（岩土工程专业论文）城市地铁隧道施工过程的数值模拟及其变形预测研究.pdf

论文题目：城市地铁隧道施工过程的数值模拟及其变形预测研究 专业： 硕士生： 指导教师： 岩土工程 孙光永 谷拴成 摘要 f 答名) 仫乞q ( 签名) 丝型翌： ( 签名) 笙盗丛 城市地铁隧道多建在建筑物已高度密集的大城市，其施工不可避免会对周围岩土体 产生扰动，进而对围岩和地表及邻近的建筑物( 构筑物) 基础产生影响，严重时会危及 隧道和建筑物( 构筑物) 的安全。因此开展对城市地铁隧道施工引起的地层变形及其对 建筑物( 构筑物) 基础的影响研究，对于保证设施的安全和正常使用具有重要价值。 本文用数值计算法与理论分析法对城市桥梁下地铁区间隧道修筑引起的地层变形 进行了研究，主要工作有： ( 1 ) 采用三维有限差分方法对桥基下地铁隧道施工引起的地层变形进行了模拟分 析，研究了不同旌工阶段下的地层变形规律； ( 2 ) 采用p e c k 公式预测了地表横向沉降槽的变化规律，得出了公式中的两个重要 参数即隧道单位长度上的地层损失和沉降槽宽度系数的值，这对北京该地区类似工程的 地表沉降预测具有重要价值。结果表明数值计算与理论计算的结果基本吻合，说明本文 中地铁隧道的三维模型建立、参数选取、结果分析是可信的； ( 3 ) 采用三维有限差分计算方法预测了地铁隧道开挖对桥基变形的影响，得到了 有益的结果，该结果对地铁隧道的安全施工具有一定的参考价值。 关键词：城市地铁隧道；桥基础；地层变形；有限差分法；预测 研究类型：应用研究 s u b j e c t：c i t ys u b w a yt u n n e ic o n s t r u c t i o np r o c e s sv a l u es i m u l a t i o n a n di t sd i s t o r t i o nf o r e c a s tr e s e a r c h s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ：s u ng u a n g y o n g ( s i g n a t u r e ) 血鱼判幽 i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g ( s i g n a t u r e ) 金d 亟竺辔 a r s t r a c t t h ec i t ys u b w a yt u n n e lu s u a l l yc o n s t r u c t si nt h eb i gc i t yo fh i g h l ya n dc r o w db u i l d i n g n l ec o n s t r u c to fs u b w a yi n e v i t a b l yc a nh a v et h ep e r t u r b a t i o nt ot h ep e r i p h e r yg n e i s s t h e n ( c o n s t r u c t i o n ) t h ef o u n d a t i o nh a si n f l u e n c et ot h ea d j a c e n t f o r m a t i o na n ds u r f a c ea n d n e i g h b o rb u i l d i n g i tc a ne n d a n g e rt h ea m n e la n dt h eb u i l d i n g ( c o n s t r u c t i o ms e c u r i t y t h e r e f o r ed e v e l o p st h es t r a t u md i s t o r t i o na n dt ot h eb u i l d i n gw h i c hc a u s e st ot h ec i t ys u b w a y t u n n e lc o n s t r u c t i o n ( c o n s t r u c t i o n ) t h ef o u n d a t i o ni n f l u e n c er e s e a r c h r e g a r d i n gg u a r a n t e e d t h es e c u r i t ya n dt h en o r m a lu s ei st h ei m p o r t a n tv a l u e t h i sa r t i c l ei su s et h es u b w a ys e c t o rt u n n e lc o n s t r u c t e dt h es t r a t u md i s t o r t i o nw i t ht h e n u m e r i c a lm e t h o da n dt h et h e o r ya n a l y t i cm e t h o dt ot h ec i t yb r i d g eu n d e rw h i c hc a u s e dt o c o n d u c tr e s e a r c h ( 1 ) a d o 。