（岩土工程专业论文）隧道建设及运营对建筑物的影响规律研究.pdf

摘要 摘要 在地铁隧道建设到地铁隧道投入运营的过程，会对邻近的建筑物产生一定 的影响，引起建筑物的不均匀沉降以致引起建筑物开裂，甚至会影响建筑物的 安全性和稳定性，所以如何保护隧道建设及运营过程所影响建筑物成了亟待解 决的问题之一。本人在前人的研究基础上，考虑地铁建设到运营的动态过程， 利用裂缝宽度的指标来判断建筑物的安全性。 本文首先通过对她铁l l 号线现场实测数据的分析研究，定性的得出有建筑 物时的地表沉降规律，结合有限元数值模拟通过对不同高度和宽度的建筑物 进行特征参数分析，得到存在建筑物情况下地面沉降曲线，得出了预测地铁运 营后1 0 年裂缝扩展的安全性评价；基于地铁1 1 号线工程背景，分析了隧道开 挖作用下几种常见的地表损害形式及建筑物破坏形式，结合现有控制标准，总 结并提出从隧道施工、地层加固、建筑本体加固等保护性措施。 本文的创意在于对地铁运营过程引起的地表长期沉降的数值模拟，即引入 等效地层损失的概念，通过对地铁隧道邻近建筑物的裂缝开展分析得到对建筑 物安全性评价和安全分级：最后，关于迸一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：地铁隧道开挖地铁运营地表沉降建筑物沉降裂缝扩展 a b s t r a c t a b s t r a c t f r o mt u n n e le x c ：a v a t i o t lt ot t m n e lo p e r a t i o n , t h ee x i s t e n c eo f t u n n e lw o u l da f f e c t a c l j a c e n ts t r u c t u r eb e h a v i o rt os o m ed e g r e e , w h i c hw o u l dr e s u l ti nt h es t l u c t u r e d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta n dc r a c k ，a n de v e n i te n d a n g e r t h es a f e t ys t a b i l i t y o f s t r u c t u r e , s oh o wt op r o t e c tt h es t r u c t u r ea t t b c t e db yt u n n e li sb e c o m i n gm u r g e n tp r o b l e m o n t h eb a s i so fp r e v i o u s r e s e a r c l _ i c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cp r o c e s sf r o mt u n n e l e x c a v a t i o nt ot u n n e lo p e r a t i o n , t h ei n d i e a l o ro fw i d t ho fc r a c ki sa d o p t e dt oe v a l u a t e t h es a f e 哆o f s t r u c t u r e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f f i e l dd a t ao r i g i n a t e df r o mm e t r ol i n e1 1 ，t h ec o m p a r i s o n b e t w e e ng r e e nf i e l ds e t t l e m e n ta n ds t r u e t t t r os e t t l e m e n tw h i e ha r eb o t hi n d u e e db y t u n n e l ，r o u g h l yc o n c l u d et h es t r u c t u r es e t t l e m e n t ；a n dc o m b i n et h ef e m ，t h e p a r a m e t r i ca n a l y s i si sp e r f o n n e dr e f e r r i n gt ot h el e l i g 山a n dw i d t ho fs t r u c t u r ea n d o b t a i n e dt h es e t t l e m e n ta l f v ei nt 1 1 cp r c s e n g ：g ：o fs t m m e a n dt h e nam e t h o dt o c a l c u l a t ec r a c ki ga d o p t e dt oo , s s e s $ t h ec r a c ks p r e a di