（市政工程专业论文）浅埋暗挖地铁车站施工期环境土体沉降变形及其对市政管线的影响研究.pdf

第一章绪论 。 概述 第一章绪论 1 1 1 研究问题的提出 避年来，世界范围内的城市化水平一直照现出不断上升的趋赞，即 城露数鏊蟊援模都不瑟臻翔摹曩扩大。改擎开放黻寒，夔着中邋缝渗戆毫 速发展，中国的城市亿进程氇大大翻快，戮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，预计到2 l 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 离遮发震，瞧带来了系列的城市环境问题，形成了所谓的“城市综合 疰”。i = 三要表瑷舞簸帝入翻怒键嚣、建筑空游捅耪、城审绿纯霹积减少、 交通阻塞。我国上海粕北京城区位于世界人口高密度城市之首，按国际 标准，已处于超饱和状态。据1 9 9 0 年统计，我国城市人均绿地面积只有 3 9 m 2 。距国家制定的人均1 0 m 2 的卫生标准和联合国建议的人均4 0 ，的城 毒绿蟪标准趣差甚运。交l 莲阻塞遣已成秀我溪许多城毒普遍载突爨闫 题，如北京市干遵平稳车速已眈1 0 年静阵低溉以上，甭且时遽正以每 年递减2 k m 的速度继续下降，据统计，市区1 8 3 个路口中，严重阻塞的达 6 0 。 缴观当今世界，发达匿家已把对城市地下空闻蛉开发利髑佟为鳃决 城帝入瑟、囊涿、臻缓三大危辊斡重要播藏彝医渗“辘枣综合痰”、实 施城市可持续发展的蹩嚣途径。城市地下空间作为新型国资源受到世 界发遮国家的越来越多的重视。自1 9 9 7 年以来，已召开多次以熄下空间 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 就寨交通走学工学硕士学位论文 宣言。在工程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日本、美国、法网和芬 兰等阑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 弱开发鄹矮，己成为毽器馁发疑趋势，并默憩 筝失簿量城市现代傀戆重 要标患。向地下要士趣、骚空阉己减为藏书笈疆的历史必然。交浅表明， 它是搬高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市密度、人牮藏体分 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 景鼹、减少珏境污染、改蛰城市生态的最露效途径。因此国际上不少学 者撵撼“2 l 整绝是逮下窆翔嚣发翻熏豹整纪”，著疆溺2 l 整鳃寒将有三 分之一的世界人口生活禚媲下空间是并不夸张的。 城市向三维空间发展，即实行立体化的再开发，是城市中心区改造 的唯现实的途径。发达阑家的大城市中心聪如纽约、巴黎等酃曾经出 魂；蓥囊予囱上帮疃形发裁瓣爱呈囊“遂城露缘”夔教调。“遂城帝纯” 表明，以高层建筑帮嵩絮道路为标志的城市囱， 部发展模式不燕扩展城 市空间的最合理模式。在对城市中心区进行改造更新与再开发的突践过 程中，形成了地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市空间构成 新概念靼城市的立体秀开发。在基本、j 美秘欧洲的一些大城市，睡6 0 7 0 年代戳亲都遂抒了立钵纯孬开发。蘧下空瓣熬充分囊矮蓬城蠢立莽耽 开发的主要组成部分。立体化再开发的结果，扩大了空间容量，提高了 城市集约度，消除了人车混杂现象，交通顺畅、商业更加繁荣，增加了 地面绿化，地面上环境优荚宽敞，购物与体息、娱乐相互交融。这样的 残功经骏篷缮我翻在城市建设中诺鏊与运建。发达国家察决骧零“交逶 难”姻主要措施是发震高效率的遗下有轨公共交通，形成四通八这的瑰 下交通网。根据预测和分析，我国特大城市冉勺主要干道在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， 只选瘸离流量的有轨交遥系统方案才行。离架道路对城市景溅、嗓声 2 第一章绪论 和震动的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。除已开通北京、上海、天津、广州的地铁外，正在兴 建的有北京地铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁等，此外 已经国家批准和正在筹建地铁的城市有成都、杭州、青岛等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。 1 1 2 研究的目的和意义 地铁交通具有方便性，快速性及安全性，并能够节省地面空间。然 而，城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内部进行的，其开挖施工将不可 避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转 化。地下岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度， 将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。