p tt h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt h es t r a t u md i s t o r t i o nw h i c ht h e s u b w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o nc a u s e dt ot h eb r i d g ef o u n d a t i o nu n d e rt oc a r r yo nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s h a ss t u d i e du n d e rt h ed i f f e r e n tc o n s t r u c t i o ns t a g es t r a t u ms u b s i d e n c er u l e ( 2 ) a d o p tt h ep e c kf o r m u l at of o r e c a s tt h es u r f a c ec r o s s w i s es u b s i d es l o tc h a n g er u l e o b t a i n e dt w oi m p o r t a n tp a r a m e t e r si nt h et u n n e lu n i tl e n g t hs t r a t u ml o s sa n ds u b s i d es l o tt h e w i d t hc o e f f i c i e n tv a l u e i th a si m p o r t a n tv a l u et ot h eb e i j i n ga r e as i m i l a rp r o j e c ts u r f a c e s u b s i d e n c ef o r e c a s t t h er e s u l ti si n d i c a t e dt h ev a l u e c o m p u t a t i o na n dt h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l tb a s i c a l l yt a l l i e s i tt e s t i f yt h a tt h es u b w a ya m n e lt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l e s t a b l i s h m e n t ，t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o n ，t h er e s u l ta n a l y s i sa r ec r e d i b l e ( 3 ) u s e dt h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ed i f f e r e n c ec o m p u t a t i o n a lm e t h o dt of o r e c a s ts u b w a y t u n n e le x c a v a t i o nt h ei n f l u e n c ew h i c hd i s t o r t e dt ot h eb r i d g ef o u n d a t i o na n do b t a i n e dt h e b e n e f i c i a lr e s u l t i ti sv a l u ef o rr e f e r e n c et ot h es u b w a yt u n n e ls a f ec o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：c i t ys u b w a yt u n n e lb r i d g ef o u n d a t i o n s t r a t ad e f o r m a t i o n f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o df o r e c a s t t h e s i s -： a p p l i c a t i o ns t u d y 西娄错技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名忍妒戈献日期：戗9 争z 5 _ 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：锄、匆自e指导教师签名：房口气一x 毒阳7 年妒月膨日 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 l 绪论 在世界高速发展的今天，城市化进程加快，特大和超大型城市不断涌现，城市可利 用空间越来越狭小的矛盾越来越突出，因而开发地下空间成了刻不容缓的当务之急。