（道路与铁道工程专业论文）地铁隧道开挖对原有桩基工作性状的影响研究.pdf

摘要 城市地铁隧道开挖引起地层变形超过一定范围，将对邻近建筑物桩基础产生较大影响， 危及邻近建筑物的安全，故研究隧道施工对邻近桩基工作性状的影响，对确保邻近建筑物 的安全尤为重要，是我国大规模发展城市地铁隧道必须解决的紧迫课题。由于国内对地铁 隧道开挖引起原有桩基反应的研究很少，故该课题的研究越发显得迫切。 经与离心试验结果的对比分析，验证了三维有限元软件p l a x i s3 dt u n n e l 模拟计算结 果具有相当可靠性，进而利用该软件进行动态三维数值模型试验。研究了不同影响因素条 件下，软土地区地铁隧道开挖对地表沉降及邻近单桩工作性状的影响规律；研究了地铁隧 道开挖对侧向群桩工作性状的影响，并与同位置处单桩进行了对比分析；提出了减小或消 除地铁隧道开挖对邻近桩基及建筑物影响的相关措施。主要研究成果如下： ( 1 ) 当隧道开挖面在距桩轴线0 5 倍隧道直径的范围内推进时，地表沉降及邻近单桩 变形与内力变化最为剧烈。 ( 2 ) 桩体位于隧道侧向且桩端超过隧道拱底深度时，隧道开挖在其侧向引起的影响 区为距隧道外轮廓线1 5 d 的范围，且隧道外轮廓线与邻近桩基之间的最小安全距离为0 5 倍隧道直径。 ( 3 ) 隧道穿越上部桩基时，隧道开挖在其侧向引起的影响区为距隧道中心线l 倍隧 道直径的范围。 ( 4 ) 桩体位于隧道拱顶正上方时，桩端与隧道拱顶间的最小安全距离为o 5 倍隧道直 径。 ( 5 ) 地铁隧道开挖导致群桩中前排桩变形及内力均大于后排桩，且同排桩水平位移、 弯矩和轴力沿桩身分布几乎重合。 ( 6 ) 与同位置处单桩相比，群桩中各桩水平位移更大，而沉降则更小；前排桩最大 弯矩与同位景单桩相差不大，而后排桩最大弯矩稍大于同位置单桩，前、后排桩最大轴力 均大于同位置单桩。 【关键词1 地铁隧道数值分析单桩群桩水平位移与沉降弯矩轴力 a b s t r a c t t h e r ei sag r e a ti m p a c to na d j a c e n tp i l ef o u n d a t i o nd u et ot h ee x c e s sg r o u n dm o v e m e n t s b yt u n n e l i n g w h i c hw i l ld i s s e r v et h es a f e t yo fa d j a c e n tb u i l d i n g s 1 1 1 es t u d yo nt h ei n f l u e n c eo f t u n n e l i n gt ot h eb e h a v i o r so f a d j a c e n tp i l e si sv e r yi m p o r t a n tf o rt h es a f e t yo f a d j a c e n tb u i l d i n g s ， a n di ti sa nu r g e n tp r o b l e mf o rd e v e l o p i n gc i t ys u b w a yt u n n e l sc o s m i c a l l y t h es t u d yo nt h i s p r o b l e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n s t a n tf o rt h a tt h ea c t u a li m p a c to ft u n n e l i n go na d j a c e n t p i l e si sn o tv e r yu n d e r s t o o di nd o m e s t i c t h en u m e r i c a lt e s t sa r eu s e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fe x c a v a t i o nt op i l e st h r o u g ht h e s o f t w a r ep l a x i s3 dt u n n e l w h i c hi sv a l i d a t e dt h a ti t sr e s u l ti sr e l i a b l ev i at h ec o m p a r i s o nw i t h t h er e s u l to fc e n t r i f u g ee x p e r i m e n t 1 1 1 ee f f e c ti n d u c e db yt u n n e l i n gi ns o f t s o i lr e g i o no n g r o u n ds e t t l e m e n ta n db e h a v i o r so fa d j a c e n ts i n g l ep i l ei ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n ti n f l u e n c i n g f a c t o r s 1 1 1 ei m p a c to nl a t e r a lp i l eg r o u