（道路与铁道工程专业论文）北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预测.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要 摘要：地铁隧道施工不可避免地对岩土体产生扰动，引起的地表沉降可能影响地 面建筑物和既有管线设施，当地表沉降达到一定程度时将影响到地面建筑物的安 全和地下管线的正常使用。为了减少由于隧道施工引起的地表沉降造成的对地面 建筑物和地下设施的损害，有必要对地表沉降规律进行正确的分析并由此作出可 靠的预计，从而可以选择最佳的施工方法，制定一套完善的措施以确保施工地区 地面建筑物与地下管线等重要设施的安全。 本文根据从北京地铁和北京电力沟道隧道几个施工区段获得的地表沉降实测 数据，采用多项式回归、非线性回归及分段函数回归等统计分析方法，研究浅埋 暗挖法和盾构法施工引起的地表沉降规律。根据对地表沉降的研究结果，分别介 绍了施工中控制浅埋暗挖法和盾构法施工引起地表沉降的主要技术对策。，毕且用 地表沉降实测数据建立了灰色模型，对地表沉降发展规律进行了预测。通过对比 分析，说明运用灰色理论建模对地表沉降进行预测是成功的。 本文的主要结论如下： 1 台阶法施工中，上台阶歼挖引起的地表沉降量占由开挖引起的总地表沉降量 的6 0 7 0 之问； 2 冲洞法施工中，侧洞开挖引起的地表沉降占总地表沉降量的5 0 以上： 3 地表沉降量和沉降槽宽度随着隧道跨度的增加而增大，呈非线性关系； 4 地表沉降量随隧道埋深的增加而减小，沉降槽宽度随埋深的增加而增大； 5 双线隧道间距较小时，地表沉降槽曲线为“单峰”形态：间距足够大时，地 表沉降槽曲线为“双峰”形态，双线开挖后沉降槽宽度较单线开挖时增加1 0 1 2 m ； 6 盾构机工作面在测量断面前约i m 5 m 时，各测点的地表沉降变化值基本相 等，即发生整体下沉或隆起，地表沉降横向曲线不能形成正态分布曲线；盾构机 工作面通过测量断面后，正态分布曲线不是在沉降最初阶段出现，无法全用正态 分布曲线描述沉降的变化过程，只能用它来描述沉降中、后期的发展变化。 关键词：地铁隧道；施工；地表沉降；统计分析：预测 分类号：中图分类号：u 2 5 ；国际十进分类号：6 2 5 1 5 l n 北京交通大学硕： ：学位论文 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t a b s t r a c 7 r m e t r ot t i n n e lc o n s t m c t l o nw i l ld l s t u r br o c km a s si n e v i t a b l y ，a i l dt h e g r o u n ds u 血c es e t t l c r i l e n t k e l yt oi n n u e n c et h eb u n d m g sa n dt h ee x i s t i n gp i p e l i n e s w h e nt h es e t t l e r n e n ta c h i e v e sac e n a i ns t a g e ，i tw i l la 仃e c tt h es a f e t yo f b u i l d i n g s o v e r g r o u n da n dt h eu t i l i z a t i o no fp i p e l i n e su n d e 畦即u n d t or e d u c et h ed a m a g e s ，w h i c h a r ei n d u c e db yt l i n n e lc o n s 咖c t i o n ，t om eb u i l d i n g so v e f g r o u n da 1 1 dm ef a c i l i t i e s u n d e r g r o u n d ，a n a l y z i n g t l l e r e g i l l a r i t y o fg r o u n ds u r f a c es e t t i e l l l e n t e x a c t l ya i l d f o r e c a s t i n ga r en e c e s s a r y s e q u e n t i a l l y ，o p t i m a lc o n s t m c t i o nt e c h n i q u e sc o u l db ec h o s e a n dp e r f e c tm e a s u r e sc o u l db ee s t a b l i s h e dt oi n s u r et h es a f e t yo f b u i l d i n g sa n dp i p e l i n e s i nc o n s t m c t i o na r e a b a s e do na c t l l a ld a t ao fg r o u n ds u r f h c es e t t l e m e n tf 如ms e v e m lc o n s t m c t i o na r e a s o fb e i j i n gm e t