（岩土工程专业论文）多跨浅埋暗挖隧道地面沉降控制技术研究.pdf

摘要 浅埋暗挖法由于其施工方法简单，适应性强而得到广泛应用。但 是浅埋地下结构的开挖不可避免地要引起地面沉降，并且在不同条件 下变形量表现出较大的差异，因此研究合理的预加固措施和施工工法 控制地面沉降是十分必要的。本文选取一典型的多跨浅埋暗挖隧道为 研究对象，通过理论推导和数值分析，研究了预加固措施对控制地面 沉降的作用机理，并确定了多跨浅埋暗挖隧道的合理施工顺序。主要 研究工作如下： i 、总结分析隧道开挖引起地面沉降的作用机理，基于比奥( b o it ) 固结理论，重点推导了隧道开挖固结排水引起地面沉降的作用机理； 2 、分析了运用大管棚加固地层的作用机理，提出了隧道拱都形成 “棚”和“架”的条件，根据棚架体系观点，指出管棚主要起加固围 岩并扩散围岩压力的作用，同时减少了开挖释放应力； 3 、应用m o h r - c o u l o m b 屈服准则，推导了注浆后岩土体的屈服参 数，进而得到了注浆加固地层控制地面沉降的作用机理； 4 、分析了土拱原理，并利用土拱原理确定隧道分步开挖的合理开 挖宽度； 5 、根据地下结构开挖施工的特点，应用有限元程序的“生”“死” 单元模拟了隧道开挖施工对地表变形影响的全过程，并对各施工方案 进行了比较和论证，得到了适合平顶多跨浅埋暗挖隧道的合理施工方 法，并为类似工程施工方案、施工方法、注浆加固范围的选择提供了 依据。 关键字：浅埋暗挖管棚土拱效应注浆地面沉降数值分析 s h a l l o w - b u r i e de x c a v a t i o nl a wo b t a i n s w i d e s p r e a da p p l i c a t i o n b e c a u s eo fi t ss i m p l ej o b p r a c t i c ea n ds t r o n gc o m p a t i b l e a n dc o n s t r u c t i o n t u n n e la ts h a l l o wd e p t hd a m a g e ss t r a t u m ，s t r a t u ms t r e s si sf r e e da n d c o r r e s p o n d i n gd e f o r m a t i o ni sg e n e r a t e d f o rd e f o r m a t i o nt h e r ei sb i g g i s h d i f f e r e n c ed u et od i f f e r e n c eo fs t r a t u mc o n d i t i o n s n l e r e f o r es t u d i e so ft h e r e a s o n a b l ep r e r e i n f o r c e m e n tm e a s u r ea n dt h ec o n s t r u c t i o nl a b o rl a w c o n t r o l st h es u r f a c es u b s i d e n c ei s e x t r e m e l ye s s e n t i a l f o rt h et y p i c a l m u l t i s p a ns h a l l o wb u r i e dt u n n e l 。t h em e c h a n i s mo ft h et h ep r e r e i n f o r c e d m e a s u r et oc o n t r o l et h eg r o u n ds e t t l e m e n tw a ss t u d i e da n dt h er e a s o n a b l e w o r k i n go p e r a t i o nw a sd e v e l o p e db yt h er e l a t i o nd e r i v a t i o na n dt h e n u m e r i c a l a n a l y s i si nt h i sp a d e r t h em a i nr e s e a r c hw o r ki s 鹊f o l l o w s ： 1 、t h es u r f a c es u b s i d e n c em e c h a n i s mc a u s e db ve x c a v a t i n ga n d d r a i n i n gw a ss u m m a r i e da n da n a l y s i s e db a s e do nb i o tc o n s o l i d a t i o n t h e o r y 2 、1 1 l ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fp i p er o o fw a sa n a l y z e da n dt h e r e q u i r e m e n t sf o r s h e d a n d f i a