pi sa l s os t u d i e d a n dt h er e s u l ti sc o m p a r e dw i t ht h e s i n g l ep i l e a tt h es a n l ep o s i t i o n f i n a l l y , s e v e r a lc o n s t r u c t i v em e a s u r e sf o rr e d u c i n go r e l i m i n a t i n gt h ea d v e r s ee f f e c t so na d j a c e n tp i l e sb yt u n n e l i n ga r es u g g e s t e d 1 1 1 ec o n c l u s i o n so f t h en u m e r i c a lt e s ta r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) w h e nt h ee x c a v a t e ds e c t i o np r o p e l sad i s t a n c ef r o mh a l ft u n n e ld i a m e t e rt op i l e ，t h e c h a n g eo ft h eg r o u n ds e t t l e m e n t ，d e f o r m a t i o na n ds t r e s so ft h ea d j a c e n ts i n g l ep i l ei st h em o s t a c u t e ( 2 ) w h e nt h ep i l el i e sa tt h es i d eo ft h et u n n e l ，a n dt h ep i l et o ee x c e e d st h ed e p t ho ft h e t u n n e li n v e r t ，t h el a t e r a li n f l u e n c ez o n ei n d u c e db ye x c a v a t i o ni si n s i d et h ed i s t a n c et h a to n e a n dah a l ft u n n e ld i a m e t e rf r o mt h eo u tt u n n e lc o n t o u r ，a n dt h a tt h em i n i m u ms a f ed i s t a n c e b e t w e e nt h eo u tt u n n e lc o n t o u ra n dt h ea d j a c e n ts ! n g l ep i l ei sh a l f t u n n e ld i a m e t e r ( 3 ) w h e nt h et u n n e lt r a v e r s e st h eu pp i l e s ，t h el a t e r a li n f l u e n c ez o n ec a u s e db yt u n n e l i n gi s i n s i d et h ed i s t a n c et h a to n et u n n e ld i a m e t e rf r o mt t m n e lc e n t e r l i n e ( 4 ) w h e nt h es i n g l ep i l ej u s te x i s t sa tt h eu p s i d eo ft h et u n n e lc r o w n , t h em i n i m u ms a f e d i s t a n c eb e t w e e np i l et o ea n dt u n n e lc r o w ni sh a l ft u n n e ld i a m e t e r ( 5 ) t h ed i s t r i b u t i o no f h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t ，b e n d i n gm o m e n ta n da x i a lf o r c eo f p i l e si n t h es a m er o wi sa l m o s tb e i n gs u p e r p o s e d ( 6 ) t h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to f p i l e si nt h ef r o n tr o w o f t h ep i l eg r o u pi sa sm u c ha s t h es i n g l ep i l e ，a n dt h em a x i m u mb e n d i n gm o m e n to fp i l e si nt h er e a rr o wi sl a r g e rt h a nt h e s i n g l ep i l es l i g h t l y , f u r t h e