（工程力学专业论文）超大直径土压平衡盾构施工过程的力学分析.pdf

上海大学硕i ：学位论文 摘要 盾构法是在市区中修建地下隧道的一种重要手段，但不可避免的会对周围 土体产牛不同程度的影响。超大直径土压平衡盾构在国内是首次使用，国内无 成熟的经验可做参考，研究超大直径土压平衡盾构施工过程中实际工程参数对 地层移动和地表变形的影响具有重要的工程应用价值。本文以国内首条超大直 径土压平衡盾构隧道工程上海外滩通道北区盾构段区间隧道为背景，结合 具体的的土层地质工程参数，针对超大直径土压平衡盾构隧道施工进行三维非 线性有限元仿真模拟，并对模拟结果进行了分析。 根据超大直径土压平衡盾构隧道施工特点，结合影响工程质量的重要施工 工况和施工参数，建立了此超大直径土压平衡盾构隧道施工的三维有限元模型， 对覆土厚度和盾构机直径对盾构隧道施工产牛的地层移动和地表沉降的影响进 行了三维非线性有限元仿真分析，研究了覆土厚度、盾构直径与地表最大沉降 的变化规律；为隧道的设计建设提供了一些参考依据。 建立了一种考虑在浅覆土工况下的三维有限元模型，研究土体在开挖面上 仓压力、注浆压力这两个因素进行单因素变化下的变形规律，对不同的施工参 数产牛的沉降影响进行了总结和归纳，对此盾构施工参数最优化提出了一些可 能的控制方法和建议。 结合该大型盾构机的施工，研究新建隧道盾构施工近距离上部穿越己建隧 道( 地铁2 号线) 对已建隧道( 地铁2 号线) 的变形影响和研究盾构施工穿越 相应区域最近建筑( 浦江饭店) 对浦江饭店的沉降影响，对穿越施工这个过程 中引起的对既有构、建筑物的一系列变形过程进行了总结分析，并得出了一些 结论。 本文的计算数据和相关的结论将为今后超大直径盾构隧道的设计和施工提 供参考。 关键词：超大直径土压平衡盾构隧道施工三维有限元分析地表变形 v 卜海大学硕上学位论文 a b s t i 认c t s h i e l dt u n n e l i n gi sa ni m p o r t a n tm e t h o di nt h eu n d e r g r o u n dt u n n e l c o n s t r u c t i o nb e n e a t hu r b a na r e a s b u tt h ep r o je c t sw i l li m p a c te f f e c t so n s o i la r o u n dt h es h i e l dm o r eo rl e s s s i n c et h es u p e rl a r g ed i a m e t e re a r t h p r e s s u r eb a l a n c es h i e l db eu s e df o rt h ef i r s tt i m ei no u rc o u n t r y , t h e r ei s n o tm a t u r ee x p e r i e n c ea b o u ti t s oi th a sg r e a ta p p l i e ds i g n i f i c a n c et o s t u d yt h eg r o u n dm o v e m e n ta n ds u r f a c ed e f o r m a t i o ni ns u p e r1 a r g e d i a m e t e re a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l dt u n n e l i n g b a s i n go nt h ef i r s t p r o j e c tw i t hs u p e rl a r g ed i a m e t e re a r t hp r e s s u r eb a l a n c e dt u n n e l ( t h e n o r t hd i s t r i c tt u n n e lo fs h a n g h a ib u n dc h a n n e l ) t h i st h e s i ss i m u l a t e st h e c o n s t r u c t i o np r o c e s sb yu s i n gt h em e t h o do fn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s t h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw i t hs p e c i f i cp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d i np r e s e n ts t u d y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e sf o rc o n s t r u c t i o no fs u p e rl a r g ed i a m e t e r e a r t hp r e s s u r eb a l a n c e dt u n n e l at