n d u e e db ys e t t l e m e n t ：ac r a c k p r e d i c t i o np a r a d i g mi sp r e s e n t e d ；f i n a l l yc o n c e r n i n gm e t r o - l i n el1 s e v e r a lp a t t e r n o fg r o u n dd a m a g ea n ds t r u c t l n ed a m a g ea n da c c o r d i n gs e v e r a lp r o t e c t i v em e t h o d si s p r e s e n t e d ； n l ee r e a t i v i t yo ft h i sp a p e rc o n s i s ti nt h es i m u l a t i o no fl o n gt e r ms e t t l e m e n to f s l r a c t u r ei n d u c e dr u n n e li t io l b e r a t i o na n de v a l u a t et h ed y n a m i cs p r e a do fc r a c k , w h i c l a c o t t l db ee x p l a i n e db yt h en o t i o no fe q u i v a l e n tg r o u n dl o s s f i n a l l y , t h ef l l l t h e r r e s e a r c hj sp r e s e n t e d k e yw e r d s ：t u n n e le x c a v a t i o n t u n n e lo p e r a t i o n , g r m m ds e t t l e m e n t , g t r u e t u r e s e t t l e m e n t , c r a c ks p r e a d i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者繇私 御年7 月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 靴：锄 硼年3 月“日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究的背景和必要性 1 1 1 课题研究的背景 城市轨道交通是现代化城市的标志，它的诞生和发展已有1 4 0 多年的历史。 在中国，北京、深圳、上海、南京等城市都有了轨道交通。据建设部总工程师 王铁宏介绍，根据国内1 5 个城市轨道交通规戈4 ，到2 0 1 0 年藐国计划新建城市 轨道交通项日总长度近1 3 0 0 公里，其线网规划总里程将达2 2 9 0 公里左右。越 来越多的线路竣工后投入运营。 在上海“十五”期间，上海交通建设的一项重要战略是加快大容量城市轨 道交通系统建设。上海整个轨道交通规划网络总共有1 7 条线路，总长7 8 5 公里， 共设车站4 3 0 座。在今后的几年里，每年将同时有1 0 0 多公里的地铁在建设， 每年将平均有4 0 多公里的地铁被建成。这种超常发展的建设规模在世界上可谓 绝无仅有。随着城市建设的快速发展，城市规模不断扩大，居住人1 3 持续增长， 运量大、速度快，污染少、安全舒适的网状轨道客运系统成为解决城市交通拥 塞问题的根本途径，自地铁一号线建成以来目前在上海已经有5 条已经运营的 地铁线路，已经运营的地铁里程数为1 0 0 多公里，最近发现在已运营的地铁沿 线的多层的建筑物不断发生开裂现象，严重影响了居民的正常的生活和工作， 而隧道开挖对周围的建( 构) 筑物影响的具体例子也不少，如上海市合流污水 治理工程施工中，地面发生沉降使地面的一些简易房屋的墙身出现裂缝如图 1 1 。 第1 章绪论 图11 房屋沉降实测图 北京某综合楼，在其下有一条热力隧道垂直交叉穿过( 图1 2 ) ，该楼为5 层砖混结构。在隧道穿越2 2 m 后出现不均匀沉降现象，房屋中部下沉，产生裂 缝，裂缝扩展速度和沉降扩展速度均较大，裂缝开裂宽度最大达到1 7 r m ： 图i 2 隧遭和综台楼位置关系断面图 南京地铁一号线个别段由于土质差、埋藏浅、也曾因隧道开挖引起居民楼 发生变形裂缝，以致发生居民纠纷。从上述现象可以看出，随着越来越多的地 铁投入运营，地铁建设与运营对周围环境的影响会越来越明显，包括地铁列车 引起的振动，地铁隧道本身的沉降造成建筑物的开裂等等，而国内外对这方面 的研究却很少，特别是对上海这种特殊的软粘土。所以对这方面展开研究不但 必要，而且迫切。现在上海在建的和规划中的地铁已经达到1 7 条线之多。可想 而知在若干年以后，地铁所引起的周边环境问题会越来越多，越来越严重，所 第l 章绪论 以地铁运营所引起的对周边环境影响的评估和预防是很有必要的。