的自承作用。至今，新奥法在世界各国的隧洞和 地下工程建设中获得了极为迅速的发展，在铁路、公路、水工隧洞及软弱地层中 的城市地下工程中获得了广泛的应用。其基本原则主要有“： ( 1 ) 围岩是隧洞承载体系的重要组成部分，所以在施工中尽可能保护围岩的 原有强度，避免围岩出现不利的单轴和双轴应力状态。 ( 2 ) 为了充分发挥围岩的结构作用，应允许有控制的围岩变形，一方面允许 变形能达到在支护结构周围的围岩中形成承载环的量级，同时必须限制它，使围 岩体不会过渡松弛丽丧失或大大降低承载能力，为此，在施工中必须进行现场量 测，来实现围岩的变形控制。 ( 3 ) 在选择支护手段时，一般应选用能大面积的、牢固的与围岩体紧密接触， 能及时施设和有随时加强可能性的支护手段，多采用喷射混凝土，同时要求层要 薄，要有柔性，当要求增加支护抗力时，一般采用喷混凝土与锚杆或钢筋网或钢 架等支护方式的联合形式来实现。 ( 4 ) 为了提高安全度或设置防水层，一般采用复合式衬砌，即初期支护和二 次支护，二次支护要适时，即不要太早也不要太晚。 ( 5 ) 支护结构在施工中需适时闭合，设置仰拱形成封闭结构，使其充分发挥 作用是施工中的一个重要环节。此外，隧道形状要尽可能圆顺，避免拐点以减少 应力集中。 1 0 隧道施工的基本问题研究 新奥法着重从施工措施的角度总结了现代隧道工程的设计施工方法，却未能 从更广泛、更深刻的角度阐明其内在的原因和根据。实际上，隧道从开始开挖施 工到工程结束都有一段时间过程，开挖将会使地下岩土体内部原有的物理力学平 衡发生变化，通过施工中岩土内部的物理力学诸因素的重新调整与转化，达到施 工完毕后的新的平衡状态和稳定状态，施工过程是一个时间和空间都不断变化的 过程，而最终状态( 最终解) 不是唯一的。而是与开挖过程密切相关，或者说是 与应力路径或应力历史相关，显然就有一个过程的优化问题，对于复杂的群洞隧 道尤其如此。因此，隧道施工力学基本原理可以总结为以下几个主要方面”“： ( 1 ) 隧道工程的施工受到自然因素不确定性的影响，要全面而正确地认识各 种因素的影响，不仅要研究自然因素( 如地下水、初始地应力、岩土体的物理力 学特性等) ，还需要研究人为的工程因素( 譬如在设计或施工阶段主动地做寻优 工作) 。 ( 2 ) 隧道工程施工期和竣工后的运行期，围岩的稳定性及有关的经济效益、 社会效益不仅和其最终状态有关，而且和达到施工最终状态所采取的开挖途径和 方法有关，这是因为隧道施工中围岩的边界在时空域中是不断变化的，围岩处于 复杂的反复加卸载过程，从力学角度讲，这是一个非线性过程，不只与最终状态 有关，而且和应力路径或应力历史相关。 ( 3 ) 为了了解隧道结构的稳定性以及施工对环境的影响、旌工支护效果，要 在施工前对工程进行动态旋工力学优化分析，针对不同的开挖顺序以围岩稳定或 地表沉降作为优化目标，寻求最优或几个较优的施工方案，以供设计或施工单位 决策。 ( 4 ) 对于复杂条件下的隧道工程，要特别注意施工过程的设计和控制，科学 地遵循围岩的动态响应规律，使人为的开挖和支护因素对围岩的损伤程度尽量小， 在经济性、合理性、社会性的前提下因地制宜地运用开挖和支护手段，把有害的 影响及隐患控制在较低的限度内。 ( 5 ) 根据优化施工方案进行施工时要不断深化和修正原有认识，做好围岩动 态响应的观测及监测工作，要用这些资料与原来的预计情况进行对比( 这是因为 理论预测基于经典力学或连续介质力学的范畴，不能考虑岩土体介质在开挖中所 表现出的全部特性) ，以判断现有施工方案的合理性，必要时应及时调整现有的 施工及支护方案，保证后续工程进程的安全及经济性、社会性。 ( 6 ) 要强调勘察、设计、施工、科研四个环节紧密结合，互相渗透，根据实 际中出现的新情况和新资料不断修正原有的认识和调整原有的施工方案，要有允 许随时修改原有施工方案和方法的灵活性，使之符合实际情况。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 3 隧道施工力学效应 ( 1 ) 时间效应 若材料具有粘性或涉及非定常问题，这些含有时间因素的问题将和几何、物 性、边界的时变发生耦联，产生施工力学“时间效应”，即同一结构，不同施工 时间控制过程，其最终力学状态不同。 ( 2 ) 路径效应 若材料具有物理非线性或考虑几何非线性、边界非线性( 如接触问题) ，则 这些问题含有的路径因素将和几何、物性、边界的时变发生耦联，产生施工力学 “路径效应”，即同一结构，不同施工顺序控制过程，其最终力学状态不同。 ( 3 ) 耦合效应 若研究问题涉及到多个物理场，如应力场、温度场、渗流场等，这些场之间 存在相互作用，产生施工力学“耦合效应”，当然，其分析结果与非耦合分析不 同。 