h r e e d i m e n s i o nf e am o d e lh a sb e e n e s t a b l i s h e dt o a n a l y z et h eg r o u n dm o v e m e n ta n dg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n t b y e a r t h c o v e r i n gt h i c k n e s sa n d s h i e l dd i a m e t e r t h e i n f l u e n c e so fe a r t hc o v e r i n gt h i c k n e s sa n ds h i e l dd i a m e t e ro nt h e m a x i m a lg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t w h i c hs h o ws o m ep o t e n t i a lt oh e l p t h et u n n e ld e s ig n ，a r es t u d i e d a3 df e mm o d e lc o n s i d e r i n gs h a l l o wc o v e r i n gi sc o n s t r u c t e dt o s t u d yt h ei n f l u e n c e so ft h ep r e s s u r e so fs o i lc h a m b e ra n dg r o u t i n go n g r o u n ds e t t l e m e n t t h er e s u l t sc o n c l u d e da b o v ec a nm a k es o m ea d v i c e s f o rs h i e l dt u n n e l i n gc o n s t r u c t i o n t h i st h e s i ss t u d i e st h ei n f l u e n c eo fan e wc o n s t r u c t i o nw h i c h a b o v e c r o s s e sa no l dn e a r b yt u n n e l so nt h ee x i s t i n gt u n n e l s ( m e t r ol i n e 2 ) ，a n dt h es e t t l e m e n to fb u i l d i n gn e a r b yi si n v e s t i g a t e da sw e l l ，s u c ha s a s t o rh o u s eh o t e l t h ed e f o r m a t i o no fe x i s t i n gb u i l d i n gc a u s e db y c r o s s i n g c o n s t r u c t i o ni s i n v e s t i g a t e da n dv a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r e o b t a i n e d t h ec o m p u t a t i o n a ld a t aa n dr e l a t e dc o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sc a nb e ar e f e r e n c ef o rs u p e rl a r g ed i a m e t e rt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni nt h e 矗】t l 】r e k e yw o r d ：s u p e rl a r g ed i a m e t e re a r t hp r e s s u r eb a l a n c es h i e l d ； t u n n e l i n g ；3 一df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；g r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t v i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名： 本论文使用授权说明 日期：凇屏卢f 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 1 上海大学硕l 学位论文 第一章绪论 1 1 超大直径盾构隧道施工过程力学分析的重要性 进入2 1 世纪，世界经济和科技的迅猛发展加速了城市化建设，随着城市密 集度的提高和高层建筑的不断增加，地面上可利用空间越来越少，而地下又布 满了各种用途的管线，有限的城市空间与不断膨胀的人口数量的矛盾日益突出。 