本文以上海 市轨道交通1 1 号线为课题背景，基于隧道开挖和运营情况下的实测数据对地铁 沿线的建筑物进行安全性分析。 1 1 2 课题研究必要性 在2 0 1 0 年世博会之前，上海投入运营的地铁线路达到4 0 0 公里，地铁的发展 带动和引导了沿线物业和商业的发展，因此沿着地铁线的建造的建筑物( 构筑 物) 也会越来越多，这些开发的项目有很多位于地铁安全保护区内，从对上海 一号线的监测中我们发现，地表沉降大的地方，地铁隧道的沉降量也在逐年的 增大，而且地铁隧道上方的沉降槽也在不断的变宽、变深，严重影响了地表的 正常人类活动，而引起地铁沉降的原因很多，比如周围建筑物施工、地下水的 开采、土体本身的固结流变，而列车的高密度振动又加大了地铁沿线地层的沉 降，所以地铁隧道的沉降对周围环境的影响将越来越明显，比如地铁沉降引起 的建筑物的开裂等等产生了很多不利的社会影响和经济损失。从上海的地质情 况分布资料来看，地铁沿线的地质情况与地铁结构沉降变形有密切的关系，地 质条件较好的地方沉降量就小，地质条件差的地方沉降量就比较大，加深对上 海土层的认识是解决问题的关键，包括对土的流变性、次固结的再认识以及列 车的振陷。只有通过长期监测，地铁运营所引起的沉降槽的扩大和加深有比较 准确地把握，并建立与时问的关系，才能比较有效的预测沉降对的上部建筑物 的影响，达到未雨绸缪的目的，减少社会影响。由于城市地铁均贯穿市中心， 对沿线周围建筑物居住环境产生的影响不容忽视。所以运营情况下地铁隧道对 上部建筑造成的影响是明显的。 为了找出从隧道开挖到运营阶段对周围环境的影响的程度和解决方案，我 们要研究已运营地铁对周围环境影响的规律、预测方法和治理方法，运营地铁 对周围环境的影响规律可以表述为地铁隧道的沉降引起地表建筑物一系列的问 题，比如建筑物的不均匀沉降以及导致的开裂、建筑物不同的基础形式对地铁 沉降的反应、建筑物不同空间尺寸对地铁沉降振动的反应、建筑物与地铁隧道 不同的空间位置对地铁沉降振动的反应等问题，找到引起这些问题的根本原因 及隐藏在内部的规律 预测方法表述为通过研究找到如建筑物的沉降与时间的 关系、建筑物裂缝开展与时间的对应关系；治理方法可以表述为找到减弱或者 第1 章绪论 消除这些影响的工程措施。国外的一些研究资料表明。盾构推进后土体的固结 与蠕变导致的土层沉降很小盾构推进一个星期之后产生的沉降量，不超过总沉 降的l0 9 6 。但也有一些资料表明这个值超过5 0 ，由图1 3 可以看出，半年后的地 层沉降值要远大于一个星期后的沉降值，这说明在上海地区盾构的旌工条件下， 由于土层的工程特性较差，土的灵敏度高，土体固结和蠕变导致的沉降量很大， 所以研究从地铁隧道开挖完毕至运营状态下隧道对建筑物的影响是很有必要 的。 弋1 删 而二五 a j “ _ | 羹 、目瑚 ，二：二。：嚣：2 固l 3 不同时期地层横向沉降槽曲线 1 1 3 本课题的研究意义 ( 1 ) 了解和掌握隧道开挖及运营对已有建筑物的影响程度为了保护地面 建筑的安全，有关规范、规程对隧道开挖及运营提出了地表变形的限量要求。 尽管如此，隧道开挖及运营引起的建筑的损坏还在发生，这洗明在像上海这种 软土质地区要求地上建筑完全不出现变形和裂缝是不可能的，问题的关键在于 要知道隧道的开挖是否会对建筑结构产生影响，影响的规律和范围如何做到 心中有数。以推断对建筑物所造成的损害程度。 ( 2 ) 对建筑结构的安全起到预报预警、防灾减灾的作用根据所了解的隧道 开挖及云庆对地面建筑结构影响的程度不同，选择相应的保护和控制措施，傲 到有的放矢，从而从根本上保护建筑的安全。 c 3 ) 丰富和扩展隧道开挖的地层沉降理论煎已叙及，目前隧道开挖引起 的灾害问题主要集中于地层本身的沉降面上，如其沉降机理、沉降大小、沉降 第1 章绪论 形态上等，而对地面建筑结构的影响研究的比较少，在课题的调研时发现，研 究沉降与上部结构的共同作用，而将岩土工程问题与结构工程问题两者结合起 来作为一个整体来研究, t j # f t 少，因此，本研究在理论上对这一问题进行一个很 好的补充。 此外，文中所涉及的研究理论、研究方法，还可以为隧道开挖对道路、桥 梁及其他形式的建筑物等等环境效应提供一定的技术支持。 1 2 国内外的研究现状 随道施工及运营期间引起的地表沉降、建筑物损害等环境问题早已引起了 各国学者的注意，特别是在上海这种特别软弱的地层，在地铁施工以及运营的 过程中，对上部建筑物的损害已经表现出来，如不均匀沉降、开裂等等。 1 2 1 隧道开挖对地层的影响研究 最早提出隧道开挖对地层影响的是波兰学者特威尼森运用随机介质理论给 出了地表单元下沉地盆的表达式： 1 2 毒 形z ) = 二p 7 ( 卜1 ) 式中睨如z ) 单元开挖引起( x , z ) 点下沉值； z 开采深度； ，影响半径。 p e c k “在1 9 6 9 年的墨西哥国际土力学地基基础会议上，在当时大量隧道开 挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上，p e c k 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，施工引起的 地表沉降是在不排水情况下发生的，因此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高斯分布曲线。 