l n e ”t od e v e l o p e do nt h et u n n e la r c hw a s p u tf o r w a r d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fs h e da n df r a m e ，i ti sp o i n t e do u t t h a tr o o fc a nc o n s o l i d a t et h eg r o u n da n dd i s p e r s et h eg r o u n ds t r e s sa n d r e d u c et h ee x c a v a t i o ns t r e s s 3 、n l ey i e l df u n c t i o n sw e r ed e d u c e du n d e rt h ep a s s i v ee a r t hp r e s s u r e c o n d i t i o n sb a s e do nm o h r - c o u l o m bf a i l u r ec r i t e r i a 4 、t h er e a s o n a b l yw i d t ho ft u n n e l e x c a v a t i n gs t e pb ys t e p i s d e t e r m i n e db yt h es o i la r c he f f e c t 5 、a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h et u n n e le x c a v a t i o n , t i l i sa r t i c l e s i m u l a t e si n f l u e n c ec a u s e db yt u n n e le x c a v a t i o no ng r o u n ds u r f a c e d e f o r m a t i o nt h r o u g h b i r t h a n d “d e a t h m e t h o do ff i n i t ee l e m e n t m e a n w h i l et h es t u d yp r o v i d e sg i s tf o rc o n s t r u c t i o np r o c e d u r ea n d g r o u t i n g b o u n do fs i m i l a rp r o i e c t k e y w o r d s ：s h a l l o w - b u r i e de x c a v a t i o n ，s h e d - p i p e ，s o i la r c h i n g e f f e c t ，g r o u t i n g ，g r o u n ds e t t l e m e n t , n u m e r i c a lm o d e l i n g 原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特n j u 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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：蓥盎丝日期；主竺! 年旦月三日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：凳壶些导师签名主型j 日期：趔年生月卫日 硕士学位论文第一章绪论 1 1 立题的背景、意义及特点 第一章绪论 2 0 世纪7 0 年代初，国外开始新奥法应用于浅埋地层的研究，到7 0 年代末8 0 年代初已基本形成了一套完整的技术。但是，由于国外劳力少、工资高，所以并 未广泛应用于城市地铁、市政工程设计与施工。日本的城市地铁大多修建在浅埋 软弱地层中，主要采用明挖法和盾构法施工，1 9 7 6 年开始逐渐把山岭隧道施工中 应用的新奥法技术移植到城市地铁建设中来。现在日本在学习我国小导管技术的 基础上，将大管棚改成小导管，应用新奥法修建的城市地下工程越来越多，如大 贯、第一原、旭丘等城市隧道。德国是当今地下工程应用新奥法技术最多的国家， 他们不仅在地铁区间隧道建设中应用，而且在多层多线路大断面地铁站中广泛应 用，如慕尼黑、法兰克福、波鸿等地铁车站，其施工技术已发展到了较高水平。 我国在7 0 年代末8 0 年代初开始将新奥法原理应用于地下工程施工，8 0 年代 中期开始系统研究新奥法在浅埋软弱地层中的应用。1 9 8 4 年，在大秦线军都山铁 路隧道进口黄土段研究试验浅埋暗挖法并获成功，之后又成功应用于北京地铁复 兴门车站折返线工程，并在北京地铁复一西区间、西单车站、原国家计委地下停 车场、城市地下热力与电力管道、长安街地下过街通道，以及深圳她下过街通道 等地下工程中推广应用，并已形成了一套完整的综合配套技术【j 】。 随着国内城市化进程的加快，城市( 特别是大城市) 的土地资源日渐紧缺， 地面公共交通系统日渐不堪重负。