因此，开发城市地下空间是各国一致的发展潮流，如何更有效利用和创造地下 空间已成为当今城市现代化建设的重要课题。在市区隧道施工中，采用盾构法 来开发地下空间则是一种最佳选择，盾构法以其无法代替的施工优势占据了主 体地位【1 】。盾构法是目前最为先进的地下隧道修建方法，世界上绝大多数国家 和地区的城市地下隧道都是采用盾构法修建的。 盾构隧道施工不可避免地会引起周围地层变形和地表沉降，影响邻近的构、 建筑物和地下管线的正常使用。为减少隧道施工对周围环境的不良影响，必须 对地表沉降变形进行预测及控制。目前，国内外已经有较多的关于预测地表沉 降的方法，但在盾构隧道施工过程中，影响地表沉降的因素有很多，任何简单 实用的计算方法均无法反应众多因素的综合影响。由于数值分析方法可以较为 全面地考虑影响地表沉降的各种因素，较为准确的预测隧道施工引起的地表沉 降变形，因此，对隧道施工引起的地表沉降进行数值分析研究具有极为重要的 理论和现实意义【l 】。数值模拟方法利用计算机强大的运算能力，能够考虑上层 物理力学性质的差异、开挖顺序、边界条件等因素，一定程度上能够反映隧道 开挖各因素对周围环境的影响，因而被广泛地应用于盾构法隧道开挖效应的分 析中【2 】o 随着盾构机械性能的不断提高以及使用要求的变化，近年来用于隧道建设 的盾构直径不断增大。1 9 9 7 年贯通的日本东京湾隧道采用了直径为1 4 1 4 m 的 超大型泥水加压盾构，创造了当时的世界的最高记录；1 9 9 7 年6 月，日木营团 地铁7 号线采用直径1 4 1 8m 的超大型断面泥水盾构掘进机掘进；1 9 9 7 年1 0 月，德围易北河第四隧道投资建设，所用掘进机直径达1 4 2m ；2 0 0 1 年1 1 月， 当时全球最大的隧道“绿心隧道( g r e e nh a r t ) ”开始掘进，所用泥水平衡盾构 掘进机直径达1 48 7m ，当时号称为史无前例的巨型设备吐 图11 自、京湾隧道直径1 41 4 m 泥水盾构图12 直径1 48 7 m 的泥水盾构 大直径盾构隧道近几年在我国连接采用，已成为世界上大直径后构隧道修 建最多的国家。2 0 0 4 年1 0 月，武汉长江隧道采用2 台直径i l5 m 的泥水加压 盾构施工：2 0 0 4 年1 2 月，e 海崇明长江越江隧道开工兴建，采用两台直径1 54 4 m 的泥水加压后构掘进( 为目前世界上最大断面盾构隧道) ：2 0 0 5 年6 月，上海德 浦大桥和卢浦大桥之间的上中路隧道盾构掘进机下井调试，其直径1 48 7m ( 所 用盾构机为g r e e n a r t 工程用过的盾构机改装而成) ；南京长江过江隧道，所用 盾构掘进机直径为1 4 9 3 m ：上海磁悬浮过江隧道盾构机直径超过i 5 m 【3 】。 依据盾构隧道的特点，盾构机直径越大穿越的上层越多，在施工时对周围 地层的扰动就会越人，相应的引起的地表沉降及对周围环境的影响程度也就更 大，严重时会对临近的构、建筑物产生不利影响甚至会破坏构、建筑物的安全 和稳定，因此研究大直径盾构隧道施工时引起的周围地层变形和地表沉降以及 对周围环境的影响就显得尤为重要。 1 3 盾构施工工艺介绍 12 i 盾构施工法 盾构施工法由英国的布鲁诺( b r u n e l ) 于1 8 1 8 年从一种食船虫在船身上打 洞一事受到扁发而研究提出的。并于1 8 4 1 年在伦敦泰晤士河下用手掘式矩形 后构完成了全长4 5 8 米的第条盾构法隧道。此后，盾构施工技术持续得到改 进。1 9 世纪末到2 0 世纪中叶盾构技术相继传入美国、德国、日本、前苏联以 j ：海大学硕+ l 学位论文 及我国，并得以不同程度的发展。从2 0 世纪6 0 年代中期至8 0 年代盾构技术 得到了飞跃发展，研制了各种新型的盾构及相应的工艺和配套设备h 刮。 盾构法隧道的基本原理是用一件有形的钢质组件沿隧道设计轴线开挖土体 而向前推进。这个钢质组件在初步或最终隧道衬砌建成前，丰要起防护开挖出 的上体、保证作业人员和机械设备安全的作用，这个钢质组件简称为盾构。盾 构另一个作用是能够承受来自地层的压力，防止地下水或流沙的入侵。盾构施 工法是使用盾构机在地下掘进，在防止开挖面土砂崩塌的同时在机内安全地进 行开挖作业和衬砌作业，从而构筑成隧道的施工法。盾构施工法是由稳定开挖 面、盾构机挖掘和衬砌三大要素组成。 构成盾构法的丰要内容是：( 1 ) 先在隧道某段的一端建造竖井( 盾构出发 竖井和接收竖井) 或基坑( 出发基坑和接受基坑) ，以供盾构安装就位。把盾构 机相关组件吊入出发竖井中，并在预定出发掘进位置上组装成整体，随后调试 其性能使之达到设计要求。( 2 ) 盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层 中沿着隧道设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构机的掘进是靠 盾构前部的刀盘掘削上体，掘削土体过程中必须始终维持掘削面的稳定，即保 证掘削面的上体不出现坍塌。为满足这个要求必须保证刀盘后土仓内土体对地 层的反作用力地层的土压。盾构推进中受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传 至盾构尾部己拼装的隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。