r oa n db e i j i n ge l e c t d cp o w e rt u r h l e l ，t h i sp a p c ra d o p t ss t a t i s t i ca n a l y s i s m e t h o dw h i c hi n c l u d c sm u l t i n o m i a l r e 黟e s s i o n ， n o n l i n e a rr e 乒e s s i o n ，s u b s e c t i o n 向n c t i o nr e 孕e s s i o na i l ds oo n ，t h er e g l l l a r i t i e so fg r o u n ds u m c es e t t l e m e n td u et o u n d e r g r o u n dc u tw i t hs h a l l o wb u r d e na n ds h i e l dm e t h o d s a r es t u d i e d a c c o r d i n gt ot h e r e s e a r c hr e s u l t so fg r o u n ds l l r f a c es e t t l e l l l e l l t ，p r i n c i p a lt e c h n i q u em e a s u r e st oc o n t r o l g r o u n ds u r f h c es e t t l e i t i e n td u et oc o n s t n l c t i o no fu n d e 唧u n d c u tw i t hs h a l l o wb u r d e i l a n ds h i e l da r ei n t m d u c e ds e v e r a l ly a n dt h 胁，g r e ym o d e li sb u i l tu pb a s e do nd a t ao f 粤d u n ds u r f a c es e t t l e n l e n t ，a 1 1 di tf o r e c a s t st l l er e g u l a r i t yo f 掣d u n ds u r f h c es e t t l e m e n t a f 【e rc o m r a s ta n a l y s i s ，i ti ss h o w e dt h a tm o d e l i n gg r e ym o d e lt of o r e c a s tg r o u n d s u r ，f h c es e t t l 锄e n ti ss u c c e s s 如1 s o m ec h i e f c o n c l u s i o n si nt h i sp a p e ra r ee l i c i t e da s 内1 l o w ： 1 v a l u e so f 黟o u n ds u r f a c es e t t i e r n e l l td u n gu p p e rb e n c hc u t t i n go c c u p yt o t a l s e t t l e m e n tv a l u e s 锄o n g6 0 7 0 i nt h ec o n s t m c t i o no f b e n c hc u tm e t h o d ； 2 v 甜u e so f 伊o u n ds u r f a c es e t t l 锄e 1 1 td u r i n gs i d ec a v e n lc u t t i n go c c l l p yt o t a l s e t t l e r n e n tv a l u e sm o r et i l a n5 0 i nt h ec o n s t n l c t i o no f c r dm e t h o d ： 3 w h e l lm es p a l l so ft 1 1 【1 1 1 e l i n c r e a s e ，m ev a l u e so fg r o u n ds 1 1 r f a c es e t t l e m e n ta 1 1 d w i d m so f s e t t l e i l l e mt a i 血e n l a 娼ee i m e r ，a j l dt h er e l a t i o n s h i pb e 似e e nt 1 1 锄i sn o n l i n e a r ； 4 w h e nt h eb 1 】r i e dd 印m so ft u i l l l e l i n c r e a s e ，t h ev a l u e so fg r o u n ds u 血c e s e t t l e m e n td e c r e a s e ，a 1 1 dt 1 1 ew i d t h so f s e t t l 锄e n tt a n ke n l a r g e ； 5 w h e nm ed i s t a n c eb e t w e e nd o t l b l et r