r m o r et h em a x i m u ma x i a lf o r c eo fp i l e sb o t hi nt h ef r o n ta n dr e a rr o w i sl a r g e rt h a nt h es i n g l ep i l ea tt h es a m ep o s i t i o n k e y w o r d s ：t u n n e l ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，s i n g l ep i l e ，p i l eg r o u p ，h o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t a n ds e t t l e m e n t ，b e n d i n gm o m e n t ，a x i a lf o r c e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名 导师签名 日期 寺逢戳 n ， 粕秒 i 目6 致谢 本文是在导师杨平教授的悉心指导下完成的。我首先要感谢恩 师杨平教授，是他将我引入岩土工程这一广阔的领域，杨老师渊博 的学识、科学严谨的治学态度、宽阔的胸襟、平易近人的态度以及 在我遇到医；难时给予我的无私帮助令我终身铭记，平日里他对我的 谆谆教导以及无微不至的关怀使我受益终身。在此论文完成之际， 特向恩师杨平教授表示最诚挚的谢意，并祝恩师身体健康、工作顺 利、家庭幸福! 作者借此机会还要感谢攻读硕士研究生期间给予我指导帮助 的土木工程学院的领导和老师们，他们是：赵尘院长、王元纲副院 长、聂永江书记、邵光辉老师、郑晓燕老师、张婷老师等均在学习 和思想上给了我很大的帮助，在此向他们致以衷心感谢! 作者感谢所有关心和帮助过我的老师、朋友和同学! 最后，我还要特别感谢我的亲人们，感谢他们在我攻读硕士研 究生期间给予我的关怀、理解和支持! 作者：盎逢达 二零零七年六月 1 绪论 1 1 课题研究意义 进入2 1 世纪，世界经济的迅猛发展加速了城市化建设，也使得城市建设面临着严峻的 局势。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，形成了 所谓的“城市综合症”。作为城市功能中最活跃的因素，交通已成为可持续发展的最关键 问题，交通解决不好，可能导致城市完全瘫痪，因此发展地铁等城市轨道交通对缓解特大 型城市公共交通压力，促进城市经济和社会健康发展都具有重要作用。 城市规模经历了摊大饼的早期阶段，高层建筑的竞争阶段，在现代经济高速发展的今 天，如何合理利用城市现有的空间，满足人类生存的需要，已经成为亟待解决的闯题。有 识之士开始意识到，拓展空间资源，应向地下要土地，大力开发利用城市地下空间，这不 仅是城市发展的必然趋势，也是衡量城市现代化的重要标志“1 。国际上不少学者提出“2 1 世纪是地下空间开发利用的世纪”，并预测：2 1 世纪末，将有1 3 的世界人口工作、生活在 地下空间中0 1 。毫无疑问，隧道与地下构筑物的修建是一条能够从环境和经济上解决城市 日益增长的社会问题的有效途径。城市功能空间能转入和适宜转入地下的领域是很广阔 的，包括商业、交通、部分市政设施、文化娱乐休闲设施、部分工业生产、仓储、防灾和 救灾空间等。充分开发利用城市地下空间是城市立体化开发的最重要的组成部分，首先可 以解决城市用地紧张，缓解交通拥挤，改善环境，兼顾战备；其次，地下恒温恒湿，地层 集热、蓄热、节能效果显著；第三，修建地下铁道和城市快速干道，加快交通速度，从而 解决城市交通拥挤问题，又可以节约土地；第四，地下空间能有效地抵御台风、地震、爆 炸和空袭等灾害。可以预见，2 1 世纪将是开发地下空间的一个高潮期。 据日本地下铁道协会统计，到1 9 9 9 年全世界已有1 1 5 个城市建成了地下铁道，线路总 长度超过了7 0 0 0 k m 。目前日本有运营地铁的城市达1 1 个，共3 7 条线长度约6 0 1 k m ，其中2 8 2 k m 在东京。东京的地铁发展异常迅速，这与人口的增长和城市交通的拥挤是直接相关的，例 如东京乘坐地铁的人数从1 9 5 5 年的3 7 至1 j 2 0 0 5 年的2 5 ，1 9 5 5 年每天平均乘座人数大约在 3 0 万人左右，而1 9 9 5 年增长到每天约7 6 0 万人。在德国，自1 9 9 0 年来，平均每年修建的运 输隧道大约有2 5 k m ，其中1 0 到1 2 k m 为地铁、城市和快速运输系统隧道，约5 k m 为长距离铁 路隧道( r a i lt u n n e l ) ，l o k m 为公路隧道( r o a d t u n n e l ) ，城市隧道占到4 0 9 6 左右。从这两个国 家的城市修建隧道来看，一是在大城市，隧道的修建日益增长；二是在整个国家运输系统 中城市输送起到越来越重要的作用n 1 。 随着我国经济的快速增长，我国的地下铁道建设进入了大发展时期。中国工程院王梦 恕院士曾说：“中国确实需要地下交通，地铁将不单是城市发展的需要，也是未来地下资 源开发的必然”“1 。目前，我国进行城市快速轨道交通建设的一般都是人口超过5 0 0 万的 特大城市。