为了解决城市公共交通问题，提高土地的利用 率，我国的上海、北京、广州、深圳等地的地铁建设正处在方兴未艾的初始阶段。 伴随着地下交通系统的完善，一些大城市在繁华地段下修建大型的地下停车场、 地下商场、地下行车道工程也日渐增多。这些地下工程通常具有跨度大、埋深浅、 环境保护严格、安全等级高、对地面沉降控制要求严格等特点，且这些地下结构 通常位于城市的繁华交通干线上，不适合明挖法施工。根据这些特点，浅埋暗挖 技术应运而生。地下工程浅埋暗挖技术是我国借鉴外国成功经验，我国山岭隧道 硬岩新奥法施工经验的基础上，结合中国国情和地质与水文地质情况，由王梦恕 院士主持创造的小导管超前支护开挖隧道技术的简称。由于该方法对地质条件具 有较好的适应性，已成为城市地铁等地下工程施工的重要技术手段，在我国得到 了广泛的应用j 。 浅埋暗挖法虽然是近十多年发展起来的一种新方法，但该方法已经在城市地 铁、市政地下管网及地下空间等浅埋地下结构物的工程设计与施工中广泛应用。 硕士学位论文第一章绪论 该方法多应用于第四纪软弱地层，开挖方法有正台阶法、单侧壁导坑、中隔墙法 ( 也称c d 法和c r d 法) ，双侧壁导洞法( 眼睛工法) 等，该方法具有灵活多变， 对地面建筑、道路和地下管网影响不大，拆迁占地少，不扰民，不污染城市环境 等优点，是目前适合我国国情较先进的施工方法。 浅埋暗挖法应用于城市地铁、地下商业街工程时，由于所处地段通常周围建 筑物密布、地下管线错综复杂，且地下结构通常处在交通繁忙道路和地下管线的 正下方。众所周知，地下工程施工不可避免地对岩土体产生扰动，引起的地层变 形可能影响地面建筑物和既有地下管线的正常使用，因此施工风险较大，尤其是 对地面沉降变形的控制相当严格。这是因为由于地面沉降引发的严重工程事故在 地下工程的建设中屡见不鲜，例如，深圳地铁一期工程某些暗挖标段出现了严重 的地表下沉，最大下沉量达5 0 0 m m 以上，造成地面道路显著下沉和建筑物的严 重损坏，个别地段甚至威胁到地面交通和住宅建筑的安全。深圳地铁一期工程暗 挖段地层变形量之大，使施工一度陷入非常被动的局面，同时也给工期造成严重 的影响 2 1 。 正因为如此，各国对于地面沉降的控制都制定了较严格的控制标准。我国北 京等地的实践证明，将地表下沉量控制在3 0 r a m 以内可保证地面建筑物和道路的 安全使用。事实上，世界各国普遍是将3 0 5 0m m 作为地表沉降控制的标准。针 对不同地层，采取相应措施，控制地表沉降不超过3 0m l t l 是完全可能的，己为众 多地下工程的实践所证实。根据目前的施工水平及研究成果，在工程中通常采用 注浆加固土体、打设超前锚杆、打设超前小导管及大管棚等预加固措施，并选择 合理的施工工法，将地面沉降控制在一个可以承受的范围。 浅埋暗挖法施工的地面沉降控制技术是一个复杂的系统工程。这是由如下几 方面的原因造成的：( 1 ) 地下工程所处的岩土地质环境非常复杂，影响因素非常 多；( 2 ) 地下工程施工时引起的地面沉降具有时空效应，是一个连续渐变的过程： ( 3 ) 地面沉降是一个三维全方位的沉降过程，不但有横向沉降，还有纵向沉降， 作用机理非常复杂。 国内外学者对地铁隧道、过街道等普通跨度浅埋暗挖结构施工时引起的地面 沉降机理、预测等方面开展了大量的研究工作。目前软弱地层的变形沉降预测通 常有三种方法可供使用，( 1 ) 解析分析方法；( 2 ) 经验分析方法；( 3 ) 数值分析 方法。这三种方法各有其限制的适用条件，解析分析方法通常利用弹塑性力学理 论针对具有规则形状的地下结构物( 通常圆形隧道居多) 进行理论推导，得出隧 道沉降的理论解：经验分析方法只适用于特定地区的特定地质的条件，并且需要 采集大量的实际的观测资料进行分析总结归纳；而数值分析方法的难点在于针对 不同的围岩种类、设计及施工方法，很难得出一个通用的结论纠。 2 硕士学位论文第一章绪论 基于上述原因，隧道施工引起的地层移动与变形，尤其是在地面建筑设施和 地下管线密集的城市中旋工所造成的影响及其控制途径，一直是人们十分关心的 课题【4 6 1 ，为有效预防和减少隧道旋工所引起的地表沉降和变形及其对周围环境 所造成的损害，有必要对地层变形规律进行正确的分析并由此作出可靠的预计， 进而提出有效的措施，实现对地层变形的有效控制就显得非常必要和迫切。这对 逐渐进入高潮的我国城市地铁建设工作和城市地下空间的开发具有重要的现实意 义和指导作用l j j 。 本文就是基于上述背景下开展研究工作的。 1 2 本文主要研究内容 对于盾构及普通的小断面浅埋暗挖隧道旌工所引起的地面沉降，国内外学者 已经做了大量的科研工作，并取得了很多有意义的研究成果。文嘲 9 1 采用三维有 限元模型研究加固措施对隧道变形及地面沉降的影响，文【9 q 4 1 分析了浅埋暗挖隧 道中各种加固措施对控制地面沉降的效果。但这些文章仅局限于小跨度拱形断面 的研究，而对于大跨度浅埋平顶隧道的研究目前开展的并不多。 随着城市规模的不断扩大，为了进一步扩展城市空间，在繁华的城市道路地 段修建地下商业街已屡见不鲜，由于受到使用功能和场地的限制，在这种场地下 修建的地下结构通常具有跨度非常大、埋深浅、对地面沉降控锘4 要求非常严格的 特点。因此修建此种地下结构时如何很好地控制地面沉降，是一个有待于研究的 领域。