而地铁线路一般都会 穿过人口密集、地面建筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，该 区段对施工产生的地表位移和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍 有失误，将会造成不可估量的损失。 地下管线是城市的血管，其种类众多，有上水管、下水管、煤气管、 油管、各类通信、信号、电力电缆等，这些管线牵一发而动全身，对于 地下管线来说，由于受到地铁施工影响可能会因变形过大造成煤气泄 露、爆炸、水管爆裂形成水患，电缆断裂造成停电或通讯中断等事故。 这些都将严重危害生产建设和人民生命财产安全，造成很大的直接和间 接经济损失以及社会纠纷。 地下开挖必然会引起地表的沉降和变形，尽管此类变形有时十分微 小，所造成的苊害也不大，然而要完全制止变形是很困难的。因而只能 根据地表保护的要求，采取有效措施来减小变形，使得地表房屋、道路、 北京交通大学王学颈学位论文 镑线等建筠) 筑锈纂至受至l 攘窘，袈态繇麓不至恶纯。蕤着辕素逸铁隧 道工程在我国戆蓬勃发展帮大蘧掩绥麴修建，秀了豫证隧遂工程黪遴褥 以及周围( 建) 构筑物的安全，深入汗展隧道工程施工力学研究，提出较 为可靠的由隧道开挖引起的地表移动及变形的预计与控制方法。并研究 对市政管线的安全性影响，提出防炽过大变形、保证地下既有管线殿车 站施工安全的技术措施，是具有现实意义的。 1 。2 国内外现状 人弼对适铁隧道嚣挖雩| 越瓣穗亵移秘帮变形颈诗己有一些经验公 式，磐嚣馨夔p e e k 公式，我鏊豹麓浇大学缝合瑗缓实溅羁蘧论疆究，糖 凑豹鹣e k 修正公式。j 方交邋大学张弥等开发出了预计隧道施工嚣鹣蟪 表沉降的专家系统。上海隧道股份裔限公司等单位开发了施工技术专家 系统可以对隧道旋工后的地表沉降避行预估。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提出了随机介质理 论，经过我国学者刘宝深、廖囡华、阳军生等的发展，随机介质理论融 逐步完善，也可用来对隧道施工厝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邋的实际施工过程，由于隧道结构及冀 蠲嚣岩分震静高度龚线性，圭l 鏊下工程戆开挖翊题其舂菲线性静瓣虢鞯 海玳，威因类掣敷岩性务掭鏊；蠹磊裂辩排舶剿翼下面上咧爷i 坼爹驻 畦蓖删孵蝼算捌翌静驾尚瀑捎熊鼍葑二崾琴 x 北索交通太学= 】= 学醺士量霉堕兰 受萎蚕震= 茎霎蠢萋嚣蓁震藤箔谝王对塑墅璧篓物及丝。 ；非鹾弓l l i i g g 二荔攀霹剥卜霎箍攫，噶j 珊- j 一臻；旧jl 士6 瞩篓篙坦一悝蠛 ；型? 蔷g 犟舌辜髟驴。层铸薹搴脚： 旰_ 密示i ，5 ；一；。i 酬鬟郴注罐捐二“型醚驯。征开；羹善矗i 置j 关薛渺场 辩杓；辩i 霸濞撸g i 、i i 一| ! 。i l | | 臻并善g 梵瓣f 茚甜；锱掣掣j 去二和加载方式，不仅 影响旖工期 内围岩的应力、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状况。 进行过程施工时不仅要强调自然的客观因素，更要发挥人们的主观 能动性。在岩体工程旌工期和竣工后的运行期间，围岩稳定性及有关的 经济效益不仅和其最终的状态有关，而且和达到施工最终状态所采取的 开挖途径和方法有关，从力学角度来说，这是一个非线性的力学荷载过 程，不只与最终状态有关，而且与应力路径及应力历史相关。根据岩体 及工程的具体特点，在经济合理的前提下因地制宜地运用开挖和支护手 第二章地铁苏州街站工程地厦条件及地下管线敷设情况概述 袭2 。2 瓣性特援艇深度变化表 主要土体含水量粘聚力 内摩擦角压缩模量 深发( 赫 密度 类激 蕊)c 疆p a ) 罅( 。) 噩拣p 8 ) ( k g m 3 ) 8 3a 工壤土 2 5 41 82 55 7 e 01 9 2 0 3 6 】 粉质粘土 2 4 84 21 76 8 0 01 9 3 0 卵石、砂、 6 1 2 8 8 2 7 80 3 58 8 0 01 9 8 0 匮砾 2 8 8 3 0 砂质粉土 2 4 44 41 8 41 5 1 0 01 9 4 0 3 0 一3 l粘十 3 1 5 7 92 0 。51 7 6 0 01 9 2 0 3 1 3 5 2 粉质粘土 2 l7 12 l 1 4 6 0 01 9 8 0 3 5 2 3 8 2 耱缓旗 2 3 ，67 02 1 51 6 9 0 02 0 i o 3 6 2 3 7 1粉质粘土2 0 67 22 0 53 0 6 0 02 0 4 0 3 7 1 3 7 7 糖疆耪主 2 1 87 82 3 ，52 9 2 0 02 0 l o 3 7 ，7 3 8 1砂质粉t 2 5 3 4 81 9 52 5 4 0 01 9 9 0 3 8 1 3 9 耪磺粘土 2 7 15 61 4 51 7 8 0 0 1 9 4 0 砂质粉土 3 9 4 l 。5 l ? 。 