自从1 9 6 9 年p e c k 提出地表沉降公式后，不少人为此做了大量工作。 a t e w e l l “于1 9 8 1 年也假定沉降槽为正态分布曲线，认为横向沉降槽宽度系数取 决于接近地表的地层强度、隧道埋深和隧道半径。0 r e i l y 和n e w “于1 9 8 2 第1 章绪论 年根据英国盾构隧道的现场实测数据进行多元线形回归分析发现，沉降槽宽度 系数和隧道外半径无关，但和隧道的埋深密切相关。藤田“1 在p e c k 的基础上对 软弱地层中的不同施工方法对地层的影响傲了研究，根据围岩种类，盾构形式 及辅助工法的不同，分类预测了不同形式的盾构对地层变形的影响，最大沉降 量，并用表格给出预测值。 半谷在第九届国际土力学和地基基础会议的论文集中，根据地铁的实测资 料，给出了预测最大沉降量的方法。 m a i r “通过实测和室内离心模型试验，研究了粘土隧道施工引起的地表沉陷 槽宽度和最大沉降量随深度的变化规律。试验结果表明，对于深埋隧道，对给 定的稳定比和e q ，地层损失预计是一个唯一值，但是在同样的稳定比下，地 层流失显然是很不一样的对于浅埋隧道来说，隧道的深度是预计地层流失的一 个关键因素，并且建立了粘土中盾构施工引起的地表沉陷槽宽度、最大沉陷量与 地层损失和深度之间的统计性经验公式： = o 3 1 3 + 吒+ ( ) ( 1 _ 2 ) 二= 0 1 7 5 + o 3 2 5 ( 1 一二) ( 1 - 3 ) ：o2 0 0 1 7 5 + 0 3 2 5 ( 1 一形) t = 。上二l( 1 4 ) i z o 一= 幼f ( 卜5 ) 吒：竺箕 ( 1 6 ) 。而蕊125砾vz*r20 1 7 503 2 5 z_k 1 + ( 1 一) l 岛 。0j 式中： v _ 一地表沉陷槽体积： v 。一地层损失体积： r 隧道半径； z r 一隧道轴线的埋深； z _ 估算点距地表的距离； 6 ( 1 - 7 ) 第1 章绪论 i 沉陷曲线反弯点坐标。 同济大学早在上世纪7 0 年代就开始隧道旌工沉降的实测和理论研究，并结 合上海的地层特点，给出适用上海地层条件的p e c k 修正公式，对横向和级向的 地层沉降模式和沉降量进行预估”。 另外，清华大学、河海大学、中国矿业大学等单位的专家学者也对因地下 工程开挖引起的地层变化，从不同侧面进行了深入的理论和实践研究，获得了 很多有价值的成果。 很多学者也提出了隧道开挖引起的地层变位的修正的p e c k 公式和解析解 【。 el o 】n l 】i 】 1 2 2 隧道的长期沉降的研究 0 r e i l l y “”等人对o r i m s b y 隧道进行了长达1 1 年的跟踪，得出随着时间 的推移沉降槽的宽度比初始值加倍，最大沉降量也大大增加，文中运用了数值 分析方法研究土的排水特性对长期沉降的影响。 n e l s o nk a w a m u r a “”对e v a n s t o n 隧道进行了长达五年实测和理论分析，对 隧道的长期沉降的各个因素都做了定量的分析，列出了对长期沉降有重要影响 的因素分别为：受扰动区域的固结、由于超孔隙水压力引起的未受扰动区域的 主固结，由渗漏引起的未受扰动区域的主固结、次周结以及衬砌的变形。 h u r r e l 通过对四个工程实例的估算，采用统计分析方法得到了长期固结作 用下的最大沉陷量的估算公式： = 2 s o f $ a a = 0 3 9 0 0 0 l * s 一) o f s ：= r * 。( 2 o - 2 0 - o , e 式中： w m 。长期固结作用下的最大沉陷量 a 固结效应系数： o f s 一超载系数； y 土体容重； o 广隧道内部支护压力； 7 ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 - 1 0 ) 第l 章绪论 c 。土体不排水抗剪强度； z r 一隧道轴线埋深； z 。至沉陷参考平面的深度； s m a x - - 地层损失引起的最大地表沉陷值。 同济大学璩继立博士“”对盾构施工引起的地面长期沉降进行研究，根据上 海地区软土隧道施工引起的地面沉降历时分析，深入研究了沉降与历时之闻的 关系：对沉降的横向扩展问题研究了研究，得出横向沉降槽会随着时间的推移， 宽度变得越来越大，最大沉降值也一直在变大。 同济大学侯学渊、夏明耀等在分析大量监测数据的基础上，采用理论分析 和统计分析相结合的方法。提出适合上海软土地层盾构掘进引起地层固结沉陷 的统计计算方法： 跗，= 篱 e x p 白( 1 - 1 1 ) r ：! ! ! ：! ：!( 1 1 2 ) e + e 式中： p 一隧道顶部孔隙水压力的平均值； t 固结时问； k 。一隧道顶部土体渗透系数； 卜超静孔隙水压力水头； 卜隧道顶层土的平均压缩模量。 