地铁的造价非常昂贵，每公里至少需要4 、5 亿甚至更多的投资，一个城市地铁 项目所需的资金就可能达到几十亿，甚至上百亿；但反过来，地铁沿线往往也会出现“地 铁经济”，这一点在国外已经表现的很明显，我国也逐渐凸显出来，像广州地铁经过的地 方，有的地段最高地价被房地产开发商炒到了每亩1 亿元。目前，我国人口过百万的3 4 个城 市中，已建成或已开工建设地铁的有：北京、天津、香港、上海、广州、南京、深圳、大 连、武汉、重庆、长春等；正在规划或准备上马建设地铁的有：成都、杭州、沈阳、西安、 青岛、哈尔滨、苏州等2 0 多个城市。据预测，2 1 世纪将是我国城市轨道交通发展的新纪元： 北京地铁建设规划总里程将达n 6 0 0 k m ：广州拟建1 4 条地铁线；南京拟建7 条地铁线。预计 在本世纪初，可能要建造大约3 3 条地铁和轻轨线路，总长将在原有地铁线的基础上增加 6 5 0 k m ；至2 0 3 0 年，我国地铁通车里程将达至l j l o o o k m ，将大大促进城市轨道交通的发展。 由于地铁与地下工程水文地质条件、建设中的技术方案和机械设备、以及周边环境( 包 括建筑物、道路和地下管线) 具有复杂性和不确定性，且城市中地铁往往通过市区建筑密 集区，需穿越已有复杂的地下工程，受到的约束条件很多，所以如何更合理有效地利用和 创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题。 地铁隧道施工方法主要有：盾构法、矿山法、盖挖逆作法、明挖顺作法。目前在地下 空间开发中用得较多的是明挖法和盾构暗挖法，无论采用哪一种方法，开挖掘进过程中受 到的各种阻力都将不可避免的对土体产生扰动，使开挖区周围土体的应力场和位移场发生 改变，将直接影响周围既有建筑物的安全。 现在城市中出现了越来越多的高层建筑，当地层变形超过一定范围时，会严重危及邻 近建筑物基础和地下管网的安全，进而引起一系列岩土环境问题。所以考虑地铁隧道开挖 对邻近建筑物的影响显得越来越重要，而其对建筑物的影响主要体现在对基础的影响，尤 其是对桩基的影响。目前高层建筑其下部承重结构都是承载力较高的桩基础，当地铁隧道 施工邻近或穿越大楼桩基时，对由于地铁隧道施工期间以及工后引起的邻近原有桩基的反 应的分析就显得非常重要。 地铁隧道开挖对原有桩基工作性状的影响是当今的研究热点，英国、荷兰、新加坡、 香港等一些国家、地区在这方面已经走在了世界的前列，国外的专家学者已经进行了一些 卓有成效的研究工作。但在国内，目前还主要集中于研究开挖引起的地层变位，而对开挖 引起原有桩基反应的研究则很少，所以本课题的研究对于进一步推动国内在这一领域里的 研究具有重要意义：将地铁隧道施工对邻近原有桩基的影响予以预先评估，并研究相应的 防灾措施，从而进一步弄清和掌握地铁隧道开挖对沿线结构物造成的不利影响效应，继而 完善隧道的施工与设计，指导工程技术人员优化施工工艺，并采取相应措施保护、加固邻 近建( 构) 筑物和进行灾害防治。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 地铁隧道开挖引起地层变位的研究现状 地铁隧道开挖技术经过一百多年的发展，已经有了很大进步，但开挖还是会不可避免 地引起地层的扰动，引起地层变形及地面沉降，特别是软土隧道中尤甚。英国与其他一些 国家在2 0 世纪2 0 年代就开始重视对“软弱地层中开挖隧道产生地面沉陷和地层变形”问题 的研究工作”。目前关于地铁隧道开挖对于岩土环境影响的研究，主要还是集中在对地层 变位的研究。国内外关于地铁隧道开挖引起地层变位的特征、机理研究已相当成熟，其研 究方法主要有：经验公式法、解析法、试验法和有限元法。 2 ( 1 ) 经验公式法 到目前为止，用于预测地铁隧道开挖引起的地表沉降的方法主要是经验公式法。经验 法主要是根据地铁隧道开挖后所引起的地表沉降槽的形状，采用一定的曲线形式表示，再 根据地表沉降实测结果或已有的资料，确定曲线的具体特征参数。最经典的经验公式法是 p e c k ( 1 9 6 9 ) 结合采矿引起地面位移的估算方法，提出了隧道施工沉降槽的形状近似于概率 论中正态分布曲线，并给出了如下地表沉降的横向分布估算公式蜘： 如m 一槲 s 一= 去 m 2 ) f = 兰： ( 1 3 ) j 孤( 4 5 。一罢) 式中：s ( x 卜_ 地面任一点的沉降值； s 。x 一地面沉降最大值，位于沉降曲线的对称中心上； x 一从沉降曲线中心到所计算点的距离； i 沉降槽宽，从沉降曲线对称中心到曲线拐点的距离； v s 一一隧道地表沉降槽的体积； v 广一单位长度的地层损失，为单位长度的地表沉降槽的体积v 。与隧道开挖断面积 a 的比值； 卜地面至隧道中心的深度。 英国的c l o u g h & s e h m i d t ( 1 9 7 4 ) 提出了饱和含水塑性粘土中的地表沉降槽宽度系数i ， 其公式如下”1 ： 式中：r 隧道直径。 三：f 三严 r 、2 r 7 表1 1 不同土性的k 值 ( 1 - 4 ) 英国0 r e i l l y n e w ( 1 9 8 2 ) 对英国粘性土地层的砂性土和回填土地层的最大沉降量 “。、沉降槽断面积v 。( m 3 i n ) 、反弯点距离i ( m ) 的实测值，并考虑沉降槽形状为正态分布 曲线，提出了实际的沉降槽宽度为6 i ，且可由下式估算地表沉降”1 ： ， f = k z ( 1 - 5 ) “。