毒6 1 43 2 8 0 02 1 3 0 和细移 2 ，2 苏州街站工程概况 2 2 1 工程概况 拟建苏州衡站的有效站台中心星程为k l + 3 5 6 5 0 0 ，车站主体憨长 1 9 n 1 黼( 含结捻乡 缘) ，憨建筑嚣积l 转7 弱2 茁，其中主体结梅瑟积为 7 9 1 3 8 m 2 ，附属建筑面积为2 8 4 2 4 m 2 。车站为双层暗挖( 局部单层暗挖) 直线侧式车站，站台类激为分离岛式。双层暗挖段宽2 2 5 0 m ，墁深6 0 7 濑；摹袋潼挖袋宽1 6 2 蕊，瀵深j 2 1 3 辩；车菇绩聿每底板捶深终2 3 。龇。 车站中心熙程k l + 3 5 6 5 0 0 处轨项标离2 9 7 7 m ( 埋深约1 9 7 0 m ) 。 9 良寐交运大学工学攒士学位论文 图2 2 苏州街站恩平恧示意图 2 2 2 车站主体匿岩稳宠性分析 车站结构底板：持力土层土质为卵石，圆砾层，局部细砂、中砂层， 跨为￥l 级藁瓣。速层老镶分毒鞍均匀、髂整落稳定性较努。 车站结构顶板：车站两端双层暗挖段顶板处的土层主要为粉质粘土 层，均属v i 缀围岩；本站中部单层暗挖段顶板处的围岩为卵石、圆砾 鼷，疆￥l 缀圈砉；缨砂、中移凄，溪￥缀国表。骧主基寿鑫豫缝力 麓，自稳时间短，在地面交道重载引起的震动作用下，难以形成自然应 力平衡拱，开挖时极易造成塌方，应采取地层预加固嗣超前预支护措施， 镄僳蕤工安全及逢瑟稳定。 车站边墙：边墙穿过的土层有粉土层，细砂，粉砂层，粉质粘土层 等。凶洞室开挖断面尺寸大，结构边墙嗣岩自稳能力很差，在地 f 水作 瓣下强度大大降低，荔发熏，鬟| | 壁鬓塌，瓣建应及嚣避行预热霞帮窈步支 护。 车站洞室开挖跨度、断面尺寸较大，围岩总体自稳性较差，囱稳时 润蘧，矮采取可靠支、防护维穆帮措施，并应燕强藏工动态蓥溺。睡挖 施工过程中，应根据施工断面，采取以台阶法为基础的分步开挖法，并 辅以地层预加固、超前预支护措施和降低地下水位镣措施，确保施工安 l o 第二章地铁苏州衡站t 程地蔟条件及地下管线敷设情况概述 全及地面稳固。 2 3 苏椭衡站地下管线敷设情况 拟建苏州街站站址周边为发展比较成熟的城市环境，重要的建筑物 较多。蘩麓蠲边秀发震魄较戚熬静骧帮繇境，沿线戆下设施较为滋集， 一些重要的市政管线设施程拟建场区穿越，包括有溺水管、雨水管、电 力管、热力篱、液化气管镶，埋深约程2 5 9 m 左右。 施工区域遮下营线分稀示意图觅圈2 + 3 。 蚕2 。3 燕王送壤地下罄线分毒示意掰 北京交通大学l = 学硕士学位论文 重要管线型号及管材等特征见表2 3 。 表2 3 施工区域主要地下管线类型及特征表 序号 管线类型 规格位置管材 1 电力管沟 1 2 0 0 1 8 0 0 西南出入口混凝土 2雨水方沟 2 4 0 0 1 3 7 5 车站主体混凝土 3 雨水管 d 1 5 0 0 车站主体混凝土 4污水管 d 7 0 0 车站主体混凝土 5 污水管 d 5 0 0 车站主体混凝土 6 污水管 d 4 0 0 车站主体 混凝土 7 给水管 d 8 0 0 东北出入口铸铁 8给水管 d 7 5 西北出入口钢 9 燃气管 d 2 0 0 东北风亭 钢 1 0热力管d 6 0 0 2东北及西北出入口、风亭钢 l l 雨水方沟 2 4 0 0 1 3 7 6 西端风道挑高段混凝士 1 2雨水管d 1 5 0 0东端风道挑高段混凝七 1 3 雨水管 d 7 0 0 西端风道挑高段混凝土 1 4污水管d 5 0 0 东端风道挑高段 混凝土 第四章地谈施上过程中环境土体扰动变形情躐研究 第三章地铁苏州街站施王过程中地表沉降现 场监测研究 3 。 盗测方案 对于地表下沉，底部隆起的监测，谯喷射混凝土后迅速在测点处设 溯桩，傻攫精密零准纹教镶镄足送孬爨灏。车蘩主髂繇分缀良溅焱阗薹垂 为6 m ，在各弹洞及中洞拱顶布设监测点。 井口设监测点1 8 个，地表设监测点1 0 2 个，拱顶设监测点7 2 个， 瀵室毂敛弱个。 地面沉降检测结果每周上报一次。 下图为苏州街车站主体双层段监控量测设计图，如图所示，备导洞 及孛满揆颓对波建嚣点楚蠢设滚终整测点，震翻三惫影表示。 图例；地面沉降：v 图3 1 窜站双层监控爨瀑4 设计示蠢圈 1 3 爹簟i拳。一 敬寨交通大学工学颈士学位论文 3 2 地表沉降的现场测试分析 2 垂年1 1 月1 3 强，主体导漏开始麓王黻蔻，对圭也表沉降点进行 了秘始篷豹采集。瑶霄豹溺蕴测掇告麸2 0 0 4 年i l 秀1 3 霞至2 0 瀚年2 月1 1 日。 裘3 1 车站主体两个断厩0 5 年5 月2 8 日到6 月4 日沉降监测统计液 初始值 上次观测值本次蕊测馈沉降值累计沉降馈速率 羹程编号 ( 攘)f 基国砖瑚( 戮莲) + 6 0 0d 1 5 0 1 3 2 9 25 0 - 1 2 6 8 85 。1 2 7 7 80 j 9 0 1 3 6 5 0o o l + 6 0 0d 1 24 9 8 7 3 8 14 9 8 6 3 8 24 9 8 6 3 2 8o 5 41 9 9 7 00 0 0 + 6 0 0d 1 - 35 0 0 5 5 6 35 0 0 4 6 6 7 5 0 0 4 1 6 l 6 0 6 2 4 0 9 00 3 堂 + 6 0 0d 1 45 0 1 5 9 6 65 0 ，1 5 0 6 2 5 0 1 4 9 6 6- o 9 61 8 8 6 0* o - 0 1 懿 + 6 d l 。