d e m o o l - “”对粘土中深埋无衬砌隧道的开挖面，进行了一系列的室内小尺寸 模型试验，其目的在于调查隧道开挖时孔隙永压力变化及其对开挖面时效变形 的影响，试验结果表明：开挖面周围土体的有效应力和孔隙水压力的改变是地 层发生时效变形和有限元模拟，得到了种比较简单且实用的解析解来预测隧 道的长期沉降。 1 2 3 隧道开挖对周围环境的影响研究 a t t e w e l l “”( 1 9 8 6 ) 在其论文中通过实例预测了由于隧道引起的土的沉降对 结构物和地下管线的影响，分别研究了隧道埋深、结构物的刚度对其影响的大 小，得n t 半经验公式。b o s c a r d i n 9 1 ( 1 9 8 9 ) 探讨了开挖引起的对建筑物的影响， 第1 章绪论 并对建筑物的受力和变形特点做了做了比较全面的研究。 p o r t s ”利用二维有限元分析研究了隧道开挖引起的地表沉降对结构物的 影响，文中引入了相对刚度的概念，并给出了一组设计曲线，然后根据设计曲 线和b u r l a n d 提出的建筑物损坏判别标准，可以对建筑物进行较准确的安全评 估；f r a n z i u s 。在其p o t t s 的基础上考虑了三维的情况和建筑物的自重，使设 计曲线更加符合实际情况，并被编制成程序应用于实际，可是他仅限于硬粘土 地区。s e l b y 也对w o r k i n g t o n 的一个实例进行跟踪研究，提出了一种合理模 拟隧道开挖对上部建筑物影响的数值方法。 另外，m r o u e h ，c h u n g s i ky o o ，k l a r 等人部对隧道开挖引起的对周 围环境的影响作了深入的研究和探讨( 包括开挖对地下管线的影响，开挖对单 桩和群桩的影响) ，但是由于各种客观条件的限制隧道开挖和运营情况下引起的 建筑物的破坏的实例不多，且很难把计算结果运用到实际中去，特别是运营情 况下隧道引起的地表沉降对建筑物的影响的基本上无法考察，另外由于上海土 质的特殊性，也让这方面的研究更加紧要而迫切。 1 3 本文的研究内容 随着城市开发空间的纵深发展，城市地下工程大规模兴起，隧道开挖等城 市地下工程对环境影响的问题是地下空间本身可持续发展技术的一个重要课 题。隧道的环境影响机理与控制是一个非常庞大的题目，涉及到地面建筑、道 路、管线等设施在地下工程施工时所产生的损害。 本文主要围绕隧道开挖对周围环境影响问题进行讨论，重点研究隧道开挖 对地层造成的沉降以及在沉降作用下上部建筑物受影响的问题，了解和探讨土 体扰动一地层变形一建筑物损害之问的内在联系。 ( 1 ) 从隧道开挖对周围环境的影响角度展开讨论，首先总结国内外研究现 状，借鉴当前其他学者研究成果。结合自身课题，研究隧道开挖及运营情况下 对地面建筑结构的影响。 ( 2 ) 分析上海市地铁沉降的实测数据研究地铁隧道开挖及运营情况下的沉 降规律，结合上部建筑物的影响，找出沉降槽发展变化模式，得出已运营地铁 隧道沉降与时间的关系规律； ( 3 ) 针对不同结构形式和几何尺寸的建筑物的，运用地基一基础一上部结 9 第l 章绪论 构共同作用的分析，将现有共同作用理论运用到隧道开挖对建筑结构影响的分 析中。分析地铁隧道沉降所引起的建筑物不均匀沉降的规律，找到不同刚度的 建筑物对不均匀沉降的敏感性规律，找到一种可以事先预测建筑物的损害情况 的方法。 ( 4 ) 在隧道开挖过程中，土体扰动一地层变形一建筑物损害三者之间推递作 用，建筑物的损害宏观的表现形式即为产生不均匀沉降、倾斜、出现裂缝等情 况。 本课题拟以筏板基础的框架结构为研究对象，研究因隧道的开挖而产生的 应力与变形情况，包括其量值大小、影响范围、应力与变形在不同位置上、不 同时间段的变化规律与特征。 结合( 1 ) ，( 2 ) 、( 3 ) ，“) 的研究，建立一套有效且适用的安全评价体系， 这套安全评价体系能根据建建筑物的特征参数初步预测房屋开裂等问题。 1 4 研究方法与技术路线 关于隧道开挖及运营对地面已有建筑结构的影响有三种途径：是现场研 究，即时隧道开挖过程进行现场观测分析；二是理论分析研究，即利用结构力 学理论与方法研究结构的变形和应力状态；三是进行模拟研究，包括室内相似 模型试验研究和数值模拟研究。 本课题重点研究建筑结构对隧道开挖及运营的响应，拟采取现场实测数据 分析和数值模拟两种手段进行研究，本文结合现有的条件深入上海轨道交通 l l 号线现场进行调研，利用刘国彬教授开发的盾构远程监控系统对隧道开挖引 起的建筑物不均匀沉降进行分析，再结合现在国际上比较流行的岩土工程软件 p l a x i s 软件进行有限元分析，对实测结果进行对比验证。 1 5 本章小结 随着我国国民经济的飞速发展，尤其在长三角地带的城市化水平越来越高 的情况下，越来越多的城市必将采用地铁作为缓解城市交通压力的有效手段， 由于该区域的不良地层条件，隧道的建造及运营会对周围建筑造成不良的影响。 本章在参阅大量国内外资料的基础上，就隧道开挖以及运营的情况下对邻近建 第1 章绪论 筑物、构筑物的影响进行了综述。有关资料表明，隧道的开挖及运营对上部建 筑结构的影响研究比较少见。本章确立了课题的研究内容及研究方法，阐明了 课题的研究意义。本文将采用现场实测数据分析、数值计算两种手段进行研究。 