（岩土工程专业论文）平行双隧道施工引起土体变形的数值模拟.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在城市地铁工程中，大多是同一埋深开挖的两条近距离平行隧道。双孔盾构 隧道施工引起的土体变形比单孔隧道要复杂得多，研究双孔盾构隧道施工引起 的地面沉降及土体侧向位移规律具有重要的意义。 论文首先就盾构隧道施工引起地表沉降的机理及其影响因素进行了分析， 然后利用有限差分软件f l a c 3 d ，并嵌入f i s h 语言进行编写命令，建立单、双 孔盾构隧道的三维数值模型，模拟分析其动态施工时诱发的地表沉降和土体侧 向变形规律；包括单、双孑l 盾构隧道施工引起的土体变形规律比较，以及对影 响土体变形的因素如施工方式、注浆时间的及时性、土舱压力等进行了分析。 通过数值模拟研究，得出了一些有参考价值的结论： ( 1 ) 双孔盾构隧道距离较近时，地表沉降曲线成“单峰”形态。最大沉降 值在双孔中心连线的竖直轴线上，与单孔隧道施工相比，地表最大沉降值及沉 降槽宽度分别增加了5 8 和1 6 ；引起土体的最大侧向变形是单孔开挖情况下 的1 2 倍，叠加影响严重。 ( 2 ) 双孔盾构隧道采取同步开挖与先后异步开挖两种施工方式，其诱发的地 表沉降在横向上的影响范围是相同的，宽度约为隧道直径的1 0 倍。引起的地表 最大沉降值及土体侧向变形只是略有不同。 ( 3 ) 盾尾注浆不及时时，引起的地表最大沉降值及土体的最大侧向位移是 注浆及时状态下的2 , - - - , 5 倍，地表沉降在横向上的影响范围相应增加近4 m ；最 大横向位移由双孔隧道水平轴线处移至地表处。壁后注浆及时是减小地层损失 的关键因素。 ( 4 ) 增大土舱压力对控制地表沉降和减小土体横向水平位移所起作用有限， 或者并不合适，反而使双孔隧道内、外侧土体的纵向变形增加许多。实际施工 过程中，宜与原始土压力保持一致。 关键词：盾构隧道；f l a c 3 d ；数值模拟；地表沉降；侧向位移 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ec i t ys u b w a yt u n n e l sa r eu s u a l l ye x c a v a t e da sd o u b l ep a r a l l e lt u b et u n n e l s a tt h es a m eb u r i e dd e p t h ，a n dt h es p a c eb e t w e e nt h ed o u b l et u n n e l si sg e n e r a l l ys h o r t d i s t a n c e t h es o i ld e f o r m a t i o ni n d u c e db yd o u b l et u b et u n n e l i n gi sm o r ec o m p l e x t h a ns i n g l et u n n e l i n g ，t h er e s e a r c ho ng r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n ds o i ll a t e r a l d i s p l a c e m e n ti n d u c e db yd o u b l et u b et u n n e l i n gh a si m p o r t a n tm e a n i n g f i r s t ，t h i st h e s i sa n a l y s et h em e c h a n i s ma n dt h ea f f e c tf a c t o r so fg r o u n d s u r f a c es e t t l e m e n ti n d u c e d b y s h i e l d t u n n e l i n g ，t h e nu s i n g f i n i t ed i f f e r e n c e s o f t w a n 卜f l a c 3 da n de m b e di nf i s hl a n g u a g et oc o m p i l ep r o g r a m m e s ，t o e s t a b l i s h3 一d i m e n s i o nn u m e r i c a lm o d e lf o rs i n g l ea n dd o u b l et u b et u n n e l ，t h er u l e s o ft h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n ds o i ll a t e r a ld e f o r m a t i o ni n d u c e db yi t sd y n a m i c c o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d i ti n c l u d ec o m p a r et h er u l e so ft h es o i ld e f o r m a t i o ni n d u c e d b ys i n g l ea n