（岩土工程专业论文）盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究.pdf

i ( 、 p o ui r - lj f 硕士学位论文 盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究 s t u d yo n l a w sa n dc o n t r o lm e a s u r e so fg r o u n d s e t t l e m e n t sc a u s e db ys h i e l dt u n n e l i n g 作者姓 学科专 学院( 系、 指导教 ) ： 郑淑芬 岩土工程 资源与安全工程学院 罗周全 答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 0 年0 5 月 名业所师 一j 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：塑邀盔 日期：竺丝年上月兰日 学位论文版权使用授权书 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 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，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。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：塑壑盔 导师签名 中南大学硕士学位论文 城市地铁隧道采用盾构法施工时，在盾构机的推进过程中一般会引起 隧道上方地表沉降，并且在隧道施工阶段和运营阶段还会产生隧道沉降， 直接影响周围地面建筑和地下设施的正常使用。如何减少施工对周围土体 的扰动程度，分析地表沉降的原因并研究地表沉降的规律是隧道施工中的 一个很重要的问题，具有实际的工程意义。 论文在收集并阅读大量相关文献和资料的基础上，对盾构隧道施工地 表沉降进行了较为深入的研究。首先，归纳总结前人研究所得理论，分析 了产生地表沉降的机理和影响地表沉降的因素以及地表沉降的大致规律； 接着，以广州地铁三号线北延段高增站新机场南站区间盾构隧道为实际 工程背景，运用有限元软件m i d a s g t s 模拟盾构隧道开挖掘进过程，分 析盾构隧道掘进过程中产生的地表沉降，并将数值模拟分析结果与实测的 地表监测数据对比；然后，借助m i d a s g t s 软件，研究上层覆土条件、 盾尾注浆、掘进压力和双线隧道的不同开挖顺序等因素对盾构隧道地表沉 降的影响规律；最后，针对如何将地表沉降控制在合理范围内提出了实用 性的措施。 论文研究得出： ( 1 ) 有限元软件m i d a s g t s 模拟分析盾构隧道产生地表沉降的结 果与工程实测的监测数据基本吻合，从而验证了本文数值分析结果的可靠 性。 ( 2 ) 研究表明采用盾构施工的隧道上方覆土的厚度越大，地表沉降 就越小；当上覆土层厚度相同时，埋深越大处地层的横向最大沉降量越大。 ( 3 ) 采用等代层来模拟盾尾注浆时，等代层的弹性模量取值对地表 沉降影响很小，而等代层的厚度则明显影响地表沉降值。 ( 4 ) 掘进压力对地表纵向沉降影响较大，施工中应控制好掘进推力 的大小，广州地铁三号线高增站新机场南站区间盾构隧道的掘进压力应 控制在5 0 0 k p a 左右比较合适。 ( 5 ) 双线隧道施工时，同时同向开挖和完成一条隧道后调头开挖另 一条隧道两种不同施工方案引起的地表沉降值相差不大；但是，完成一条 隧道后调头开挖另一条隧道由于先开挖隧道对后开挖隧道有沉降叠加作 用，因此两条隧道中心线上的沉降值不等，沉降槽不对称。 关键词：隧道，盾构，数值分析，地表沉降，控制措施 生堕大学堡主兰垡丝奎 ! 墅! ! 坚， - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ - _ _ 一 一一 a b s t r a c t t h es h i e l dm a c h i n ei nt h ec o u r s eo fs h i e l dt u n n e l i n gw i l lg e n e r a l l yr i s et o g r o u n ds e t t l e m e n t o nt h et o po ft h et u n n e l ，a n dt h e r ew i l lb eat u n n e l s e t t l e m e n ti nt u n n e lc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ，ad i r e c ti m p a c to nt h e s u r r o u n d i n gb u i l d i n g sa n du n d e r g r o u n d f a c i l i t