（岩土工程专业论文）盾构近距穿越桩基的研究.pdf

论文摘要 城市环境中，高层建筑、高架桥梁等密布云集，而这些建( 构) 筑物好多都 采用桩基基础，由于受线路、地下空间等的限制，盾构隧道有时不可避免地要从 桩下、桩侧和桩位置处穿过。盾构技术近年来虽有了很大进步，但施工中仍几乎 不可避免地引起周围土体的移动，移动土体作用在桩基之卜就会引起桩的附加变 形和内力，从而对桩的稳定和安全产生一定的影响。这样盾构穿越桩基时对桩基 的影响及处理措施就成为工程中需要解决的难题之一。本文针对以上问题进了相 应研究，主要内容如下： 1 ) 总结了盾构法隧道施工对周围地层影响的规律、机理和影响凼素，结合 广州地铁二号线工程，研究了复合式盾构施工对周围地层特别是深层土体影响的 规律。并提出了深层土体竖向、水平移动的预测公式。 2 ) 分析了盾构近距穿越桩基时对桩基影响的规律、机理和影响因素。在此 基础之上，通过相应的简化，提出了盾构穿越桩基时对桩基稳定性影响的评价方 法，并对广州地铁二号线工程中盾构穿越桩基的典型情况进行了分析评价。 3 ) 提出了盾构施工对近邻单桩内力和变形影响的评价方法。方法中通过连 续分布的土体弹簧来模拟桩土之间的相互作用，并将土体对桩的竖向位移作用和 水平位移作用分别考虑。在土体竖向移动对桩的作用分析中，假定桩侧摩阻力和 位移之间符合理想弹塑性的关系，允许桩土之间出现滑动：在土体水平移动对桩 的作用分析中，假定土体反力和位移之间符合双曲线的非线性关系。编制了相应 的计算程序，并对主要影响因素进了参数化研究。 4 ) 提出了盾构穿越桩基的方法、步骤，并着重阐述了盾构穿越桩基时的施 工参数控制和常见的辅助工程措施等。 盾构近距穿越桩基是一项技术复杂的工程，本文通过研究较好地解决了这一 技术难题，可为今后的类似工程提供借鉴和参考。 关键词：盾构法隧道桩基近距深层土体移动稳定性非线性 桩土相互作用施工参数控制工程措施 a b s t r a c t i na nu r b a ne n v i r o n m e n t ，al o to fh i g h r i s eb u i l d i n g sa n db r i d g e sa r es u p p o s e d b yp i l e f o u n d a t i o n s w h e ns h i e l d t m m e l i n ga d j a c e n t t o p i l e f o u n d a t i o n si s u n a v o i d a b l ed u et o u n d e r g r o u n ds p a c er e s t r i c t i o n s ，t h o u g hg r e a tp r o g r e s sh a sb e e n m a d ei ns h i e l dt e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，i ta l m o s ti n e v i t a b l yc a u s e sg r o u n dm o v e m e n t s w h i c hi nt u r nw i l li m p o s ea d d i t i o n a la x i a la n dl a t e r a lf o r c e so n ，a n dl e a dt oa d d i t i o n a l d i s p l a c e m e n t so f , a d j a c e n tp i l ef o u n d a t i o n s t h i sh a sb e c o m ea n i s s u eu r g e n t l yn e e d e d t ob er e s o l v e dt oa s s e s st h e l i k e l yi m p a c to fs h i e l dt u n n e l i n g o na d j a c e n t p i l e f o u n d a t i o n sa n dt a k ep r o t e c t i o nm e a s u r e s u s i n gs i t em o n i t o r i n gd a t a ，n u m e r i c a la n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n d u c t e da s y s t e m a t i cr e s e a r c hi nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： 1 t h ef e a t u r e s ，m e c h a n i s m sa n df a c t o r so f g r o u n dm o v e m e n t sc a u s e db ys h i e l d t u n n e l i n ga r es u m m a r i z e