dd o u b l es h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，a sw e l la s ，a n a l y s es o m ef a c t o r s a f f e c ts o i ld e f o r m a t i o ns u c ha sc o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h et i m ea b o u tg r o u t i n g 、s o i l p r e s s u r eo nc a b i na n ds oo n b yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y ，s o m eu s e f u l c o n c l u s i o na sf o l l o w s ： ( 1 )w h e nt h es p a c eb e t w e e nt h ed o u b l et u n n e l si ss h o r td i s t a n c e ，t h ec u r v eo f g r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n tb e c o m e st h es h a p eo f “s i n g l ea p e x t h em o s ts e t t l e m e n t v a l u ei so nt h ev e r t i c a la x e so ft h et w ot u b ec e n t e rc o n n e c t i n gl i n e ， c o m p a r ew i t h s i n g l et u n n e l ，i t sm o s tg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n tv a l u ea n dt h ew i d t ho fs e t t l e m e n t t r o u g hi s a b o u ti n c r e a s e db y5 8p e r c e n ta n db y1 6p e r c e n tt h em o s tl a t e r a l d e f o r m a t i o nv a l u ei sa b o u t1t o2t i m e so ft h ev a l u ei n d u c e db ys i n g l et u n n e l c o n s t r u c t i o n ，t h es u p e r p o s i t i o ne f f e c ti ss e v e r e ( 2 ) d o u b l et u b et u n n e lc a ne x c a v a t e dw i t hs y n c h r o n i z a t i o na n d a s y n c h r o n i s m ， t h e yh a v et h es a m ea f f e c te x t e n s i o no ft h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n to nl a n d s c a p e o r i e n t a t i o n ，t h ea f f e c te x t e n s i o ni sa b o u t1 0t i m e st h ew i d t ho ft h ed i a m e t e ro ft u n n e l t h em o s tg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n ds o i ll a t e r a ld e f o r m a t i o nh a v el i t t l ed i f f e r e n c e ( 3 ) w h e ng r o u t i n go ns h i e l dc a u d ai sn o ti nt i m e ，t h em o s tg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n tv a l u ea n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n ti sa b o u t2t o5t i m e so f g r o u t i n gi nt i m e ，t h e a f f e c te x t e n s i o no fg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n to nl a n d s c a p eo r i e n t a t i o ni n c r e a s e d i l 武汉理工大学硕士学位论文 a b o u t4 m ：t h em o s tt r a n s v e r s ed i s p l a c e m e n tm o v ef r o mt h el o c