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 2 1 引言 隧道的开挖方法有矿山法和机械法( 盾构、顶管等) 两种，不论采用哪种方 法，在开挖过程中，不可避免地会对上覆地层产扰动。由于地层损失、周围孔 隙水压变化及衬砌变形等，地层原始应力将重新分布，原有的土体平衡状态遭 到破坏，导致地表发生沉变形、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及非连续 变形等。地表产生的移动和变形较大时，往往又会引起地上或地下临近已有建 筑物、构筑物的开裂、沉降、倾斜等问题，如上海市合流污水治理工程中，施 工过程中沿地面的一些简易屋中墙身出现一些裂缝，某市地铁隧道因开挖引起 了地面居民楼发生了变形裂缝。 而国内外学者对隧道开挖引起的上部结构的损害的研究目前还不是很多， 大部分都是基于数值模拟，也提出了不少的评价方法。 电一0 厂 l l 4 。 “。“_ 图2 1 隧道引起的建筑物( m a n s i o nh o u s e ，l o n d o n ) 的沉降( 根据f r i s c l l m a n n ，1 9 9 4 ) f r i s c t u n a n n ”3 ( 1 9 9 4 ) 3 0 5 m 隧道开挖时引起的对建筑物m a n s i o nh o u s e 的跟 踪实测分析，如图2 1 。 p o t t s a d d e n b r o o k e ”( 1 9 9 7 ) 利用有限元软件分析了隧道开挖对建筑物的 影响，但是只是二维的模拟而且模拟过程中未包括实际的建筑，而是用了一根 粱来模拟建筑物。c e a u g a r d e 。1 ( 2 0 0 2 ) 也在其文章中提出了编制有限元软件的 几个关键问题和建模步骤。他们都提出了在隧道开挖时应该适当的考虑结构对 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 抵抗不均匀沉降的贡献。 国内的刘宝琛教授应用随机介质理论，分析了桐油山连拱隧道浅埋段开 挖引起的沿隧道纵横向的地表移动与变形，推导了复杂隧道开挖横断面的简化 计算公式。根据中导洞开挖后的地表量测数据反分析获得地表基本移动参数， 采用比例法获取隧道正洞计算所需的地表移动参数，然后对隧道正洞开挖后的 地表移动和变形分布进行了预测，并据此判断隧道开挖对地表住宅楼的影响。 他指出隧道开挖对地表建筑物的影啊主要是由于地表不均匀沉降所导致的地表 的倾斜和弯曲以及不均匀的水平移动所导致的水平变形，但是文中未有隧道开 挖后建筑物的实测数据，也是仅凭对地表沉降曲线的水平位移、水平变形以及 曲率的分析，来判断建筑物的安全性。 2 2 测点布置及数据分析 本章以上海地铁1 l 号线为背景，通过对现场数据进行实测分析，来对存在 建筑和不存在建筑物的情况时地表沉降做一个分析。 2 2 1 工程概况 图2 2 为上海市轨道交通1 1 号线( k 3 ) 线工程概况图 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 图示2 2 为上海市轨道交通i l 号线( r 3 ) 线工程概况图。轨道交通1 1 号 线( r 3 线) 是上海市轨道网络中构成线网主要骨架的4 条市域线之一，在网络 中具有重要的地位。1 i 号线主线从嘉定经中心城至临港新城，是贯通上海| 亍西 北地区东南区域临港新城的一条主干线，同时线路在西北设一条支线连接到 上海国际赛车场和安亭汽车城。整条线路将上海市规划建设的嘉定新城、l 临港 新城与中心城紧密地联系起来，并与轨道网络中1 4 条轨道线及国铁相互换乘。 轨道交通1 1 号线( 1 t 3 线) 北段一期工程经过嘉定区，普陀区、长宁区、镍汇、 浦东新区五个行政区。线路呈西北一一东南走向，北段一期工程线路长约 5 9 4 1 k i n ，共设2 7 座车站。其中主线城北路站上南路站，长约4 6 6 i ( i f l ，设2 3 座车站；支线嘉定新城站墨玉路站，长约1 2 8 l l c 【i i ，设4 座车站。 现场试验研究段在上海地铁l l 号线区间隧道( 赛车场站同济大学嘉定校 区站) 进行，该工程位于嘉定区内，是上海市重大工程项目。本标段从赛车场 站已建工作井( z s c k 3 + 6 3 0 ) 同济嘉定校区北侧地面线与敞开段分界点 ( z s c k 8 + 2 5 0 ) 区间( 含分界敦、含新建工作井、中间风井、敞开段及浅埋明挖 段) 。本标段线路出赛车场站向西南偏转，下穿伊宁公路、盐铁河后，从明黄 镦耀墓保护区外西侧穿越，经方泰老镇区，过沪宁铁路沿蕴藻浜西侧绿化带向 南下穿规划昌吉路桥到同济嘉定校区站，在盾构掘进段，区问隧道旃工受影响 的建筑物众多，施工影响范围主要分布有企事业单位、厂房、民宅、别墅等等， 其中上海乾伟嘉建筑科技有限公司6 层坐落于隧道正上方，桃源别墅( 2 层) 坐 落于隧道斜上方，菊园别墅( 2 层) 在隧道施工影响范围之内以及4 5 层的民宅： 盾构通过地层为第四层灰色淤泥质粘土和第三层砂质粉土本区间隧道由 外径6 2 0 0 m m ，内径5 5 0 0 n n 的预制钢筋混凝土衬砌组成，环宽1 2 0 0 h m ，厚度4 0 0 r a m 。 