= ；圣 ( 卜6 ) 2 疵 式中：k 与土性有关的系数，如表1 - 1 示： f u j i t a ( 1 9 8 2 ) 做了在软弱地层中隧道工程不同施工方法对地层影响有何差别的研究， 提出了相应于盾构型式、辅助工法、隧道断面、埋深和地层条件等因素的最大沉降量预测 值。 同济大学侯学渊、廖少明( 1 9 8 7 ) 结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，提出了考 虑时效( 即土体受扰动后固结) 沉降的修j e p e c k 公式“： ( 1 - 7 ) o s f 丁t ：些f( 1 8 ) e k 。 式中：隧道顶部孔隙水压的平均值，k p a ： t _ 一固结时间，y ； 罾隧道顶部土层的平均压缩模量，m p a ： 石隧道顶部土体渗透系数，n a n y ： h j 匿孔隙水压水头，i i i 。 a t t e w e l le t a i ( 1 9 8 8 ) $ 1 1 r a n k i n ( 1 9 8 8 ) 总结了当时广泛应用的经验方法，提出了以 下计算公式1 ( 1 2 j 一一目 m 。， 2 南 “1 0 ) 一：3 1 9 2 - i s m a x ( 卜1 1 ) 式中：d 一隧道直径。 y s f a n g 等( 1 9 9 3 ) 在实测了台北污水管道施工中地面沉降后，得出了沉降的极大 部分发生在盾构通过后的i ；i 4 天内，而最终的沉降槽形状则类似于p e e k l t t 线“。 m a i r e t a l ( 1 9 9 3 ) 扩充完善t p e c k 理论，把经验法延伸到了计算地下土体沉降，并通 过实测与离心机模型试验，研究了粘性土中隧道开挖引起的地表沉降槽宽度与最大沉降量 随深度的变化情况1 。 由于地表实测沉降曲线形状与正态分布的概率曲线相似，经验公式法就将地表沉降曲 线认为是正态分布的概率曲线是没有理论依据的，故经验公式法本身也存在着较大的局限 性： 羔 l 厂 嗵厨 一 1 ) 不能考虑隧道几何尺寸的变化和隧道施工技术影响； 2 ) 只能预测土体的竖向沉降，无法预测土体的侧向位移； 3 ) 不能考虑土体参数的影响； 4 ) 不能考虑特殊土质情况，如地层不均匀性的影响； 5 ) 不能考虑土体固结的影响； 6 ) 不能考虑边界条件不对称所导致的沉降不对称。 ( 2 ) 解析法 闭合解析解法也是用于预测和分析地铁隧道开挖对地层影响一种有效方法。r a y m o n d d m i n d l i n ( 1 9 3 9 ) 通过双极坐标体系，研究了弹性介质中圆形隧道周围的应力分布，求 得了满足上部自由边界条件和孔洞自由边界条件的精确解析解，计算结果表明当隧道孔洞 距离上部自由面很近或很远的时候，孔洞所引起的应力是非常显著的“”。 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 通过引入了影像源法( v i r t u a li m a g et e c h n i q u e ) 成功解决了用其它方 法产生的地表垂直应力不为零的问题，得到了弹性均质不排水土中由于土体损失引起的应 变场，但是分析中并没有考虑隧道存在的影响i f 0 。 v e r r u i j t & b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 在s a g a s e t a 的基础上，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。其结果不仅适于不排水情况( 泊松比为o 5 ) ，而且适用泊松比为 任意值的土体情况，同时他们还考虑了隧道衬砌椭圆化变形的影响。但是采用此法计算所 得沉降槽宽度要比实测值大，水平向位移也要比实测结果来得大。其原因可能是：( 1 ) 实 际土体是弹塑性体，而非线弹性的；( 2 ) 分析中隧道处土层界面的土体径向位移均一性的 假设跟实际不符。 l o g a n a t h a n & p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 利用v e r r u i j t & b o o k e r 得到的闭合解，考虑了隧道施工方 法、隧道形状、土体类型等因素的影响，重新定义了不排水条件下的土体损失( g r o u n d l o s s ) ，并提出了“等效土体损失”参数( e q u i v a l e n t g r o u n d l o s s ”p a r a m e t e r ) ，其定义为： 如= 下4 9 r + 9 2 1 。o ( 1 1 2 ) 式中：r 间隙参数； r 隧道直径。 由此他们还进一步得到了土体位移公式，利用这些公式l o g a n a t h a n & p o u l o s 对5 个工程进 行了分析计算，并将计算结果与实测数据进行了对比，发现和硬质粘土的情况符合较好， 但是软粘土吻合的不太好“”。 易宏伟( 2 0 0 0 ) 采用半解析元法，将盾构施工过程中的三维问题简化为平面问题进行 处理，减少了计算的工作量，详细推导了半解析元数值模拟的有关公式，并结合土体弹塑 性本构模型，编制了相应计算程序，实现了盾构施工过程中土体扰动的模拟计算分析“。 