a c kt 1 1 n n e l si sl e s s e r t h ec 1 1 r v eo f s e t t l e m e n t t a n ki ss i n 西e p e a k e d ；a i l dw h e nt h ed i s t a n c ei sl a 唱e 锄o u 曲，m ec l l r v ei sd o u b l e - p e a k e d 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew i d t h so fs e m 锄锄tt a n ka r e rc l l t t i n gd o u b l el i n e sm l a r g el o 1 2 mt t l a nc 碱m g s i n 百e1 i n e 6 w h 锄t h ew o r k i n gf a c eo fs h i e l di sa l e a d1 m 5 mm e a s 谢n gc r o s s s e c t i o n ，m e v a l u c so fg r o u i l ds u r l a c es e t t l e n l e i l to fe v e qm e a s l l r i n gp o i n t si se q u a lm a i n l y ，n a m e l y h o l i s t i cs u b s i d e n c eo ru p h e a v a l ，a n dt h e 仃a n s v e r s ec u eo f g r o u n ds u r f a c es e 仕l e l i l e n ti s n o tn o m l a ld i 嘶b 1 1 t i o n 吼】r v e ；m e rt h ew o r 虹n gf h c eo fs h i e l dp a s sm e a s u r i n g c m s s s e c t i o n ，t h en o m a ld i s t r i b u n o nc u r v ed o e sn o ta p l p e a r s a tt h ef i r s t s t a g eo f s c t t l 锄c n t ，a n di tc a i l td e s b et l l ew h o l ep m c e s so f g m l l i l ds u f f a c es e m e m 锄t a n dm e n o r i i l a ld i s t r i b u t i o nc u r v ec o u l do n l yd e g c r i b et h em e d i u ma i l df i n a ls t a g e so f 孕d u n d 鲫】而c es e t t l 锄e n t k e y w o r d s ：m e t r om n n e l ；c o n s 仇l c d o n ；孕d u n ds l l r f a c es e m e m e m ；s t a t i s l i ca n a l y s i s ； p r e d i c t i o n c l a s s n o ：c l c ：u 2 5 ：u d c ：6 2 5 1 5 致谢 本论文是在我的导师梁青槐教授的悉心指导和严格要求下完成的。梁老师高 瞻远瞩的目光、一丝不苟的治学态度，精益求精、努力创新的科研精神使我受到 了极大的教育和熏陶。在学习上和! e 活上粱老师都给予了我无微不至的关心和帮 助，在此对梁老师给我的关怀和培养表示衷心的感谢! 向梁老师和他的家人致以 我最诚挚的祝福! 北京市路政局杨广武处长对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢! 在撰写论文期问，张雪东、寇卫国等同学对我论文中的研究工作给予了热情 帮助，在此向他们表达我的感激之情! 另外特别感谢我的父母和亲友，他们给予我的无私关心、鼓励和支持是无法 用言语形容的! 梁睿 2 0 0 6 年1 2 月于北京 l 绪论 1 1 选题目的及意义 l 绪论 随着社会经济的迅速发展和城市化步伐的加快，我国的地铁建设进入快速发 展时期。地铁隧道在施工过程中由于地层物质被挖出，自洞室临空面向地层深处 一定范围内地层应力将发生调整，会引起地层移动而导致不同程度的沉降和位移。 由于施工技术质量及周围环境和岩上介质的复杂性，即使采用较先进的盾构法， 其施工引起的地层移动也足不可能完全消除的。当地表移动和变形超过一定的限 度时就会影响到隧道和地表建筑物的正常使用和安全，尤其对于城市地铁，区问 隧道一般都穿越城市中心地带，因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、 地下管网密布、交通繁忙、施工条件受到限制，对环境的控制要求更为严格。 为减少由于隧道施工引起的地表移动和变形所造成的对地表建筑物和地下设 施的损害以及对周围环境的不良影响，必须对可能发! e 的地表移动和变形做出正 确的估计，从而可以选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施以确保施工地区 地表建筑物与地下管线等重要设施的安全。 