在盾尾内 可以拼装一至二环隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装一 环衬砌，并及时向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压 注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉，并在盾构推进过程中不断从开挖面排 出适量的土体。( 3 ) 盾构掘进到达预定终点的竖井或基坑时，盾构进入该竖井 或基坑，掘进结束。随后检修盾构或解体盾构运出。 盾构隧道的断面及线型可以根据隧道使用目的设计成各种形式，盾构的断 面形状除圆形之外，还有半圆形、矩形及马蹄形等，但一般圆形断面使用得最 广泛，成了盾构隧道断面的标准形状。盾构施工法多用于城市市区地下工程， 其线形的确定受地表条件、障碍物、地基条件和用地条件制约，根据使用目的 及盾构掘进情况，尽可能选用直线或大半径曲率线形。 j i 拇 学位论z 矗垃 ， lc = = j = = = 二_ = 后拊注施i 慑戡 1 一肝均2 - 后冉干斤顺： 后鞠止而州糯4 十耵盘：s - - m 十皮带辽输机：卜管片拼装 机：7 一管m8 一r 浆泵：9 一乐泉孔l o 一出1 机1 1由萤b * l 墟的隧逆砌结均：】2 一盾 腱卒隙中的j e 浆：1 3 后后管月：1 4 咚 。 图13 盾构法施上概貌 盾构机按开挖面与作业室之间隔墙构造可分为全开敞式、半开敞式及密封 式三种。具体划分如下：全开敞式是指没有隔墙，大部分开挖面呈敞露状态的 盾构机。根据开挖形式，这种盾构机又分成手掘式、半机械式和机械式三种， 这种盾构适用于开挖面自稳定性好的围岩。当开挖面不能自稳定时，需要结合 使用压气施工法等辅助施工法，以防止开挖面坍塌。半开敞式是指挤压式盾构 机，这种盾构机的特点是在隔墙的某处设置可调节开口面积的排上口。密封式 盾构机是在机构开挖式盾构机内设置隔墙，将开挖土砂送入开挖面和隔墙问的 刀盘腔内，由泥水压力和土压力提供足以使开挖面稳定的压力，密封式盾构机 又分成泥水式盾构机和土压式盾构机。 l2 2 盾拘法旌工的优点 盾构旆工法问世以前构筑隧道的主要施工方法是明挖法。但就城市隧道的 施工而言，明挖洼受地形、地貌、环境条件的限制，存在以下几个缺点：易造 成周围地层的沉降，进而威胁周围构造物的安全；长时间中断交通，给周围居 民出行带来麻烦：长时间切断供水管道、通信电缆、电力电缆、下水道、煤气 管道等地下管线，给周围居民牛活带来诸多不便；施工中的出上、回填士等土方 作业严重影响空气质量：施工噪声和振动污染环境；施工易受天气影响等。 h 她大学目 位论i 盾构工法由于是地f 施工。属暗挖法，归纳起来，存在如下_ 些优点1 w l ： ( 1 ) 在盾构支付下进行地下工程暗挖施工，不受地面交通、河道、航运、潮汐、 季节、气候等条件影响，能较经济合理地保迁隧道安全施工。 ( 2 ) 盾构的推进、出土、衬砌拼装等可实现自动化、智能化和施工远程控制信 息化，掘进速度较快。施工劳动强度较低。 ( 3 ) 地面人文自然最观受到良好的保护，周围环境不受盾构施工t 扰：在松软 地层中，开挖埋置深度较大的长距离、大直径隧道，具有经济、技术、安全、 军事等方面的优越性。 显而易见，盾构工法极为适于城市隧道的构筑，目前盾构工法己在城市隧 道施工技术中确立了稳固的统治地位。 12 3 上压平衡盾构施工简述 上压平衡后构是在局部气压盾构和泥水加压盾构的基础上发展起来的。其 施工方法是保持开挖面的稳定，在切削刀盘后面的密封腔内充满开挖下来的土 体，并保持一定上压力。上压平衡盾构机前部设置隔仓，使土仓内和排土用的 螺旋机内充满开挖上碴，依靠盾构机千斤顶的推力给上仓内的开挖土体加压 使土压作用于开挖而以使其稳定。 上压盾构掘进面稳定的必要条件如。f ： 土仓压力必须可以抵抗开挖面上地层的上 压和水压；必须可以利用螺旋输送机等捧 上机构，调节排土量：对必须混入添加材 料的土质而言注入的添加材料必须可使 上压仓上体的塑流性和抗渗性提高到满足 掘进面稳定要求的水准。 誓誓 幽14 土压平衡盾构 图l5 为上压平衡盾构机工作原理简圈。上压平衡盾构基本原理丰要是将 开挖上砂通过各种搅拌翼在压力舱内搅拌，使其形成一种塑性流动状态然后 通过千斤顶的推进力和控制螺旋式排土器的排上量调节压力舱内的泥土压力， 使其与开挖面上的土压力和水压力进行平衡。实践证明此类盾构非常适合上海 软土地区施工，对周围环境影响小。上压平衡式盾构掘进机丰要由盾体、刀盘、 ，海学硕i 学位论女 螺旋输送机、推进装置等构成。盾构掘进机中部设有一密封挡板，它与刀盘、 盾体咀及螺旋输送机形成密封仓。施工过程中，推进液压缸驱动盾构掘进机 向前推进刀盘切削下的泥土充满密封仓和螺旋输送机壳体内的全部空间，形 成一定的土压来平衡开挖面土层的水上艇力，以此来保持开挖面上层的稳定和 防止地表变形，开挖下来的泥上通过螺旋输送机排出盾体。 对土压平衡式盾构而言，一个重要的因素就是要使密封仓内的上压力和开 挖面的水上压力保持动态平衡。如果密封仓内的l 压力大于开挖面的水土压力， 地 图15 十压平衡盾构机i 怍原理简剀图1 6 十压平衡控制模式框幽 表发生隆起：反之，如果密封仓内的土压力小于开挖面的水土压力，地表将发 牛沉陷。