i e si nt h en o r m a lu s e i ti sav e r y i m p o r t a n ti s s u eo fp r a c t i c a le n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c et h a th o w t or e d u c et h e c o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c et os o i ll e v e l ，a n a l y s i so fg r o u n ds e t t l e m e n t ，a n d i n v e s t i g a t et h el a w so fg r o u n ds e t t l e m e n ti n 也et u n n e lc o n s t r u c t i o n o nt h eb a s eo fal a r g en u m b e ro fr e l e v a n tp a p e r sa n dl i t e r a t u r e ，t h ep a p e r s t u d i e dm o r ei n d e p t ho nt h eg r o u n ds e t t l e m e n tc a u s e db ys h i e l dt u n n e l i n g f i r s t l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e dt h et h e o r yo fo u rp r e d e c e s s o r s ，a n a l y s i s o f g r o u n ds e t t l e m e n tr e s u l t i n gm e c h a n i s m ，t h ef a c t o r sa n dt h eg e n e r a l l a wo f g r o u n ds e t t l e m e n t s e c o n d l y , i nt h eb a c k g r o u n do f t h es h i e l dt u n n e l i n gf r o m g a o z e n gs t a t i o nt on e wa i r p o r ts t a t i o n i ng u a n g z h o um e t r o ，t h ep a p e r a n a l y s i e d t h es h i e l dt u n n e lb o r i n ga n dt h eg r o u n ds e t t l e m e n tb yt u n n e l i n gw i t h f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em i d a s g t s ，t h e nc o m p a r e dw i t h n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm o n i t o r i n gd a t a t h i r d l y , s t i l lw i t hf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r em i d a s | g t s t h i sp a p e rf o c u s e do ns t u d y i n go nh o wt h ef a c t o r s i n c l u d i n gu p p e rc a s i n g ，t a i ls h i e l dg r o u t i n g ，t u n n e l i n gp r e s s u r ea n d t w o - l a n e t u n n e l sc o n s t r u c t i o np r o g r a ma f f e c tg r o u n ds e t t l e m e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rp u t f o r w a r dr e a s o n a b l ep r a c t i c a lm e a s u r e so nh o wt oc o n t r o lg r o u n ds e t t l e m e n t t h e r ea r es o m ec o n c l u s i o n sf r o mt h es t u d yi nt h i sp a p e r ： ( 1 ) r e s u l t sf r o mf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r