专 家们预言，2 l 世纪将是开发和利用地下空间的世纪。 随着城市人口密度的不断增加，许多大城市存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题， 为缓解或从根本上解决人口增长对城市环境的压力和威胁，修建地下轨道交通是一个行 之有效的方法。早在1 8 6 3 年，英国伦敦采用明挖法建成世界上第一条地铁线路，线路全 长6 4 k m 。而后1 8 9 0 年在伦敦首次使用盾构法施工，建成另外一条电气化地铁线，全长 2 k m 。从此，城市交通进入了一个飞速发展的时期【l j 。 地铁有着很多优点。城市地铁不仅安全可靠、准时方便和舒适等优点，而且它少占 用土地，基本上不破坏地面景观；将部分街面交通转移到地下，能够快速大量输送乘客， 极大地缓解城市交通拥挤问题；而且许多地铁不仅起到交通运输的作用，在战争时期还 发挥了防空掩蔽所的作用。 我国大陆自1 9 6 5 年开始在北京修建地铁至今4 0 年，其发展规模和修建技术水平大致 可分为三个阶段。6 0 - 8 0 年代，仅北京、天津修建地铁，上海尚处于研究试验时期。车 站和区间均采用明挖顺筑的方法。8 0 、9 0 年代，上海、广州也陆续开始修建地铁。在北 京开始采用浅埋暗挖法修建区间隧道，用盖挖法、洞柱( 梁) 法修建车站，在上海、广 州地铁区间隧道施工已使用盾构机。进入新世纪以来，地铁建设步入快速发展时期，南 京、深圳等城市地铁相继开工；北京、上海、广州、天津等城市地铁建设规模急速扩大； 重庆、武汉、大连等城市轨道交通开始建设，还有许多城市也开展了城市轨道交通或地 铁的前期工作地铁修建技术e t 益进步，如明挖法、盖挖法、洞柱( 梁) 法、沉管法、盾 构法，浅埋暗挖法( 包括大跨浅埋暗挖和平顶直墙浅埋暗挖) 及钻爆法都已接近或达到了 世界水平，有些方面甚至达到了世界先进水平。 城市隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，开挖施工不可避免地扰动 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 现为地层移动与变形。对于浅埋隧道，这一范围将波及到地表，形成地表沉降槽，甚至 可能形成地面塌陷，导致路面破损、地下已有管线破坏及建筑物、构筑物的损坏，严重 影响了人们生命财产安全及工程的顺利进行，并会造成重大经济损失和社会影响。因此， 城市中进行隧道旌工时，要与保护城市中有历史意义和经济、社会意义的设旄协调起来， 西安科技大学硕士学位论文 根据地表保护的要求，采取有效措施减小变形，以使房屋、道路、管线等不至造成损害， 生态环境不至恶化。 地表沉降是地铁施工过程中最大的环境问题，大的地层下沉会对周边建、构筑物造 成危害。例如，对城市交通路面的损坏，路面开裂、下陷等；地下原来的排污、输水等 管道受到地铁区间隧道施工的破坏而破裂，致使污水上溢等；此外这些管道在遇到地铁 线时往往需要改道或者作特殊处理；地下施工通过既有桥梁等设施时，导致桥梁桩基础 沉降，或者产生对桩的负摩擦阻力，使之丧失承载能力，从而降低了整座桥梁的承载能 力与安全使用性能。 综上所述，地铁隧道多建在建筑物己高度集中的大城市，这些变形和沉降对邻近建 ( 构) 筑物和地下管线的土工环境损伤不可忽视。当地层变形超过一定范围时，会严重危 及邻近建筑物基础、邻近建筑物和地下管网的安全，引起一系列岩土环境问题。考虑地 铁开挖建设过程中其对附近建筑物影响越来越显得重要。而对建筑物的影响主要体现在 对基础的影响，尤其是对桩基的影响，目前采用桩基础较为普遍，当地铁施工穿越大楼 桩群，隧道施工期间以及工后引起的邻近桩基的反应的分析就显得尤为重要。若能将地 铁开挖对周边建筑物桩基的影响给以预先评估，则其对于指导地铁设计、施工、灾害防 治具有很重要的意义。 1 2 隧道开挖的研究现状 1 2 1 隧道开挖对地层位移的影响 隧道施工期间影响地表沉降的因素很多，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，而且受地层条件的影响，由于人们环保意识 的不断增强，对于在城市市区隧道施工引起的地表位移与变形及其对周围环境影响的正 确预计便显得十分必要和重要。国内外科技工作者对隧道施工所引起的地表沉降的预计 采用了很多方法，主要有经验法、试验法、理论预测法等1 2 , 3 , 4 1 。 ( 1 ) 经验法 经验法主要是根据隧道开挖后地表沉降槽的形状，采用一定的曲线形式表示，再根 据地表沉降实测结果或己有的资料，确定曲线的具体特征参数。在隧道施工引起的地表 移动和变形中，地表沉降的大小和分布是最受关注的。对于隧道旄工引起的地表沉降问 题的研究，起源于对煤矿等矿山巷道上方地表沉降现象的分析。 对于这种现象，首先对地表沉降槽的形状进行观察，将沉降槽的曲线形态以数学形 式加以表现，逐步对地表沉降分布、最大沉降量等进行理论和经验上的推断。根据煤矿 地区巷道开挖地表下沉的实测结果，m a r t o s 提出隧道开挖所引起的地表沉降槽可由误差 函数近似表示。 