这可通过实时调节螺旋输送机的转速控制排土量或实时调节液压缸的 推进速度控制进上量，使盾构排上量和开挖量保持或接近平衡，实现土压平衡。 圈16 为盾构掘进机土压平衡的控制模式，当盾构刀盘以一定的转速切削开挖 时，如果实际检测到的上压力值大于理论土压力设定值时，可降低推进速度或 提高螺旋输送机转速：反之，可提高推进速度或降低螺旋输送机的转速：如果 两者相等，则可继续保持推进。 上压平衡盾构几乎适应于全部的软弱l 层，并能有效的保持开挖面的稳定 和减少地表的沉降，施工的安全性和可操作性高。上压平衡盾构机一般不需要 辅助技术措施，本身具备改善土体的性能，通过对各种上体的改良能适应多 种环境和地层的要求。土压平衡盾构丰要有如下特点：( 1 ) 施工中基本不使用 上体加固等辅助施工措施，节省技术措施费用，并对环境污染小：( 2 ) 根据上 上海大学硕i ：学位论文 压变化调整出土和盾构推进速度，易达到工作面的稳定，减少了地表变形；( 3 ) 对掘进上量和排土量能形成自动控制管理，机械自动化程度高，施工速度快； ( 4 ) 不需要象泥水盾构施工那样需要大规模的泥水处理设备和设置泥水处理设 备的场地，竖井用地较少，适用于拥挤狭窄的闹市区施工【l 】。 1 2 4 本课题工程概况 本课题是对外滩隧道北区工程盾构施工中的力学性能进行研究，此工程项 目是上海市“三纵三横”交通中三纵东线的重要组成部分，建造外滩通道的目 的是解决外滩的交通拥堵，分流三纵东线的过境交通，服务上海世博会交通。 此外外滩通道的建设有利于优化路网布局，改善区域交通，构建上海市城市核 心区一体化交通，支持沿江地区的发展，配合上海的围际化大都市建设战略。 外滩隧道南起东门路，沿中山东二路、中山东一路向北，从外白渡桥下方穿过 苏州河，沿东大名路穿过东长冶路，北至海宁路全长3 3 1 5 k m 。本工程是外滩 隧道的北区工程，从天潼路到福州路的区段，全长1 0 8 9 m ，隧道外径1 3 8 m ，拟 投入一台直径为1 4 2 5 m 超大直径土压平衡盾构机进行施工。此超大型土压平衡 盾构在国内是首次使用，穿越的上层范围大，前方平衡闲难，施工难度大，在 施工时发牛的土体移动和地表沉降也大，国内无先例可供参考，各施工参数与 小直径土压平衡盾构有较大的差异，相应地，盾构推进过程中对周围环境的影 响也更难以控制，因此隧道盾构推进对土体变形及周围环境的影响规律的研究 和分析必不可少。 本工程段隧道覆上约为8 1 9 m ，根据初步的地质资料可知：隧道主要分布 于：淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土、粉质粘土及粉质粘土夹粘质粉上中。沿线 管线极为复杂，不但有上世纪初埋设的上下水管道，还有近十几年改扩建过程 增设的市政管线。构、建筑物众多，福州路到天潼路沿线的重要构、建筑物有 2 1 处，其中距离隧道边线最近的是仅4 2 m 的浦江饭店。土体移动和地表沉降 会对这些构、建筑物、地下管线及周围环境产生很大的影响。木课题的进行， 用来分析在施工实际过程中隧道周边土体的位移分布规律，找出最主要的位移 场及盾构机施工参数对位移场的影响及对周边已建构、建筑物的影响，并预测 地层移动和地表沉降。通过研究分析，可以提高施工质量，加快施工速度，降 i ：海大学硕j 学位论文 低盾构施 对环境的影响，为工程及时、顺利的蝮工提供有力保征：在保征安 全质量的前提r ，尽量减少沉降和保护环境的技术措施费用等，还a r 以为以后 的超大直径盾构施工提供些经验。 由于外滩通道工程所处地理环境特殊，这个工程选用的盾构机与以j ： _ 的大 型隧道建设采用盾构机的大不相同。整个外滩通道t 科分为南段与北段，北段 工程中天潼路到福州路的区段采刚盾构法施工，该盾构掘进段共长】0 9 8 m ，从 天潼路j ：作井始发，沿线穿越浦江饭店、上海大厦，从外白渡桥下穿过苏州河 后再从中i lj 东路f 方穿过，最终抵达祸州路工作井。外滩防汛墙和承载百年 历史的万国建筑群紧贴隧道轴线。要在如此繁荣紧凑的上海核心区域建造建造 一条既能有效分流交通、又能还外滩景观于民的超大直径隧道，同时要保护好 周边建筑，还要将对环境的影响降到最低，实施起来难度很大。 h 于以上的这 些考虑，工程采用1 42 5 m 的上压平衡盾构。 幽l7 外滩通道所川盾构 大直径盾构隧道的兴建可缓解建筑用地紧张，交通拥挤的现状，而飞速发展 的施工技术水平更使其日益成为城市地f 空间的重要建筑结构。以待这种超大 直径隧道建设均采用泥水平衡盾构，使用上压平衡后构完成这样超大直径的隧 道建设，在| 固内尚属片次：与泥水平衡盾构丰臼比，i 压甲衡盾构对地层扰动相 对较小，对地面、地下环境的影响也相对较小，能更好地控制地表变形，从m 将施工对地面建筑物的影响降到最低。另一方向，木工程局部范围内盾构覆上 深度较浅，如采用泥水平衡盾构律易发牛路面冒浆等现蒙，影响外滩变通及景 观，采爿jl 压平衡盾构史有利于对隧道挖掘出的l ：体的处理，同时由于施工现 j ：海大学硕上学位论文 场场地狭小，如果使用泥水平衡盾构需要较大的场地来布置泥水处理系统等配 套设施，而采用土压平衡盾构可有效解决了采用泥水平衡盾构的工程现场必须 具备施工用地大能够配备泥水处理系统等配套设备等先决条件。