地表移动可以分为两个组成部分，即地表沉降和水平位移；地表变形主要指 不均匀沉降和水平位移所组成的地表倾斜和水平变形，以及地表曲率变形。隧道 施工地表移动与变形的发生主要是由施工引起的地层损失和施工过程中隧道周围 受扰动或者受剪切破坏的重塑土的再固结所造成。一方面，隧道周围土体在弥补 地层损失中发生地层移动，引起地表沉降。所谓地层损失，足指隧道施工中实际 开挖的土体的体积与竣工隧道体积之差，竣工隧道体积还包括隧道周边包裹的压 入浆体体积。地层损失是多种因素作用的结果，开挖面土体向隧道内移动，隧道 断面产生收敛，可以引起地层损失。另一方面，在含水地层中进行隧道施工时， 可能引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使地层发生排水固结引起地表沉降。 影响地表移动和变形的因素很多，地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋深、 断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且受地层条件的影响。在隧道施工引起 的地表移动和变形中，地表沉降的大小和分布是最受关注的。本文也将围绕隧道 施工引起的地表沉降规律进行研究，并对地表沉降的发展、变化作出预测。 北京交通大学硕十学位论文 1 2 国内外地表沉降的研究现状 近年来对地表沉降研究的着眼点大致分为三类 1 2 1 地表沉降曲线预测模型 纵观隧道施工时地表沉降的研究方法，可将其分为理论计算法和基于实测数 据的实测数据分析法。 一理论计算法 理论计算法辛要有以p e c k 理论为代表而不断发展、完善、改进的经验理论法， 以及以有限元法为主的数值预测法等。 1 经验法 f 11 地表横向沉降预测 1 9 6 9 年，在当时大量隧道，f 挖施t 引起的地表沉降实测资料的基础上，p e c k 在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议l 二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，在不排水的条件下，隧 道歼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 个隧道跃度上均匀分布，隧道施工产生的地表沉降横向分靠近似为一正态分布曲 线，提出如下地表沉降分布的预计公式： 一r 2 s ( x ) = & 。e x p 啬( 1 _ 1 ) 二 一 3 m “2 赢4 袁 ( 卜2 ) 式中，s ( x ) 距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值； v i 施工引起的隧道单位长度地层损失； s 一隧道中心线处地表最大沉降量； i 地表沉降槽宽度系数，即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离。 英国是世界上最早修建地下铁道的国家，对地铁等城市隧道旌。l ：地表沉降的 问题研究较多。它们的一作大部分是由英困t r r l ( t r a n s p o r ta t l dr o a dr e s e a r c h l a b o r a t o 啪所进行的。o r e i l l y n e w 等针对不同的地层，研究了采用不同施工方法 所引起的地表沉降问题。在大量实测资料的基础上，提出了实际沉降槽宽度、地 层损失和地表沉降的预计公式。根据单孔隧道地表沉降结果，按照叠加原理，得 2 l 绪论 出了开挖双孔隧道引起的地表沉降计算公式。 a t t e w e l l 和p e c k 一样也假定沉降槽呈正态分布，于1 9 8 1 年提出下列最大地表 沉降预测量，即式( 1 ) 中的s 。预测公式： 素瑙( 轰) ” ( 1 3 ) 矿 5 赢 ( 1 。4 ) 式中，r 隧道开挖半径； z 从地表到隧道中心的深度； s 。地表最大沉降量； k ，n 常数； a 隧道开挖面积。 欧洲其他许多国家和荚国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表沉 降问题进行了许多研究，积累了丰富的实测资料，他们大都采用p e c k 公式或者基 于英国学者所提出的以经验共识为主的方法进行预测。 同本在长期的城市隧道施工中积累了：仁富的经验，尤其是在软土地层中进行 隧道建设，因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注，许多学者对此课 题进行过深入研究。f u i i t a 提出了盾构隧道地表沉降预测方法；半谷根据实测资料， 给出了地表最大沉降量的预计方法，并于1 9 7 7 年根据地层条件和围岩种类给出了 地表最大沉降量范围。藤田进行了软土地层中不同盾构施工方法对地层的影响方 面的研究，于1 9 8 2 年根据围岩的种类、盾构型式及辅助施工法的不同给出了地表 最大沉降量的预测值及其误差。森氏、岛田等亦提出过实用的计算公式。 随着我国大量的城市隧道施工的进行，我国对隧道施工引起的地表沉降问题 也进行了研究。