d o n t h eb a s i so f m o n i t o r i n gd a t ao fg u a n g z h o u m e t r on o 2 l i n ep r o j e c t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n dm o v e m e n t sc a u s e db yc o m b i n e ds h i e l d d r i v i n gi nm i x e ds o f t - a n d r i g i ds t r a t aa r ei n v e s t i g a t e d ，a n dam e t h o di sp r o p o s e df o r e s t i m a t i n gg r o u n dm o v e m e n t s i n d u c e d b ys h i e l dt u n n e l i n g 2 t h ef e a t u r e sa n dm e c h a n i s m so ft h ep i l er e s p o n s e sa r ed i s c u s s e d am e t h o d b a s e do i ll i m i t s t a t e e q u i l i b r i u m i s p r e s e n t e d f o r e s t i m a t i n g t h e s t a b i l i t y o fp i l e f o u n d a t i o n ，a n dc a s es t u d i e si nt h ec o n t e x to fg u a n g z h o um e t r on o 2l i n ep r o j e c ta r e a n a l y z e d 3 am e t h o df o r a n a l y z i n gr e s p o n s e s o fas i n g l e p i l e c a u s e d b ys h i e l d i n g t u n n e l i n g i s p u tf o r w a r d t h ep i l e s o i l i n t e r a c t i o ni ss i m u l a t e d b y as e r i e so f c o n t i n u o u s l yd i s t r i b u t e ds p n n g s ，t h ea x i a la n dl a t e r a lp i l er e s p o n s e sa r ec o n s i d e r e d s e p a r a t e l y i nv i e wo f t h el i k e l ys l i pb e t w e e n t h ep i l ea n ds o i l s ，a l li d e a le l a s t i c p l a s t i c r e l a t i o nb e t w e e nl a t e r a lr e s i s t a n c ea n ds o i l d i s p l a c e m e n ti sa s s u m e di nt h ea x i a l a n a l y s i s ，a n d a h y p e r b o l i c r e l a t i o nb e t w e e ns o i lr e a c t i o na n d c o r r e s p o n d i n g d i s p l a c e m e n ti sa s s u m e di nt h el a t e r a la n a l y s i s ac o m p u t e rp r o g r a mi sd e v e l o p e da n d p a r a m e t r i cs t u d i e sa r ec o n d u c t e d 4 p r o c e d u r e sa n dc o n t r o lm e t h o d sf o rs h i e l d t u n n e l i n ga d j a c e n t t o p i l e f o u n d a t i o n sa r ep r e s e n t e d c o n t r o lo fc o n s t r u c t i o np a r a m e t e r s 、a u x i l i a r yt r e a t m e n t m e a s u r e sf o rp i l ef o u n d a t i o n sa n dm e t h o d sf o ra s s e s s i n gp i l er e s p o n s e s c a u s e db y s h i e l dt u n n e l