这一个工程的 实施将为以后闹市区内的超大直径隧道建设提供有益的经验。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 隧道施工仿真研究概况 早期地下工程的建设完全依据经验，十九世纪才逐渐形成自己的计算理论， 开始用于指导地下结构的设计与施工。2 0 世纪6 0 年代以来，随着电子数字计 算机的推广和岩土介质本构关系研究的进展，地下工程的数值计算方法有了较 大发展。莱亚斯和迪尔在1 9 6 6 年应用特鲁克一普托格屈服准则进行了圆形洞室 的弹塑性分析。1 9 6 8 年，普齐维齐等按无拉力分析了隧道的应力和变形，提出 了可按初应力释放法模拟其开挖效应的概念。库尔荷威于1 9 7 5 年用有限元法探 讨了几种因素对地下洞室变形的影响1 9 7 7 年维特基分析了围岩节理及施工顺 序对洞室稳定的影响，以及开挖面附近围岩的三维应力状态【4 j 。 6 h a b b o u s s i ( 1 9 8 3 ) 采用了二维和三维有限元法模拟了在2 条地下通道上方 施工穿越隧道的力学影响，并与实测进行了对比。s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 提出了仅 考虑土体损失的应变法。l e e 和r o w e ( 1 9 9 0 ) 采用三维有限单元法，分析参数 选取对隧道开挖计算结果的影响，得出各项参数对开挖计算结果的影响规律。 l o g a n a t h a n ( 1 9 9 8 ) 在数值分析中认为隧道周围上体会产牛椭圆形的非等量径 向位移【s 】。近年来我围学者刘建航、侯学渊、殷宗泽、朱合华、周文波等人在 盾构隧道有限元分析和数值仿真方面做了大量的工作。国内外研究表明有限元 方法是研究隧道开挖问题的有效方法。 根据盾构掘进数值模拟方法所基于的假设，分别对现有的各有限元数值模 拟方法进行分析。 1 应力释放法 该方法源于法国的“收敛限制法”( c o n v e r g e n c e c o n f i n e m e n tm e t h o d ) ， 通过应力释放系数来反映盾构掘进各阶段的开挖效应，代表性的应用有法国学 9 上海大学硕上学位论文 者b e m a t 和c a m b o u 、m r o u e h 和s h a h r o u r 以及中国学者朱合华、丁文其和李晓 军等。该方法简单实用，但其关键的应力释放系数没有明确的物理意义，难以 确定，从科学的角度看，该方法并不是完全合理的【9 】。 2 完全仿真 该作法将盾构掘进各部分完全模拟在内，包括盾尾后注浆层的变化、盾构 机的自重、甚至土与衬砌结构的摩擦等等，其对各部分的模拟具有明确的物理 意义，但是往往需要消耗更多的计算机资源。实际上，其“完全仿真 的程度 也是非常有限的，仍然基于许多理想化的假定【9 】。 3 地层损失法 盾构掘进的过程即是地层损失发生并对周围环境产生影响的过程，如果能 够将各阶段地层损失在有限元模型中反映出来，则模拟的结果能够很好的衡量 盾构施工对周围环境的影响程度。该方法通过地层损失值来考察盾构施工对周 围环境的影响程度，具有明显的优点，概念清晰，关键参数具有明确的物理意 义，无需考虑盾构机移动，注浆层硬化和管片拼装等复杂的过程，模型相对简 洁。但该方法在具体实现时地层损失取值复杂，管片环脱出盾尾的瞬间其位置 关系如何及有限元模型影响范围难以具体确定，其仍然是理想化的作法，只能 对某一具体问题进行初步研究，难以对隧道掘进全程进行研究【9 】。 1 3 2 盾构法开挖引起地表沉降的研究概况 在与其他各种隧道施工法相互竞争中，盾构法克服了众多网难，取得了斐 然的成绩。英国和其他一些国家在2 0 世纪2 0 年代就开始重视对“在软弱地层 中开挖隧道产牛地面沉陷和地层变形”问题的研究工作。许多工程技术人员为 此进行了大量研究工作，使对地层运动的预测能力，有了一定的发展，积累了 不少控制由于盾构施工引起的地表沉降的方法。在城市隧道的兴建中，影响地 表沉降的因素很多，地表沉降的大小不仪与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、 支护方式有关，而且还受工程地质及水文地质条件的影响 1 0 】。 g h s b o u s s i ( 1 9 7 8 年) 讨论了在隧道工程中用有限元法模拟地层位移的可 能性。他在有限元分析中模拟了应力条件、隧道开挖和衬砌设置的各个阶段。 计算结果表明，二维平面应变分析是模拟地层移动的有效和简单的方法】。 1 0 上海大学硕。l 二学位论文 i t o & h i s d k e ( 1 9 7 9 年) 采用有限元法分析了盾构周围地基上的动态特征。 他们在前期工作中，用积分方程理论结合有限元法计算了作用于隧道衬砌上的 外部压力，并将计算结果与现场量测数据和模型试验结果进行了比较1 2 】。 i t o & h i s d k e ( 1 9 8 2 年) 年用边界元法对弹性和粘弹性地层中浅埋隧道引 起的三维地面沉陷进行了分析。他在分析中考虑了掘进速度、开挖面位置、隧 道衬砌等的影响【1 3 】。 g h a b b o u s s i 等( 1 9 8 3 年) 分别采用了二维和三维有限单元法模拟分析了在 二条地下通道上方施工穿越隧道的力学影响，并与实测进行了对比分析【1 4 】。 