em i d a s g t sa n dp r o j e c t m o n i t o r i n gd a t aa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n t ，i tv e r i f i e dt h er e l i a b i l i t yo f n u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sb ym i d a s g t s ( 2 ) t h i c k e rt o pc a s i n gm a k e sl i t t e rg r o u n ds e t t l e m e n tw i t ht h ef o r m a t i o n d e p t hi n c r e a s e s ，t h eh o r i z o n t a l s t r a t am a x i m u ms e t t l e m e n ta m o u n ti se v e n g r e a t e r ( 3 ) w h e ns i m u l a t i n gt h et a i ls h i e l dg r o u t i n gw i t he q u i v a l e n tc i r c l ez o n e ， i tf o u n dt h a tt h em a t e r i a lp a r a m e t e r so fe q u i v a l e n tc i r c l ez o n ea f f e c tl i t t l eo n t l o ng r o u n ds e t t l e m e n to b v i o u s l y ( 4 ) t h ed r i v i n gp r e s s u r ei m p a c t e do nt h ev e r t i c a l g r o u n ds e t t l e m e n t g r e a t l y , i ts h o u l db ec o n t r o l l e dw h e nc o n s t r u c t i n g ( 5 ) i nd o u b l el i n et u n n e lc o n s t r u c t i n g ，t h e r ei s l i t t l ed i f f e r e n c ea b o u t g r o u n ds e t t l e m e n tw h e t e rt h et w ol i n ec o n s t r u c t e da tt h es a m et i m ea n dt h e s a m ed i r e c t i o no ro n ef i r s tt h e na n o t h e r w h i l ea n dt h ee x c a v a t i o na n dt h e c o m p l e t i o no f at u n n e lt h e nt u r na r o u n dt h eo t h e ro n e b u t ，w h e nu s i n gt h e l a t t e rm e t h o d s ，b e c a u s eo ft h es u b s i d e n c e s u p e r i m p o s i t i o n ，t h eg r o u n d s e t t l e m e n to ft h et w oc e n t e r so ft w ol i n e si sn o te q u a l ，t h es e t t l e m e n tt a n k s a r e u n s y m m e t r i c a l k e yw o r d s ：t u n n e l i n g ，s h i e l d ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，g r o u n ds e t t l e m e n t ，c o n t r o l m e a s l l t e s i i i 中南大学硕士 摘要：i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 引言1 1 2 国内外研究现状综述1 1 2 1 经验公式法2 1 2 2 解析法4 1 2 3 理论分析法5 1 2 4 模型试验研究法7 1 2 5 数值分析法8 1 3 目前研究存在的问题9 1 4 本文研究内容与技术路线9 1 4 1 主要研究内容9 1 4 2 技术路线1 0 第二章隧道施工产生地表沉降的机理1 1 2 1 盾构施工原理1 l 2 1 1 盾构法的基本工作原理1 1 2 1 2 盾构法的主要技术环节1 1 2 2 盾构施工对土层的扰动机理1 