i n ga r e e m p h a s i z e d k e y w o r d s s h i e l dt u n n e l i n g a a j a c e n t p i l ef o u n d a t i o ng r o u n dm o v e m e n t s t a b i l i t yp i l e s o i li n t e r a c t i o n t r e a t m e n tm e a s u r ec o n s t r u c t i o nc o n t r o l i i 创造性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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 获得北方交通大学或其他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己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：至墨堡日期：兰! 丝：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北方交通大学有关保留、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 公布论文的全部或部分内容，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) 签名：王、兰丛导师签名：2 翌墨日期：兰业 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的工程背景及研究意义 随着世界经济和社会的发展，城市建设也飞速发展起来，大量人口涌入城市， 使得城市市区内可供利用的土地面积越来越少，交通阻塞、空间拥挤、环境污染 等城市问题日益严重，严重阻碍了城市的进一步发展。我国由于初期的“粗放式” 城市建设，这方面的问题更加突出。为了解决这些问题，实现城市可持续发展， 世界发达国家都在把地下空间作为新的国土资源。开发利用城市地下空间，成为 越来越受到重视的城市建设指导方针和发展方向。作为城市地下空间开发的重要 方面，城市地铁、城市地下交通隧道、地下供水管道、地下合流污水管道、地下 煤气管道等城市地下隧道的建设更是日益受到各国的重视。 在城市地下隧道的修建方法中，盾构法隧道由于在施工过程中对周围环境影 响小、施工速度快、安全而受到人们的重视，成为城市地下隧道的主要修建方法 之一。盾构白1 8 2 5 年由法国工程师b r u n e l 创制以来，经历了从手掘式盾构、挤 压式盾构、气压式盾构到土压平衡盾构、泥水加压盾构的发展，近年来根据工程 实际的需要又出现了复合式盾构、多圆盾构、异形盾构、分支连接盾构、球体盾 构等新的盾构形式。盾构法隧道施工自在英国伦敦泰晤士河水下隧道应用以来， 施工水平已有了很大的提高，特别是长5 0 k i n ( 海底长3 7 5 m ) 的英吉利海峡隧 道、东京湾海底公路隧道( 盾构直径1 4 1 4 m ) 的修建，表明盾构法隧道的施工 水平已达到一个新的高度。 目前，许多国家和地区的城市地铁建设都采用了盾构法施工。我国在5 0 年 代开始使用盾构法修建隧道，1 9 5 7 年在北京下水道工程中使用过直径为2 2 m 及 2 6 m 的盾构；然后上海也开始采用盾构进行隧道施工。目前，己建成几十条直 径2 l l m 的隧道，如上海的打浦路过江隧道、延安东路过江隧道、合流污水一 期工程、上海地铁一号线、上海地铁二号线、广州地铁一号线等。目前，我国己 进入地下铁道大发展时期，北京、上海、广州、南京、深圳等城市的地铁正在兴 建，天津、成都、沈阳、杭州、青岛等城市的地铁也正在试验准备阶段。 城市环境中，高层建筑、高架桥梁等密布云集，这些结构物好多都采用桩基 基础，由于受线路、地下空间等的限制，隧道有时不可避免地要从这些桩基的下 方、侧旁或正好桩位置处穿过。盾构法施工技术在今天虽然有了长足的发展和进 步，但在施工中仍不可避免地引起周围土体的移动，移动土体作用在桩上，就会 引起桩的附加变形和内力，对桩产生不利影响。另外，当盾构隧道从桩基下穿过 北方交通大学博士学位论文 时，由于桩基超载的存在，可能引起管片衬砌结构相对较大的内力和变形。，“州 地铁二号线越秀公园三元里区间盾构隧道工程要通过大量的建筑物( 图1 - 1 ) 。 根槲业主提供的4 5 座建筑物资料，有2 0 座建筑物为桩基基础，且以端承单桩为 主，盾构隧道需要近距穿越大量的桩基基础，仅在1 6 3 1 7 1 九栋建筑物的8 1 根 桩中，距离隧道在5 m 以内的桩基就有3 2 根。盾构如何近距穿越这些桩基，保 证上部建筑物的安全和正常使用就成为工程的难点和关键。本论文将以上述工程 为背景对盾构近邻穿越桩基的一些问题进行相应研究，为今后类似工程服务。 