李桂花( 1 9 8 6 年) 用弹性有限元法模拟施工间隙参数，并总结出经验公式。 该公式可以用于估算不同埋深、不同直径、不同间隙参数下，距隧道轴线不同水 平距离的地面沉陷。同时，利用不同间隙参数又可以模拟不同的沉陷因素的影 响，从而可以对地表沉陷进行预估。这是我国学者在盾构隧道施工变形数值分 析的较早成果【l5 1 。 l e e & r o w e ( 1 9 9 0 年) 提出一种用于模拟施工工序、后续地层位移、隧道 开挖面周围及地表的应力状态等对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法，给 出了非线性问题求解步骤和适合于三维隧道分析的弹塑性上体本构模型【1 6 。17 1 。 同济大学( 1 9 9 0 ) 建立了地面沉陷预估的专家系统模型原型，1 9 9 1 年将其应 用于上海地铁一号线的施工监控1 8 。1 9 】。 l e e & r o w e ( 1 9 9 1 年) 在输水隧道工程中，使用了一种三维弹塑性有限元 分析来计算开挖产生的位移，该分析可以模拟隧道盾构的推进和因隧道施工引 起的土体损失2 0 1 。 r o w e l e e ( 1 9 9 2 年) 采用地层损失参数反映隧道顶部的垂直位移和软上 隧道施工中的地层损失的大小，它是开挖面三维弹塑性变形、盾构机性能、衬 砌的几何形状和施工工艺等的函数，正确估算它并利用二维有限元或经验关系 可对地层位移规律加以预测【2 l 】。 徐方京( 1 9 9 2 ) 应用弹塑性力学方法求解了土压平衡盾构在到达前、到达时、 通过及脱开、注浆、长期沉降阶段的地表沉降( 隆起) ，并得到其经验公式【2 2 1 。 周文波( 1 9 9 3 ) 编制了以上海地区软土隧道施工经验为基础的“盾构法施工 上海大学硕i ：学位论文 对周围环境的影响和防治专家系统”用于地面沉陷研究【2 3 之5 1 。 孙钧( 1 9 9 6 年) 采用粘弹性流变计算方法，按照施工顺序，对在上海地区 软上盾构法隧道施工过程中，不同受力阶段的上中应力和接触面上的土压力以 及盾构开挖施工的地表沉降次固结问题，进行了有限元数值分析【2 6 1 。 曾晓清( 1 9 9 5 年) 采用弹塑性半解析数值法对双线盾构隧道施工过程的地 层移动、隧道受力进行了数值模拟分析【2 7 】。 阮林旺( 1 9 9 7 年) 利用有限元分析软件( s u p e r - s a p ) 对盾构法隧道施工 进行了弹性有限元模拟，探讨了土层性能、隧道埋深等因素相互影响和共同作 用的问题 z s 】。 易宏伟( 1 9 9 9 年) 采用半解析数值方法和理论分析对盾构法隧道施工中土 体扰动与地层移动关系进行了系统深入的研列2 9 1 。 孙均、袁金荣( 2 0 0 1 年) 采用人工智能神经网络技术对盾构法隧道施工引 起的地表沉降进行了分析及预测，论证了上述软科学方法的可行性和适用性3 们。 张云、殷宗泽等( 2 0 0 2 年) 使用三维有限元分析盾构法隧道引起的地表变 形，并提出等代层的概念：将盾尾空隙的大小、注浆充填的程度、隧道壁面上 体受扰动的程度和范围等对地层位移有着重要影响而在实际工程中又难于分别 量化的因素概化为一均质、等厚的等代层，并分析了地表变形对等代层参数的 敏感性3 1 1 。 刘招伟、王梦恕等( 2 0 0 3 年) 结合广州地铁二号线盾构法隧道施工监测数 据，使用大型通用有限元程序a n s y s 分析了因开挖、地层损失、地下水位引 起的地表沉降f 3 2 】。 胡珉、周文波( 2 0 0 5 年) 将盾构推进的过程划分成7 个阶段，每个阶段用 一个神经网络进行模拟，在此基础上构造成多级神经网络，拟合盾构法隧道施 工中施工参数与地面沉降之间的关系的数学模型 3 3 】。 张海波、殷宗泽等( 2 0 0 5 年) 对河海大学岩土工程研究所开发的t d a d 三 维非线性有限元程序进行了修改，来模拟盾构施工中的盾尾空隙、盾构的推进 与注浆等因素对地表变形产牛的影响【3 4 】。 赵保建、姜忻良等( 2 0 0 7 年) 全面分析了在不排水条件下软上地层中采用 1 2 海大学硕+ 1 ：学位论文 盾构法施工引起地面沉降的因素，并进行t - - 维非线性有限元模拟，研究了地 表土体的变形规律【7 5 1 。 国内外专家学者对盾构法施3 2 - 3 i 起地表沉降的研究方法可归纳为：经验公 式法、实测数据回归、室内模拟试验、数值模拟法等途径。 ( 1 ) 经验公式法 1 9 6 9 年，p e c k 在当时大量隧道开挖所引起的地表沉降实测资料的基础上， 系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表沉降的方法。p e c k 认为在不 排水的情况下，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，隧道施工所产生的地表沉降横向分 布近似为正态分布曲线，因此提出如下地表沉降分布的预测公式，即著名的p e c k 公式【3 5 】： 跗，= s m 觚e x p 陋 ， 。