2 1 绪论 美国i l b p e c k ( 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斛瓤。地层移动由地层损失引起，并认为施工引起的地面沉降是在 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。此法假定地层损失在 隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似正态分布曲线如图1 1 所示。英国的现场 观测结果，剑桥大学7 0 年代及8 0 年代初期的工作结果都和p e c k 的假定一致。 ii 离中心线距离x 沉降 图1 1 用正态分布曲线描述的横向地面沉降分布 横向分布地面沉降估算公式为： = 去酬一争 ( 1 1 ) ；老* 亳 c - 2 ， 式中： s ( 功沉降量； k 一隧道单位长度地层损失( m 3 i n ) ； s 。地表最大沉降值( m ) ； j 距隧道中心线的距离( m ) ； f 沉降槽宽度系数( m ) ，由查图表或公式求得。 很多学者在此基础上进行了进一步的研究。c l o i l g l l 和s c l l m i d t ( 1 9 8 1 ) 【6 1 在其关于软粘 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 = r ( z 2 r ) o j ， 式中：为地面至隧道中心深度，r 为隧道半径o t , e i l l y 和n e w ( 1 9 8 2 ) m 在现场观测的基 础上，提出i = 拓，对于粘性土k = 0 5 ；对于砂性土七= 0 2 5 a t w e l l 等( 1 9 8 1 ) 提出了如下的估算公式： 矿 s 一2 二i , - f i f = k r ( z 2 r ) 其中v 为沉降槽的横断面面积，取值根据土类而交，七，押为与土体性质和施工因素 相关的系数( 可查表) 。 另外，a t e w c l l 和s e l b i s 用统计分析的方法，对盾构施工引起的地层损失的扩散规律 西安科技大学硕士学位论文 进行了研究分析，得出了对应于盾构推进时不同位置的横向地表沉降公式。 藤田( 1 9 8 2 ) 1 9 j 研究了不同形式的盾构对地层变位的影响，根据围岩的种类、盾构形 式及辅助工法的不同，分类预测了最大沉降量，并用表格给出预测值。方晓阳等( 1 9 9 4 ) 1 l 伽 在p e e k 法和藤田法基础上提出了估算不同类型盾构法隧道地面沉降量大小和分布范围 的p e c k f u j i t a 法，给出了最大和最小沉降曲线，但各类地层的最大和最小沉降曲线有时 相差很大。 s e l b y ( 1 9 8 8 ) t 】和n e w 与o r e i l l y ( 1 9 9 1 ) t 1 2 】对由粘土层和砂土层组成的成层土中隧道 的沉降槽宽度系数提出了简单合并的计算方法来考虑不同土层的厚度影响。如对于两土 层的情况有 f = 与五十屯乞 其中，毛、五分别为第一层土的沉降槽宽度系数的参数和厚度，如、磊分别为第二 层土的沉降槽宽度系数的参数和厚度。 ( 2 ) 试验分析法 试验研究方法有现场试验和室内模型试验两种，有时也采用离心模型试验。现场试 验，耗费高，耗时长但可较准确的研究问题实质，特别是结合工程施工的现场监测获得 较为广泛的应用，近代许多工程已将施工位移监测纳入了施工工序中。室内模型试验也 是研究隧道力学效应、施工效应和施工沉降的有效和常用方法，并取得了许多重要的研 究成果。 英国剑桥大学的a t l d n s o n 以砂和高岭土为介质，中设隧道，以橡皮膜敷于隧道内表 面上。试验结果表明，土的破坏面近似朗金主动破坏面，十分接近p e c k 曲线，l i t w i n s z y n 用大量大小相同的球体模拟地层，并对这种介质的应力、应变状态不作任何假定。实验 结果表明，沉降槽的横向分布曲线形式与概率曲线相同。此后n e w e r 进行了二次加载的 板状模型试验，结果表明沉降曲线为s 型。t a k a o ，s h i m a d a 等人以标准砂为介质，分别 模拟以松填土和密填土两种不同情况，研究土体的覆盖状况与横向下沉之间的关系。试 验结果表明地面沉降断面形状近似于正态概率密度曲线。似乎可以得到这样的结论，伴 随着隧道开挖的地表下沉量是由四个因素控制：隧道的自身变形、地质条件、距隧道中 心距离及地层覆盖厚度。覆盖薄时，破裂面梯度变化大，曲线陡峭；覆盖厚时，破裂面 梯度变化小，曲线平缓。随着覆盖层厚度的增大，地面沉降量减小 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hi 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( 通常是l ：5 0 k2 0 0 ) 缩小后进行研究，小 4 1 绪论 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一倍的离心加速度( ，为模 型率1 ，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。 ( 3 ) 理论预测法 根据对隧道开挖周围岩土介质特征的分析，人们将数学理论以及力学知识引入隧道 盍苣工对周围土体影响的研究中，并得出了相应的结论，根据不同的研究角度，可以分为 三类分析方法。 1 ) 弹粘一塑性理论解析方法 随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果引入到隧道软土地层 变形研究中，考虑地基土层的变形特点，将地基土作为弹性、弹塑性、粘弹塑性体考虑， 分析隧道开挖引起的地层位移特点。陶履彬、侯学渊等用轴对称的平面应变弹性理论分 析了圆形隧道的应力场和位移场【1 3 1 ；日木的久保胜保将土体作为弹塑性和粘弹性材料， 反映了土体的非弹性性质，并考虑地层位移与时间的相关性研究了圆形隧道的非线性弹 塑性的理论解f 1 4 1 ；孙钧等利用粘弹塑性理论，对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹塑性分 析0 3 1 。l o g a n a t h a n 与p o u l o s 采用修正当量不摔水地层损失参数来符合不同边界条件下 的指数型地层损失1 1 5 1 。v e r r u i j t 与b o o k e r 提出了预测隧道引起地层变形的弹性解，p a r k 对此进行了修正并考虑了不同的隧道断面变形模式的影响【1 6 1 。这些成果对于正确认识隧 道旌工引起的地层变形特征具有重要的指导意义。 2 ) 随机介质理论 随机介质理论是波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 为研究采煤岩层与地表移动问 题所提出的，他基于砂箱模型实验研究，提出了五大公理，应用严密的数学方法，建立 了随机介质理论。随机介质理论自提出以来，经过我国学者刘宝琛等的发展，理论已逐 步完善，应用领域从最初的煤矿地下开采地表移动预计，发展到露天开采，金属矿地下 开采、近地表开挖，地层疏水及隧道开挖所引起的地表移动预计问题。该理论分析的对 象是一种被称为“随机介质”的介质，由于常见的城市隧道一般距离地表不深，大都处于 表土或风化岩层中，这些介质能被较好地视为随机介质。其研究成果已获得应用，初步 解决了地铁各种开挖方法地面各点位移( 垂直及水平) 和变形( 倾斜、曲率、水平应变) 的 计算方法，获得了全套计算公式，并编制了相应的程序1 7 1 - 埘。 3 ) 数值模拟方法 数值模拟方法具有能计入各种因素、描述材料物理非线性和几何非线性等能力和特 5 西安科技大学硕士学位论文 i i i i i i i j i 一 点，突破了经典弹塑性理论有关介质连续、均质、各向同性和小变形等假定的限制，使 得分析方法及其成果更贴近工程实际。运用现代化的计算手段和计算工具，将力学分析 引入地下工程施工领域，使之参与旌工方案比较、大断面洞室分步开挖与各相邻洞室先 后开挖和衬砌的顺序和时间的制定，以及支护、地表沉降等诸参数的优化等重大工程技 术问题的抉择，这是隧道施工力学发展的趋势之一 由于数值方法能够考虑复杂的边界条件，能够模拟复杂的岩土介质的特性，动态模 拟工程的实际建造过程，求解复杂的隧道结构问题，因此，随着地下工程的大量修建， 数值方法在地下工程中的运用也得到空前的发展，其应用前景非常广阔。在众多的数值 方法中，拟有限元法的应用更为普及和成熟。国内外科技工作者应用有限元法对隧道旄 工进行预测的文献和报道很多，对于隧道结构的复杂程度应用而言，已从一般断面的隧 道模拟，发展到对大跨度隧道以及小净距隧道、交叉隧道、连拱隧道的模拟；对于岩土 介质的复杂程度应用而言，已从对弹性介质的模拟，发展到对弹塑性介质、粘弹塑性介 质的模拟；就研究问题的应用领域而言，已从单一的应力场问题模拟，发展到对应力场、 渗流场乃至温度场等多场耦合问题的模拟；就解决问题的复杂程度而言，已从平面问题 的施工过程的模拟，发展到了对空间问题的动态施工模拟。 t i t o & m h i 硎a k “1 9 8 2 1 刚用边界元分析了弹性地基的浅埋隧道施工引起的三维地 表沉降，考虑了掘进速度、隧道开挖面位置的影响。 李桂花( 1 9 8 6 ) 1 2 l 】用弹塑性有限元法模拟施工间隙参数，求得地层沉降预估公式，利 用不同间隙参数可以模拟不同的沉陷因素的影响 曾小清( 1 9 9 5 ) 圈嘲应用时变力学弹塑性理论，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。 陈先国和王显军等人刚用a n s y s 程序，对近距离重叠隧道的不同断面布置、不同 开挖顺序和支护形式进行了二维和三维非线性分析。二维分析主要揭示了不同开挖顺序 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间变化规 律。 ( 4 ) 地表沉降的智能预测 由于岩土结构的复杂性以及隧道施工引起的地层沉降影响因素的不确定性和相关 性，难以用确定性的数学模型加以描述，经验公式的应用受到诸如土性特征，施工参数， 旌工工艺，施工质量，外部荷载，边界条件等众多不确定因素的限制。