本文以深圳即将兴建的某大型地下商业街为研究对象，该结构为单层平顶 多跨结构，与类似工程比较，该工程具有如下一些特殊特点；( 1 ) 跨度大，开挖 宽度达到2 2 9 m ，由于跨度较大，开挖时地层受到多次反复扰动，给地面沉降的 控制带来了新的难题；( 2 ) 受结构埋深及造价的影响，结构不设拱，为平顶结构， 对受力及地面沉降的控制及其不利；( 3 ) 结构受力的转换次数较多；( 4 ) 地处繁 华的城市中心区，对地面的沉降控制要求非常严格。 。 本文在分析了各种辅助措施对控制浅埋暗挖隧道沉降的作用机理的基础上， 确定了大跨度浅埋平顶隧道的导洞合理开挖宽度和施工工法，并利用大型通用有 限元软件m i d a s 模拟了隧道的动态施工过程，通过分析计算结果总结出了隧道 的地面沉降规律，并对影响多跨浅埋暗挖隧道地面沉降的因素进行了较详细的分 析比较。通过对比分析预加固措施的控制地面沉降效果，提出了多跨浅埋暗挖隧 道地面沉降控制技术的要点。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 综合分析了浅埋暗挖隧道施工时产生地面沉降的主要因素。 3 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 分析了大管棚、注浆加固土体及小导管等超前加固技术的作用机理及控 制地面沉降的效果。 ( 3 ) 分析了土拱原理的作用机理，并利用土拱原理确定了合理的导洞开挖宽 度。 ( 4 ) 分析了采用小导管注浆技术对土体进行注浆加固对土体c 、缈值的影响。 ( 5 ) 采用数值分析方法模拟了隧道开挖的动态过程，比较了采用预加固措施 前后对地面沉降的影响程度，得出了地面横向沉降的变形规律，为具体施工过程 中的地面沉降控制提供了可靠的理论依据。 ( 6 ) 采用比奥固结理论分析了开挖后渗水固结对地面沉降的影响，提出了合 理控制地面沉降的方法。 ( 7 ) 总结提出了多跨浅埋暗挖隧道施工地面沉降控制技术的要领。 1 3 本论文的安排思路如下图所示t 4 硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 城市地下工程中地层变形的发生主要是由于施工扰动引起的地层损失和施工 过程中隧道周围受扰动或者受剪切破坏的重塑土的再固结所造成。一方面，隧道 周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，引起地表沉降。所谓地层损失，是 指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工隧道体积之差，隧道竣工体积还包括 隧道周边包裹的压入体积。另一方面，在含水地层中进行隧道施工，可能引起周 围土体内部空隙水压力的变化，使地层发生排水固结引起地表沉降，而且土体的 蠕变也可能导致地表发生一定的沉降。因此，无论采取何种隧道施工方法都不可 避免地引起或多或少的地层变形 1 5 1 6 】。既然地层变形是不可避免的，如何有效地 控制地层沉降才是我们所关心的问题。 本文主要是针对上述问题进行系统的动态分析，为了达到上述目的，需要对 前人的有关研究成果进行系统的总结。 2 1 浅埋暗挖隧道工程地面沉降研究现状及我国的研究成就 人类对工程开挖引起的地表移动与变形模型的研究是从地下矿山、尤其是从 自重应力型地下煤矿开始的。作为地下工程开挖的附加效应，开采沉陷的研究已 有较长的历史，在各种开采现象的研究中，地下煤炭开采所引起的地表沉陷的研 究较多。早在1 5 世纪，比利时曾公布一项法令：在列日城下开采时，开采深度不 得小于1 0 0 米。1 8 2 5 年、1 8 3 9 年比利时组成专门委员会对列日城受采矿影响而引 起的破坏进行调查，形成了最初的开采影响传播“垂线理论”假设：1 8 5 8 ，以观 测资料为基础，c o n o t 提出了“法线理论”，认为采空区上、下边界开采影响范围 可用相应点的层面法线确定；1 8 8 5 年，法国人约尔利用模型研究，提出了开采沉 陷的“拱形理论”，1 8 8 5 1 8 9 7 ，豪斯建立了采空区上方有三带分布的沉陷模式， 即在采空区上方首先形成梯形的冒落带和裂隙带，高度为采厚的3 0 5 0 倍，冒裂 带上方为纯粹的弯曲带【ln 。 1 9 世纪末，欧洲工业大发展后对有用矿产的需求大幅度增加，促使沉陷理论 研究逐步深入，在研究各种沉陷分布与各类角度的同时，也开始了地表下沉与变 形规律的研究。二次世界大战后，人们着重从连续介质理论和非连续介质理论来 研究开采沉陷问题。如目前广泛使用的弹性、塑性有限元、边界法和离散元法等 都是建立在连续介质理论的基础上；而非连续介质力学中最有成效的是随机介质 理论。 5 硕士学位论文第二章文献综述 在软弱岩土层下修建隧道解决交通和地下管线问题在国外已经有较长的历 史，这是因为在人口密集的城市，浅埋暗挖隧道是一个较好的解决方案。因此国 外开展地面沉降的研究也比国内来得早。一般认为地面沉降的规律通常和三个因 素相关：地面沉降曲线、沉降量和地面沉降坡度。最早进行这方面研究的是墨西 哥学者p e c k ，他根据大量的实测资料，进行数理统计分析后，提出了p e e k 沉降 曲线公式。