2 2 3 地层沉降的影响因素1 6 2 4 地层沉降的特征1 8 2 4 1 地层沉降的时间效应1 8 2 4 2 地层沉降的空间效应1 9 2 5 本章小结2 1 第三章隧道施工数值模拟2 3 3 1 隧道施工过程有限元分析原理2 3 3 1 1 隧道模型有限元分析概述2 3 3 1 2 岩土材料力学特性和本构模型2 4 3 1 3 隧道施工过程数值模拟方法2 7 3 2m i d a s g t s 简介3 1 3 3 工程概况3 4 中南大学硕士学位论文目录 3 3 1 工程地质条件3 4 3 3 2 水文地质条件3 7 3 3 3 场地类别与地震烈度、地震效应3 8 3 3 4 地面沉降监测3 8 3 4 数值模拟4 0 3 4 1 计算假定4 0 3 4 2 计算边界及网格划分4 0 3 4 3 材料属性4 1 3 4 4 模拟的过程4 1 3 5 计算结果分析4 5 3 6 本章小结4 9 第四章地表沉降影响因素敏感度分析5 0 4 1 不同覆土条件下盾构开挖对地表沉降的影响5 0 4 2 盾尾注浆对地表沉降的影响5 3 4 3 不同掘进压力条件下盾构开挖对地表沉降的影响5 6 4 4 双线隧道不同开挖方式对地表沉降的影响5 8 4 5 本章小结6 0 第五章地表沉降控制措施，6 2 5 1 地表移动与变形对周围建筑物的影响6 2 5 2 地表沉降控制基准分析6 3 5 3 控制盾构隧道施工地面沉降主要的工程方法6 5 5 4 工程实际采用的控制地表沉降措施6 7 5 5 本章小结6 8 第六章结论与展望6 9 6 1 本文结论6 9 6 2 下一步工作展望6 9 参考文献7 1 致谢7 6 攻读学位期间主要科研成果7 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早殖下匕 近年来，我国城市规模不断地扩大，人口密度也不断增长。一方面，为了达到城 市建设发展与人口增长相适应的目标，城市可供利用的土地面积会越来越少，从而造 成环境污染、交通阻塞、空间拥挤等城市问题，恶化了居民的生活环境。另一方面， 社会与经济的快速发展对城市集约化程度要求越来越高，这也给城市土地带来极大的 压力。合理地开发和利用地下空间已经成为扩大城市容量和增加城市功能的有效途 径，它能有效解决城市建设与地面空间紧张的矛盾，是促进城市可持续发展以及加强 环境保护的有力举措【l 】。 隧道工程建设伴随着地下空间的开发和利用而出现，并且得到大量的兴建。隧道 工程主要包括：为解决城市交通拥挤问题而修建的公路隧道、地下铁道和穿越障碍物 的各种地下通道；各种市政地下工程，如污水管道、电缆管道、以及市政管线公用隧 道( 共同沟) ；人防设施、工业与民用方面；以及文体、娱乐等方面的地下设施【2 1 。 隧道工程施工过程中，会对地层造成一定的扰动，原始的力学平衡受到影响。在 隧道支护后，地层实际上是达到了一个新的静态平衡状态。但在施工过程中，由于施 工正在进行，地层是出于一个应力变化状态，隧道周围的岩层会发生一定的变形和移 动。理论中把因开挖形成的应力调整涉及有明显位移的地层范围称为施工影响范围， 对于浅埋隧道情况，这一范围波及到地表，形成施工沉降槽【3 】。沉降槽可能引起地表 的沉降，当体积过大，地层力学平衡破坏严重时就会出现塌陷，导致道路路面结构破 坏以及管道、地表建筑物的损坏。因此，在城市中开挖隧道时，要与保护城市中有历 史意义和经济、社会意义的设施协调起来，根据地表保护要求，采取有效的措施来控 制地层移动、减小变形，以使地表房屋、道路、管线等不致造成损害，生态环境不致 恶化【4 】。这就必须要研究隧道施工所引起的地层移动和由此造成的地表沉降，并对隧 道施工所引起的地表沉降提出较为可靠的预计与控制方法【5 。 1 2 国内外研究现状综述 对隧道施工引起地表沉降问题的研究最初是从分析矿山巷道上方地表沉降开始 的。在此之后，国内外的许多学者都进行了许多相关的研究。目前，对盾构法隧道施 工引起的地表沉降分析及预测的主要方法有：经验公式法、解析法、理论分析法、模 型试验研究、数值分析等【。 去= ( 笥 。4 ，。一一_ 尺 l2 r ，1 小 式中：z 一隧道的开挖面中心到地面的距离； i 卜盾构的外半径。 此外，a t t e w e l l 等9 1 也提出横向沉降槽的宽度系数i 取决于近地表地层的强度以及 隧道埋深和隧道半径，其值可近似为： l rk 谢2 r m 5 ) 一2a i l kf1 、 k = 去 m 6 ， 2 k 的取值为：砂性土为0 2 - 0 3 ，硬粘土为0 4 ，软粘土为0 5 。 日本的藤田圭一【1 2 】主要从事于在软弱地层中不同的施工方法对地层产生的不用 影响的研究，并提出了基于一系列影响因素如地层条件、盾构模式等的地表最大沉降 预测值。 m a i r 【1 3 】在统计分析的基础上提出了地层沉降量的估算经验公式： t 毯，懈d 一瓦x 。2j ： 9 ， 式中： 疋，一2 百万石函1 2 萄5 v f l 调。