圈圈囝暖 豳翻豳囡 圈圈圈 圈 圈6 圈曝囝圜 豳圈暖豳 圈圈圈 霸 豳8 墨圜圈豳 暖豳圈圜 强丽圈 霞 豳l 圈圈圈圈 - 桩基 女瀵 、 图1 - 1 广州地铁二号线越三盾构区间隧道与近邻桩基( 部分) 示意图 1 2 盾构法施工 1 2 1 盾构法施工的概念i l j i 盾构法就是用盾构一边防止土砂的坍塌，一边进行开挖、推进，并在盾尾进 行衬砌作业从而修建隧道的方法。其主要内容是：先在隧道某段的一端建造竖井 或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中 沿着设计轴线，向另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受的地层阻力， 通过盾构千斤项传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到衬砌周围地层 或竖井的后靠壁上。盾构是一个能支撑地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形 等特殊形状的钢筒结构，在钢筒的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置， 在钢筒中段周圈内面安装顶进所需要的千斤顶，钢简尾部是具有一定空间的壳 体，在盾尾内可以拼装一至两环的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾 第一章绪论 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之间的空 隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面的下沉。在盾构推进过程中不断从丌挖 面排出适量的土方。 1 2 2 盾构机类型的选用 盾构机主要有盾壳、推进千斤顶、f 面支撑机构、衬砌拼装机构、液压系统、 操作系统和盾尾装置等组成。目前，盾构机有了很大的发展，除了传统的敞开式 盾构和常用的封闭式的土压平衡式、泥水式盾构，一些其它的新型盾构如大断面 的圆形盾构、多圆断面盾构、子母盾构、h & v 盾构、球体盾构、异型断面盾构 等也逐渐得以开发和应用。 由于盾构机种类较多，而工程条件又千变万化，施工前必须在充分掌握各种 盾构及性能特点、适用范围等的基础上，根据工程地质条件、线形情况、覆土情 况、周边环境、施工场地、工程类型及重要性、工期、经济性、安全性等方面进 行综合评价，选择适宜的盾构机类型。一般情况下，多以工程、水文地质条件作 为选择盾构机类型的主要条件。封闭式的土压平衡式、泥水式盾构机具有自动化 程度高、工作环境好、对环境影响小、适用范围广等优点，目前成为盾构法施工 的主要盾构类型。隧道工程线路一般较长，沿线的地质条件往往变化较大，情况 复杂，为了适应沿线地质的变化，近年来又发展了复合式盾构，这种盾构机可在 施工过程中通过刀具类型、开挖面挡土和加压方式的变化来适应变化的地质条 件。我国的广州地铁二号线就采用了具有敞开、加气压、全土压平衡三种工作方 式的复合式盾构机，既适应了地层的变化，又提高了掘进速度，缩短了工期。 1 2 3 盾构法施工的主要技术f 1 i 【1 4 i 1 2 3 1 开挖面的稳定 不同类型的盾构机其稳定开挖面的方式有所不同。下面仅介绍目前应用较多 的土压平衡盾构的开挖面稳定技术。土压平衡盾构是将开挖下来的土砂充满到开 挖面和盾构隔板之间的土室以及排土用的螺旋输送机内，依靠盾构千斤顶的推力 给土室内的开挖土砂加压，使土压作用于开挖面以使其稳定。对于摩擦角小的粘 土和粉质土地层，由于刀盘的切削作用，能维持开挖土的流动性；另外，由于围 岩的透水性低，能通过压力舱的开挖土装置、螺旋式排土器及设置在排土口的排 土装置等综合效果以获得开挖面的稳定性。对于摩擦角大的砂土、砾石土层，开 挖土不但流动性不充分而且难以防止地下水的流入。需要添加适宜的添加剂，通 过强制搅拌将其改良为具有流塑性的开挖土，同时减小透水性。为了获得适合盾 构推进量的排土量，要对土压力和开挖量进行计测，对螺旋式排土器的转数和盾 构的推进速度进行控制，同时还要掌握刀盘的扭矩和推力等，进行正确的控制管 理以防止开挖面的松动和破坏。 北方交通人学博j 一学位论文 1 2 3 2 衬砌 目前，在地铁盾构工程中，多采用一次预制管片衬砌。其必须在推进结束后 马上进行拼装，以为后续推进做准备。正确地拼装管片以达到预定的形状，对丁 确保隧道断面、施： 速度、防止管片的损坏、提高止水效果及减少地层沉降等是 极为重要的。斟此，在盾尾内拼装管片时，要充分浮意管片拼装形状，充分紧同 接头螺栓等以防止松动。脱离盾尾的管片，由于士压力、壁后注浆压力而易发生 变形。管片从组装、脱出盾尾到壁后注浆材料硬化的时间内，使用管片形状保持 装置对于确保管片的拼装精度是非常有效的。管片在拼装时要小心谨慎，防止管 片及防水材料的损坏。回收千斤顶时，要按管片的拼装顺序，逐次回收，以维持 开挖面的压力，防止盾构后退。当管片远离开挖面不再受到推进影响时，必须再 次使用规定的扭矩对螺栓进行紧固。 1 2 3 3 壁后注浆 为了防止围岩松动和下沉，同时防止管片漏水，并达到管片环的早期稳定和 防止隧道的蛇行等目的，应以最适合于围岩和盾构型式的注浆材料和注浆方法、 以适宜的注浆压力和注浆量，在盾构掘进的同时对盾尾间隙进行充填注浆，即壁 后注浆。