上海同济大学和上海市政府有关部门的学者根据多年来盾构法施工实 践资料，对p e c k 公式进行了研究分析，分别提出了考虑土体扰动后固结沉降和地 层损失概念的修正p e c k 公式。美国学者c o r d i n g 等人根据莫尔一库仑理论并经过 简化假定，推导了沉陷槽的宽度和地面沉降曲线变曲点之问的关系。 v e r r u i j t 和b o o k e r 提出了一个半经验半理论公式，该公式和实际结果具有较 好的吻合性。但是显然经验公式有一些明显的缺点：( 1 ) 它们只是从有限的观测 资料中得出的结论；( 2 ) 得到的公式仅仅适用于采用某些方法施工的隧道；( 3 ) 只考虑了极少数地层土体物理参数；( 4 ) 没有考虑到具体的施工方法；( 5 ) 不能 给出完整的有支护隧道的地层变形f l s 。虽然一些经验公式已经得到了广泛应用， 但是对于大多数工程来说，基于这种方法对地层沉降进行预测显然是不够的，由 于设计的需要，迫切需要一种新的预测方法。随着计算机技术的飞速发展，后来 相继出现了解析分析方法和数值分析方法。 相对于经验分析方法，解析法出现得比较晚，是近十年来新发展起来的一种 新技术。国外学者使用各种复杂的方法寻求隧道开挖引起的地面沉降的解析解， 最早进行这方面探索的是v e r r u i j t 。v e r r u i j t ( 1 9 7 6 ) 在假设地表沉降符合正态分布的 经验公式前提下，考虑隧道的两种不同变形方式，提出了弹性土体中隧道开挖的 位移和应力场的解析解：k o o i ( 2 0 0 0 ) 提出考虑两个平行的圆形隧道开挖时相互影 响的应力场和地表位移的解析解【1 9 “。b o b e t ( 2 0 0 1 年) 和p a r k ( 2 0 0 4 年) 应用极坐 标的应力函数，s a g a s e t a ( 1 9 5 7 年) 、v e r r u i j t & b o o k c r ( 1 9 9 6 年) 应用虚象技术分别也 求出了地面沉降的解析解。这方面的研究大概可以分为两种情况：第一种情况是 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 年) 、v e r r u i j t & b o o k e r ( 1 9 9 6 年) 、b o b e t ( 2 0 0 1 年) 假设位于弹性半无 限体中的圆形隧道四周产生均匀位移的情况下，从而求出地面沉降的解析解法。 第二种情况是l o g a n a t h a n & p o u l o s ( 1 9 9 8 年) 、p a r k ( 2 0 0 4 年) 假设位于弹性半无限 体中的圆形隧道产生四周不均匀位移下沉的情况下，求出地面沉降的解析解法 例。 国内在解析解方面研究得比较多的是将随机介质理论应用于地下工程开挖的 沉降预测。随机介质理论是波兰学者李特威尼申( l i t w i n i s z y n ) 于2 0 世纪5 0 年代 提出的，经过国内学者李宝琛等的进一步发展和完善，该理论被认为是准确预计 地下开采引起的地表沉降的有效方法之一。该理论将岩土体视为一种“随机介质”， 6 硕士学位论文 第二章文献综述 将顶进岩土体引起的地表下沉视为一随机过程，随机介质理论己在煤矿开采引起 的地表移动预测中获得了广泛应用，并发展应用到近地表顶进等岩土工程中田 2 3 1 。 由于隧道开挖问题的复杂性，很难得到复杂情况下的解析解，随着计算机技 术的发展，有限元数值分析方法被应用于隧道开挖分析，初始阶段通常将隧道简 化为二维平面有限元问题进行分析。l e e ( 1 9 8 9 ) 采用二维平面应变有限单元法， 分析了参数选取对隧道开挖计算结果的影响，得出各项异性参数对开挖计算结果 的影响规律。吉小明等( 2 0 0 2 ) 采用二维平面有限元对浅埋暗挖地铁隧道开挖过程 进行了模拟研究，研究了不同开挖方式对地表沉降的影响。隧道开挖施工过程其 实是一个三维的开挖过程，采用平面有限元分析无法模拟空间效应。因此m r o u e h 但0 0 3 ) 通过建立三维仿真模型模拟计算了软土隧道和上部结构的相互影响问题。 李德才等( 2 0 0 0 ) 也采用三维有限元对广州地铁二号线的施工过程进行分析，对地 层沉降和水平位移进行模拟计算。前人的研究结果表明，采用有限元方法是研究 复杂隧道开挖问题的有效方法。该方法能够很好模拟隧道的时空效应，对于施工 过程的动态模拟也是非常有效的，因此得到了广泛应用。在研究盾构法开挖隧道 导致地层位移的规律时，数值模拟占据了重要地位。另外，通过详尽的数值分析， 总结出一套实用的预测经验公式，是地面沉陷预测技术的另一重要途径，该领域 的研究以日本为典型代表。 在国外，i t o ( 1 9 9 7 ) 、n i w aa n df u k i ( 1 9 7 9 ) 、i t oa n dh i s t a k e ( 1 9 7 9 ) 、 g h a b o s f i ( 1 9 7 8 ) 等用有限元法分析了盾构周围地层土的动态特征。r e s e n d i za n d r o m o ( 1 9 8 1 ) 在两个独立的二维分析中，考虑了工作面前方土层位移和土层位移至 尾部孔隙的影响，在两种情况下都假定是平面应变，而且采用双曲线模型加以描 述，此外，他们假定土层中初始应力和剪切强度随埋深而发生线形变化，对若干 几何的和力学的参数进行了研究，并将分析结果表达成一个简单的无量纲关系式。 