杨冠天、项彦勇等( 2 0 0 4 ) 通过解析法对盾构周围土体变形进行了计算分析，认为沉 降槽宽度是隧道周围非线性土体损失的函数，土体位移可用如下的指数函数表示咖1 ： f r = 6 0 a e x “一摩2 ) ( 1 一1 3 ) 式中：b 影响角。 由上述公式可见，杨冠天等人提出的土体位移表达式与l o g a n a t h a n 等人提出的结果相 比，考虑了影响角6 的影响，研究结果表明：大部分的土体位移是由间隙参数引起的，但 对于间隙参数的确定是非常重要也是非常困难的，因为它不仅与隧道本身的构造形式相 关，而且在各个不同的截面其数值也不相同；大部分的土体变形发生在隧道周围4 5 倍隧 道半径的区域内，且隧道周围土体的水平向位移比垂直向位移要小；由于在计算中将士体 认为是性弹性的，因此本方法低估了土体的最大位移，而商估了沉降槽宽度。 在缺少地层变位特性资料或者为了确定地层变位的非均匀性需要做大量的数据处理 时，解析法非常有效。目前解析法的研究主要还是针对均一土层而言的，且应用解析法进 行的基本上都是弹性或粘弹性分析，但实际上土体以及隧道的变形都不是弹性的，解析解 结果与工程实测数据之间也存在一定的差距。 ( 3 ) 试验法 由于很少有机会能在现场测量隧道开挖引起的地层反应，且由于隧道的尺寸太大，很 难进行室内的足尺试验，故有不少研究者开始尝试采用基于相似准则的室内模型试验的方 法，其中有普通相似模型试验和离心机模型试验。 p o t t s ( 1 9 7 6 ) ，c o r d i n g ( 1 9 7 6 ) 和a t k i n s o n ( 1 9 7 7 ) 等人通过隧道的模型缩尺试验表 明：当k o = i 0 n ，即使隧道内支护压力很小，而地表沉降却比硒= 0 5 时小得多，这是因为 值越大，土体发挥的拱效应( 隧道芷上方有一个松弛区，该区内的土体沉降最大，而 再往上时，地基的沉降反而小，这是因为拱下面松弛区的土应力释放比较严重，导致较大 的沉降，而由于拱的存在，拱上方的土体受到它的支撑作用，因而沉降较小) 越显著，而 土体的拱效应有助于减少因隧道支护压力降低产生的沉降。“幽“。k i m u r a 和m a i r ( 1 9 8 1 ) 等人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的影响参数进行 了研究，按照体积不变的假定，得出地表水平位移的计算公式“1 。g u t t l e r 和s t o f f e r s ( 1 9 8 8 ) 采用离心机模型试验对圆形隧道变形和破坏形念进行了探讨，结果表明：随着离心机加速 度的增大，衬砌呈椭圆鸭蛋状变形，垂直向直径缩小而水平向直径增大；当离心机加速度 增大到一定程度时，隧道拱顶上部土体塌落，且失效机制为以陡的剪切面向上部覆盖层内 扩展，引起地表的大幅沉降o ”。w u ，c h i o u 和l e e ( 1 9 8 8 ) 利用离心机模型试验研究了粘 性土地基中一条单行隧道和两条并行隧道情况下周围土体的位移和沉陷机理，研究结果表 明：两条并行隧道距离越近则其相互影响越大；且并行隧道不如单行隧道稳定，并行隧道 的地表沉降槽曲线可以由两条隧道各自的沉降槽的正念曲线迭加而得到1 。i m a m u r a ， h a g i w a r a 芹l l m i t o ( 1 9 9 8 ) 运用一种微型盾构机进行隧道开挖和衬砌脱出盾尾过程的离心机 模型试验，研究了在不同隧道埋深条件和有盾尾空隙情况下衬砌拱顶土压力及地表沉降隋 况，得到了地表中心沉降与埋深的关系符合指数关系，横向断面地表沉降槽符合p e c k 提出 的币态曲线“”。 国内玎始采用离心机模型试验方法进行隧道开挖引起的地层变位研究的时问较国外 6 要来得晚，周顺华( 1 9 9 6 ) 采用离心机模型试验研究了隧道丌挖时的隧道稳定性及地表的 变形形态，试验结果表明：坍塌的范围呈柱状，地表沉降范围约为4 倍隧道直径，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对比分析， 发现：联跨式隧道引起的地表沉降大于双洞式隧道”1 。周小文和濮家骝采用离心机模型试 验研究了隧道开挖过程中支护压力和地层位移的关系以及地表沉降槽的形态，还分析了土 体类型、密度和含水量对地层位移的影响啪聊。 室内模型试验可以人为地控制和改变试验条件，从而可以确定单因素或多因素对所研 究问题的影响规律，效果直观清楚，周期短，见效快。此外，室内模型试验可以重复且可 以做破坏性试验，这显然是现场实测无法比拟的。但其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。这就使得模型试验很难做到定量分析，并且也要增加一 定的研究周期和研究费用。 ( 4 ) 有限元法 现在有限元法已被广泛地用于分析隧道开挖问题，国内外专家学者采用有限元法分析 预测隧道开挖引起的地表沉降的文献和报道很多。就隧道结构的复杂程度而言，已从一般 断面的隧道模拟，发展到对大跨度隧道以及小间距隧道、交叉隧道、连拱隧道的模拟；就 岩土介质的复杂程度而言，已从对弹性介质的模拟，发展到对弹塑性介质、粘弹塑性介质 的模拟；就研究问题的应用领域而言，已从单一的应力场问题模拟，发展到对应力场、渗 流场甚至温度场等多场藕合问题的模拟；就解决问题的复杂程度而言，已经从平面问题的 模拟，发展到对空间问题的动念施工模拟。 