将模糊技术与神 经网络相结合所建立的模糊神经网络用于隧道地表沉降预测，可以克服影响地表沉降各 因素与变形量无确定表达式的缺点，通过许多简单的关系来实现复杂的、非线性、非确 定性的动力系统，无须知道变形与力学参数、施工参数之间的确切物理关系，从而可摒 弃传统上必须依赖的精确数学模型以及土的本构关系，以满足及时、准确地预测隧道地 表沉降的要求。专家系统、模糊理论和人工神经网络给我们提供了一个解决问题的新思 6 1 绪论 路。 同济大学( 1 9 9 0 瞄1 ) 在总结二十多年来研究成果的基础上，提出了把专家系统用于隧 道沉陷预估的设想，1 9 9 1 年将其应用于上海地铁一号线的施工监测，在应用中取得了较 为满意的结果。 李建华( 1 9 9 5 哳1 ) 采用模糊一随机理论预测盾构施工引起的地层移动，基于随机场理 论、随机有限元、模糊概率测度和数理统计方法，对软土隧道工程中的不确定性问题进 行了较深入的探讨。 李文秀( 1 9 9 1 m ) 根据岩土工程中大量观测资料的统计分析，利用模糊概率测度理论， 建立了具有普遍意义的岩( 土) 体移动模糊数学模型，并用于分析地下开挖引起的地表 移动。 y e h i - c h e n g ( 1 9 9 7 【2 嘲究了神经网络在盾构隧道自动土压平衡控制中的应用，研制 了盾构施工土压力平衡控制的神经网络软件系统，并在台北市一个隧道工程中加以应用 检验，取得了很好的效果。 j i n g s h e n gs h i ( 1 9 9 8 1 2 9 1 ) 等利用b p 网络对巴西利亚6 5 虹隧道的地表沉降进行了预测， 分析了该隧道施工的特点后，总结出礅主要的地层移动影响因素。 孙钧、袁金荣( 2 0 0 1 口采用了人工智能神经网络技术，考虑了盾构施工参数、盾 构物理参数、她质环境条件对地层移动的综合影响，对上海铁道2 号线盾构施工引起的 地表沉降进行了预测。研究结果表明，根据监测资料并利用神经网络对盾构隧道旖工过 程中的地层移动进行动态实时预测是行之有效的方法。 1 2 2 城市隧道施工对周围环境的影响 b r e t h & c h a m b o s s e ( 1 9 7 4 0 1 】) 和f r i s c l 珊肋n 等( 1 9 9 4 p 2 1 ) 分析了隧道在框架结构和砌体结 构建筑物下掘进时引起的地面沉降，发现实测的地面沉降槽宽度比不考虑建筑物刚度时 的预测结果宽得多，地面沉降则小得多。指出在预计隧道掘进对建筑物影响时必须考虑 建筑物刚度的贡献。 f o r t h & t h o r l e y ( 1 9 9 6 3 3 1 ) 观测了一座建在直径2 m 的挖孔桩基础上的3 1 层高楼当两条 直径9 7 m 隧道从旁掘进时引起的建筑物沉降，靠近隧道处的基础沉降达到1 2 m m ，认为 沉降的主要原因是地层发生指向隧道的竖向位移导致桩侧摩阻力减小。 v e r m e e r & b o n n i e r ( 1 9 9 1 ) 用有限元法分析了桩端位于隧道正上方或隧道轴线附近情 况下隧道开挖引起的桩基沉降，结果表明隧道开挖引起桩端阻力的减小，桩基会随下卧 土层一起下沉。 吴波( 2 0 0 2 0 4 1 ) 用二维有限元法研究了地下管线垂直于隧道方向情况下的地下管线的 沉降，但没有考虑地下管线的接头影响以及盾构掘进过程对地下管线的影响。 m o n o n 和k i n g ( 1 9 7 9 ) 通过试验研究了隧道旌工对桩基承载力和沉降的影响。他们发 7 西安科技大学硕士学位论文 现，隧道施工会对桩基产生严重的影响，并因此得出结论：隧道施工对软弱土层中的近 邻桩基和位于其上的桩基的影响可能是设计和旅工中要考虑的主要或控制因素。 h c r g a r d c n 等0 9 9 6 ) m j 通过离心模型试验研究了隧道施工对端承桩基的影响。在试验 中，测试了隧道处于三个不同位置的情况。量测了桩基沉降和地表沉降，也研究了对桩 基承载力的影响。当桩距离隧道的水平距离小于0 2 5 d ( 隧道直径) 时，桩将受到严重 的影响。在0 2 5 d 到l d 之间时，桩沉降随所施加体积损失的大小、桩与隧道的距离而变 化。当桩距离隧道的距离达到2 d 以上时，桩几乎不受影响。密砂层( 本试验的桩端持力 层) 由于体积损失而产生的压力解除是桩沉降和承载力降低的主要原因。 蝴( 2 0 0 3 ) p 6 | 用三维有限元垴y s 模拟了深圳地铁施工中距离立交桥桩基近距离 的情况下受隧道开挖影响的桩基侧移和内力。c h e r t ( 1 9 9 9 ) 利用平面问题位移传递法分析 隧道开挖引起的桩基力学性状，得到了桩的内力( 包括桩的负摩擦力) 、侧移和沉降。 l o g a n a t h a n ( 2 0 0 1 ) 在c h e l a 的基础研究了群桩的性状( 四根桩) ，分析还是局限于平面问题。 1 3 本文研究的主要内容 关于隧道施工引起地表沉降问题的研究已经取得了大量的研究成果，随着近几年浅 埋暗挖法在地下工程中越来越广泛的应用，对其引起地层变形方面的研究也越来越多。 但是由于它兴起时间还不是很长，所以经验在城市地铁工程中起着举足轻重的作用，其 理论和实践的结合还有待加强。