同济大学自2 0 世纪7 0 年代起，便开始了隧道施工地表沉降的实 测和理论研究工作，在对上海饱和软士和软粘土层中地铁盾构隧道试验段进行计 算分析，并与现场测试结果对比后，提出了考虑到固结因素的p e c k 修正公式： 删= 爰筝唧c 一参 m s ， 式中，6 ( x ，t ) 在任一固结时问t 内，距隧道中心线x 处的施工沉降量和固 结沉降量之和： k 隧道顶部土体加权平均的渗透系数，m d ； h 埋深。 北京交通大学硕士学位论文 经验法只是粗略给出了预测地表沉降的计算公式或范围，有的甚至有附加条 件并需从各自统计表中查取有关参数，计算出的结果与实测值偏差一般较大。当 衬砌形式、刚度不同，以及施工条件和地层条件等复杂时，它们的应用将更受到 限制。 ( 2 ) 地表纵向沉降预测 刘建航等在p e c k 法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规律， 提出了负地层损失的公式，得出了地面沉降量的纵向分布估算公式： 跏) = 去半( 半) 】+ 去半m ( 竿) 】m 6 1 式中：s f y ) 纵向地表沉降量； y 沉降点至坐标轴原点的距离； y i 盾构推进起始点处盾构开挖面至坐标轴原点的距离； y f 盾构丌挖面至牮标轴原点的距离： y 。_ y ，一l ，yr 一y f 一1 ，l 为盾构机的长度； v l l 厢构丌挖面引起的地层损失( 欠挖时为负值) ； v n 外挖面以后冈盾层空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有 其它施工因素而引起的地层损失； o ( s ) 函数可由标准正态分布函数表查得。 2 数值法 对地表沉降的预测，国内外都进行了大量的数值模型研究，其主要方法有有 限元法、边界元法、半解析元法等。有限元法又分线弹性、非线性弹性、弹塑性、 粘弹性、粘弹塑性等几种。 f i l l t l o 和c l o u 加采用了二维平面应变方法分别取纵横剖面，分段模拟了美国 旧金山第一座土压平衡盾构隧道的施工过程的地表沉降情况。d r e i l s i o n d i z 和 m p r o m o 也采用了二维平面应变分析方法进行了隧道位移非线性有限元计算，并 对计算结果数据进行了曲线拟合得出了一套公式。实际隧道掘进是一个三维问题， 目前，很多学者进行了大量的三维有限元隧道地层沉降分析。 i t o 和h j s 北出e 用三维常量边界元法分析了均质线弹性地层中的浅埋隧道在开 挖面瞬间到达某一位置且隧道周边应力完全释放时，隧道轴线上方地表变形问题， 但其对建筑空隙处理问题作了简单假设。l e e 和r o w e 假定土体具有弹性一完全塑 性的关系，用三维弹塑性有限元分析了加拿人安大略省的桑德贝隧道，引入总间 隙参数g ，分析隧道丌挖面推进和隧道施工引起的地层损失。总问隙参数g 定义 为： 4 1 绪论 g = u 3 d + m + 2 + j( 1 - 7 ) 式中，u 3 d 开挖面推进引起的等效三维径向位移； a 盾层壁厚： u 施工质量有关的参数； 6 拼装衬砌的空| 口j 。 他们认为隧道周边土体自由地向已歼挖区内变形，一旦土体的径向收敛达到 总间隙参数，环状衬砌单元就开始起作用，且假定土体与衬砌完全接触，并达到 平面应变状态。该方法中的等效三维径向位移u 3 。的物理意义较为含糊，且没有 考虑注浆的作用。 刘红洲等采用三维有限元方法对影响地面沉降的各个因素如注浆量、盾体长 度、推进步长、歼挖面推进力、盾尾建筑空隙等分别进行了讨论，计算了各因索 影响的地层沉降大小，并总结了地层沉降的规律，但对于建筑空隙等参数的大小 讨论过于简单，只是凭经验加以确定。李强等假定在不排水的条件下利用弹塑性 三维有限元分析了盾构千斤顶推力变化时对盾构隧道地面沉降的影响。施建勇采 用沿轴向和横向解析、竖向离散的半解析方法分析了盾构隧道地表变形问题，虽 对衬砌和盾构都进行了模拟，但未考虑超挖和回填注浆等问题，实际测试数据与 计算有一定的差距。孙钩等用三维弹塑性有限元分析了上海地铁交叠盾构隧道施 工变形问题，其对土体各参数根据实测值进行了不同程度的折减，虽然对盾尾空 隙进行了考虑，但只是凭经验给予的确定值。张冬梅等考虑随时阃不断增大的固 结沉降采用了粘弹性有限元法分析了盾构推进引起的地面沉降。田文等利用粘弹 塑性有限元法分析了浅埋隧道的稳定性，但模型的选取比较困难，同时模型的参 数也不容易确定。 3 随机理论模型预测 刘宝琛等在随机介质概念的基础上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式。 随机介质理论是把地层移动看成一个随机过程，并用柯莫哥洛夫方程表示。其本 质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方法，预测盾构隧道沉降结果与实际 情况难免有一定的差距。 因各地区地基种类繁多，施工方法、施工状态千差万别，同时使用的盾构类 别也不同，可以说目前尚未研究出能考虑所有影响因素的地层沉降预测方法。使 用数值方法进行计算、预测的研究非常多，虽然可以较为全面的考虑多层地层、 盾尾空隙、劈后注浆等施工因素，但数值方法在地表沉降预测研究中，力学参数 的选取和本构关系的确定不完全符合工程实际，尤其是确定合适的弹塑性和粘弹 塑性的本构模型和土体的各种参数是很困难的。因此，数值方法尚不能成为较为 5 北京交通人学预十学位论文 实用、准确的计算方法。 