早期的研究往往将有限元法跟经验法结合，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，并根据实际测得的资料加以修正，得到了估算地表沉降的实用公式o ”。 r o w e 和k a c k ( 1 9 8 3 ) 编制了一种可以对不同土性和施工技术条件下隧道开挖引起的地 表沉降进行预测的弹塑性有限元程序，提出了“间隙参数( g a p p a r a m e t e r ) ”概念，通过 有限元计算得到了土体沉降值，并将计算结果与四个工程实例的实测数据对比分析发现有 的计算结果与实测数据比较吻合，而有的则存在较大出入o ”。l e e 和r o w e ( 1 9 8 9 、1 9 9 0 ) 开发了一种用于模拟施工工序、开挖面周围和地表应力状态及地表沉陷的三维弹塑性有限 元方法，给出了非线性问题的求解步骤和适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型，研 究了浅埋隧道的三维性状。对无衬砌和完全衬砌隧道两种极限状况下隧道周围土体应力场 和位移场进行了有限元计算，并把该分析方法应用于桑德贝输水隧道工程( 1 9 9 1 ) ”1 中， 模拟了盾构开挖掘进和因施工引起的土体体积损失1 。r o w e 和l e e ( 1 9 9 2 ) 对用于 估算软土中浅埋隧道开挖引起的土体三维应力变化和地层变位的各种简化方法进行了评 价，采用了横向平面应变分析来估算所需参数值，并指出用纵向平面应变分析来模拟三维 位移不能给出符合实际的结果”1 。l e ee t a l ( 1 9 9 4 ) 通过有限元法成功的预测了土体的侧向 移动”1 。然而g u n n ( 1 9 9 3 ) 指出，即使对土体模型进行网格细化，有限元法关于地基表面 沉降的计算结果与实测值、误差曲线相比，要么太大要么太小。但是a d d e n b r o o k e ( 1 9 9 5 ) 认为采用复杂的土体本构模型( 如非线性模型) ，有限元法能改进其计算结果“0 1 。 国内，李桂花( 1 9 8 6 ) 用弹塑性有限元法模拟施工间隙参数，求得地表沉降预估公式， 7 利用不同问隙参数可以模拟不同沉降因素的影响“。詹美礼、钱家欢等( 1 9 9 3 ) 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的相应计算公式和分析方法， 并按照上海打浦路隧道现场软粘土试样进行三轴流变试验所获得的参数，对打浦路隧道1 # 井进行了三维粘弹塑性及土体固结的有限元分析，揭示了隧道与l 抖井刚性连接部位开裂的 原因，通过计算结果与沉降实测值的对比分析，论证了所采用有限元模型的合理性和计算 方法的正确性1 。朱合华、丁文其等( 1 9 9 9 ) 采用有限元法模拟了盾构隧道的施工过程， 并将该有限元法应用于大阪地铁7 号线盾构隧道施工的力学分析，并对在均布和非均布注 浆压力条件下，土压力及衬砌内力的计算值与实测值进行了对比分析，发现非均布注浆压 力下的有限元计算值与实测值更为接近“”。丁春林等( 2 0 0 2 ) 针对广州地铁二号线越秀公 园一三元罩区间隧道，应用弹塑性有限元法分析了土体应力释放对盾构隧道围岩强度和变 形及地表沉降的影响，计算结果表明：土体应力释放越大，那么隧道开挖面洞周拱顶、拱 底、拱腰变形越大；且围岩塑性区明显扩大，由稳定状念向不稳定状态转化；地表沉降也 大大增加“”。陈先国和高波( 2 0 0 2 ) 采用a n s y s 程序对近距离平行地铁隧道进行了有限元 模拟计算，计算结果表明：两条平行隧道间存在相互影响，隧道间距越近，相互影响就越 大，同时这一影响还与开挖方式、支护方式等因素有关，且后建隧道对已建隧道的影响大 于已建隧道对后建隧道的影响，后建隧道的地表沉降和拱顶沉降值大于已建隧道，所以在 两条平行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“。陈先国和王显 军( 2 0 0 3 ) 采用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，其中二维分析主要揭示了不同开挖顺序和支护方式情况下 的地表和拱顶沉降规律；而三维分析则主要揭示了隧道间相互影响的空间变化规律“。 2 0 0 5 年，张海波、殷宗泽等人在前人工作的基础上，对某地铁隧道盾构施工过程进行了三 维有限元模拟，分析了盾构推进过程中，隧道周围及地表土体的位移和变形以及横断面不 同深度上的沉降分布规律，计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近 h 7 】 o 采用有限元法研究隧道开挖引起的地层变位问题时，可以考虑土体的塑性、可以考虑 盾构机开挖掘进的动态过程、可以考虑土体应力释放对盾构围岩强度和变形及地表沉降的 影响，但是由于土体的复杂性及其参数与本构关系等仍然依赖于试验或实测的方法，地铁 隧道施工过程模拟的复杂性与随机性等实际问题，导致隧道开挖引起的地层变位研究还主 要集中在对于某个具体隧道工程引起的地表沉降的研究。 ( 5 ) 其他方法 上述几种研究方法有利有弊，而且并不是完全独立割裂的，往往其中两、三种方法的 综合，比如现在有很多学者采用有限元与现场实测或室内试验相结合的方法，其好处是能 克服单一方法的诸多弊端。