i r 2 0 1 7 5 + 0 3 2 5 ( 1 一z z 0 ) i = ：- - - - - - - - - - 二一 1 一z z o 考虑到土体扰动后产生固结沉降的规律，并且加入时间影响因素，侯学渊1 4 1 修正 了p e c k 计算地表的横向沉降公式： _ ( 谮h 斋 式中：日一超孔隙水压水头( m ) ； 0 t t ， ，一2 死p 1 = = ? = ，l e k 。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 丁一固结时间( s ) ； p 一隧道的顶部孑l 隙水压力平均值( m p a ) ； 1 0 一隧道顶部土体渗透系数( m s ) ； e 一隧道的顶部土层平均压缩模量( m p a ) 。 解析法分析多数是以线弹性土体为研究模型的，主要有：s a g a s e t a 法，v e r r u i j t 法，l o g a n a t h a n p o u l o s 法【。 ( 1 ) s a g a s e t a 法 s a g a s e t a ”1 采用两个不同分析步骤，即隧道的开挖和衬砌过程产生的土层损失和 地层损失引起的周围土体变形，计算盾构隧道施工引起的地表位移。 其地表位移计算如下： 耻一嘉寿【i 南j s y 0 - 云瓦云酽 n d d = 嘉南1 蒯 ( 2 ) v e r r u i j t 法 v e r r u i j ta & b o o k e rj r 【1 6 】提出估算相同径向的地层损失引起的横向变形和地表 沉降的解析公式： 铲划睁办积2 ( 掣+ 冬爿+ 等 譬 + 字础2 静+ 鼎竿 m 铲划睁卦积2 ( 掣+ 销一等 - 一争 4 积2 x h iz 2im z ( x 2 3 2 2 2 ) l 所+ 1 l 吃4 。吃6 - j ( 1 - 1 3 ) 式中： g 一相同径向位移情况隧道表面的相对位移参数； 万一卵形位移情况下隧道表面相对位移参数； 4 中南大学硕上学位论文 第一章绪论 聊= i = 瓦1，后= f 钫；为土层泊松比。 ( 3 ) l o g a n a t h a n & p o u l o s 法 l o g a n a t h a n p o u l o s 1 7 1 提出了适用于砂性土层和粘性土层的等效的土层损失模 型，同时融合v e r r u i j t 的解析解，从而得出不考虑开挖土体固结影响的地层垂直、水 平位移： 甜y = r 2 - 二器+ c 3 + 4 ，丽y + h 一 一4 9 r + 9 2 唧h 4 r 2 il ，f u x = r 2 工 【 3 1 2 x 2 型 1 日2 j j 3 4 94 y ( y + 日) x 2 + ( y + h ) 2 k 2 + ( 少+ 日) 2 】2 警唧 _ 4 r 2 l 3 1 2 x 2 式中：一土层沉降影响区的角度。 o 6 9 y 2 1 1 f ( 1 1 4 ) ( 1 1 5 ) 1 2 3 理论分析法 ( 1 ) 随机介质理论法 波兰学者l i w i n i z y n 主要从事于矿山地下开采导致的地表沉降研究，并在研究基 础上提出了随机介质理论。目前，理论经过了长期的发展，成为有效预测地采中地表 变形与移动的科学手段1 引。 l i w i n i z y n 分析认为在隧道开挖导致的复杂岩土体的移动过程中，单位土体的运 动表现出较强的随机性，不能作为简单的弹塑性模型来分析，以概率统计方法将由大 量已知或未知因素所控制的岩土体作为随机介质来分析是比较理想的。 随机介质理论主要是将隧道开挖土体等效为多个微小的基本块体，那么隧道开挖 导致的地表沉降就可以看做由这些微小基本体开挖时导致地表沉降的总影响之和。其 数学分析表达式为：假设某一开挖单元的尺寸为d 吞d ( d r l ，距地表深h ( 如图1 1 所示) ， 当开挖单元完全塌落时所引起的地表下沉量达到最大，所引起的地表坐标( x ，y ) 点 下沉量为【1 9 】： w e = ( x , y ) 2 志e x p 一南【( x - x o ) 2 + ( y - y o ) 2 d 影乒刁 ( 1 6 ) 中南大学硕士学位论文第一章绪论 式中：x 、k 、，7 开挖单元倒刁中心坐标； 厂( 刁) 主要影响半径，( 刁) = 刁c o tf l ； 主要影响角，其值取决于上覆岩层的性质。 y 0 一 l z r 图1 - 1 单元开挖示意图 目前随机介质理论的研究在国内也得到了较大的发展与应用。例如：刘宝琛，张 家生【2 0 】等以随机介质理论为依据对不同隧道断面下二维以及三维状况地铁隧道开挖 导致的地表沉降进行研究，取得良好效果；阳军生，刘宝琛【2 l 】等以随机介质模型完成 了对挤压式盾构隧道施工引起的地表移动研究；朱忠隆，张庆贺等 冽立足于随机介质 理论，应用于上海地铁二号线的e p b 盾构施工导致的地表纵向沉降研究，并总结推 导出计算公式；施成华，彭立刨2 3 】等分析并改进了地表纵向沉降公式。随机介质理论 在国内应用很广泛，由此取得的新的成果也是较为丰硕的。 ( 2 ) 灰色理论与人工神经元网络法 灰色系统理论阱】是由邓聚龙教授于上世纪8 0 年代提出的。其中以等时距为约束 条件的灰色g m ( 1 ，1 ) 模型应用最广，但当遇到建模为非等间距时序的情况时就超 过了其分析范围。灰色系统理论也是经过长期的发展和逐渐完善的。 靳晓光，李晓红等【2 5 】在完成对建模方法的优化后，灰色模型可以用于分析隧道围 岩非等间距位移以及不同增长检测数据序列。 王铁生，张冰等【2 6 】以时间t 为形式参数，建立了以时间为变参的灰色模型，实践 证明这种模型应用于预测地表沉降是可行的。 张玉祥【2 7 】以岩土工程中时间序列的预报为例，提出灰色理论存在的缺陷，认为神 经网络解决问题的效果更为理想。灰色理论模型得到的是相对较为简单的指数模型， 对实际复杂的工程问题是不能够很好表达的。 孙钧、袁金梨蹦1 等则将神经网络应用于对盾构法隧道施工导致地表沉降预测，取 得较好成效。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 胡珉，周文波 2 9 】在模拟神经网络的基础上成功拟合出了盾构法施工参数与地表沉 降关系，并总结出对应数学表达式。利用遗传算法匹配结果，实现施工效率与效益的 最优控制。 王述红，田军等【3 0 】等在结构上对神经网络进行优化，主要采用遗传算法来实现盾 构法隧道施工中对地层变形量的预测，预测精度得到很大提高。 ( 3 ) 专家系统 专家系统是一种人工智能系统，主要作用是利用施工中所总结的先验参数库为基 础，对盾构法隧道施工过程中的遇到的多种不确定参数进行分析并在综合考虑情况下 选择确定，选取这些参数直接影响着地层损失的形成。专家系统的解决方案应用在工 程实际的多个方面，效果良好。 黄黔、周文波【3 l 】在上海软土隧道施工数据库的基础上，建立了盾构隧道开挖施工 对周围影响评价的人工智能系统，实践证明效果良好。 日本早稻田大学的小泉淳【3 2 】研究得出在盾构法隧道开挖过程中，土压、注浆时间 和注浆量以及盾构姿态等与地层损失之间的关系。实践证明，通过这些参数控制可以 减少地表沉降量，取得良好应用效果。 侯学渊、廖少明等【3 3 】等也在上海地铁一号线施工数据的基础上，建立了专家系统。 专家系统对施工参数进行了多方位模拟推断，给出了相对最优的开挖参数，对地表沉 降或地层损失起到了较好的控制作用。刘建航于1 9 9 1 年将该系统应用于上海地铁一 号线的施工监测，取得了良好的结果【3 4 】。 1 2 4 模型试验研究法 模型实验作为科学研究的一个重要手段，发挥着巨大的作用。为了对隧道施工引 起的地表变形特征和影响地表变形的因素等进行更进一步的探讨，通过模型试验方法 对现场实测和理论分析进行验证和模拟研究是非常必要的。目前，相似材料模型试验 应用广泛，主要采用多方面性质近似的材料模型来模拟岩层，另一种应用广泛的是离 心模型试验。 l i t w i n i z y n 将地层看做是由岩性有差异的类球体堆积而成的地质体。采用大小相 同的球体作为模拟地层的组成部分，假定前提为不考虑材料应力以及应变状态的影 响。试验表明：沉降槽横向分布曲线与高斯概率曲线相同。 a t k i n s o n 等在砂土和粘土中进行浅埋隧道离心模型实验，得出隧道破坏时应力差 与z d 的关系，进而由塑性理论的下限定理求得地面沉降的理论解【1 5 】。 m a i r & g u n n t 3 5 】在采用离心模型试验的同时，以有限元理论对浅埋隧道盾构法施工 导致的地表沉降进行了分析。研究认为浅埋隧道周边的粘土层对地表沉降影响最大， 隧道的坍塌稳定率随着埋深的不同而变化，而稳定率相同的不同埋深隧道沉降也有很 大不同。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 k i m u r a & m a l 3 6 】利用离心模型试验研究软土层中二维状态下理想模型与隧道开挖 之间的关系。研究表明分析结果与由塑性理论得出的稳定性结论是一致的。 g u t t l e & s t o f f e r s 3 7 】在进行圆形隧洞变形以及破坏形态分析时也采用了离心模型试 验3 8 。 i m a m u r a 等【3 9 】采用一种微型盾构机进行隧洞开挖和衬砌脱出盾尾过程的离心模型 试验，对不同的隧道埋深条件和有盾尾间隙情况下衬砌拱项土压力及地面沉降的情况 进行了研究。 周小文，濮家骆利用离心模型试验，研究砂土隧道支护压力与地层位移之间存 在的关系。试验得出了计算任意位移下支护压力的计算公式。 李围，何川等【4 i 】进行了南京市玄武湖公路隧道两条盾构隧道对公路的影响的研 究，分析其相互扰动带来的影响或可能导致的路年结构破坏。试验表明：扰动带来的 影响不大，且隧道导致的地表沉降不会造成公路结构的损坏。 1 2 5 数值分析法 随着计算机技术在工程中的不断应用，采用软件对隧道开挖进行模拟，从而预测 和分析地表沉降的手段越来越受到重视。相对于其他方法，数值分析方法考虑的因素 更为细节化，更加全面。通过计算机精确以及大量计算的特性，解决复杂条件下隧道 开挖对地表沉降构成的影响，得到的结果更为可靠。