r o w ea n dl e e 在桑德贝输水隧道工程中，采用三维弹塑性有限元分析法来计 算开挖引起的地层位移，该分析法可以模拟隧道盾构的推进和因隧道施工引起的 土体损失。 e u s e n s t e i n 等( 1 9 9 2 ) 认为，超固结粘土中浅埋隧道无衬砌隧道的长期稳定与土 体自稳时间直接相关。为了克服现行隧道设计中的局限性，他们将有限元分析法 与局限平衡理论相结合，对初始应力场、隧道开挖引起的荷载、土体强度和模量 与深度的关系、孔隙水压力及其变化对开挖面的影响等进行了研究。 2 2 影响浅埋暗挖隧道工程地面沉降的主要因素 7 硕士学位论文第二章文献综述 地下洞室施工开挖过程中，由于围岩可能被扰动、破坏、失稳变形以及地下 水流失，从而导致洞室地面变形。事实上引起地层沉降变形的原因较多，也很复 杂，且实际工程中具体考虑的主要因素也各不相同 2 4 1 。在总结前人研究成果的基 础上，可以认为影响浅埋暗挖隧道施工中产生地层沉降的主要因素有以下几点： 1 地层土体特征 隧道开挖后上覆土层形成自然拱的最小土层厚度与土体本身力学特征密切相 关。隧道开挖后能否形成自然拱不仅对隧道支护结构影响大，对地层和地表的变 形沉降影响也大。能形成自然拱对地表沉降量的影响就小一些，反之大一些。同 时土体特征也会随条件的改变而改变，特征改变后对地表沉降量的影响也随之改 变。属于浅埋或超浅埋的隧道多处于第四纪松软地层中，所以必须了解各层的类 型、厚度、粘性土或砂性土、塑性状或流塑状、灵敏性等土层的物理力学性质， 这些也是确定辅助工法的基础。 2 地下水 地下工程位于水位线以下的居多，隧道开挖排水后，易造成地下水位因压力 差的存在不断渗出，形成多条渗水通道，使地层持续失水，土层空隙及节理裂隙 固结收缩，引起地层地表出现超前、超大范围的变形及沉降。地下水的长期作用 会使围岩强度降低，引起地层不稳，加大围岩压力，从而增加支护结构的内力。 地下水对地面沉降和施工方法影响很大，无水条件下的施工时很容易控制的【2 5 】。 3 地层应力释放 由地层的收敛约束特征可知，随着地层产生变位位移，其上覆地层施加到隧 道结构上的荷载将减小【2 6 1 。最佳支护概念就是在允许地层产生稳定位移的条件 下，使支护结构所受的力最大。对地下工程，尤其是浅埋暗挖隧道，为保证地表 的变形得到控制，原则上不允许地表出现超越规定值的下沉。为此采取了地层预 加固和及时支护，快速封闭成环等技术措施。对多孔介质土且具潜在塌滑面的地 层，随地表下沉及地层应力的释放，塌滑区增多或增大，沉降槽宽度及下沉量均 较大。与此同时，由于垂直应力释放，使拱顶下沉变形亦渐增加，但较之地表下 沉要小，控制地层应力释放度可以减少下沉波及的范围。 4 隧道相互作用的叠加 国内外实践表明，对于衬砌隧道，当两隧道的中心线距为5 d ( d 为隧道宽 度) 时，可不考虑相互作用。但中心线距小于3 d 时，则必须考虑其相互作用。 显然，若两平行隧道间距小，则两隧道同时开挖对地层的扰动要大于单一隧道的 开挖，其结果会造成地层的突然松弛，出现大的和持续不断的变形。对地表沉降 而言，两隧道的相互作用会使地表沉降有叠加作用。 5 隧道施工工法 8 硕士学位论文第二章文献综述 1 ) 施工方法 采用浅埋暗挖法施工时，常见的典型施工方法包括正台阶法、全断面法、单 侧壁导坑超前正台阶法、双侧壁导坑正台阶( 眼镜工法) 、中隔墙法等，施工时根 据不同的地层条件选择合适的施工方法。在这些施工方法中，台阶法是对地表下 沉影响最为严重的一种篪工方法( 较c l m 法引起的地表沉降量增加一倍) 。但台 阶法操作简单，造价低，只要措施得当，一般可满足地表沉降的要求。国内外对 区间单线隧道采用台阶法的较多，台阶法也多种多样，需根据不同的断面形式及 地层条件谨慎选取。对于多层或大跨隧道，一般采用c r d 法结合台阶法施工。 2 ) 开挖迸尺 一 开挖进尺的大小实质是工作面无支护空间的大小，其值不仅决定着地表下沉 及拱顶沉降，而且也影响开挖面的稳定性，二者相互作用并以工作面的稳定为基 础。对软土隧道，工作面难以自稳，因而必须支撑。研究和施工实践表明，开挖 时工作面需支撑的压力并不大，仅1 0 m p a 就足以使工作面短期内自稳，使开挖顺 利进行；且这个稳定开挖工作面的支撑力与上覆土层的厚度以及土体的密度几乎 没有关系，仅与隧道的直径成线形关系。法国的研究表明，如果工作面无支护距 离小于o 2 d ( d 为隧道宽度) ，对稳定工作开挖的支撑力无特别要求；但若超过 此值，则无支护空间要求的稳定工作面开挖的支撑力就要变大，否则工作面就会 变大。对软弱地层、浅埋暗挖法施工的地下工程，开挖进尺的控制十分重要，应 通过分析研究，有目的地控制。 6 衬砌的影响 复合式衬砌在设计上考虑荷载分配时，由初期支护完全承受荷载。初期支护 的刚度对地层的变形有较大的影响。刚度大，则抵抗变形的能力强。同时初期支 护必须保证一定的柔性，允许一定量的变形。初期支护中刚度和相应的支护施作 时间与地层变形的关系十分密切，可通过地层变形的监测数据来及时进行调整。 二次衬砌虽然不承受荷载，但实际施工经验及有关监测资料均表明，初期支护后 地表达到稳定时间较长，在二衬完成后，隧道地层、地表即趋于完全稳定，因此 二次衬砌完成后，隧道地层地表即趋于稳定。 