二实测数据分析法 隧道丌挖后，周边围岩及支护随之发生位移，该位移是围岩和支护力学行为 变化的最直接反映。不管其作用机理如何复杂，其效果均通过位移表现出来。利 用已开挖的隧道现场实测变形数据，通过建立数据模型可较好地预测和预报后续 开挖地层的变形。 1 统计分析法 统计分析法( 网归分析) 是目前广泛应用的变形成因分析法。它是以实测数 据为基础，利用所测量的影响因素和变形值，用回归分析建立两者之间的函数关 系，有了这种函数关系后就能够预报变形，还可进行变形的物理解释。观测资料 愈丰富、质量愈高，其结果愈可靠。但由于回归分析中，选用何种因子系用何种 表达式有时只是一种推测，而且影响变形因子的多样性和某些因子的不可测性， 使得回归分析在某些情况下受到限制。同时，此方法用平均f i 线进行拟合、预报， 不足以准确地反映观测值的离散性和随机波动性。回归模型是一种静态模型，它 只是反映了变形值相对于自变量之问在同一时刻的相关性，而没有体现变形观测 序列的时序性、相互依赖性以及变形的继续性。 如果以单变量时间为白变量来建立变形预测模型，即进行趋势分析，通常是 定量预测的首要一步，可发现主要的变化趋势，预测最终的沉降量。 2 时间序列分析法 随着变形分析研究的全面开展，人们认识到变形体的变形足在各种荷载( 力) 作用下的动态连续过程，变形体是具有惯性、记忆和时序的动态系统，其变形值， 即系统输出( 结果) 变量不仅依赖于同时刻的，而且还依赖过去输入的变量的值。 变形体还不断受到外界环境的影响，在各种荷载的作用下发生着能量的转移和变 化。当变形的成因分析不可能把一切因子都赋予清晰的物理概念而始终离不开一 个经验性的参数的时候，在许多因子的关系方面普遍存在得到的信息不充分，很 难建立清晰函数关系的情况下，利用时间序列分析和灰色系统理论等建它数学模 型来逼近、模拟和揭示变形体的变形规律和动态特性成为新的研究方向，在动态 变形分析的研究方面已取得不少成果。由于根据地表沉降的实测观测数掘可组成 一个离散的随机时间序列，因此，呵采用基于实测数据的时间序列分析理论与方 法来分析、趋势预测地表的沉降规律。 对于小数据量的时间序列，可采用灰色系统理论建模，通过对原始数据列采 用累加生成法变成生成数列，可以减弱随机性，增加规律性。最典型的时间序列 模型是p 阶自回归q 阶滑动a r m a ( p ，q ) 模型。若采用动态数据处理系统或趋势函 数模型加a r m a ( p ，q ) 自回归滑动平均模型预测效果较好。 l 绪论 3 人工神经网络智能预测法 传统的用于位移序列演化特征的建模方法主要是利用时问序列分丰厅法，如a r 法、a r m a 法和a r i m a 法等，其本质上仍属于回归分析，都是利用一确定的模 型函数束表达变量问的关系，由于岩体结构的复杂性，它所涉及的工程地质条件 及岩土特性参数通常是不完全定量的，甚至是随机的、模糊的，故难以用确定性 的数学模型加以描述，或者说，影响岩土体系统特性的各要素之间存在着非常复 杂的关系，所以岩体力学参数和岩体位移之问有时难以甚至不能用一个简单的代 数方程或数学表达式来描述。神经网络由于具有自适应性、非线性及容错性强等 特点，特别适合处理各种非线性问题，利用神经网络模型预测盾构隧道地表位移 将不失为一种有效的方法。由实测沉降数据、土体参数和施工参数等影响因素资 料数据作为样本，对网络进行训练完后，即可对待估的变量经训练好的网络进行 预测预报。 神经网络具有自适应和学习能力，但它是典型的“黑箱型”的学习模式，模 糊系统适合表达那些模糊或不确定的知识，其推理方式比较类似于人类的思维方 式，是处理不确定性、非线性和其它不确定问题的有利工具，有较强的解释推理 功能。由于隧道地层沉降影响因素的不确定性( 模糊性、随机性、非确知性) 及 相关性，将模糊技术与神经网络相结合所建立的模糊神经网络用于隧道地表沉降 预测，可以克服影响地表沉降各因素与变形量无确定表达式的缺点，通过许多简 单的关系来实现复杂的、非线性、非确定性的动力系统，无须知道变形与力学参 数、施工参数之口j 的确切物理关系，从而可据弃传统上必须依赖的精确数学模型 以及土的本构关系，以满足及时、准确地预测盾构隧道地表沉降的要求。 l2 2 施工过程对沉降的影响及控制技术 以获得施工过程对沉降影响的比重及控制技术为主要内容的岩体动态施工力 学为代表的研究，这类研究还处于初期阶段。 1 2 3 地表沉降控制标准 控制标准的研究只是近一二十年才开始的，它是随着城市地铁的兴建产生的。 在山岭隧道中，对地层变形的控制主要是针对地层稳定及建设费用的经济性实施 控制的，控制基准亦是针对洞室净空位移提出的，而对地表沉降却无明却限制。 7 北京交通大学硕上学位论文 因此，地表沉降控制标准的研究在我国起步较晚，仍处于经验及工程类比的阶段 或借用国外的某些经验式。 沉降控制标准包含两方面的内容：其一是出于环境控制的需求，其二是出于 工程结构稳定本身的需要。实施的控制标准必须两者兼顾。 一按环境控制要求分析地表沉降的控制标准 沉降对城市环境造成的危害主要表现在地面建筑物的过量倾斜及地下管线的 变形、断裂而影响其正常使用。 通常，在投标文件中给出的地面沉降控制值即是出于对环境要求的考虑( 如 北京地铁暗挖法地表下沉控制值为3 0 m m ) ，其根据主要来源于已有的建设规范及 以往的工程实例。但是由于地面建筑及地下管线种类繁多、结构等级各异，线路 穿越的地层不同，若均用同一基准值控制，难免产生某些地段过于保守，造成经 济损失；某些地段又出现危害性沉降的弊端。