2 2 隧道支护及预加固措施的模拟 地下工程支护或加固措施在数值计算中的模拟，对于平面问题常常采用线单 元或面单元进行模拟，对于空间问题常常采用线单元或面单元或体单元进行模拟， 对于作用机理相对明确的支护或加固措施可以直接进行模拟，对于作用机理尚不 明确或为了降低问题实现的难度，主要从其总体力学效果方面来进行等效模拟。 当某一施工工况需要支护或加固措施时，对于用线单元( 平面或三维分析中) 或 面单元( 三维分析中) 模拟的支护主要是通过恢复其材料属性或几何属性的设计 值来实现，不过这些属性在此之前都被空单元化，许多软件( 如a n s y s ，m a r c ，a d i n a ， a b a q u s ，f l a c 等) 把这两个过程分别称之为或变相地称之为单元“生”或“死”； 对于用面单元( 平面分析中) 或体单元( - - 维分析中) 模拟的支护或预加固措施 通过重新赋予材料属性来实现，但更多的场合是这些单元需要先处于“生”状态。 对于支护措施本文主要考虑锚杆、格栅钢架、网喷混凝土、模筑混凝土等四 种支护措施，对于预加固或预支护结构本文主要考虑小导管注浆、大管棚超前预 支护两种措施，这也是地下工程中常用的支护或加固措施，如何在有限元计算中 比较合理地反映这些措施的作用机理或效果，是影响计算结果合理性的关键因素 之一。 2 2 1 锚杆的力学模拟 1 2 隧道施工的基本问题研究 目前在数值模拟分析中，对锚轩力学效果的模拟主要根据其作用的等效原则 和力学模型两个方面来考虑，对于前者主要考虑施锚后，围岩弹性模量、粘聚力、 内摩擦角、抗压强度等指标的提高，于是有一些相关的经验公式可供采用；对于 后者主要通过锚杆单元来实现。 锚杆力学效果的等效模拟各文献分别给出了经验公式： ( 1 ) 文献【4 2 】给出相应的经验公式，有锚杆时，锚固区的c i 、能值可取： 仍= q o ，c j = c o + 等 ( 2 - 1 ) 式中，吒为锚杆抗剪强度，l = 0 6 心；心为钢筋的抗拉强度设计值，e 、i 为锚杆的纵横间距；a 为锚杆的截面积。 ( 2 ) 文献 4 3 】给出施锚区弹性模量的提高公式： 蜀= e o ( 1 + ) ( 2 2 ) ( 3 ) 文献1 4 4 给出相应的经验公式，由于磨擦角改变较小，不予考虑，而锚 固围岩体的粘结力可由以下经验公式给出： g = c o ( 1 + 景等x 1 0 4 ) ( 2 - 3 ) 式中，玎为经验系数，可取为2 5 。 2 2 2 格栅钢架的力学模拟 在浅埋、偏压、软弱围岩及城市地下隧道工程中，常常在初期支护中采用格 栅钢架，在锚喷等支护发挥作用前使围岩稳定，提高初期支护的强度和刚度，抑 制地表下沉。另外，隧道施工需要施做超前支护时，需要设置钢架作为超前锚杆、 小钢管、小导管、管棚、旋喷桩等的支承构件。 在数值分析中，格栅钢架也常常通过等效作用和力学模型两种方法进行考虑， 按等效法则考虑时，根据抗压剐度相等的原则，将钢架的弹性模量折算给喷射混 凝土，计算公式为【4 5 】： g up e：e+生二羔(2-4) 。 s 。 其中：e 一折算后的初期支护弹性模量；e o - 一喷射混凝土的弹性模量；e g - 钢 筋的弹性模量；s f 嘲筋的截面积；s c _ 混凝土的截面积。 此外，在数值分析中，也可将格栅钢架采用梁单元来进行模拟。 2 2 3 网喷混凝土的力学模拟 北京交通大学硕士学位论文 隧道开挖后，立即喷射混凝土，及时封闭围岩暴露面，由于喷层与岩壁密贴， 故能有效地隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落或膨胀，避免裂隙中充 填物流失，防止围岩强度降低。此外，高压高速喷射混凝土时，可使一部分混凝 土浆液渗入到张开的裂隙或节理中，起胶结和加固作用，提高围岩强度。含有速 凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后2 - l o m i n 内凝固，及时向围岩提供支护抗力，使 围岩表层岩土由未支护时的二向受力状态变为三向受力状态，提高了围岩的强度， 如图2 1 所示。 i j it i 钐飞一 p i 盯 图2 1 喷层的力学作用不意图 喷层中的钢筋具有防止收缩裂缝，使喷层应力分布均匀，增强喷层的柔性等 作用。 在数值模拟计算中，喷层常常作为弹性材料采用杆梁单元或扳壳单元来进行 模拟。对于喷层中的钢筋网作用，在计算中常常作为安全储备考虑，也可通过提 高喷层的参数来近似模拟。 2 2 4 模筑混凝土的力学模拟 模筑混凝土在施工期间参与工作的时间不同所起的力学作用也不一样，如果 围岩变形基本稳定后才施做模筑混凝土，那么模筑混凝土主要作为安全储备，如 果变形还没稳定就施做模筑混凝土，那么模筑混凝土作为承载结构的一部分。在 使用期间，考虑到时间长久后，初支因锈蚀，腐蚀等