注浆材料应具备不发生离析、不丧失流动性、注浆后的体积损失小、水 密性好的特性。对于稳定性好的围岩，往往没有必要在盾构推进的同时进行壁后 注浆，可采用单液注浆；在围岩难以稳定的粘土层或易坍塌的砂层，则需要在推 进的同时把注浆材料注入盾尾空隙，一般使用适用于同步注浆的双液型注浆材 料。从注浆时机上看，目前多采用同步注浆和即时注浆。同步注浆是在盾构掘进 的同时，从安装在盾构钢壳上的注浆管或管片注浆孔进行壁后注浆的方法；即时 注浆是在推进后迅速进行壁后注浆的方法。 i 2 3 4 盾构姿态控制 盾构掘进时由于各种不确定的因素的存在，轴线控制不可避免地存在着误 差。盾构在曲线推进、纠偏、抬头和叩头推进过程中，实际开挖面往往不是圆形， 因此必然引起地层的损失。如果在盾构掘进中能够较好地控制盾构的姿态，使其 轴线与设计轴线尽可能一致，就能减小盾构纠偏量，从而缓和因盾构纠偏对周围 土体的剪切、挤压扰动，也有利于控制盾尾与管片后背间的间隙和地层损失。由 于盾构一般是依靠千斤顶的推力来向前推进的，正确地控制分组千斤顶的推力是 保证盾构沿设计线路推进的最有效措施。在旌工中，要尽早通过监控信息反馈， 掌握盾构掘进中的姿态，及时调整千斤顶的推力等参数以修正盾构的推进方向。 第一章绪论 1 3 国内外研究现状 1 3 1 盾构施工引起的地层移动 对地层变形进行预测可以分为设计阶段预测( 地层开挖前进行) 和施工阶段 预测( 过程中进行，信息化施工) 。预测方法主要有：经验法( 多用统计方法) 、 模型试验法、理论法。经验法是指由施工经验或实测数据归纳总结的规律对地层 变形进行预测的方法。模型试验法是由模型试验得出经验公式进行预测。理论法 主要是通过理论计算的结果对地层变形进行预报的方法。其一般很难进行解析 解，多采用数值计算法。常采用的数值方法有边界元法和有限元法。边界元法适 用于对开挖深度大、研究范围广的问题进行定性研究，一般将地层视为弹性体。 有限元法则能同时考虑多种因素的综合影响，提供精确的计算结果：地层可视为 弹性体、弹塑性体或粘弹塑性体等。 1 3 1 1 经验预测 1 ) 横断面地表沉降 1 9 6 9 年p e c k 15 】在分析大量地表沉降观测数据的基础上，提出了地表沉降槽 符合正态分布曲线的概念。地层移动由地层损失引起，并认为施工引起的地面沉 降是在不排水的条件下发生的，从而可假定地表沉降槽体积等于地层损失体积。 对于均质粘性地层，盾构法修建隧道所引起的地表沉降槽的横断面可表述为： = 去e 冲( - 尹x 2 1 - 1 s 。= 去“去 m 式中：s ，距开挖隧道中心线横向距离z 处的地表沉降值( m ) s 一地表的最大沉降值( m ) 卜一沉降槽宽度系数( m ) i = ：二一 1 3 4 2 ，r t g ( 4 5 。一妒2 ) z 为地面至隧道中心深度，妒为士的内摩擦角 k 地层损失量( m 3 m ) r 隧道半径( m ) 北方变通大学博士学位论文 很多学者在此基础上进行了进一步的研究。c l o u g h 和s c h m i d t ( 1 9 8 1 ) ”刨在其 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 - r ( z 2 r ) 。8 。式中，：为地面至隧道中心深度，冗为隧道半径。o r e i l l y 和 n e w ( 1 9 8 2 ) m 1 在现场观测的基础上，提出i = k z ，对于粘性土k = 0 5 ；对于砂 性土k = o 2 5 。 a t t w e l l 等f 1 9 8 1 ) t 18 】提出了如下的估算公式： s 一= 志 i = k e ( z 2 r ) ” 1 5 其中矿为沉降槽的横断面面积，取值根据土类而变，k 、n 为与土体性质和 施工因素相关的系数( 可查表) 。 另外，a t e w e l l 和s e l b y t l9 1 用统计分析的方法，对盾构施工引起的地层损失 的扩散规律进行了研究分析，得出了对应于盾构推进时不同位置的横向地表沉降 公式。 藤田( 1 9 8 2 ) 【1 习研究了不同形式的盾构对地层变位的影响，根据围岩的种 类、盾构形式及辅助工法的不同，分类预测了最大沉降量，并用表格给出预测值。 方晓阳等( 1 9 9 4 ) 1 1 1 0 1 在p e c k 法和藤田法基础上提出了估算不同类型盾构法隧道 地面沉降量大小和分布范围的p e c k - f u j i t a 法，给出了最大和最小沉降曲线，但各 类地层的最大和最小沉降曲线有时相差很大。 s e l b y ( 1 9 8 8 ) 11 1 1 和n e w 与0 r e i l l y ( 1 9 9 1 ) 11 2 】对由粘土层和砂土层组成的成层 土中隧道的沉降槽宽度系数提出了简单合并的计算方法来考虑不同土层的厚度 影响。如对于两土层的情况有 i = k l z l + k 2 2 2 l 一6 其中，k ，、毛分别为第一层土的沉降槽宽度系数的参数和厚度，k ，、z ，分 别为第二层土的沉降槽宽度系数的参数和厚度。 