a t i o no fh o r i z o n t a l a x e so fd o u b l et u n n e l st og r o u n ds u r f a c e g r o u t i n go ns h i e l dc a u d ai nt i m ei sak e y f a c t o rt om i n i s hs t r a t u ml o s s ( 4 ) i no r d e rt oc o n t r o lt h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ta n dm i n i s hs o i lt r a n s v e r s e d i s p l a c e m e n t ，i n c r e a s es o i lp r e s s u r eo nc a b i no n l yp l a yaf i n i t er o l e ，o r i ti sn o t a p p r o p r i a t ea ta l l ，o i lt h ec o n t r a r y ，i tc a nm a k e t h el o n g i t u d i n a ls o i ld e f o r m a t i o no f t u n n e li n s i d ea n do u t s i d ei n c r e a s e dm u c h d u r i n gt h ea c t u a lc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i t s h o u l dk e e pc o n s i s t e n tw i t ho r i g i n a ls o i lp r e s s u r e k e yw o r d s ：s h i e l dt u n n e l ：f l a c 3 d ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n t ：l a t e r a ld i s p l a c e m e n t i i i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 聃跳7 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 注：请将此 期逍：7 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着我国国民经济的快速发展，城市隧道建设正方兴未艾，如今已建成地 铁并运行的城市在内地有北京、上海、广州、天津、深圳、南京等，它们的后 续线路规划及建设也都正在紧锣密鼓地进行，而正在兴建或拟建地铁的城市还 有武汉、重庆、杭州、西安、成都、沈阳、哈尔滨、青岛、大连等。可以说地 铁建设在我国正火如荼，它被城市的居民所翘盼和期待。 世界上最早修建地铁的国家是英国，早在1 8 6 3 年就建成了第一条地铁线路， 现今，西方发达国家都有比较完善的城市隧道线路。目前，全世界已有1 0 0 多座 城市开通了3 0 0 多条地铁线路，总长度超过6 0 0 0 公里。 专家们预言，2 1 世纪将是开发和利用地下空间的世纪。地下空间的利用有 建设地下商城、地下停车场、地下各式管道、地下通道等等，除此以外，城市 隧道建设是地下空间活动中尤为重要的一部分。 由于城市人口密度的增大，车辆的不断增多，而道路的建设又总是滞后于 城市的发展，且道路已不可能越建越宽，于是人们的出行就成了问题，生活的 方便和快捷受到了制约。而地铁建设却正是解决城市交通拥挤、堵塞严重、建 筑空间狭小、绿化面积严重不足等种种城市顽症的一剂良方。地铁不会对地面 造成环境污染，不会影响城市的景观，还可为乘客躲避城市的嘈杂烦躁提供良 好的环境。乘坐地铁快捷、准时、舒适、宁静、安全，这是坐过地铁的人的普 遍感受。还很重要的是地铁建设提高了城市土地的利用率，节省了珍贵的土地 资源，还具备引导城市形成合理布局的功能。地铁沿线，房价攀升，商机尽显， 某种程度上是否拥有地铁是一个城市发展水平的标志。 地铁的建设有着很多的优点，但它的开挖建设也会带来相关的环境岩土工 程问题。城市隧道施工是在岩土体内部进行的，无论隧道埋深大小、工程地质 条件如何、施工工艺怎样、技术如何先进等，都不可避免地对地下岩土体进行 了扰动，破坏了原有土体的平衡状态，进而向新的平衡状态转化。因为隧道的 开挖一般都会后于地面建( 构) 筑物的建设，而由于地铁线路的规划考虑到大 多数人交通出行问题，其施工不可避免地会近接沿线高层建( 构) 筑物、地下 设施、地下管道等，甚至会出现穿越建( 构) 筑物的基础，与地下管道相交等 武汉理工大学硕士学位论文 情况。在交通繁忙和地价昂贵的城市闹区，隧道施工明挖法已经失去意义，如 今都是采用机械化程度高、掘进速度快、对环境影响时间短的先进的盾构法进 行暗挖施工。但即使如此，只要在岩土体中开挖就会造成地面的沉降和变形，而 在孔隙比大、压缩性高、抗剪强度底的软土地层施工，其地表沉降和变形会更 加明显。沉降或变形到一定程度就会影响沿线邻近的建( 构) 筑物和地下管道 的安全和正常使用。 在大多数地铁区间隧道中，常常在同一水平面内平行修建两条隧道，其影 响往往相互叠加。