常用的预测地面沉降的数值分析 方法主要是有限单元法【4 2 4 3 1 。 有限元法是一种力学分析法，通过模拟地层的受力进而分析其所处的应力、变形 情况。此时，复杂性只是对于计算机而言，分析人员考虑的是相对有限的参考因素本 身的合理性。根据地层条件及隧道施工情况，可以将地层假定为弹性、弹塑性或者粘 弹塑性等不同类型的介剧州。 地层和施工条件好时选用弹性有限元分析。弹性模型表达的是一种近似线性的关 系，当土体受到的扰动不可以忽略时，土体实际上是作为弹塑性介质存在的，这时要 采用非线性有限元分析，要考虑岩层中水的存在、土体的可塑性等。目前，各种有限 元分析软件应用都较为广泛，软件允许在进行多参数设置的情况下综合分析。 例如：g h a b b o u s s i 采用了二维和三维有限单元法樟拟分析了在两条地下通道上方 施工穿越隧道的力学影响，并与实测进行了对比【4 5 舶】。s a g a s e t a 提出了仅考虑土体损 失的应变法【4 7 】。l e e 和r o w e 采用二维平面应变有限单元法，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【4 8 5 0 1 。 张弥等针对上海地铁一号线工程开发了盾构施工技术专家系统【5 l 】，用于对盾构隧 道施工面沉降进行预估1 5 引。 国内外的研究结果表明，采用有限元方法是研究隧道开挖问题引起地面沉降的有 效方法。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 目前研究存在的问题 ( 1 ) 盾构法隧道施工导致的地表沉降是与空间以及时间相关的。理论研究或模 拟只是在相对理想约束条件下对地层的相似评估，方法本身具有- _ 定的限制，可能只 适用于某种或某几种情况【l j 。 ( 2 ) 专家系统所提供的只是基于计算机处理模式的相对可以提出多个方案的参 考性结果。盾构施工参数是多样性的，对地表带来的扰动以及沉降程度也是不同的。 工程实际中还是应该具体问题具体对待，研究仍然任重而道远。 ( 3 ) 利用经验公式可以完成对地表沉降的预测和分析，但对于开挖过程中的变 化描述是不准确的；解析法的计算必须以有数据参数为前提，局限性较大，由参数的 模糊性导致的结果不可靠也是经常发生的；随机介质理论、灰色理论和人工神经元网 络是是预测地表变形的新方法，分析和推估都有一定的前提约束条件和数据量的基 础，结果相对可靠，因为其负载所以应用受到一定限制；专家系统从一定程度上讲是 相对易推广和应用的方法，提供的方案是具有较大可行性的，数值分析法中分析的细 节更为具体，考虑的因素更为本质化，也是有效的预测方法之一。盾构法隧道施工对 地表沉降的影响有多种方法来进行有效预测和分析，分析效率与效益的平衡是评估过 程中考虑的重要因素。 1 4 本文研究内容与技术路线 1 4 1 主要研究内容 本文以广州市轨道交通三号线北延段高增站新机场南站区间隧道工程为背景， 运用大型有限元分析软件m i d s g t s 模拟分析盾构开挖隧道的过程，进而分析盾构施 工引起地表沉降的规律，并针对分析结果提出控制地表沉降的工程措施。论文主要内 容如下： ( 1 ) 在阅读大量文献的基础上，总结了盾构法隧道施工引起的地表沉降及地层 位移的研究方法及现状，阐明了研究意义； ( 2 ) 分析了盾构法隧道施工产生地表沉降的机理； ( 3 ) 结合广州市轨道交通三号线北延段高增站新机场南站区间盾构隧道施工 资料，运用大型有限元分析软件m i d a s g t s 建模模拟该隧道施工过程，得出对地表沉 降的影响，并将数值分析结果与现场实测的监测数据对比，发现二者基本吻合，从而 验证该数值分析结果的可靠性： ( 4 ) 研究覆土条件、盾后注浆、掘进压力和开挖顺序等因素对地表沉降的影响； ( 5 ) 提出盾构法隧道施工地面沉降控制措施。 9 绪论 图1 1 本文技术路线图 1 0 的技 中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理 第二章隧道施工产生地表沉降的机理 盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，由于盾构施工 引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰 动，引起地层变形以及地面的沉降。地层扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将会 引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及到邻近建 筑物和地下管网的安全，进而引起一系列的岩土环境问题。由此可见，研究盾构施工 产生地表沉降的机理具有重大的意义。 2 1 盾构施工原理 2 1 1 盾构法的基本工作原理 盾构法( s h i e l dm e t h o d ) 是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是依靠盾 构机械在土体中推行前进，通过盾构外壳和管片来支承周围的岩体，以防止岩土体向 隧道内的坍塌。