55 0 。8 3 4 甜5 0 0 2 8 3 2弱，e 2 7 4 7，0 8 5 1 2 ，7 l o0 瑚 主 + 5 2 8d 7 14 9 ，6 7 8 4 9 6 6 5 0 9 4 9 6 6 5 国。0 91 3 t 4 前。o l + 5 2 8d 7 24 9 4 4 7 2 14 9 4 3 0 3 24 9 4 3 0 1 2o 2 01 7 0 9 00 3 体 十5 2 8d 7 - 34 9 5 8 2 5 54 9 5 6 2 1 3 4 9 - 5 6 2 6 80 5 5一1 9 8 7 00 0 8 + 5 2 8d 7 44 9 7 3 4 0 44 9 7 1 5 0 04 9 7 1 4 6 7。o 3 3一1 9 3 7 0* o 0 5 5 2 8d 7 54 9 。5 8 0 8 44 9 5 6 5 5 94 9 5 6 5 3 4o 2 5一1 5 5 0 0一o 0 4 笋磊为巍令龚鍪颧甏5 令溅点簌秀始蒸溺鬟六导漏开琵宠威沉降 情况变化曲线。 1 4 第四章地铁施工过程中环境土体扰动变形情况研究 0 0 0 i ! ：i ! ! ! ! ； 2 | t 。，。z 。t s e tt 。t s 。t 5 0 0 一一1 0 0 0 一c 7 一l 皇 x c 7 2 遥一1 5 0 0 + 一c 7 3 世 一c 7 4 蛙一2 0 0 0 二茧溪 * 一c 7 5 一2 5 0 0 开挖历时( 天) 囤3 2k + 4 2 0 断面各测点沉降变化历时曲线图 注：c 7 - 1c 7 - 2c 7 3 c 7 4c 7 5 分别对应k 1 + 4 2 0 断面中洞拱顶及上面3 个小导 洞拱顶地面点。 图3 3k + 4 0 8 断面各测点沉降变化曲线图 注：c 8 1c 8 ，2c 8 3c 8 4c 8 5 分别对应k 1 + 4 0 8 断面中洞拱项及上面3 个小 导洞拱顶地面点。 图31 车站主体部分典型断面测点地表沉降曲线图 北京交通大学工学磺士学位论文 从图中可以看出： 测点有比较甓聂的沉酶变诧区蠛，葵对盛瓣对闻分舅穗踺应手主 体下部导涧开挖通过时间( 开挖3 l o 天时) 和上部替洞开挖通过时间，蕻 巾下导洞开控时鼯个断蘑平均沉降了l ? 。9 8 m m ，上母洞开挖对两个断蕊 平均沉降为4 1 4 姗。( 觅表3 2 ) 两个沉降曲线的第一个沉降区域时问明显较第二个沉降区域时 润长，这与实际麓工情况穗符合。下部静漏因主癸缱予砂郛石绝层，施 工进度较慢，持续时间较长；上部导洞拱部因主要位于粘土层，施工进 瘦较抉，持续瓣蠲较短。 两个断面第一个沉降区域沉降速率较第二个沉降区域沉降速率 大，这主要是毽失下部导溷戆工潜掌子甏阚距鞠躐不大，造成饕漏效痰 明显，沉降速率较大。而上导洞掌子面间拉开距离相对较大，且施工谶 艘均较快，对地表的影响较小；沉降速率较小。 对k l + 6 0 0 断面的几个点( d l l 、2 、3 、4 、5 ) 来说，d 卜2 位 于未施工的车站中拱上方，没有两侧导洞上方的点叭一l 和d l 一3 受单边 等洞开挖的影响大，但是它嗣簿受左右簿漏施工静彰璃。最终三点的累 计沉降值相麓不大，且速率基本相同，同样说明群洞效应对沉降的重骤 终矮。 导涧全部通过断面一周后，地表沉降值即趋于稳定，这说明影响 圭黩表演簿斡主要嚣索为潺室豹开挖。镬嵝支护宠袋、溺室成为耀含驹稳 定结构后，地表沉降明显减小。因此，在施工过程中，控制的重点应为 每一循环歼挖的时间鄂漏室闭合成环的瓣问。 上部导洞和下部导洞开挖过程中，地表沉降有一明鼹的分界， 阁此，可以推断，在聪续的衬砌拆除施工中，地表将出现另一次明显的 沉降。 】6 第四章地铁旖下过程中环境土体扰动变形情况研究 综合上面的两个典型断面沉降情况可以知道，在下导洞施工时 有一次沉降区域，同样上导洞的施工也会产生沉降区域，多次导洞开挖 的情况下会造成土体多次扰动，从而造成多次的地表沉降区域发生。在 今后的中拱开挖时，结构施工时地表沉降都将进一步增大。 表3 2 两断面各点累计沉降僮统计表 断面编号累计沉降值( m )下导洞开挖影响值( m )上导洞开挖影响值( m ) c 7 12 0 1 91 6 o l一4 1 8 c 7 22 3 0 61 8 1 24 9 4 k + 4 2 0c 7 32 4 5 42 0 7 53 7 9 c 7 42 5 3 92 1 2 64 1 3 c 7 52 7 1 52 5 0 32 1 2 c 8 11 4 5 51 0 2 24 3 3 c 8 2一1 8 3 6一1 4 1 8 4 1 8 k + 4 0 8c 8 32 0 9 81 6 5 54 4 3 c 8 4 2 3 3 3 1 8 ，9 84 3 5 c 8 52 3 6 51 8 6 64 9 9 平均值 一2 2 1 2一1 7 9 8 4 1 4 j 寨交通丈学工学颈士学挺论文 第四章地铁施工过程中环境土体扰动变形情 况研究 4 1 1 薄鳖性增量本构关系 弹塑性翊题属予末手料# 线性溥题，应爨不仅依赖于当前鹃墩力状态， 而且还与整个加载历史有关，所以，从实际意义上讲应力与应变关系只 能是增量关系，相应的逖代解法也只能是增徽形式的解 对予撵塑性闯题，憨癌变孝可分为弹性成变分量毫，程塑性痰变分量 鼻；对于应变增量，帮肖：d 孝= d 墓+ 矗毛a ( 4 1 ) 岩士材料屈服条件( d r u c k e r p r a g e r 准则) ： d r u e k e r p r a g e r 滩l 贝q ：螺+ j i = 爱 ( 4 2 ) 泼：磊= 最，1 + 0 歹i 一甏 ( 4 3 ) m o h r c o u l o m b 屈服准贝0 扣岍佤( c o s 学一去s 呐。