因此，平行双孔盾构隧道建设引起的地表变形及对周围环境 的影响值得关注。双孔平行隧道建设引起的地表变形比单一隧道更为复杂。由 于隧道施工将对周围岩土体产生扰动，在隧道周围形成扰动区，如果第二条隧 道开挖处于第一条隧道开挖的影响范围之内，那么不论双孔隧道是同时同向施 工还是一条隧道滞后于另一条建设，其都将产生叠加影响而导致较大的地表沉 降和土体变形。大部分实例表明，双孔平行隧道施工的相互影响不可以忽略， 在双孔平行隧道距离较近时，分析其引起的地面沉降和土体变形规律是有重要 的现实意义的。 1 2 盾构法施工简介 1 2 1 盾构法施工原理 盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗 挖隧道施工机械。根据盾构头部结构，可以将其大致分为闭胸式和敞开式盾构 机；根据其适用的土质及工作方式的不同主要分为压缩空气式、土压平衡式、 泥水加压式及复合式盾构机。盾构法是利用盾构机在地面以下暗挖并以其为核 心的一整套建造隧道的方法。 2 武汉理工大学硕士学位论文 卜盾构2 一盾构千斤项3 一盾构正面网格4 _ 出土转盘5 一出土皮带运输机6 - 管片拼装 机7 一管片8 一压浆泵9 一压浆孔1 0 - 出土机1 1 - 管片衬砌1 2 - 盾尾空隙中的压浆 1 3 一后盾管片1 4 _ 竖井 图1 1 盾构机施工示意图 盾构法的主要施工顺序是：土体开挖、衬砌的拼装支护、同步注浆，其施 工示意图如上图1 1 所示。 ( 1 ) 先在隧道某段的一端建造竖井或基坑，把盾构主机和配件调入井中，组 装成整机并调试设备。 ( 2 ) 盾构机的推进，在地层中沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计空洞 推进，该过程中要通过调整千斤顶推进的顶力分布，及时纠正偏差。 ( 3 ) 衬砌的拼装，当盾构每推进一环衬砌宽度，即进行管片拼装，其操作在 盾尾完成，是盾构隧道的主要受力结构。盾构法隧道管片式衬砌是由若干弧型 的管片拼装成环，且一般采用错缝拼装，即环间纵缝相互错开，如图1 2 所示： 图1 2 错缝拼装方式 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 壁后注浆，盾构外径与衬砌外径大小不等，盾构前移后会在盾尾即衬砌 外与围岩间形成空隙，注浆对控制地面沉降、改善衬砌结构的受力、提高衬砌 的防水性能均有重要作用。 ( 5 ) 在盾构推进的过程中不断从开挖面排出适量的土方。 1 2 2 盾构法施工优缺点 地铁隧道盾构法施工有下列优点： ( 1 ) 除了竖井或基坑施工外，其他施工作业均在地下进行，不影响地面的 交通，也减少了对附近居民噪音和振动的影响。 ( 2 ) 在江河海底施工时，不影响航运，不受季节气候的影响。 ( 3 ) 地表占地面积小，故征地费用小，对环境影响小。 ( 4 ) 盾构推进、出土、衬砌拼装、壁后注浆等工序循环进行，施工自动化 程度高、劳动强度低、施工速度快。 盾构法施工也有如下缺点： ( 1 ) 隧道曲线半径过小，盾构机姿态调整困难。 ( 2 ) 隧道埋深较浅时，地表沉降较难控制。 ( 3 ) 在饱和含水松软的地层中，需采取很严密的技术措施才能把沉陷限制 在很小的范围内，采用管片拼装衬砌，对防水技术要求很高。 ( 4 ) 施工设备费用高。 1 3 隧道施工引起的地面沉降的研究现状 由于国内外岩土工程界学者、工程师们的努力，研究隧道施工引起的地面沉 降规律已经取得不少成果，对盾构施工过程中引起地面沉降和变形的机理的认 识不断深入，影响因素分析的也比较透彻。计算隧道施工引起地面的沉降和土 体变形的方法一般有如下几种：经验公式法、解析法、随机介质法、试验法、 有限单元法和其它方法。 ( 1 ) 经验公式法 1 9 6 9 年，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， r b 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“。， 即著名的p e c k 公式。他认为，在不排水的情况下，隧道施工所形成的地表沉降 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， 4 武汉理工大学硕士学位论文 隧道开挖所形成的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线。 降分布估算公式如下： 跗，= s m , “e x p ( 一豢) 其提出的地表沉 ( 1 - 1 ) s 一；粤 ( 1 2 ) f 幼 式中 s ( x ) 一一距离隧道中心轴线为x 处的地表沉降量( m m ) ； v i 一一施工引起的隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ； s m 缸一隧道中心线处地表最大沉降量r a m ) ； i 一地表沉降槽宽度系数( m ) 。 公式( 1 1 ) 并q 3 ( 1 2 ) q a ，有v i 与i 两个参数需要确定。而这两个参数与隧道开挖 深度、断面尺寸、地层及施工条件有很大的关系。其取值的大小带有一定的经 验性。 英国的c i o u g h & s c h i m i d t ( 1 9 7 4 ) e z 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i 由如下公式确定： 去a ( 甜 m 3 ， 式中r 一隧道半径( m ) ； 卜沉降槽宽度系数( m ) 。 