盾构法利用切削装置开挖盾构机掘进前方的土体，再由出土机械将切 削下来的土体运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，最终形 成隧道结构的一种机械化施工方法。稳定开挖面是盾构法施工的主要工作原理，另外， 它与挖掘排渣和注浆衬砌共同等构成了盾构法施工的三大要素。 施工中常常采用的土压平衡盾构包括削土密闭式与泥土加压式两种。本文所研究 的工程实例正是采用土压平衡盾构，在盾构机的前端有一个全断面的切削刀盘，紧跟 刀盘后面的是用于贮存切削下来土体的密闭土舱。掘进过程中，刀盘旋转切削下前方 的土体并将其涌入密闭土舱；不断的切削涌入必定能够使土体充满土舱，这时，盾构 千斤顶的顶推力就会作用在密闭土舱内的土体上而加压于开挖面。施工中要控制地表 的沉降主要应从减少盾构对周围土体的扰动着手，要实现这一点只需在削土压力地层 水土压力平衡时保证排土量与切削土量相同即可【5 3 】。 2 1 2 盾构法的主要技术环节 盾构施工是个非常复杂的过程，盾构开挖隧道时，其对周围环境产生的影响与本 身施工的主要技术有着密切的关系，因此，只有准确分析并把握盾构施工的主要因素 才能更好地将盾构施工对于周围环境的影响降低到最小范围内。盾构施工的主要技术 环节包括以下3 个方面【l j ： ( 1 ) 土体开挖与开挖面支护 开挖隧道过程中，土压平衡式盾构通过刀盘切削前方的土体。千斤顶的推力大小、 中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理 刀盘的转速快慢和切削的扭矩大小三者共同决定了排土量，而控制排土量的大小则是 通过调节螺旋排土器的转速来实现的。由于施工中要保持土舱内的土体压力与开挖面 承受的水土压力平衡以降低施工扰动，减小地表沉降，所以要调节并控制好排土器的 转速以平衡排土量和挖土量。 ( 2 ) 盾构推进与衬砌拼装 依靠千斤顶的顶推作用向前掘进的盾构机在前进的过程中需要克服来自开挖面 的正面土体压力、侧面土体阻力、盾构机内部设备之间的摩擦力等三个方面的阻力， 为了减小掘进对周围土体的扰动，需要根据上述三方面的阻力来确定盾构掘进的顶推 力大小，因为如果顶推力大于阻力，会使掘进前方的土体受挤压而产生地表隆起或地 层往前推移，而顶推力小于阻力则会降低施工速度。每推进一个工作环以后，盾构的 千斤顶就会收缩回来并且完成拼装衬砌。 ( 3 ) 盾尾脱空与壁后注浆 当盾构机械的千斤顶往前顶进时，拼装衬砌会脱离原本的盾构壳体内部的保护， 而在自身外面产生一定的建筑空隙，从而使地层产生较大的损失，如图2 1 所示。如 果没有对建筑空隙及时采取有力的补救措施，那么便会引起严重的地层位移和地表沉 降【5 4 1 。 ( a ) 盾尾空隙 后构钢壳i ! 劳管壁后注浆体、 1 零苎竺要雯豳j 同步是浆 二二三三二二二二工二二二二：二二 图2 - 1 盾尾空隙与壁后注浆 2 2 盾构施工对土层的扰动机理 ( 1 ) 对水和泥浆的扰动。 1 2 化；沿着衬砌管片之间的连接缝隙渗入其中的泥水含有沙石颗粒，它会导致土体的局 部坍塌。盾构法施工特别是泥水式或者土压平衡式的盾构，施工中如果碰到坚硬的障 碍物，在排除障碍物的过程也有可能引起附近的土体产生大幅度沉降。 ( 3 ) 对土体性质的变化 盾构管片脱离盾尾时，因为盾壳内径与管片外径的制作误差，同时加上盾壳自身 的厚度，管片与周围的土体会存在一个建筑空隙，大小约为2 0 - - - 3 0 r a m 。对于这个建 筑空隙如果没有及时填补，那么空隙上方的土体就会塌落到管片内部，并且还会在覆 盖土层陆续地产生间隙，进一步降低土体密实度。土体遭受扰动以后需要很长时间的 的固结与次固结才能逐渐回复到初始的应力状态。当对隧道轴线进行纠偏时，会出现 千斤顶一侧超载，而另一侧却卸载，从而使得两侧的土体应力状态存在明显的差别。 土体受扰动以后，其本构关系与物理参数必定也会发生改变。 ( 4 ) 对土体应力状态的影响 隧道的开挖会引起原来处在稳定状态的地层周围土体发生原始应力状态改变，力 学行为变得比较复杂，出现加载与卸载；当周围土体的应力平衡状态遭到破坏时就会 产生土体扰动，进一步引起地层的变形。当采用盾构法开挖隧道时，开挖施工将改变 土体应力状态或者应力路径，而且不同位置点的土体应力路径也会不一样。 盾构掘进过程中主要是靠千斤顶的推力达到向前推进的目的。当千斤顶提供的推 力足以抵抗掘进过程中的种种阻力时，盾构机才得以向前推进。盾构机前进过程中受 到的阻力会发过来作用于周围土体之上，这就产生了所谓的土体附加力。 使隧道周围土体产生扰动的阻力主要包括：产生于盾构机壳体和盾构周围土体之 间的摩擦力，耳 i f i ；开挖面的土体主动土压力，f l o f 2 ；衬砌管片与盾构机尾部之间的 摩擦力，h 【i f 3 ；存在于配套的车架和盾构机之间的摩擦力，即f 4 ；盾构机刀具切口切 入土体所承受的土体对其产生的阻力，即f 5 。当千斤顶的总推力大于或