7 结构类型和埋深的影响 结构拱顶上部覆盖的土层厚度与隧道结构跨度之比，称为覆跨比，这个比值 对地面沉降的影响很大，国内外的研究成果表明，若覆跨比大于l 2 ，其施工难 度不大，而且比较容易控制沉降比；若覆跨比小于1 ，则需要投入的辅助工法的 费用大幅度增加。该项影响因素非常重要，要认真研究对待。此外，隧道的结构 类型对地面沉降也有影响，通常圆形隧道在受力上比较合理的，对于控制地面沉 降也是有利的。因此对于地质条件较差的情况，除了设置顶拱外，还应设置仰拱。 9 硕士学位论文第二章文献综述 由此可见，地面沉降的分析是十分复杂的，首先必须通过现场实测积累判断 依据，然后经过对实测数据的分析，得到经验或理论的结果。 2 3 地层位移预测方法 目前，对地层位移预测的主要方法有经验公式、数值模拟、模型试验研究、 专家系统和灰色理论。从工程应用的角度来说，应用较多的是前两种方法。 专家系统和灰色理论是近几年的研究热点，他们是地面( 地层) 变形预测研 究的一种新思路。但因为考虑的因素繁多，模型复杂，目前处于研究阶段，离实 际工程应用尚有一定距离，而且模型试验方法费用高，可控制性差。根据国外的 地铁实际量测数据和我国上海地铁工程l 号线盾构法施工的量测资料统计表明， 以实际量测统计分析为基础的经验估计法尽管模型简单，考虑因素较少，但比较 实用，与实测资料比较吻合，能够在设计阶段大致估计到可能产生的变形，因此 有较好的施工指导作用。但由于经验估计法是以特定区域工程地质和相应的盾构 机型、施工工艺等特定条件为前提的，因而地区差异大，不同地区不能简单套用， 模型关键参数的选择对经验的要求高，选择困难，同时因为模型简单，考虑的因 素少，没有理论依据。就我国而言，盾构法还处于起始阶段，可供类比的资料少， 从而给本模型的运用带来一定的困难。 在隧道开挖导致地层位移规律的研究中，数值模拟占据了重要地位，通过详 尽的数值分析，总结出地层位移的规律，是一种有效的方法。而且数值分析方法 可考虑较多的影响因素，所应用的理论明确。在2 0 世纪8 0 年代以后，数值分析 方法的应用迅猛发展起来，但该方法主要存在的问题是，在目前的勘察过程中提 交的成果多数缺乏与计算方法相对应的计算参数，使参数的选取比较困难。就我 国而言，室内实验和现场试验非常少，制约了数值分析方法在地下工程中的应用。 而日本在该方面的研究处于世界领先水平，这主要是由于日本地下工程界在施工 中非常重视数值模拟工作，非常重视土工参数的室内实验和原位试验，土工参数 获取较科学，因此也比较准确。 2 3 1 经验公式预测方法 1 9 6 9 年墨西哥学者p e c k 和英国学者s c h m i d t 通过分析大量沉降实测资料并 进行概率统计计算得出结论：对于均匀土质地层，由于隧道开挖造成的地面沉降 曲线可以认为是一条正态概率曲线，沉降曲线按照p e c k 公式确赳2 7 秘1 。一般单 洞隧道的沉降曲线定义为： 1 0 硕士学位论文 第二章文献综述 s = s = e x p ( 一萨x 2 ) = 去* 去 式中：s 一一隧道中线处的最大沉降量( 图中磊，龟) ； 矿一隧道沉陷槽容积。 沉降槽宽度由参数i 确定，i 为 隧道中线到沉降衄线反弯点的距 离，沉降槽宽度一般为5 i ；x 为距 隧道中心线的水平距离。i 随深度 变化，即反映在同一断面处隧道上 方不同埋深的沉降槽最大值 ( 5 一) 和宽度不同，埋深越大 s 一越( d l l 2 ) ，沉降槽宽度越小， 既t 值越小【2 0 l 。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 图2 - i 隧道沉降槽 a t t e w e l l 对沉陷槽宽度系数t 进行修正，提出横向沉陷宽度系数t 取决于接近 地面的地层强度、隧道埋深和隧道半径。圆形隧道上方地表沉降槽分布0 i k i l l y & n e w ( 1 9 8 2 ) 根据特定地层条件下的监测数据，提出了沉陷槽宽度系数t 的 计算方法，在黏土中得出： i = o 4 3 ：o + 1 1 ( 2 3 ) 式中：z 。一地表到隧道中轴线的距离 ：一某一地层到地表的距离，因此可以假定i = b 。或f = k ( z o z ) r a n k i n ( 1 9 9 8 ) 在众多样和现场量测试验基础上得出露取o 5 在大多数情况 下都是合理的。 国内外学者对沉降槽宽度系数t 进行了大量的研究，一般可以表为 2 9 1 ： 矽i s 话) 0 9 协4 ， 即： i = o 5 7 5 2 0 0 9 d o i 。 式中：d 一隧道直径； 孑。一隧道中心至地表深度。 硕士学位论文第二章文献综述 求得i 后，就可以由p e c k 公式求得s 一，然后通过式子( 2 1 ) 得到地表任一 点的竖向沉降值。 天津大学的姜忻良，赵志民等假设地表以下土层沉降槽仍为一正态分布曲线， 通过搜集国外一些工程的s 一数据来推导计算i ：的实用公式，从而可以求得地表 及以下土体中任一点的竖向沉降值，根据公式( 2 5 ) 得到了地表以下土层沉降槽 宽度沿深度的变化规律 3 0 - 3 1 】。 