本区间隧道共计1 6 2 4 环。预制衬砌钢筋混凝土标号c 5 0 。抗渗标号s 8 ，衬砌纵环 向联结螺栓共( 1 6 + 1 3 ) x 1 5 2 0 套，衬砌环缝及纵缝间防水采用弹性密封衬垫。本 区间隧道采用法国f c b 公司生产的土压平衡式盾构掘进机施工，其外径6 3 4 0 m 长度6 5 4 0 m m ，盾构与车架总长度2 8 米。在盾构轴线上布置了一系列地表沉降监 测点，并随时对其进行沉降观测，( 上行线于2 0 0 6 年5 月2 8 日开始推进，盾构切 口里程为z s c e 3 + 6 3 0 m ，推进环数为2 0 0 0 环，2 0 0 7 年3 月2 日结束，切口里程为 z s c k 6 + 0 3 8 7 0 0 下行线是2 0 0 6 年7 越2f 1 开始推进，盾构切口里程z x d k 3 + 6 3 0 0 0 0 截至2 0 0 7 年3 月2 日已经推进了1 7 5 0 环：5 月3 1 日开始监测地表沉降。 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 表2 1 盾构施工影响范围内建( 构) 筑物基本情况表 序号 建筑物名称层数与隧道关系 1 房屋 2 7 下穿 2 菊园小区2下穿 3菊园别墅2 影响范围 4 铝制品公司 3 下穿 5 振泰冲压件厂下穿 6 朱家村2下穿 7西家宅 8 方泰福利院影响范围 9 建筑公司 6 下穿 1 0 日用品公司影响范围 1 1 张家宅 2 影响范围 1 2 桃源别墅 2 下穿 2 2 2 无建筑物时的地表沉降 ( 1 ) 测点x 0 5 0 、x 1 0 0 、$ 3 0 0 、$ 4 0 0 为考察依据，作为在没有建筑物情况下 的地表沉降曲线的参考值，下表是不同横断面的横向地表沉降值： 表2 2 埋深为l o m 时候不同断面的地表横向沉降槽实测值8 ( m m ) 测点 - 2 1 一1 5 1 2 - 9- 6- 33691 21 52 1 x 0 5 0 1 2 11 0 8- 1 8 0- 1 7 39 7 84 1- 1 6 384 828 x 1 0 0 一l - 2 1- 4 31 8 61 8 49 2 4 3 52 3 1 1 4 2 93444 $ 4 0 0 1 3 4一9 5 5- 1 4 0- 1 8 71 7 3- 1 2 6- 1 0 24 o _ 2 9l61430 $ 3 0 0一1 4一1 36 1 71 4 02 0 0一1 9 21 3 46 1 6 一1 21 2 8074524 1 5 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 ，自 书- * 、- i o ”纱 厂飞； i g ： ! i 一z p f w - 7 鼍 图2 3 不存在建筑物时地表沉降实测曲线及拟合曲线 ， x s o 的拟合关系为：y = 一1 9 0 3 e “，i = 6 3 ，r = 0 ，9 5 上一 x 1 0 0 的拟合关系为：y = - 2 1 0 1 em ”，i = 6 0 2 ，r = 0 9 7 4 3 ， s 3 0 0 的拟合关系为：y = - - 2 0 1 2 # ”“2 ，i = 5 8 8 ，r = 0 9 8 4 3 j 2 _ $ 4 0 0 的拟合关系为：y = 一1 9 9 6 e2 “f ，i = 6 6 , r = o 9 6 2 5 l 总体的拟台曲线方程：y = - 0 0 1 9 7 3 e “孵 而关于无建筑物存在的情况下0 r e i l l y & n e w “3 提出i 的取值与隧道轴线埋 深z 近似呈线性关系，即i = 拓( z 为隧道轴线的埋深，k 为沉降槽宽度系数) ， 而且通过对一些隧道的实测数据的整理，得出一个统计公式，如下图所示： 第2 章隧道开挖以及运营对地袭和建筑物的影响 m ，州自嘶自q 图2 4 图为地表沉降的拐点j 与隧道开挖深度的相互关系( 引自0 ，r e i l l y 和n e w , 1 9 9 2 ) 0 r e i l l y & n e w 建议粘性土取0 4 o 6 ，砂土t 取0 2 5 o 4 5 ，而沈良培“ 在其基础上根据上海土实际情况进行修正得到对于上海地区来讲，隧道盾构施 工引起的地面沉降，横断面上可按p e c k 公式计算，但参数k0 5 2 0 9 6 改为 0 3 5 0 7 ，参数k 需由0 4 o 6 改为0 t 5 0 3 5 ；由地铁1 l 号线所得到的实测 沉降曲线可以反推k = o 4 5 而k - o 5 8 8 ，可知上述修正存在不合理之处，说明在 上海地区地铁开挖引起的地表沉降曲线是p e c k 曲线，但是由于上海土质的特殊 性，不同区域的地表沉降曲线还是存在比较大的差异，不能仅用一个公式来描 绘上海地铁开挖的地表沉降曲线。 