s 多 ( 4 4 ) 葜中 挣：知一t ( 一娑连) 3 、 2 r ，i 口：下删驶一， 麟；毒堕婴l 口= = 一，五；= ：一 3 ( 3 一s i n 妒) 3 ( 3 一s i n 妒) 篱露章逸铰掩上过程串强境主体抗动变黟媾况积究 藏口：兰避堡， 3 ( 3 + s i n 妒) k ；! 竺! 壁 3 ( 3 + s i n 庐) 式中，c 为粘聚力，妒为内摩擦角 流动浚剡： 蠢毛。菇| ；l 警 ( 4 5 ) 口u 式中，磊芑o 为比例系数 一致性条件：反映增量荷载a p 很小时，应力点落在新的加载厩上的 一致 生条件。 4 1 2 戳a e 软件在工程巾的痰用簦介及箕优簸点 近年来，各种数值模按技术在岩力学中裔了很大的发展和广泛的 应用。然而，这些数值分析方法或多或少在理涂上或采用的算法上存在 着各自的局限性。例如有限元法和边界元法都肖小变形的假设，且需要 大量的巍存处理。国内现存黥离教元分辑一般都啜定离数块体为剐性 体，不诗其本身的变形。聪杰垂年发展起来熬快速季立穆朝弱分辑( 融s t 对每个簟元 图4 1 拉格朗曰元法的计算循环 1 9 l a g r a n g i n a n a l v s i s 0 f g o n t i n u a ，常 麓稼必 f l a e ) ，则 是在较好地 吸收上述方 法的优点鞫 克鞭蓑缺点 的基础上形 成的一种新 北京变通大学工学硕士学位论文 型的数值分析方法。 瓢a c 怒美国1 1 i a s c a 咨询集团公司歼发的一种应力分析软件。曾 先虫c 娅d a l l 在2 0 越纪8 0 年饯提如劳将其程序化、实髑纯。舆有界灏 友好，计算能力强，使用简单等特点，并附有功能强大的前后处理器， 使诗舞模菝过程囊躐翡了，在莓际岩器广为滚簿。广泛应矮予透坡稀 路基的设计与稳定性分析、浅基和深基工程、土石坝和混凝土坝设计、 隧道阐岩稳定性评价与支护设计、采矿工程设计等方面，是岩土工程中 熬一耱重要磷究工凝。同慰，该数值分援方法还褥考虑键抒、摆壤等 支护络构与围岩的相互作用。 a c 鏊奉原理闻于离散单元法，毽它却像有限元法那样适靥予 多种材料模式与边界条件的非规则区域的连续问题求解。f l a c 又采用 了离散元的动态松弛法，不需要求解大型联立方程组( 刚度矩阵) ，便 于在徽粳 上窭褒。舅方甏，弱叛往熬羞分分耩穗篦，f l a c 在以下足 个方面做了较大改进和发磁：它不仅能处理一般的大变形问题，而且能 模拟菜岩体溉某一弱面或缩构面产生的淆动变形。f l a e 还能针对不简 材料特性，使用楣墩的本构方程来比较真实豹反映实际材辩的动态符 为。 挝捂朗西元法豹名诱源予流体力学。程流侮力学中磷究滚钵矮点运 动的方法有两种：一种是定点观察的方法，称为欧拉法；另一葶申是随流 观察的方法，称为授格朗日法，后者是研究每个流体质点随时间而变化 戆情援，邵羲眼于菜一个滤体矮点，磺究它在任戆一段利闼蠹定凄的城 迹、所具有的速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，将所研 究盼区域翻分成网穆，璇在阂格豹节点就稿当予流体的质点，然后按辩 步用拉格朗翻法来研究网格节点的运动，这种方法就稼为拉格朗日元 法。这种方法最适用于求解非线性的大变形问题，在岩土力学中有重要 第凹章地铁施工过程巾环境土体扰动变形情况研究 的应用，它与离散单元法一样，系按时步采用动力松弛的方法来求解， 不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于 用微机求解较大的工程问题。 f l a c 3 d 软件有以下几个优点： 1 ) 对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是混合离散法。这种方法比有 限元法中通常采用的离散集成法更为准确、合理。 2 ) 即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得f l a c 3 d 在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。 3 ) 采用了一个显式解方案。因此，显式解方案对非线性的应力一应变 关系的求解所花费的时间，几乎与线性本构关系相同，而隐式求解方案 将会花费较长的时间求解非线性问题。面且，它没有必要存储刚度矩阵， 这就意味着；采用中等容量的内存可以求解多单元结构；模拟大变形 问题几互并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度 矩阵要被修改。 当然，它也存在以下几个不足之处： 1 ) 对于线性问题的求解，f l a c 3 d 比其他有限元程序运行得要慢： 因此，只有当进行大变形非线性问题或模拟实际可能出现的不稳定问题 时，f l a c 3 d 是最有效的工具。 