2 ) 纵向地表沉降 随着盾构的推进，在隧道的纵向也产生一定形式的沉降槽。当一个结构邻近 或直接位于隧道中心线上，可能遭受更严重的破坏。 刘建航( 1 9 7 5 ) 5 1 在总结上海延安东路隧道纵向沉降分布规律的基础上， 提出了“负地层损失”的概念，并由大量的观测数据，得出了上海软土地层纵向 第一章绪论 沉降与施工引起的地层损失之间的统计公式。 跚，= 去 巾c 半m c 半， + 志 中c 孚m c 毕) 式中：s ( y ) 沿纵向隧道轴线分布的沉降量( m ) ，负值为隆起量，正 值为沉降量； l r 一一沉降点至坐标轴原点的距离( m ) ； y ，盾构推进起始点处盾构开挖面至坐标原点的距离； y 厂一盾构丌挖面距坐标轴原点的距离； 上一一盾构长度( m ) ： y f2 y f - l y l 2 y 。一l 1 - s 一一盾构开挖面引起的地层损失( m 3 m ) 。 巧：盾构开挖面以后，因盾尾空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主 的所有因素引起的地层损失( m 3 m ) 。 a t t e w e l l 和w o o d m a n ( 1 9 8 2 ) 【l1 6 j 通过对粘土中大量隧道的检验，证明了累 积概率曲线对于拟合粘土中隧道的纵向沉降槽是非常有效的。n e w 和o ，r e i l l v ( 1 9 9 1 ) u ”j 假定所有的地层变形满足常体积形式，按照横向沉降具有正态分布 曲线形式的假定，提出纵向沉降应该具有累积概率曲线的形式。 a t t e w e l l 和w o o d m a n ( 1 9 8 2 ) 【i 。6 】发现e p b 盾构和泥水盾构隧道的沉降主要 与盾尾空隙有关，且掌子面上方的地表沉降一般大大小于o 5 s 。m o h 等( 1 9 9 6 ) i 1 7 1 在台北松散淤泥砂和软粘土地层中e p b 盾构隧道( 直径6 0 5 m ) 工程的地表 沉降观测中，也发现施工沉降的大部分与盾尾间隙相关，当盾构开挖面正好位于 测试仪器下方时，仅有非常小的沉降发生。n o p o t o 等( 1 9 9 5 ) t t 8 1 报道了在采用 e p b 和泥水盾构在以砂土和淤泥土为主的盾构隧道工程中得到的类似观测结果。 a t a ( 1 9 9 6 ) 【l ”j 根据对开罗中、密砂土上覆粘土层地层中泥浆盾构( 直径9 4 8 m ) 施工所产生地表变形的观测结果，发现开挖面上方地表的沉降在o 2 5 0 3s 之 间。这就说明对于e p b 或泥水盾构，由于地层沉降远在开挖面后面，这将导致 累积曲线的向后平移。 y s f a n g 等( 1 9 9 3 ) t 1 ”】提出土压平衡盾构纵向沉降随时间的变化曲线成双曲 线型 s ( t ) 2 寿a 南 1 9 十扫f 式中： 北方交通大学博士学位论立 s “j 为，时刻隧道中心线以上地层的沉降量 a 、b 为常数，根据不同的地层、不同的隧道而变化 同济大学侯学渊、廖少明等11 4 1 在分析大量监测数据的基础上，采用理论分 析和统计分析相结合的方法，提出适合上海软土地层盾构掘进引起地层固结沉陷 的统计计算方法： 趴力可鬻 * e x p ( - 斋， 。 一、2 * r + p + i e + k 。 1 1 1 其中：p ：隧道顶部孔隙水压力的平均值 z ：固结时间 疋：隧道顶部土体渗透系数 ：超静水孔隙水压力水头 e ：隧道顶层土的平均压缩模量 3 ) 地表下土体的沉降 在城市环境中，隧道经常要近邻已建隧道、管线、深基础等地下构筑物修建。 因此，预测地表下土体沉降的发展以及地表下土体沉降与地面沉降槽的关系就变 得越来越重要。 m a i r 等( 1 9 9 3 ) 1 1 2 明通过对硬粘土及软粘土中隧道施工引起的地表下土体沉 降的大量实测资料和离心模型试验资料的分析，发现地表下土体沉降可以大致通 过和地面沉降相同的高斯分布形式来描述。在地表下深度为z 处，如果地表距隧 道轴的距离为z o ，那么沉降槽的宽度系数可以表示为： i ：= k ( z o 一2 ) l 一1 2 k 值随深度的增加而增大。这表明地表下某一深度的沉降轮廓明显比假定k 为 常数时所预测的要宽得多。 m a i r 等提出了k 的计算公式 k ：旦：! 坠竺霉! ! 二坐21 - 1 3 1 一z z o 将f ：，k 带入式( 1 - 1 ) 即可求得对应的沉降值。 m o h 等( 1 9 9 6 ) 1 1 7 1 在台北位于水位下淤泥和砂土中隧道工程中，观察到隧 道上地表下的沉降具有类似的轮廓，即正如粘土中隧道所观测到的，k 值随深度 第一章绪论 而增加。d y e r 等( 1 9 9 6 ) 【1 2 1 1 在上覆有坚硬到硬的粘土的松砂中隧道工程中也得 到了类似结果。 4 ) 、土体水平移动 结构和设施的破坏也可能由水平移动而引起。然而对土和结构的移动进行观 测的实例则相对较少。a t t e w e l l ( 1 9 7 8 ) 1 2 3 1 和o r e i l y 与n e w ( 1 9 8 2 ) 1 1 7 1 对粘土 提出，土体位移矢量指向隧道轴线。