英国o r e i l l y - n c w ( 1 9 8 2 ) 3 对英国粘性土地层的砂性土和回填土地层的最 大沉降量6 。、沉降槽断面积v 。、反弯点距离i 的实测值，并考虑沉降槽形状为 正态分布曲线，提出实际的沉降槽宽度为6 i ，地表沉降由以下公式估算： i = k z ( 1 4 ) = 老( 1 - 5 )纫f 式中k - 与土性有关的系数，在砂性土中，平均值为0 2 5 ，硬粘土为0 4 ， 软粘土中为o 7 。 刘建航等( 1 9 7 5 ) 2 1 在p e c k 法的基础上，总结上海延安东路地铁隧道纵向沉 降分布的一般规律性，提出了“负地层损失的概念，其计算纵向沉降的公式 如下： 5 武汉理工大学硕士学位论文 s 。播 吖半h 半 ) + 按h 半h 半”q 式中m 。、m ：分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙引起的地层损失( m 3 m ) ； y i 、y ，分别为盾构推进起始点和盾构开挖面到坐标原点的距离( m ) ； l 为盾构长度( m ) ； y i 一弘- ly l 一y l - l 同济大学侯学渊等( 1 9 8 7 ) h 。结合上海地区饱和土的特性和盾构施工的特点， 提出了考虑时效因素而修正的p e c k 沉降计算公式： 洲2 ( 警m 一象) m 乃 o s fs 丁，t 。鱼堕 ( 1 - 8 ) e k , 式中p 一一隧道顶部孔隙水压的平均值( k p a ) ； 固结时间( d ) ； 配一隧道顶部土体渗透系数( m d ) ； h 一超孔隙水压水头( m ) ； e 一隧道顶部土体的平均压缩模量( k p a ) 。 m a i r 等( 1 9 9 3 ) 旧1 把经验法用到计算地下土层沉降，探讨了在粘土中，隧道 施工引起的地表最大沉降量与沉降槽宽度随随开挖深度的变化规律。 经验公式法原理简单，易于应用，且因采用大量实测数据进行拟合，其结 果往往与具体的实际工程测量结果符合的较好。是工程上使用较多的一种方法， 但它也有自身的局限性： ( 1 ) 不能考虑土体的侧向变形，不能计算地表以下土层的沉降。 ( 2 ) 不能考虑土体参数及土体固结的影响。 ( 3 ) 不能考虑双洞隧道的叠加影响和隧道形状的影响。 ( 4 ) 对土层的不均匀性边界条件的不对称性没有考虑。 ( 5 ) 地层损失量与地层条件、盾构种类、施工工艺等有关，其取值有困难。 ( 2 ) 解析法 在岩土的工程分析中，简单的闭合解析解是分析隧道施工对周围环境影响 的一种比较有效的方法。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 旧1 得到了弹性均质不可压缩土中因近地表的地层损失所引起 的应变场。他引入影像源法( v i r t u a li m a g et e c h n i q u e ) 有效解决了用其它方法会产 6 武汉理工大学硕士学位论文 生地表垂直应力不为零的问题，研究中没有考虑隧道存在的影响。 v e r r u i j t & b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 采用了s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 的方法，提出了均质弹性半 空间中隧道变形引起的地表沉降的解析解。他们的结果是s a g a s e t a 解的推广， 他们给出的结果不仅适用于不可压缩土的情况( 泊松比为0 5 ) ，而且适用于泊 松比为任意值的情况。但是用v e r r u i j t b o o k e r 的方法计算的沉降槽比实例的结 果要宽，水平方向位移比实测的结果要大。导致这个结果的原因可能是( 1 ) 实际 的土体因为非线性而表现出塑性特性；( 2 ) 分析中假设隧道处土界面的土层径向 位移均一的假设与真实情况不合。 综合k e 等( 1 9 9 2 ) 。提出的间隙参数以及v e r r u i j t b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 得出的闭合 解，l o g a n a t h a n & p o u l o s ( 1 9 9 8 ) ”。对不排水条件下地层损失重新定义，提出“等 效地层损失参数，考虑了土体特性、隧道形状、施工方法等因素的影响，得 出地表及地表以下土体的沉降和地面土体的水平位移值，其计算公式如下： 垂直方向的位移： 肫- 尺2 一：j 丽z - h + ( 3 4 v ) 端一2 z 三 三 量 等 警叫- i 浠+ 警l m 9 ， 水平方向的位移： 肫2 一尺2 x 一五z 丽- h + ： x 2 + ( z 一日) 2 x 等4 - 等h 也： 2 f z +l z ( z h ) z + ( z + 何) 2 警叫一1 3 8 x 2 f + 警】) ( 1 - 1 0 ) 式中 h 一隧道的埋深( m ) 5 r 一一隧道的半径( m ) ； g - 等效地层损失参数； 该公式计算的沉降槽宽度比观测值大，计算软粘土沉降时，其结果一般偏大， 但在硬粘土中则与观测值符合的比较好。 