= 老 ( 1 2 ) 式中：s ( x ) 距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值( m ) ； 隧道中心线处地表最大沉降值( m ) ； f 地表沉降槽曲线拐点到开挖体轴线的距离( m ) ； 坎施工引起的隧道单位长度地层损失。 上述公式中，需要确定k 和f 两个参数。这些参数与隧道开挖深度、断面 尺寸、地层条件和施工条件密切相关，一些学者对这些参数进行了大量的研究， 给出了经验取值。 1 9 9 8 年l o g a n a t h a n 和p o u l o s 提出了预测地表沉降的解析解【3 6 】，地表沉降 的计算公式为： 耻4 们叫尺2 丽z o 唧( 器) 3 ， 式中：土层损失率； 上海大学硕：1 ：学位论文 y 泊松比； 尺隧道半径； 磊隧道埋深； x 距隧道中心线的距离。 ( 2 ) 实测数据回归【3 7 3 8 】 实测数据回归是指通过对现场搜集资料的回归、分析，用数理统计法从所 得数值中回归出预测沉降的数学表达式。电子计算机的出现为数值法提供了强 有力的工具。此后，不少学者用此方法对盾构施工引起的地表沉降进行了专门 研究。有些学者在此基础上结合工程实际提出了经验估算法。 美国著名科学家p e c k 曾结合采矿引起地面位移的估算方法，提出了“沉降 槽的形状近似于概率论中正态分布曲线”，并给出地面沉降的横向分布估算公 式，同时还给出了不同地层种类中沉降槽的宽度与隧道直径及埋深的无量纲关 系式。在墨西哥举行的国际上力学地基基础会议上，p b p e c k 作了相当有名的 “s t a t eo ft h ea r tr e p o r t 报告。此外，p e c k 还介绍了加有气压情况下开 挖面稳定条件，或者开挖面到达之前发生的地面沉降的实测实例。 英国d u r h a m 大学教授a t t e w e l1 也假定沉降槽的曲线形式为正态分布曲线， 对于地表的沉降量提出计算公式。虽然，可求得最大沉降量，但需满足一定的 地层损失量范围，且预测精度也不高。 在我国，上海隧道股份有限公司和同济大学在1 9 7 5 年先后对上海地铁试验 段等隧道进行了地层移动的现场量测与监控，在总结经验和理论分析的基础上， 提出了考虑土体扰动后固结沉降的经验公式。中国工程院院士刘建航先牛根据 延安东路隧道施工实测数据得到预测纵向沉降槽曲线的公式，并提出了“负地 层损失“概念”。侯学渊、傅德明和徐方京等对盾构推进各阶段的地层变形的行 为作出了机理上的解释，并提出了上压平衡盾构在到达、通过、脱开及长期沉 降等阶段的地表沉降预估方法，从减少地层移动的角度出发，提出了各施工阶 段的技术和施工参数控制要点。 ( 3 ) 室内模型试验【3 8 3 9 】 所谓室内模型试验是指在实验室内针对某一工程具体条件，依照相似理论 1 4 上海大学硕l 学位沦文 建立模型，进行模型试验，然后得出地层运动规律。 英围剑桥大学的a t k i n s o n 以砂和高岭土为介质，中间设置隧道，以橡皮膜 敷于隧道内表面上。试验结果表明，土的破坏面近似郎金丰动破坏面，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，h 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 等人以标准差为介质，分别模拟以松填土和密填上 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。覆上厚度浅时，破裂面梯度变化小，曲线平缓。 随着覆土厚度的增大，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( 通常是1 ：5 0 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。 ( 4 ) 解析法 v e r r u i j t 和b o o k e r 4 0 1 用s a g a s e t a 4 1 1 提出的地层损失的近似方法，得到了 在各向同性半无限空间中的隧道的解析解。虽然得到的解析解都是在简单情况 下的近似解，但是还可以定性的来判断得到的数值解的正确性。 s a g a s e t a 假设土层各向同性和不可压缩，提出如下地表三维沉降公式：后 来又由s a g a s e t a 蚓和u r i e l 等人进行了推广。其公式为： ：海大学硕。1 ：学位论文 驰，= 睾南 驰，= 去 t + 丽y ( 1 4 ) 式中：疋( x ) 与隧道走向轴线正交的平面内土层的竖直位移； x 距中心线的距离； 疋( y ) 与隧道轴线平行的平面内上层的竖直位移； y 该点距中心线的距离； 圪土体损失体积： 隧道的埋深。 后来，g o n z a l e z 和s a g a s e t a 4 3 1 对以上公式进行了修正： 驰惮蚓拍一南卜要 5 ， 式中：r 隧道的半径； 占径向应变； ；距隧道轴线的相对距离； p 相对椭圆度。 1 4 本文主要工作 本超大直径土压平衡盾构在国内是首次使用，国内无成熟的工程经验和完 善的理论模型可做参考。盾构推进过程中对周围环境的影响也更加复杂。因此， 有必要研究在超大直径盾构的推进时，盾构推进各施工参数对地表变形的影响 及对周边环境的影响。大直径隧道目前在隧道工程上有良好的应用前景