近年来，随着数值计算方法、随机介质理论、模糊理论的发展， 在几种传统方法之外又出现了人工神经网络、专家系统等研究方法。 随机介质理论的分析对象是一种介质，称为“随机介质”，由波兰学者j l i t w i n i s z y 为 研究采煤层与地表移动问题所提出，针对二维问题和三维问题，得出了下沉盆地，其适用 于砂、岩块体等散体介质1 。施成华、彭立敏等人( 2 0 0 3 ) 将盾构隧道开挖引起的地表沉 降以及盾构挤压引起的地表隆起均视为随机过程，应用随机介质理论，对隧道施工所引起 的纵向地层移动与变形进行了分析，并推导了相应的计算公式1 。随机介质理论自提出以 来，经过我国学者阳军生、刘宝琛”1 等人的发展，其理论已逐渐完善，应用领域从最初的 煤矿地下开采所引起的地表移动预测，发展到露天开采、金属矿地下开采、近地表开挖等 所引起的地表移动预测问题，其研究成果也开始被应用于地铁工程，如北京和深圳地铁， 初步解决了地铁工程各种歼挖方法地面各点位移和变形的计算方法。但这种理论还不够成 熟，还无法计算岩土体内各点的位移和变形；对于三维问题，还需进一步开发；计算参数 及岩土工程地质条之间的关系也需进一步研究”“。 周文波( 1 9 9 3 ) 编制了盾构隧道施工对周围环境影响和防治的专家系统，用于研究地 表沉降。李建华( 1 9 9 5 ) 基于随机场理论、随机有限元、模糊概率和数理统计方法，对 软土盾构隧道开挖引起的地层移动问题进行了较为深入的研究1 。目前专家系统还存在着 获取大量工程数据及工程师知识经验上的困难。 近年来，人工神经网络理论( 舢啪) 是一门迅速兴起的非线性学科。它能够模拟人 脑的一些基本特征，如自组织、自适应等，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进，更能显示其独特的优越性。j i n g s h e n gs h i 、o r t i g a o 等人( 1 9 9 8 ) 利用b p 神经网络对巴西利亚6 5 k m 盾构隧道的地表沉降进行了预测，总结了影响地层移 动的1 1 种主要因素1 。孙均、袁金荣( 2 0 0 1 ) 结合上海地铁2 号线的工程实践，采用了 人工智能神经网络技术对地表沉降进行了预测，通过与现场实测值的对比分析，论证了采 用人工智能神经网络法预测地表沉降的可行性和适用性“1 。人工神经网络方法可以同时考 虑多因素的影响，只需将影响地层变位的各种因素，如土体参数、隧道直径、施工参数等 用不同的变量作为若干个输入神经单元统一处理即可。但是采用人工神经网络方法的前提 是输入数据的准确性、完备性和可靠性，由于土体本身存在着不确定性，因此此法仍需要 进一步完善和发展。 1 2 2 地铁隧道开挖引起邻近桩基工作性状变化的研究现状 隧道开挖掘进对邻近桩基的影响是一个相当复杂的动态三维过程。在研究地层变位的 基础上，越来越多的专家学者开始研究地铁隧道开挖对桩基工作性状影响问题。目前，国 外专家学者对于这一问题的研究主要通过四种途径。 ( i ) 经验公式方法 ( ：h e n 、p o u l o s 和l o g a n a t h a n ( 1 9 9 9 ) 运用一种“两阶段”方法，分析了隧道开挖对桩 产生的轴向和侧向影响效应。他们首先采用l o g a n a t h a n 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 提出的经验公 式，分析计算了不考虑桩时的土体移动，包括：地基表面沉降、地基下层沉降、侧向变形； 然后将第一阶段计算所得的土体移动通过简化的边界元作用在邻近单桩上，通过对影响参 数( 包括：隧道几何尺寸、土体损失比、土体强度、单桩直径、桩长与隧道轴线深度之比) 的研究，修正了用于计算单桩轴力、沉降、挠度和弯矩最大值的经验公式，最后结合修正 系数与各影响参数之间的关系曲线，得到了隧道开挖掘进时，邻近单桩的最大轴力、沉降、 挠度和弯矩，并将其中的单桩侧向挠度与l e ee ta 1 ( 1 9 9 4 ) 8 ”的有限元计算结果进行了对 9 比”1 。尽管此方法能方便的分析隧道开挖对邻近桩基的影响，但依然有其局限性。该方法 只是针对单桩基础而言的，且将开挖时土体、桩的变形孤立开来了，无法考虑桩一土一隧道 间的相互作用效应以及群桩效应，所以采用该方法得到的计算结果往往是偏于保守的。 ( 2 ) 数值计算方法 1 ) 边界元分析 p o u l o s 和d a v i s ( 1 9 8 0 ) 采用一种简单的边界元方法研究了地铁隧道开挖时桩的侧向 和轴向反应。分析时，桩被认为是简单的弹性地基梁，土体则被假定为各向同性的线弹性 材料，桩上每个单元的侧向位移与桩的弯曲刚度和水平向桩土间相互作用应力有关；而土 体单元的侧向位移与土体模量、桩土问相互作用应力和水平向土体的位移有关。通过考虑 桩土单元水平位移的协调性，当桩土界面仍为弹性时，给出了相应的计算公式。同时，他 们认为土体单元的竖向位移与桩土间相互作用力、士体模量以及可能作用于桩上的与初始 应力场有关的土体位移有关；他们提出：要想较为真实的模拟反映桩的竖向位移，就要模 拟出桩土界面的相互滑移”1 。l o g a n a t h a n 、p o u l o s 和x u ( 2 0 0 1 ) 引入一种边界元来研究 地铁隧道开挖对单桩和群桩的影响。模拟时，他们将桩和土体均作为各向同性的线弹性体， 桩土界面无相对滑移，群桩承台