在缺少地层变形特性等资料时，简化的解析解为分析问题提供理论基础， 仍然有很大的意义，但它假设土体变形为弹性、弹塑性，分析局限在平面中， 只有少数简单边界条件下可以得到解析解，在隧道开挖的三维分析中，则其意 义不大。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 随机介质法 随机介质理论是波兰学者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、廖国 华、阳军生等人u w 的发展，其理论已逐步完善，发展到露天开采，近地表开挖 所引起的地表移动预计问题。 在他们编制的计算地表移动及变形的t u n n e l 软件中需要输入如下的计算 参数： h 一隧道开挖的深度，即地面至隧道开挖中心的距离( m ) ； a _ 开挖横半轴( 舢 n ) ； b 一一开挖纵半轴( m m ) ； a _ 开挖后隧道的断面半径收敛值( m m ) ； t a n 卢一与开挖所处的地层有关。 ( 4 ) 试验法 在各种实验方法中，相似材料模拟实验是最基本的方法，其中有普通相似 模拟实验和离心机模拟实验。 k i m u r a & m a i r 等u 川通过离心机模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所产 生的地表沉降预计参数进行了探讨，按照体积不变的假定，得出了地表水平位 移的计算公式。 g u t t l e r & s t o f f e r s “用离心模型试验对圆形隧道变形和破坏的形态进行了 研究，试验发现随着离心机加速度增加，衬砌呈椭圆状变形，垂直向直径缩小 而水平向直径增大，加速度增加到一定程度时，隧道之上部分土体塌落，且失 效机制为以陡的剪切面向上部覆盖层内扩展，引起地基表面的大幅沉降。 l e e & c h e n 刨等用离心模型试验研究了粘土地基中一条单行隧道和两条并 行隧道情况下周围土的位移和塌陷机理。试验结果表明隧道的稳定性随着埋深 的增加而增加，两条隧道距离越近则其相互影响越大，并行隧道不如单行隧道 稳定，并行隧道的地面沉降槽曲线可以由两条隧道各自沉降槽的正态曲线叠加 得到。 国内的周顺华u 创也对隧道的稳定性及地表的变形性态进行了离心模型试 验，试验表明，坍塌的范围呈柱状，地表沉降范围约为4 倍洞径，并对联跨式 和双洞式隧道采用不同台阶长度施工时两类土中所引起的地表沉降进行了比 较，结果表明，联跨式的地表沉降大于双洞式。 周小文等u 别u 别模型试验研究了隧道开挖中支护压力与地层位移的关系以 8 武汉理工大学硕士学位论文 及地面沉降槽的形态。得到了归一化p s 曲线和沉降槽计算参数，还分析了土 种类、密度和含水量对地层位移的影响。 相似模拟试验可以人为地控制和改变实验条件，从而可以确定单因素或多 因素对问题的影响规律，效应直观清楚、周期短、见效快。此外室内试验可以 重复且可以做破坏性实验，这是现场无法比拟的。但相似材料模拟实验的最大 缺点是相似准则不容易满足，边界条件和初始条件也只能近似，这使得模拟试 验在定量分析方面还有一定的困难并且也要增加一定的研究周期和费用。 ( 5 ) 有限单元法 随着计算机技术的飞速发展，有限单元数值模拟法成为求解复杂的岩石力 学和岩土工程问题的强有力的工具。 日本的竹山乔( 1 9 8 0 ) 。曾总结弹性介质有限元分析的成果，并根据实测的 资料加以修正，得到估算地表沉降的实用公式。 r j f i n n o & g w c l o u g h ( 1 9 8 5 ) “经过现场测试表明，土压平衡盾构开挖 隧道的土体反映是三维空间的和随时变化的，并认为可采用纵横两个方向的二 维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程及地表移动。 李桂花( 1 9 8 6 ) “刈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。 詹美礼等( 1 9 9 3 ) m 运用粘弹塑性双屈服面流变模型，根据有限元分析理论 建立了一整套对应的分析方法和计算公式，对上海市打浦路隧道软粘土试样进 行三轴流变试验，并将所获得的参数对该区隧道1 号井进行三维粘弹塑性以及 土体固结的有限元分析，得出了隧道与此号井刚性连接部位开裂的原因。 曾小# - 青( 1 9 9 5 ) “采用弹塑性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。 陈先国和高波( 2 0 0 2 ) “训应用a n s y s 程序在考虑围岩类别、双孔隧道的间 距、开挖和支护方式等因素影响时，对近距离平行地铁隧道进行了有限元数值 模拟，他们得出近距离双孔隧道的计算结果不同于一孔隧道的计算结果，两孔 隧道存在相互影响，隧道间距越近影响越大，这一影响还与开挖方式支护方式 等因素有关，第二孔隧道对己建的第一孔隧道的影响大于第一孔隧道对未修建 的第二孔隧道的影响，第二孔隧道的地表下沉和拱顶下沉值大于第一孔的值， 因此，在两孔隧道地质条件不同的情况下，先开挖地质情况较差的比较有利。台 阶法同步支护与本文的其他方式相比，能有效控制地表下沉和拱项下沉，但其 轴力和弯矩较大。 刘波等( 2 0 0 2 ) ”以广州地铁二号线新南方购物中心地质剖面为样，运用f l a c 9 武汉理工大学硕士学位论文 软件研究了盾构施工引起的地层沉降对该购物中心基础的影响，对地层沉降及 土体位移场进行了数值模拟分析，提出了对应的地基处理建议。 