这可简化为： s f 三一s 。： 1 1 4 z o 一2 其中，s 。为地面下深度z 处距隧道轴水平距离工处的沉降值，s 。为此处的水平 位移值。 这个假定可以得出地表水平位移分布为： 丧乩s s 享e x p ( 等，。 s 理论上的最大水平移动咒。出现在沉降槽的反弯点，等于o 6 1 k s 一。 d e a r i e 和b a s s e f f ( 1 9 9 5 ) i l “1 分析了伦敦h e a t h r o w 快车试验隧道两个断面的 地表下移动的量测结果，结果表明一个位移矢量指向隧道反拱点，一个指向反拱 点下的一点。 对于位于砂土中的隧道，甚至在假定土体移动指向隧道中心轴也能导致显著 的低估沉降槽地表处的水平移动( c o r d i n g ，1 9 9 1 ) b 2 5 i 。硬粘土中当采用敞开掌 子面的隧道工程时，隧道轴线水平处的地表下水平移动一般向内指向隧道。在软 土中的e p b 施工的隧道，隧道水平处的地表下水平位移可能指向隧道内，也可 能向外。c l o u g h 等( 1 9 8 3 ) 【i2 6 1 报道了在s a nf r a n c i s c o 海湾泥土中e p b 盾构工 程的量测结果。当盾构前舱压力比较高时，初始向外的移动超过后来由于盾尾空 隙而产生的向内的移动，当条件相反时则是另一种情况。f u j i t a ( 1 9 9 4 ) 12 7 1 也报 道了在软秸土中e p b 盾构隧道周围向内、向外的移动情况。 i 3 1 2 解析方法 经验法只是大致地给出地表沉陷的计算方法，它无法考虑地层的详细条件， 更无法考虑施工条件、衬砌刚度、衬砌与土层的相互作用及施工中采取的一些辅 助措施。随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果引入到隧 道的软地层变形研究中，考虑地基土层的变形特点，将地基土作为弹性、弹塑 性和粘弹性体考虑。 北方交通大学博士学位论文 陶履彬、侯学渊【13 1 1 用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场 和位移场。c 1 0 u 曲与s c h i m d t ( 1 9 8 1 ) 1 , 2 8 】提出了基于弹性完全塑性连续体具有 对称条件下的圆孔进行卸载的封闭解的预测方法。日本的久武胜保i l “1 研究了圆 形隧道的非线性弹塑性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体 的非弹性性质，并考虑了地层位移与时剧的相关性。 v e r r u i j t 和b r o o k e r ( 1 9 9 6 ) 1 3 3 1 在s a g a s e t a 研究的基础上，提出了半空间均 质弹性体中隧道引起的地层变形的解析解，它适用于任意孔隙比的情况，且包括 了由于地层损失和隧道的椭圆变形两种因素。 由于受计算条件的限制，只能对较简单的边界条件和初始条件求出解答，所 以这些方法几乎无一例外地将地层假定为均匀的、平面应变问题，且大部分假定 为轴对称的平面应变问题，使其应用受到极大的限制，更无法考虑施工条件对地 层位移的影响。 1 3 1 3 数值方法 人们通过大量的工程实践逐步认识到，地层移动不仅与士性有关，而且与施 工方法、衬砌形式等有关，解析法只能考虑较为简单的定解条件，而数值计算方 法的发展，使得复杂定解条件的处理成为可能，在分析隧道开挖引起的地层位移 时，可以对施工过程进行程度不同的模拟。在这方面，有限元以其特有的灵活性 得到了广泛的应用。 盾构隧道的掘进是一个三维问题，但要直接模拟掘进过程产生的三维效应是 非常困难的，国内外学者往往采用考虑三维效应的二维分析方法或将三维分析和 二维分析结合起来考虑。 p a n e t 和g u e n o t ( 1 9 8 2 ) 【1 3 6 】提出3 d 效应通过减少旋加在开挖边界土体的应 力释放比来近似，然后安装隧道衬砌，这可以通过考虑在隧道边界施加径向应力 来得以简化。即有 q = ( 1 一 ) 1 1 6 其中，盯。是隧道开挖前的总的初始地层应力，兄是卸载系数( o a 1 ) ，在安装 衬砌以前在土体上移走的应力为a 盯。，随着应力从隧道边界移走，径向位移发生， 它等于体积损失。有两种方法通常被采用：第一种是预定一定量的释放荷载( 或 选择一个适当的a 值) 之后安装衬砌，结果的体积损失将取决于五值的选择；第 二种方法是预定一个体积损失值巧，在卸载达到预定的体积损失后再安装衬砌。 s w o b o d a ( 1 9 7 9 ) i 3 7 1 一种替代的分析方法是被熟知的逐步软化方法。涉及到在 开挖和衬砌放置前隧道面积土体的刚度减少。刚度减少的量值需要相当的经验和 第一章绪论 正确判断。 f i n n o 和c l o u g h t l4 7 3 分别取纵、横剖面分析了美国旧金山第一座土压平衡盾 构隧道，分阶段模拟了隧道的施工过程。