为了保证给出的沉降控制基准既满 足安全需要，又使建筑成本较为经济，应使基准值尽可能符合工程实际。 1 地面建筑的沉降控制标准 沉降对地面建筑的危害主要表现在地面的不均匀沉降引发的建筑物倾斜( 或 局部倾斜) 。在“建筑地基基础规范”中对各类建筑物的允许倾斜值已明确规定。 因此，对建筑物而言，允许最大差异沉降( 不均匀下沉) 作为地面沉降的控制条 件。 ( 1 ) 建筑物相邻柱基l 小于或等于沉降槽拐点i 时 由沉降槽曲线图可知，在拐点i 处，曲线斜率为最大。当建筑物处于图1 一l a 位置时( l = i ) ，差异沉降达到最大值。故以此极限条件下的坡度值极限坡度 小于相应建筑物允许倾斜值作为限制条件。即： s 厂】f( 1 8 ) 式中，s 允许差异沉降； f 】建筑物允许倾斜值； i 沉降槽拐点距隧道中线距离。 ( 2 ) 建筑物相邻柱基l 大于或等于2 i 时 此时，沉降对建筑物的影响除倾斜外还含有基础的受弯。图1 一l b 示出了建筑 物基础受弯的最不利位量，当沉降过大时，有可能导致建筑物基础的断裂及上部 结构压性裂缝的产生。故以建筑基础的允许应变作为计算控制标准的极限条件： s 2 ( s 】f + f ) 2 一r n 一9 1 式中， _ 【o 】e ； o 基础的极限抗拉强度；e 基础弹性模量。 l 绪论 图i 1 建筑物受沉降影响的两种情况( a 、b ) f j g i lt w oi n s t a n c e so f c o n s t n i c t i o n si n n u e n c e db ys e t t i e m e n t ( aa n db ) 2 地下管线的控制标准 地下管线通常为供( 排) 水管、煤( 暖) 气管、工业管道及各种电线等。过 量的地表沉降会导致管线断裂，影响内其正常使用甚至引发灾难性事故，其后果 是极其严重的。由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连接方式、 接口材料、使用上对变形的允许指标、施工质量、使用年限等不同而有较大差异。 从安全角度出发，选择对沉降耐受力量低的砂浆按缝混凝土污水管作为控制条。 沉降槽上方的管线变形情况类似于建筑物地基梁l 2 i 的情况，随着地层的沉 降其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的弹性梁考虑。 根据结构在e 常使用时其承受的应力应小于或等于其允许设计应力这一标 准，管道在地层沉降时产生的变形应小于或等于其允许应力的相应变形范围。即： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 s = ( p 】小+ 州) 2 一小2 ( 1 - l o ) 式中，m 管道计算长度； 4 m 管道极限伸长量( m = e 】m ) 。 当管道走向垂直于隧道走向时m = i ，此时s 值最小。故有： r ： s = ( s f + f ) 2 一f 2( 1 一1 1 ) 可见与( 1 1 0 ) 公式相同。 二按地层及结构稳定的需求对沉降控制标准的分析 当仅考虑地层的稳定性时，允许地表下沉量s 为地层处于力学平衡临界状态 时的最大沉降值。这里的l 缶界状态，指地层发生整体失稳的情况，不包括局部失 稳。 1 地层失稳的形式及条件 分两种情况分析，以导出考虑地层稳定的地表沉降允许值。 9 北京交通人学硕士学位论文 ( 1 ) 软弱围岩( i 、i i 类围岩) 这类围岩可作为连续介质加以分析。由软弱围岩中发生坍塌失稳的工程实例 可知，坍塌形式大致有两种： 第一种情况( 图2 a ) ，坍塌罩一“漏斗形”。这可用破裂面a b ( a ，b ) 卜- 的剪应 力达到或超过地层的极限剪应力时的地层破坏结果加以解释，以库仑准则为破坏 判据，破裂面与水乎面夹角为b 。 第二种情况( 图2 b ) ，坍塌体为以洞刷为边界的垂直柱体，破裂面与水平面呈 9 0 。夹角。这可用地层破裂面上的拉应力达到或超过其极限拉应力时的破坏结果加 以解释，破坏准则为格里菲斯判据。在进行下沉量控制基准值计算时，为便于计 算，可作为第一种情况的特例b = 9 0 。处理。 图1 2 软弱围岩地层失稳的两种形式 f j g 1 - 21 w of o m so f d e s t a b i l i 血gs t r a t ao f w e e ka d j 戢e n tr o c l ( s f 2 ) 坚硬围岩( i i i 、类围岩) 这类围岩属弱面体围岩，岩体强度由岩石强度和弱面体强度两部分组成。因 此，岩体的破坏形式有三种：一为岩石部分出现受拉破坏或压剪破坏；二为弱面 出现受拉破坏或压剪破坏；三为前两种的混合类型。很显然，第二种形式岩体强 度最低。当弱面强度远低于岩石强度时( 如浅埋隧道多见的中、弱风化带) ，从安 全角度出发，在推导地层沉降控制基准经验式时，选择弱面破坏形式作为地层稳 定的控制条件。 由弱面体力学的分析可知，当弱面进入塑性状 态时，弱面上的应力及弱面强度均是弱面方向函数。 即：o = f l ( p ) ，t = 丘( d ) b 为弱面走向与水平面夹角。 旺与b 的关系曲线如图3 所示。当角p 在p i i i i 。 bm a 。之间时，岩体的破坏为沿弱面破坏，否则为岩 石的破坏。当p = 4 5 。