在城市环境中，高层建筑、高架桥梁等密布云集，它们 好多都位于桩基或条基之上，而隧道施工几乎不可避免的会引起周围土体的变形，土体 的变形则会施加竖向和侧向力于桥基之上，对桩的变形和内力产生一定的影响。目前， 这方面的文献还相对较少，有必要进行深层次的研究。 基于此，本文以北京莫地铁开挖穿越立交桥为工程背景，用有限差分软件f l a c 3 d 对地铁隧道施工过程进行了详细的数值模拟，研究了地铁浅埋暗挖施工对地层变形的影 响及地铁施工时对桥基的影响。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍了地铁隧道浅埋暗挖法施工的原理及该施工方法在地表变形控制方面的 优势； ( 2 ) 按施工设计采用三维有限差分方法对桥基下地铁隧道施工引起的地层变形进 行了模拟分析，研究了不同施工阶段下的地层沉降规律，根据数值计算结果建议了相应 的处理方案； ( 3 ) 采用p e e k 公式预测了地表横向沉降槽的变化规律，得出了公式中的两个重要 参数即隧道单位长度上的地层损失和沉降槽宽度系数的值； ( 4 ) 按施工设计采用三维有限差分方法预测了地铁隧道开挖对桥基变形的影响， 分析了施工设计的可行性。 s 2 地铁隧道浅埋暗挖法施工 2 地铁隧道浅埋暗挖法施工 2 1 浅埋暗挖法的产生背景 2 0 世纪6 0 年代新奥法理论提出以来，最早用于奥地利阿尔卑斯山深层硬岩隧道，采 用柔性支护旨在充分利用“拱效应寸地层的自承能力。到了6 0 年代中期就把新奥法用于 德国的波鸿、法兰克福、慕尼黑、纽伦堡等城市地铁软岩( 土) 隧道。这些地层大都为 泥灰岩、粘土、粉砂、砂砾石，隧道直径一般为8 1 3 m ，顶部覆盖层厚约3 m ，对地表 沉陷有严格限制。事实上，硬岩隧道与软岩( 土) 隧道的新奥法有区别：在软岩( 土) 地层中隧道在近地表的情况下，地层薄，它不可能承受应力重分布的荷载，覆盖土的重 力作用较大，如果仍用柔性支护，显然不合适，这个观点今天仍在地铁浅埋暗挖中起作 用。在软岩( 土) 地层中还需指出，隧道的变形会很快反映到地表沉降，开挖和支护必 须在短时间内完成，初期支护必须快闭合。软岩( 土) 中衬砌了的隧道是以“管”的形 式工作的，这是与新奥法的理论相吻合的，地铁浅埋暗挖实践证明这一点很关键，如若 有地下水或特殊情况，仰拱不能及时封闭，地表沉降将难控制。 2 0 世纪8 0 年代初，德国慕尼黑工业大学艾培尔教授来华讲学，针对当时拟建的北京 站至北京西客站的地下直径线( 6 h 的工程的施工方法时说：“根据我所了解的北京地区 地质特征和慕尼黑地铁采用新奥法的经验，认为采用新奥法修建北京的地下工程，应该 是没有问题的” 在此之后，德国格拉兹尔教授谈到在岩石条件下和土质条件下采用新奥法修建地下 工程的差别时指出：。开挖具有相当地应力的岩石隧道，锚喷支护应采用柔性支护，以 便有控制地释放部分地应力，使围岩在新的条件下达到稳定。而在不稳定的土层条件下 开挖隧道，锚喷支护应具有足够的刚度，即采用刚性支护防止地层产生过大扰动，地表 沉降过大，影响地面建筑物和地下管线的安全”这指出了岩石条件和土质条件新奥法 应用的一个大的区别，也是浅埋暗挖法区别于新奥法的一个明显标志。 2 0 世纪8 0 年代，我国在黄土地层中的几座单线、双线铁路隧道，试验采用锚喷支护， 取得了一些经验。这些工程的试验成功，为北京地铁首先应用喷锚支护及其它辅助工法 创造了条件，进而形成为具有特色的浅埋暗挖法。 到了2 0 世纪八十年代中期，由于北京第一、二期地铁用敞开明挖法建成苹果园至北 京站一段线路( 2 3 6 0 k i n ) 以后，相当长一段时间内未能成环运行，影响地铁运输效能的发 挥，为了解决苹果园站到复兴门站的折返问题，同时为环线的成环运行创造条件，必须 修建复兴门站向东的折返线。如果继续采用敞开明挖的方法修建，势必要在复兴门内大 街长达4 0 0 m 的范围内破坏路面，最后恢复路面，而且拆迁费用很大。在市中心地区采用 9 西安科技大学硕士学位论文 这种施工方法对交通的干扰、对市容的破坏、对居民正常生活的影响是可想而知的。 如果能找到一种暗挖方法，这些问题便可解决。但是地质条件和水文条件不容乐观， 北京位于华北平原北端的北京平原，其主体是由许多河流的洪积、冲积扇形地和冲积平 原联合形成的。北京城区就位于永定河洪积、冲积扇形地的脊背上，地表层为第四纪洪 冲积物，主要是砂砾石土、砂粉土及粘性土交相层状分布，构造较规律，潜水位埋深不 ，据对复兴门至八王坟地段的勘测，复兴门附近为2 3 m ，天安门地区约2 4 m ，八王坟 约6 m 。根据已建成一、二期工程隧道与车站埋深情况，在建和今后新建地铁区间及车站 均在第四纪洪冲积层中修建，其自稳能力较差。在这种背景和条件下，专家们进行论证， 最终决定采用以新奥法原理指导下的暗挖法施工。 1 9 8 6 年8 月1 5 日至1 9 8 7 年1 2 月2 4 日铁道部隧道工程局在北京地铁亚粘土、粉砂及砂 砾土地层中采用暗挖法建成复兴门折返线工程，隧道埋深为1 6 l s m ，属浅埋，该项目 全长3 5 8 m ，地上车水马龙，地下管网密布。