r，、0 3 f ( z ) = 即hl 一二l ( 2 5 ) 2 3 2 数值模拟预测方法 在研究盾构法开挖隧道导致地层位移的规律时，数值模拟占据了重要地位， 另外通过详尽的数值分析，总结出一套适用的预测经验公式，是地面沉陷预测技 术的另一重要途径，该领域研究以日本为典型代表。 c l o u g h ( 1 9 8 5 ) 、o h t a ( 1 9 8 5 ) 、r o w e ( 1 9 8 3 ) 等均指出，虽然工艺水平参数在施 工之前不可能精确确定，但这个参数的合理变化对地面和隧道周围地层位移的影 响是可以评价的。他们同时指出，虽然简化方法的研究进展是有限的，但由于它 作为初步设计的工作，具有巨大的潜力，因此有必要进一步发展和改进这些简化 的分析方法【l 】。 数值分析的结果往往也不能很好地满足对地层沉降预测的精度要求，文献【3 2 玎】中数值分析得到的结果比实际观测到的地面沉降槽来得宽且深；而文献1 3 4 j 中数 值分析则低估了地面沉降的程度。虽然这样，但数值分析由于简单适用方便，且 具有指导意义，因此在工程中得到广泛的应用。 2 3 3 模型试验预测方法 模型实验是科学研究的一个重要手段，国内外众多的学者通过模型试验，对 在软土层中开挖隧道引起的地层位移和隧道的稳定性进行了研究，主要有 l i t w n s y n k i n l u r aa n dm a i r g u n n 等人的工作。 2 3 4 地层位移预测的专家系统和灰色理论 虽然经验公式和数值方法已经成为隧道施工中地层位移预测的两个重要手 段，但他们在应用上还有困难，而专家系统给我们提供了一条解决问题的新思路。 同济大学在总结研究成果的基础，提出了把专家系统用于隧道施工中地面沉 降和地层位移预测的设想，于1 9 9 0 年建立了地面沉降的专家系统模型，1 9 9 1 年 1 2 硕士学位论文第二章文献综述 应用于上海地铁l 号线的施工监测，取得了较为满意的结果。 张庆贺( 1 9 9 4 ) 运用灰色系统理论研究地面沉降，建立了盾构法开挖隧道弓 起地面沉降的灰色模型，将其应用于上海地铁工程l 号线施工中地面沉降预测， 也取得了一些成果 1 j 。 2 3 4 地层位移的随机预测 岩土体作为一种复杂的非线性介质，具有许多介质无法相比的不确定性。在 隧道施工中，岩土体工程性质的随机性包括土体所受荷载的不确定性以及岩土体 反应的随机性。 从统计观点，可以将整个开挖分解成无限多个无限小的开挖，整个开挖对地 层的影响，就应等于构成这一开挖的许多无限小开挖对地层影响的总和。因此根 据随机介质理论，隧道开挖对地层的影响可以等效成构成这一开挖的许多无限小 微元开挖的影响总和。将厚度、长度和宽度均为无限小的开挖定义成图2 - 2 的单 元开挖如鸳砌，其中心距离地表深度为。在开挖段面以上任意一个水平面z ( z _ 抒) 上，单元开挖引起的地层下沉盆地定义为单元下沉盆地，单元引起的下 沉用w e ( x ，y ，z ) 表示。根据假定，最终沉降盆地的体积等于地层损失的体积 如菇咖，即开挖单元体积。因此，在各向同性的岩土体介质中，单元开挖引起 地层z 处沉降盆地的最终分布表达式为1 3 5 】： w a x , 昭) _ 击叶蠢 2 ) j 删即 ( 2 _ 6 ) 单元开挖沿y 轴为无限长，可按平面应变问题进行考虑，对式( 2 秭进行积 分 w a x , 悃z2 击叫者p 咿 浯7 ) 设地层沉降的主要影响范围角为。单元开挖在z 水平面上的主要影响范围 设为r ( z ) ，可认为y ( z ) 与z 成线性关系： ，( z ) ：h - z 、t a i l 口 ( 2 8 ) 如此可以得到单元开挖引起地层0 = z ) 横截面沉降曲线的最终分布表达式： w a x = 丽1e x 一寿z 2 b 9 ， 1 3 硕士学位论文第二章文献综述 图2 2 开挖单元体 2 4 控制浅埋暗挖隧道工程地面沉降的主要工程方法 隧道开挖后必然造成应力集中，并且在尚未得到有效支护前周围士体将向开 挖空间移动，应力集中造成地层的压缩变形进而增大地表下沉。因此，控制地层 变形及地表下沉的基本原理就是增加土体的刚度，有效减少水土的流失，同时增 大支护刚度并减少暴露的时间。增加土体完整性、减小流水流砂以及选择合理的 施工方案可以有效地控制地层变形和地表下沉，以避免对建( 构) 筑物造成危害 【3 6 1 。 我国在施工实践中总结了一套浅埋暗挖法的工艺技术要求：“管超前，严注 浆，短开挖，强支护，快封闭，勤量测”。这“十八字”充分体现了浅埋暗挖隧 道施工的精髓，可以结合不同地质的实际情况进行灵活应用，具体可以从以下几 个方面着手： 1 、改善土体特性 通过对隧道开挖周边外土体进行局部加固处理，一方面可以促进隧道开挖后 自然拱的形成，另一方面可以改进土体的特征，促进其往好的方面转化。改善土 体特性通常通过采用小导管注浆措施实现，合理的选择小导管及注浆参数，可以 实现既保证加固地层和堵水的双重效果。这种方法是实际工程中最常采用的一种 方法。 2 、适度排放地下水 地下水的排放无疑会使上覆地层尤其是隧道工作面附近地层的强度增加，刚 度变大。但对于砂层，砾砂等特殊地层，过渡抽排地下水，会使上覆多孔介质土 层超固结，从而引起地表大范围沉降。因此，在保证工作面稳定的正常开挖的条 1 4 硕士学位论文 第二章文献综述 件下，应尽量减小地下水的抽排。 3 、采用合理的施工方法 保持开挖面稳定，减少