陈先国和王显军等人“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项下沉规律，三维分析主要揭示了隧 道间相互影响的空间变化规律。 有限元法克服了经验公式法等的限制，经历了从二维到三维、非线性弹性 到弹塑性等的模拟过程，使其更加符合实际情形，在隧道开挖等工程计算中被 广泛的应用，可以说数值模拟法不仅在岩土领域，在其他学科方面也有诸多应 用，其前景广阔。 ( 6 ) 其它方法 、 除了以上几种计算方法外，近年来，还发展了诸如专家系统、人工神经网 络等方法，但这些方法都还不太成熟。如专家系统有着需要获取大量数据的弊 端，预测存在经验性；神经元网络理论是一门迅速兴起的非线性科学，它试图 模拟人脑的一些基本特性，如自组织、自适应、容错性等，尤其在处理信息十 分复杂、背景知识不清楚、推理规则不明确的问题时，有一定的优越性，但在 确定其输入数据的准确性、可靠性、完备性时存在困难，并且选取其构造神经 网络的隐含层数和神经元个数依赖于经验。 1 4本文的研究思路和内容 近年来，城市地铁隧道建设在我国正进行的如火如荼，而城市所修建的地 铁一般是在同一埋深地层且临近的两条隧道，既上下行线。双洞隧道因为距离 较近，其施工对地层所造成的影响往往相互叠加，双孔隧道之间也会产生相互 影响。双洞隧道的施工对周围环境所造成的影响通常比单孔隧道更加复杂，而 这方面的模拟研究还很少。 本文用岩土工程数值计算有限差分程序f l a c 3 d ，及其内嵌的f i s h 语言编 制程序，建立了单、双孔盾构隧道的合理三维模型，对影响土体变形的因素如： 施工的方式、注浆体的凝固状态、注浆时间是否及时、盾构土舱压力等进行了 模拟分析，以比较地表沉降和土体侧向变形的规律，具体研究的内容为： ( 1 ) 分析盾构隧道施工时，引起地面沉降的主要机理及其影响因素。 ( 2 ) 分别进行单、双孔盾构隧道的开挖模拟，对其引起的地表沉降，沉降 槽宽度、土体的水平横向位移和纵向位移进行比较分析，得出规律。 1 0 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 3 ) 双孔盾构隧道施工采用同步同向开挖与异步开挖，对这两种工况下引 起的地表沉降和土体侧向变形规律进行对比分析。 ( 4 ) 对盾构隧道壁后注浆体所处状态和注浆时间是否及时进行模拟分析。 ( 5 ) 分析盾构不同土舱压力下，双孔隧道同步开挖引起的地层变形规律。 本文模拟分析所选取的是一种典型隧道区段及断面情况。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章盾构法施工引起地面沉降机理及影响因素 无论是单孔隧道还是双孔隧道施工，都会引起地表的移动和变形。地表移 动主要包括地表下沉和水平位移，而地表变形则主要有地表倾斜和地表曲率， 以及地表水平变形。 双孔隧道施工引起的地表移动或变形分布曲线主要与双孔隧道的埋深以及 它们之间的中心水平距离有关。两孔隧道之间的中心水平距离l 较小时，双孔 隧道施工引起的地表沉降分布与单孔隧道施工引起的地表沉降分布非常类似， 在两隧道中心连线的垂直轴线位置，地面产生最大的沉降，沉降槽为“单峰 形态，如图2 1 ( a ) ；当双孔隧道的中心水平距离l 与隧道的埋深相比较大时，地 面沉降槽为“双峰形态，如图2 1 ( b ) ，其最大沉降不在其中心连线的垂直轴线 位置。 o 一q 。 0 、， 一。一一。一 l i z1 ( a ) l 较小时 ( b ) l 较大时 图2 1 双孔平行隧道地表下沉曲线 2 1 隧道施工地面沉降机理及沉降规律 2 1 1 盾构隧道地面沉降机理 地下工程开挖是在存在初始应力场的地层中进行的，开挖引起地层初始应 力状态的改变，即二次应力场，是由地层初始应力场与开挖引起的附加应力场 叠加而成的，对应二次应力场开挖的位移场仅是由开挖引起的附加应力场。产 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 生地表沉降的主要机理是由开挖面的应力释放、附加应力等引起地层的弹塑性 变形。 隧道施工所引起的地表沉降，主要包括施工卸载时开挖面周围土体向隧道 内涌所引起的地表沉降，支护结构背后的空隙闭合所引起的地表沉降，管片衬 砌结构本身变形所引起的地表沉降以及隧道结构因整体下沉所引起的地表沉降， 可称之为开挖地表沉降。隧道在施工期间的地表沉降可以认为主要由“开挖地 表沉降+ 固结地表沉降十次固结地表沉降 组成，其中，次固结地表沉降更多情 况下是在隧道使用后期进行考虑。天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，再 由孔隙和气体填充骨架孔隙而组成的三相体系，固结地表沉降一般是由孔隙水 的流失及气体的体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距缩短、骨架发生错动所引 起。 2 1 2 盾构隧道地面沉降规律 目前，关于盾构施工引起的地表横向沉降规律研究，已取得大量的研究成 果。如本文第一章第三节所述。 地表纵向沉降规律是反映盾构掘进时，沿掘进轴线方向对地层的影响，同 时它也能反映盾构掘进时不同因素、盾构机不同部位对地层的作用，包括正面 土压力、摩擦力及盾尾间隙等。