2 2 3 地表长期沉降 张冬梅分析了长期沉降的各个影响因素，如由于盾构施工引起的隧道周 围土体中的超孔隙水压力大小及分布、隧道施工对周围土体的扰动、隧道衬砌 的排水、列车荷载、列车对周围土体的振动破坏以及隧道周围土体的应力一应变 特性，并发挥数值方法强大的模拟功能，对不同时段内隧道及其相邻土层的受 力与变形特征进行了描述、再现和验证，计算中计入隧道施工和运营的多工况、 多步骤的特点，着力揭示和分析隧道衬砌渗透性、盾构超挖、盾尾同步注浆、 地面超载变化以及十体蠕变特性导致土体中超孔隙水压力、地表沉降和地层损 失影响规律和量化标准，以此评价和预估隧道长期沉降趋势和量值，进而提出 减小和预防隧道长期沉降的工程措施和优化建议，计算结果表明，如果参数选 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 挥适当，采用三单元粘弹性模型来模拟隧道地面长期。她又提供一种预测隧道 长期沉降的简化计算方法，再提出了较合理的本构模型来采用解析的方法对上 海地铁1 号线隧道的地表长期沉降进预测，得到地表长期沉降随随时间的发展规 律；研究表明，采用该简化的粘弹性计算方法能够比较合理地估算隧道上方的地 表沉降发生、发展规律。 璩继立“”对地铁2 号线龙东路一中央公园站区间隧道横向沉降槽演变进行分 析，在盾构推进的过程中，由于地层损失及盾构推进对周围地层的扰动作用， 必然导致土体在盾构推进后的较长时间内，土体的横向沉降槽继续发展。根据 其实测数据及曲线，其在盾构推过后一周和半年内的横向沉降槽的变化如下图 所示； ( 1 ) 一周后的回归曲线沉降方程为： 上 y = 一1 8 9 e 2 。1 ”2 r = 0 9 5 9 7 ( 2 ) 半年以后的回归曲线沉降方程为： 乞 ( 2 ) y = - 4 5 7 p ”9 r = 0 9 4 9 8 丑= 0 9 4 9 8 妖卜 少7 ； j、肿 tk 、z 月竹曲堆 一十f f u r i 自 图2 5 为地铁开挖一周后和半年后的地表沉降曲线 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 饪遵十o m 南南 、 、 r 三孺藤丽玎 蔼2 6 一周和半年后的沉降髓率 在沉降曲线及其曲率分析中得出：从图2 5 ，图2 6 分析，可以得出以下三点： ( 1 ) 从图2 5 ，图2 6 可以看出，半年后的最大沉降值远远大于刚开挖后的沉 降值，而且宽度系数也比开挖一周后要丈很多，但是半年后的沉降曲线仍然可 以用p e c k 曲线来拟合； ( 2 ) 比较图2 6 中两条曲率曲线可以看出，在隧道轴线位置，半年后横向沉 降槽的曲线明显大于一星期后的沉降槽曲率 ( 3 ) 在横向沉降槽的反弯点之后，出现了曲率的一个极值，比较这两个极 值点出现的位置可以发现，半年后出现的位置比一星期后出现的位置离隧道中 心明显要远。盾构推进后土体横向沉降槽曲率的大小是衡量对邻近构筑物影响 程度大小的重要标态，尤其是对邻近管线而言，则更为重要。因此在盾构掘进 时，应充分考虑到盾构推进后沉降槽曲率的变化而采取相应的措旖。 其( 差值曲线) 和地层损失曲线一样同样服从拟正态分布曲线 1 4 】，( 在这章 中我将利用等效地层损失的概念来模拟地层长期沉降的效果) ，等效地层损失的 概念解释如下： 对于等效地层损失可以这样理解，土体在盾构推进后发生固结变形与蠕变 变形，导致土体压缩，可以等效为在盾构周围一定范围内土体的体积发生损失， 因而在等效地层损失的作用下地层发生的变形与实际地层损失导致的地层变形 的作用机理可等效地认为一致。 从实测可以看出半年后仅由于固结作用而引起的沉降槽的宽度系数是施工 后一个星期后由于地层损失而导致的沉降槽宽度系数的1 2 0 4 倍，这时，其引起 第2 章隧道开挖以及运营对地表和建筑物的影响 的等效地层损失相当于地下同一深度处有一的隧道，但其半径为原来的2 5 3 2 倍。这就是等效隧道半径的由来，由此可见，在等效地层损失作用下，地层横 向沉降槽的影响范围要大于实际地层损失的作用。当然，在土体固结与蠕变作 用的等效地层损失发生区域应该为不规则形状，只不过是采用了等效半径加以 考虑分析而已。这也是第三章用此方法模拟来考虑隧道长期沉降的理论基础( 图 2 7 ) 。 盾构外径 图2 7 图示等效地层损失对应的等效半径( 阴影部分 表示实际的等效地层损失发生的区域) 他还对不同深度的开挖进行了数据统计和分析得出如下关系： a 、埋深为9 7 8 m 时，拟合关系为_ ) ，( 功= - - 4 2 ，3 9 e2 “竹，i = 4 7 7 ，r = 0 9 6 4 8 ! 一 b 、埋深为1 0 3 7 m 时拟合关系为，( 功= - 3 7 5 1 em ，i = 5 3 9 ，r = 0 9 2 3 5 上 c 、埋深为1 1 3 7 m 时拟合关系为y ( 力= - 3 0 1 6 e 一，i = 6 4 ，矗= o 8 4 9 7 得出隧道埋深越大，其最大沉降值越小，而宽度系数越大。 n e l s o nk a w a m u r a “”通过对e v a n s t o nt u n n e