2 ) 用f l a c 3 d 求解时间取决于最长的自然周期和最短的自然周期之 比。但某些问题对模型是无效的。 f l a c 3 d 中为岩土工程问题的求解开发了特有的本构模型，总共包含 了l o 种材料模型： 1 ) 开挖模型n u l l ； 2 ) 3 个弹性模型( 各向同性，横观各向同性和正交各向同性弹性模 犁) 北京交通大学工学硕士学位论文 3 ) 6 个塑性模型( d r u c k e r p r a g e r 模型、m o r h c o u l o b 模型、应 变硬化软化模型、遍布节理模型、双线性应变硬化软化遍布节理模型 和修正的剑桥粘土模型) 。 4 2 苏州街地铁车站建模分析 选取苏州街站双层暗挖段的一部分作为模拟开挖的对象，开挖里程 为6 0 m 。六导洞法施工，在导洞开挖过程中选取不同开挖顺序，进行施 工优化。 由于城市地铁隧道工程一般接近地表，岩土体结构相对疏松，构造 应力常常可以忽略不计，初始应力场可以假定为重力场，用有限单元法 计算在自重作用下地下工程的开挖时一般采用反转应力释放法进行计 算。隧道开挖前围岩处于初始应力状态f a ) o ，以及与之相适应的初始位 移场( u ) o 。沿开挖边界上的各点也都处于一定的原始应力状态，隧道开 挖后，因其周边上的径向应力矾，和切向应力- r 都为零，开挖使这些边 界的应力“解除”( 卸荷) ，从而引起围岩变形和应力场的变化，对上述 过程的模拟通常所采用的方法是邓肯( j m d u n c a n ) 等人提出的“反转应 力释放法”，即把这种沿开挖作用面上的初始地应力反向后转换成等价 的“释放载荷”，通常的做法是根据己知的初始应力，进而求得沿预计 开挖的洞倒边界上各节点的应力，一般假定两个节点间应力呈线性分 布，反转洞周边界上各节点的应力方向，即改变其符号，可求得洞周边 界上的释放载荷，然后施加于开挖作用面进行有限元分析，把由此得到 的位移作为由于工程开挖卸荷产生的围岩位移，由此得到的应力场与初 始地应力场叠加即为开挖后的应力场。 对j ：被挖掉单元的处理，从理论上讲，被挖去的单元没有刚度。然 托求交适大学工学硬士学位论文 盱闹 f 8 开挖主体结构土体至 8 | j_ _ 】 | j” 谤拭警j 舞一 中叛以下。 窿上lf 。r l 往垴 |f ilf f 1 。一= ：= = j l = = ：= = = = l = = = = = 剖 心f：丫可、l 1 ji ，l l 一 | p |；蒂一；一一、l 9 ，藏作主体结秘审援及 9 | | | | | | 井枢、硝佟、千木 部分边墙二衬。 口j 1i j “j 11 lj 上目】 | |j ；l ! | ，砖孑。童j s t 譬多? 冷尊： 1 0 以“v ”型向下弹挖主 i o 工 、萨1 俸缝擒中羲鞋下主体至 设计位置。跳槽汗挖主 】， 。7 体内上体，施作底板及 ， 一t ； 一一一& ，l q ，壤车蘩结构 詹= 刁 一一【一d l 1 e 一一 合。 j= = = 第靼章速铁施工过程中环境圭俸抗动变形猜 冀研究 缮一乒： 髟尹 i 麓 、 1 1 _ h * hl 1 1 歼挖完主体内土体， 施作剩余底板及边墙结 绷 稳，耀合全部车懿缝梅。 l 一j 一“上= ：= | ”| l ：i 罐 彩黎苛t 歹 麓 1 2 攘俸站台扳及奄站蠹 o 1 2 7 * 、 q 附属结构。 1 、 7 | j 4 2 2 计算模型的建立 4 2 2 1 模懿基本假定 材料采用摩尔库仑准则、大应变变形模型计算： 瑕定器层力学憋质援同； 模拟计算中，出于简化计算的需要将地质情派进行了概他，地壤 情况概化后地层分为1 0 层，概化模型阁及其具体力学参数表如下。 ! ! 室銮跫奎兰三兰堡杰兰竺丝奎 一 翻4 2 土体分屡示意图 表4 2 体各屡力学参数袭 士层编 密度体积模量剪切摸董内摩擦角粘聚力静止侧压 土件厚度( ： ( k g m 3 ) ( m p a ) ( m p a ) ( o ) ( k p a ) 力系数 l 杂壤土 2 21 9 2 01 2 8 26 6 21 5 02 5 oo ，了4 2粉士填土2 o1 9 3 0 1 9 2g 02 7 04 0 00 4 3 耪圭 2 。82 2 3 03 4 ，l2 l ，8 2 5 02 6 80 3 5 4粉质粘卜 4 12 0 1 03 8 12 2 72 6 04 0 o0 4 0 壤砂3 21 9 8 0 4 & 92 8 81 8 e1 0 。0e 3 6 3 6嘲砾1 82 1 3 04 2 5 3 1 91 8 05 。0o 2 5 7 中砂 8 8i 9 9 04 2 93 0 o1 8 o8 oo 3 6 3 8 粘艟粉t 2 42 1 3 03 3 12 0 8 2 5 o 4 0 o0 3 5 9 粉麟粘士 8 12 0 l o3 8 12 2 72 6 o4 0 o0 4 0 1 0卵嚣7 ，82 2 3 04 5 5 3 3 91 8 o5 oo 2 s 以上参数根据钻孔实测资料及计算得到。 开挖步长设定为6 0 m ，按羧定工瘁各导溺错距同时施工； 地朦和材料的应力应变均在弹塑性范围内变化，地应力场由藏 力鑫魂生或； 第四筚地铁施工过程中环域七体扰动变形情况研究 不考虑地下水在施工过程中的影响。 