在该项具有创新意义的工程实践中总结出包 括十八字诀( 管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测) 在内的基本经验， 由于其采用刚度较大的初期支护，区别于传统意义的新奥法，故命名为。浅埋暗挖法”。 此后十余年地铁建设实践证明，北京的工程地质和水文地质条件，比较适合应用浅埋暗 挖法进行施工。从起初应用浅埋暗挖法的背景来看，同时也证明工程实践及社会发展的 需要是技术进步的源泉及动力。浅埋暗挖法的应用拓展和丰富了新奥法理论在我国地下 工程领域的应用深度和广度，其从诞生之始，就适应了工程实践需要，将继续应实践所 需，不断发展及提高。， 2 2 浅埋暗挖法的施工原理 通常在地面条件允许的情况下，地铁区间隧道宜采用明挖法，但对社会环境影响很 大，仅适合在无人、无交通、管线较少之地应用。随着我国工程建设法规、法制的完善、 对大型工程建设项目综合效益的要求和环境保护意识的提高，在城市地下铁道的建设 中，因埋深条件、周边环境条件等因素的限制，在建筑物密集的繁华市区和特殊地质地 形区段普遍要求采用暗挖法施工。浅埋暗挖法是一种适合不同断面、造价偏低、灵活多 变的施工方法，是今后应推广的旋工方法。 ( 1 ) 浅埋暗挖法的基本原理 新奥法的理论是建立在岩石的刚性压缩特性和岩石的三向压缩应力，应变特性以及 莫尔学说基础上的，并考虑到隧道掘进时的空间效应和时间效应提出的新理论。新奥法 的基本原理是：在旌工的全过程中保护围岩，调动和发挥围岩的自稳、自承能力，确保 旄工顺利进行，在工程竣工后，依靠围岩的固结和自承力，确保不塌不陷。这一理论集 中在支护结构种类、支护结构构筑时机，岩压、围岩变位这四者的关系上，贯穿在不断 变更的设计施工过程中。浅埋暗挖法理论源于新奥法，但是针对城市浅埋地下工程的覆 2 地铁隧道浅埋暗挖法施工 土薄、地质条件差、围岩自稳能力差、承载力小、变形大等特点，强调对围岩进行预加 固，对开挖的隧道及时支护等旖工理念，来控制地面沉降，保证施工和地面地下建筑物 的安全。浅埋暗挖法机械化程度低，主要靠人工施工，机动灵活，对工程的适应性强， 可做成各种结构型式，在地质情况较差的情况下要采取辅助施工措施。 ( 2 ) 浅埋暗挖法施工的“十八字方针” 浅埋暗挖法施工的基本原则可用“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤 量测”这十八个字来概括，称为。十八字方针”，是浅埋暗挖法的精髓部分，十八字方 针的具体内容如下： 1 ) 管超前指采用超前导管注浆支护，实际上就是采用超前支护的各种措施，提 高掌子面的稳定性，防止围岩松弛和坍塌； 2 ) 严注浆一在导管超前支护后，立即进行压注水泥砂浆或其它化学浆液，填充围 岩空隙，使隧道周围形成一个具有一定强度的壳体，以增强围岩的自稳能力； 3 ) 短开挖一1 次注浆，多次开挖，即限制1 次开挖进尺的长度，减小对围岩的扰动， 从而增加围岩的自稳性； 4 ) 强支护在浅埋的松软地层中施工，初期支护必须十分牢固，具有较大的刚度， 以控制开挖初期的围岩的变形； 5 ) 快封闭在台阶法施工中，如上台阶过长时，围岩变形增加较快，为及时控制 围岩的变形，必须采用临时仰拱封闭措旖，即要实行开挖1 环( _ 次进尺) ，封闭1 环，提 高初期支护的承载能力； 6 ) 勤量测一对隧道施工过程进行经常性的量测，掌握施工动态，及时反馈，以便 采取相应的措施，如增加初期支护的刚度等，来保证施工的安全。 ( 3 ) 浅埋暗挖法的支护原则 由于采用浅埋暗挖法修建隧道的围岩多处在松软第四纪地层中，所以围岩自身承载 能力很差，为避免对地表建筑物和地中构筑物造成破坏，地表沉降量要严格控制，为此 要求一次支护刚度要大、支护要及时，围岩和支护的刚度曲线见图2 1 所示。从图中可以 看出，交点c ( 稳定点) 应尽量靠近a 点工作，尽量避免较大的地层损失。 午 图2 1 围岩特征曲线与支护曲线刚度示意图 西安科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 浅埋暗挖法施工流程 图2 2 浅埋暗挖法施工工艺流程 浅埋暗挖法整个工艺流程应从地质调查开始，包括设计、施工、监测反馈等过程， 与新奥法的总原则相似，不过浅埋暗挖法更强调地层的预支护和预加固。因为浅埋地下 隧道在城区旌工较多，对地表沉降的控制要求比较严格。与一般深埋隧道新奥法施工不 同之处是浅埋暗挖法支护衬砌的结构刚度比较大，初期支护允许变形量比较小。这样对 保护周围地层的白承作用和减少对地层的扰动是必须的。其施工流程图如2 2 所示 2 3 浅埋暗挖法的基本施工方法 为了有效地控制围岩松弛及由此引起的地表下沉( 沉陷) ，浅埋暗挖法的基本施工方 法有台阶法、c d 法、c r d 法和眼镜法。四种基本施工方法的示意图见图2 3 所示，其旋 工方法安全性、施工难度、技术难度、预测地表沉降、施工速度、工程造价和适用范围 的比较情况见表2 1 所示。表2 1 中各项可作为选择施工方法时的参考，但在实际工程要 根据地质条件、隧道断面形式和构成以及周围环境条件的限制等，选择合适的施工方法 2 地铁隧道浅埋暗挖法施工 台阶法 眼镜法 图2 3 四种基本施工方法示意图 2 4 浅埋暗挖法的适用条件 尽管浅埋暗挖法对地