根据大量实测结果和数值模拟分析，一般将地 面纵向沉降规律划分为如下五个阶段，其示意图如图2 2 。 ( 1 ) 先行沉降，盾构到达前的地层沉降。主要是因为盾构推进对前方土体 的挤压和开挖造成的地层松动在盾构前方土层形成滑裂面，还有地下水位下移 使土层有效应力增加而引起的固结沉降。 ( 2 ) 开挖面前的沉降或隆起，盾构到达时的地层沉降。多由于土体应力释 放，盾构机前部土压舱压力的大小设置以及盾构机四周的摩擦力等引起。实际 施工过程中设定的盾构土压舱压力很难与开挖面土体原来的土压力达到完全平 衡。设土压舱压力与开挖面土体静止土压力之差为a p ，则a p 为正时，开挖面 前方土体向远离土压舱的方向挤出，即产生隆起；当a p 为负时，开挖面前方土 体向土压舱坍塌，即产生地面沉降。 ( 3 ) 盾构机通过时的沉降，盾构机外壳与土层之间形成剪切滑动面，剪切 滑动面周围有剪切应力，土体被扰动所致的。 ( 4 ) 盾尾间隙沉降，事实上，盾构外径与管片环外径之间有一个空隙，当 盾尾通过后，由于注浆的不及时和注浆量不足，管片周围的土体产生向隧道孔 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 涌的位移，从而引起沉降。 ( 5 ) 后续沉降，指前面地层扰动的固结沉降和蠕变残余沉降，反映了地层 沉降的时间效应。 通过对上海某地铁线的现场监测发现：第1 、2 、5 阶段的地面沉降较小， 均小于8 ，第3 阶段的地面沉降约占最终沉降的2 0 左右，而第4 阶段中注浆 不及时引起的沉降和受扰动土体的固结沉降约占最终沉降的5 0 ，甚至8 0 。 这表面，施工阶段盾构隧道产生地面沉降的原因主要是一：由于开挖卸荷和建 筑空隙，使上覆土体在某一段时间内失去支撑，从而产生沉降；二是隧道掘进 和注浆时的扰动打破土体原来的平衡，受扰动土体再次固结从而产生沉降。 地 图2 2 盾构施工时地面沉降示意图 双孔隧道施工引起的地表沉降规律，双孔隧道施工引起的地表沉降比单孔 隧道要复杂。由于隧道施工对周围土层产生扰动，在隧道周围形成扰动区，如 果后行隧道处于先行隧道的扰动区内，后行隧道施工将导致较大的地表沉降。 事实上，不管是后行隧道还是先行隧道，都存在双孔施工引起的地表沉降的叠 加效应，即先行隧道施工对其周围地层的扰动，引起周围地层强度的弱化及后 行隧道施工对先行隧道的沉降叠加。 m a i r 和t a l y e r 于1 9 9 7 年“解释双洞隧道的二线隧道上方地层沉降的变化 时，称“由于一线隧道的施工，地层已经发生了应变，二线隧道预计将发生更 大的地层损失 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 a d d e n b r o o k e 于1 9 9 6 年“”第一次详细介绍了预破坏刚度效应与双洞隧道的 关系。利用有限元法和非线性小应变模型进行数值模拟的结果显示，在首先掘 进的隧道一侧水平位移和垂直位移增加。 p e c k 于1 9 6 9 年、c o r d i n g 和h a n s m i r e 于1 9 7 5 年“、a d d e n b r o o k e 于1 9 9 6 年“和c o o p e r 等于2 0 0 2 年的报道称，修建二线隧道时体积损失增加。c o r d i n g 和h a n s m i r e 于1 9 7 5 年的报道称，对于直径为6 4 m 的二线隧道，在一线隧道与 二线隧道的中心间距为l l m 的情况下体积损失增加量达5 0 。a d d e n b r o o k e 于 1 9 9 6 年也报道了类似体积损失增加量，并且显示随着隧道间距的增加，体积损 失的增加量减小。 c o r d i n g 和h a n s m i r e 于1 9 7 5 年“建议，对位于已经掘进的一线隧道最近一 侧的二线隧道，沉降槽宽度可能会增加。c o o p e r 等于2 0 0 2 年提出了以近边缘体 积v 2 n 相对于远边缘体积v 2 ，的增加量为基础的估算沉降槽宽度相对增加量的方 法，并且给出了不同隧道间距v 2 。知值的趋势曲线。认为近边缘沉降槽的体积 及宽度比远边缘沉降槽的体积及宽度大，即k n k r ，式中l ( i i 和分别为近边缘 和远边缘的沉降槽宽度系数。考虑二线隧道上方的沉降时，在保持最大沉降值 w m 麟恒定不变的情况下，如果沉降槽宽度增加，那么沉降槽的总体积和单位长 度将增加，因此体积损失增加。 如果不考虑先行隧道对地层的扰动，双洞隧道施工引起的地表沉降横向变 化规律及影响范围应考虑两隧道分别施工引起的地表沉降的叠加效应。假设两 条隧道相距为l ，则双孔隧道引起的横向地表沉降可以用下式近似预测“。 “唧矧坞印l 等l 亿。 式中：，屯分别为沉降曲线拐点到隧道中线的距离；s l m 缸，s 2 m 旺分别为距 隧道中线处的地表沉降值；s 为距先行隧道x 处的地表沉降值。 2 2 隧道施工地面沉降的影响因素 地层沉降大小的影响因素很多，总结起来主要有： ( 1 ) 地基土体特性的影响 浅埋暗挖隧道上覆地层已无自承载能力，荷载应全部由隧道支护结构来承 担，但实际上，不但是土层，即使是干砂，地层仍能形成自然载拱。大量资料 表明，随着地基土层压缩模量的增加，地面沉降逐渐减小。在土层压缩模量较 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 小时，地面沉降和水平位移受模