毒。2 2 。2 搂篓l 基本说骤 模型尺寸取车站烹体双层开挖段，沿隧道纵向为6 0 m ；横向左右锫 取车站宽度的3 倍，总长为1 9 3 2 m 。模型上边界敬掇地表，下边界敬 至车站络构底部以下2 7 m 深处，总蠢度为5 1 0 5 5 m 。计爨模型网格划分 魏强4 + 3 蕊示，蒸鸯4 9 6 个擎元，5 3 8 0 2 个节点。采瑗六导漓法施z ， 即在主体下部边导洞内施工条形基础，主体下部中导洞内旆工主体底纵 梁，在主体上部边导洞内施工挖孔桩殿桩顶冠梁，主体上部中导洞内施 工主体疆缴梁。六等澜嚣控诗算模型黧翔图4 。4 掰承。 a ) 整体 b ) 车站主馕郝分阚牾割分 圈4 3 车站开挖刚格剖分模型图 北京交通大学工学硕士学位沦文 a ) 正面 b ) 车站主体部分模型 图4 4 六导洞开挖计算模型图 边界条件：模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动，底部 限制垂直移动，上边界为自由面。 4 2 2 3 支护结构的模拟及加固措施的简化 在地下洞室的施工过程中，通常需要通过支护结构来保持围岩的稳 定性和满足地下结构的正常使用功能。采用有限单元法可对施工过程中 支护结构的作用效果进行有效的模拟，在计算中支护结构常常用杆梁线 状单元、板壳面状单元以及实体单元等进行模拟，譬如用杆梁或板壳来 模拟支护，常常需要先进行“空单元化”，然后在合适的载荷步中恢复 其刚度等材料属性，来实现支护的功能。当用实体单7 i 来模拟预支护结 第四章地铁施工过程中环境土体扰动变形情况研究 构时，一般是通过在合适的载荷步中对围岩单元利用重新赋予材料属性 的功能来实现，当用实体单元来模拟一般的支护结构时，需要在合适的 载荷步中利用对先前挖掉的“空气单元”重新赋予材料属性的功能来实 现。但在实际施工时，各种支护体与周围土体会发生各种复杂的作用， 从而会影响其周围土体的物理力学性质，而这种作用是非常复杂的，只 能进行一些近似的模拟。 在本次模拟计算中，隧道结构的有限元计算采用隧道与地层共同作 用的受力模式，模拟分析各种施工顺序对地层和隧道结构的受力与变形 的影响。在现场隧道开挖过程当中，为防止开挖引起的洞周围岩的垮塌， 通常根据围岩类别采用锚杆、超前小导管注浆和管棚等支护措施对其进 行加固处理，以提高围岩的稳定性。锚杆等加固的有限元模型，目前仍 是国内外正在研究的课题。根据文 3 3 3 4 以及已往的工作经验，锚杆 的主要作用并非其自身强度对整体结构的贡献，因为在整个系统中，锚 杆刚度和周围岩体刚度相比是微不足道的，而锚杆的真正作用是在施工 过程中起到及时加固，限制塑性区的发展，使岩体能保持较好的连续性 和整体性，从而能够很好地起到自承作用。所以，通常在锚杆模拟计算 中采用提高周围部分土体c ，f 值的方法。在有限元计算时，依据文 3 5 及现场经验，建议将围岩参数中的c ，f 值提高3 0 5 0 。本文采取在 六导洞开挖及中洞开挖时将初期支护外o 5 m 范围内的土体c ，f 值提高 3 0 。 本次开挖中初衬及二衬材料类型： 初支：c 2 5 ，e = 2 8 0 0 0 即a ，u = o 2 5 二衬：c 3 0 。e = 3 0 0 0 0 m p a ，u = 0 2 5 钢筋混凝土柱：c 5 0 ，e = 3 4 5 0 0 m p a 第疆章地镶施工过程串薛壤土体扰动变形情搅姘究 豳4 。t o 卜黔2 啪 6 - 5 顺序辱洞开挖完成盾流降槽曲线图 豳411 六导涧开挖完成后地表最大沉降观测点历时曲线 3 。漩序1 2 3 4 5 8 开挖完成后地表横断面沉降槽曲线如下图示 藏衷交通犬学工学顿士学谴i 龟文 图4 1 2 卜2 3 4 - 5 6 顺序导洞开挖究成后沉降槽曲线图 圈4 ， 3 六导涌开挖完成后避裘最大沉降疆测点历时曲线 6 母洞开挖完成后三秘方案她露沉隆慎提对比如表4 4 示。 由于地面沉降变形是本文研究的冀点，所以从沉降角度比较分析， 方案三( 1 - 2 。3 4 - 5 6 ) ，鄯先下葶渝后上导漏，先边露洞后中导洞韵施工 顺序最为合理，沉黪变形没有超过趣定的容许僮，毽也已簸于预警谴外， 在后续施工步骤中疆采取相应措施。 在方案三基确上遥季亍车站主体双鬣模拟段其他施工步序。 第遥章蛾铰魏工过程中环壤 ：体扰动变形请撼婿究 表4 4 兰种方案地灏沉降情况对比袭 逸嚣凝降( 跚) 方案评侨 平均使最大值 方案l ( 3 2 1 6 5 4 ) - 6 5 53 1 。9 2 3 0 m ，不允许 方寨2 ( 1 3 群孬5 ) 每6 61 3 3 蠡l 3 漉m ，不允译 最大值在2 0 n l m 一3 0 m m 之间，处于 方案3 ( 1 2 3 4 5 6 )1 5 0 4。2 4 1 0 警戒线外，成采取措旌 4 4 后续施工步骤的数值模拟 前面完成了六导洞的开挖，接下来的工序是： ( 1 摭、柱、底缀梁藏工： ( 2 ) 中洞开挖扣拱； 中洞开摭裁采取预加阉措施，加围区范围如下图示，加固措施为将 潮阉区城内体豹e ，f 蕊援离3 0 。 ，一蕊固区 黧4 + 4 中漏并掩羰加固区藏示慧瓣 ( 3 ) 拆除小导洞初支，施作拱部- 衬；开挖主体结构土体，施作 中楼板及部分边墙二衬； 北京交通大学工学硕上学位论文 ( 4 ) “v ”字型开挖土体到设计标高，跳槽开挖主体内土体，旖作 底板及边墙结构； ( 5 ) 开挖完主体内土体，施作剩余底板及边墙，闭合全部车站结 构。 4 4 1 地表竖直方向变形情况分析 4 4 1 1 地表观测点沉降历时曲线变化 图4 1 5 地表观测点沉降历时曲线变化图 由上图看出，模拟施工过程中沉降历时曲线呈台阶状，这说明沉降 速度具有明显的变化，导洞开挖尤其是下导洞开挖过程中沉降速度比较 大，往后沉降减缓，到中洞开挖沉降速度又有一定的增加。 第四章琏铁境工过程中环境体扰动变形情况研究 4 。4 1 2 开挖嫩程中地表沉降槽曲线变化 1 ) 2 ) 北京交通大学工学硕士学位论文 4 ) 薰嚣章琏铁麓王进程孛环境士俸撬动变形翡溅磷宠 5 ) 圈4 1 6 对疲嚣施工步建表沉降槽躲线圈 注：1 ) 、2 ) 、3 ) 、4 ) 、5 ) 黠瘟务施王疹宠藏辩 对以上不同阶段静沉降耩曲线及遣表竖直位移变形历时曲线迸行 分析，可得出以下结论： 六导洞开挖完成后，导洞拱顶沉降最大；由于群洞效应的影响，两 嚣洞问的地面沉降大于导涧外侧的地面沉降。六导洞拜挖引起的地面沉 降变形在所有藏工步中占的魄铡最大； 表4 ，s 锫羔黟撬王过程孛产生豹滚爨僚瓣 e 衰 施工步序6 导洞 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 ) 累计值 施工 沉降值 2 4 m m3 m m6 m m2 m m 3 m m4 m m4 2 m m 所占比例 5 5 8 7 5 1 5 0 4 6 7 - 5 9 6 1 0 0 隧中跨土俸开挖及后续步枣斡麓骰，车站中心线处鹃楚矗淀降逐海 疆大； 开挖过程中地表沉终逐渐增大，施工完成时最大地表沉降为4 2 m m ， 4 l 北京交通大学工学硕士学位埝空 对沉降影响最大的两部分分别为导洞的开挖( 2 4 m m ) 和开挖中跨上部土 体( 6 m m ) 。 4 菇。l + 3 篷壹方彝位移变彩筹建线器淡变馕潍及努蕾 表4 6 施工避援审竖赢方自位移蛮澎簿馕线圈变 l ：译表 4 2 第四章地铁拖工过程中环境土体扰动变形情况研究 4 3 北京交通大学上学硕上学位论文 第四章地铁施t 过程中环境十体扰动变形情况研究 顶。车站主体周围形成v 字形沉降区域，沉降值维持在3 c m 4 c m 。底部 隆起量没有明显变化。第三步完成后中洞拱顶沉降量有所增加，达到 6 5 c ，车站主体周围v 字形沉降区域有增大迹象，v 形区域外围沉降值 在l c 3 c m ，核心部分沉降值为3 c m 4 5 c m 。底部土体隆起量有所增加， 达到4 5 c m 。第四步完成后中洞顶部大沉降区域面积减小，沉降量维持 在6 5 c m 左右，这是因为边墙结构施做后缓解了对中洞拱顶的压力。周 围v 形沉降区基本维持原状，沉降量在l c m 4 c m 。车站结构全部完成后 等值线图基本呈左右对称分布，中洞顶大沉降区域进一步减小，沉降量 也有所减少，最大沉降量在6 2 c m 左右，周围v 形沉降区域沉降情况保持 稳定。 由此可见对土体扰动作用最明显的施工步骤为六导洞开挖和中洞 开挖，因此这两个过程中一定要做好支护措施，这样将有效控制最终沉 降量。 4 4 2 水平方向位移变形等值线图演变情况及分析 表4 7 施工过程中x 方向位移变彤等值线图变化表 4 7 乾京交遂丈学王学疆土学位论文 第四章地铁施工过程中环蟪土体扰动变形情? 兕研究第四章地铁施工过程中环蟪土体扰动变形情? 兕研究 北京交通大学t 学硬十学位论文 5 0 第四章地铁旖工过程中环境土体扰动变形情况研究 5 l 北京交通大学工学硕士学位论支 由以上x 方向位移褥值线图系列可以看出，六导涧开挖完成后，在 下导洞侧壁很小范围内出现较大的x 方向位移，最大值为4 1 3 c m 左右，藤 显左蠢翻壁位移方蠢穰及。勇羚车辇主体区域袁上方秘左下方形减弱麓 变形区域，变形量大概往1 伽2 c m 。而左上和右下区域蹙形量明显较小， 在0 c m 1 c m 。桩、柱、底纵梁施工完成后x 方向位移等值线图没有大的 变纯，凝丈变形量略蠢减套，交4 。1 e m 。中潺聂挖完成嫠据摸螽，中澜 上方左右地表附近区域漱现 较鲳显的位移变形，且左右方向相反，位 移量均为3 c m 左右；另外车站下导洞侧麟位移依然为4 o c m 左右。第三步 完成后地表附近变形区域面积有减小的迹象，车站周围形成比较均匀的 交形嚣，变形量在0 。5 c m 2 & 覆。车鼙下霉瀵左右键蘩毽移谤嚣无变纯。 第四步究成后中洞上方左右地表变形蹶域没有进一步的发展，v 形开挖 左右边界处出现变形，变形量在3 5 c m 左右，车站左下区域变形量得到 遏制，变形量减，j 、到1 m 1 5 c m 。车站络梅全部完溅爱最大变形嚣域 嚣积狠，j 、，位于车站巍援下摸辩楚，鬣大变形量为3 8 c m 左右。而右半 部分变形量略大于左半部分，左边位移量为1 5 c m 2 0 c m ，右边位移鬣 为1 o c m 1 5 c m ，这种熬弊与施工顺序肖关，后续施工顺序为先左后右， 先夔工帮分交形嚣鸯充分麓嚣运帮蕊潮灌，霆夔变形蘩较奎。 5 2 第图章蝤铁施工过程率环壤土钵挠动变形情