+ 巾j 2 ， 巾j 为弱面内摩擦角； 为弱面的最不利位置。 图l - 3 与p 的关系曲线 f i g 1 3r e l a 咖s h i pc u “eo f n 蛐dp 1 绪沦 2 地层允许沉降量 由地层位移的实测结果洞内拱顶f 沉及地表下沉量测结果知，地层的位 移是自洞室临空面向地表逐渐延伸的，这意味着破裂面的形成也是由洞室周围向 地表延伸。最大允许沉降值公式： i s 2 斋磁 ( 1 。1 2 ) 式中，k 经验系数 在软岩中，k = ( 1 t 3 1 1 ) 1 0 ，b = 4 5 0 + 巾2 ： 在硬岩中，k = 1 1 0 ，6 = 4 5 0 + 中2 。 最后，经计算比较地面建筑、地下管线和地层允诈：沉降量i 种计算值的大小， 取最小值作为沉降控制标准的参考值。 1 3 本文的研究内容 尽管国内外对于隧道施工引起的地表沉降已经进行了大量的j 二作，但是基于 地表沉降实测数据的统计分析方而的研究工作开展得并不多，有必要继续深入研 究。因此，本文根据从北京地铁和北京电力沟道隧道几个施工区段获得的地表沉 降实测数据，研究了以下几个方面的内容： 1 浅埋暗挖法施工引超地表沉降规律 ( 1 ) 台阶法施工引起地表沉降规律 ( 2 ) 中洞法施工引起地表沉降规律 ( 3 ) 隧道断面形式与大小对地表沉降的影响 ( 4 ) 隧道覆土厚度( 埋深) 对地表沉降的影响 ( 5 ) 双孔隧道施工对地表沉降的影响 ( 6 1 地表沉降随开挖面掘进的纵向变化规律 2 盾构法旌工引起地表沉降规律 ( 1 ) 纵向地表沉降历程规律 ( 2 ) 地表沉降横向规律 3 根据地表沉降实测数据建立了灰色模型，对地表沉降发展规律进行了预测。 北京交通大学硕士学位论文 2 施工引起地表沉降的机理 城市隧道由于埋置深度浅，施工引起的地层位移会波及地表产生地表沉降， 地表沉降的产生将对周边建( 构) 筑物或地下管线带来不同程度的影响，过大的 地表沉降还会造成建( 构) 筑物的破坏，造成经济损失和安全事故。 2 1 地层初始应力状态的改变 l 地层初始应力状态的改变引起地表沉降的机理 隧道丌挖是在存在初始应力场的地层中进行的，丌挖引起地层初始应力状态 的改变，即二次应力场，是由于地层初始应力场与丌挖引起的附加应力场叠加而 成的应力场，对应二次应力场开挖的位移场仅是由丌挖引起的附加应力场。地表 沉降的主要机理是由于丌挖面的应力释放、附加应力等引起地层的弹塑性变形。 2 引起初始地层应力状态改变的主要原因 ( 1 ) 隧道丌挖引起的附加应力。 ( 2 ) 隧道施工对地层的扰动和地层损失。 ( 3 ) 地下水渗流引起的地下水位变化及产生的渗流压力。 3 适用于初始地层应力状态改变引起的地表沉降的理论与方法 用于初始地层应力状态改变引起的地表沉降的理论包括结构力学的计算理论 ( 只能分析隧道的支护结构的内力与变形，对地层的内力与变形无能为力) 、连续 介质理论和数值分析方法理论( 认为结构和地层是一个受力整体，分析其内力和 变形) 。 隧道工程结构的计算方法大致可分为两类：荷载结构方法和地层结构方法。 荷载结构方法认为，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构的荷载，只计算 结构在荷载作用下产生的内力与变形，相应地表变形分析主要采用经验公式方法。 地层结构方法认为，结构与地层一起构成受力与变形的整体，按连续介质力学理 论来计算结构和周围地层的内力与变形；地层结构法可以根据地层岩土材料的本 构关系有线弹性、非线弹性、黏弹性、弹塑性和黏弹塑性等多种计算模型进行分 析，然而由于数学上的困难，目前获得的精确解析解非常有限，大多数问题都依 赖于数值解来计算。 4 隧道开挖引起地层初始应力改变的分析 2 施工引起地表沉降的机理 按照传统的设计方法，把地质介质按工程性质分类，定义同类工程性质地层 的抗剪强度指标一致，并一律取未经开挖卸载和变形作用之前的统计值，这样计 算的地表变形结果与实测结果偏小。这种与实测值的偏离可能是因为采用计算的 参数和实际土体参数不同。即在隧道开挖过程中，由于隧道周围的应力路径发生 变化，造成土的基本计算参数发生了施工变异。因此，合理考虑开挖作用对计算 参数产生的影响对于设计是十分必要的。 在隧道开挖中引进开挖作用分区的概念。开挖作用分区即施工时经历大致相 同的应力路径变化的周围土体区域。隧道开挖对周田地层参数的影响研究可以分 成两步：通过数值模拟，研究隧道周围随着歼挖作用而产生的各个歼挖作用分 区；通过室内及典型现场试验研究不同开挖作用分区对土体参数的影响。 另外，对隧道工程来说，不同的开挖方式和支护方法对地表沉降的影响差别 很大。不同开挖方式和支护方法对隧道周围的应力路径变化也有不同的影响，从 而对土体基本计算参数的影响也有差别。 隧道开挖后，以圆形隧道为例，在隧道周围将形成三个不同的区域，即松动 圈、应力增高区( 承载环) 和原始应力区( 如图2 1 所示：为松动固，为承载 环，为原始应力区) 。洞室开挖后增加了i 临空面，洞壁由原来的三向应力状态改 变成二向应力状念。由于洞周应力集中较大，围岩松动，形成作用于支护结构上 的荷载。如果支护结构比较强，支护也及时，及支护结构能够提供的支撑力大于 松动圄的荷载，则支护结构便会限制岩体的变形，减少塑像区的开展半径。 开挖首先引起四周岩 层的扰动。此时，地层中的 应力场发生了变化，其变化 情况在隧道四周表现得最 为明显。隧道开挖破坏了地 层