他们将隧道的开挖过程分为五个阶段， 第一阶段用纵剖面的平面应变有限元分析盾构面的推力使盾构前方土体产生的 变形；第：二阶段将一个向外的椭圆分布的径向压力施加到未衬砌隧道的周边上， 模拟盾构通过的隆起作用；第三阶段则在隧道周边施加一均匀向内的径向压力， 模拟盾尾空隙的闭合，当拱顶向内的位移等于盾尾空隙的理论尺寸时，即认为空 隙闭合，进入第四阶段，考虑衬砌的安装；第五阶段考虑孔隙水应力消散引起的 固结作用。 f a t h a l l ae i n a h h a s ，f a r o u ke i k a d i 。4 9 j 等介绍了一种考虑开挖程序和衬砌设 置细节的设计方法，按开挖和相互作用两个阶段来分别确定衬砌设置前的土体变 形和应力和衬砌与土体的相互作用。 i t o 和h i s a t a k e l l s o 用三维边界元分析了均质线弹性地层中的浅埋隧道在开挖 面瞬时到达某一位置且隧道周边应力完全释放时，地面沉陷的特征曲线。然后， 将衬砌作为刚性边界，对隧道横剖面作二维粘弹性分析。 r o w e 和l e e 等曾对盾构旌工的数值模拟进行了一系列研究邺8 】 14 6 1 。他们 提出了间隙参数的概念，用总间隙参数反映隧道开挖面推进和隧道施工引起的地 层损失。后来又采用3 d 弹塑性有限元分析发展了2 d 有限元所用的间隙参数的 定量化的方法，提出了分析方法和技巧。 盾构隧道采用3 d 有限元分析一般比较复杂。r o w e 和l e e ( 1 9 9 2 b ) 1 1 4 5 采 用间隙参数的方法对e p b 盾构隧道进行了3 d 有限元分析。a k a g i 和k o m i y a ( 1 9 9 6 ) 1 1 5 2 1 报道了对软粘中采用e p b 盾构施工隧道的3 d 有限元分析。g i a d s 等( 1 9 9 4 ) t 5 3 1 也报道了对盾构隧道进行3 d 有限元分析的情况。d d i a s 等( 1 9 9 9 ) 1 5 4 】 提出了一种盾构隧道的3 d 模拟方法，考虑了开挖面的支撑力、超挖和盾构机的 锥形、盾尾空隙的注浆和浆液的固结。 在有限元分析中，土体模型及相应的参数的选择对计算结果有着显著的影 响。g o e l l ，r f s t a r k ，g h o f s t e t t e r l t 4 s l 等在二维计算的基础上，研究了土体模型 的选择对计算结果的影响，特别是对比了线弹性、弹塑性体采用d r u c k e r - p r a g e r 、 m o h r - c o u l o m b 准则以及弹塑性帽盖模型的计算结果。结果表明，不同的土体模 型计算结果有较大的差异，且这四种模型的计算结果与实测都有一定的差别。但 对于工程实践来说，应用弹塑性模型d m c k e r - p r a g e r 准则既简单又较准确。l e e a n dr o w e ( 1 9 8 9 ) 14 6 1 、g u n n ( 1 9 9 3 ) i s l l 等发现各向同性的线弹性完全塑性土体 模型导致预测结果比现场观测到的高斯分布值要宽。l e e 和r o v e ( 1 9 8 9 ) 【1 4 6 1 采用土体的各向异性弹性模型，显著地改进了预测。g u n n ( 1 9 9 3 ) i 5 1 1 采用各向 北方交通大学博士学位论文 同性、非线性完全塑性小应变刚化模型对严重超固结粘土中的隧道进行了2 d 有 限元预测，发现此模型和线性弹性一塑性模型相比虽然改进了预测结果，但预测 到的沉降槽仍比实际观测结果要宽。s i m p s o n 等( 1 9 9 6 ) 【l ”】报道了用2 d 有限元 分析伦敦粘土中一个隧道的情况，分析表明沉降槽的形状很少受土体非线性的影 响，而主要是受土体剪切模量各向异性的影响。a d d e n b r o o k e 等( 1 9 9 7 ) 1 1 ”】采 用2 d 有限元对伦敦粘土中一个隧道的地表沉降预测进行了一系列分析研究。分 析采用了非线性弹性、完全塑性和非线性弹性( 小应变) 三种模型，假定了不同 程度的各向异性，其结果表明各向异性的重要程度可能与分析中所假定的土体模 型相关；颤( 静止侧压力系数) 对2 d 有限元的预测结果有着明显的影响，对于超 固结粘土( k 。一般被假定为显著大于1 ) 中的隧道，2 d 有限元程序预测到较宽 的沉降槽，如果在隧道两侧局部地减少k 。，则得到窄而更符合实际的预测结果。 由于盾构施工的复杂性，目前对其进行比较理想的3 d 有限元分析还有一定 的难度，但随着计算机技术的发展、测试水平的提高、土体模型的逐渐成熟，今 后它可能变得越来越普遍、其分析结果越来越可靠。 1 3 1 4 模型试验 在数值模拟不可行的情况下或为了校核数值模拟的结果，很多学者通过模型 试验来对隧道施工引起的地层移动进行了研究。自重是影响隧道稳定和相关土层 变形的主要因素，特别是对于浅埋隧道，考虑到这一影响，人们采用离心试验来 研究这一课题。特别是数字摄像技术的发展和采用，可以详细和准确地量测离心 模型试验中土层移动。 g r a n t 和t a y l o r ( 1 9 9 6 ) ”7 】描述了研究软粘土下卧砂层隧道的地层变形机理 的离心模型实验研究。c h a m b o n 和c o r t e ( 1 9 9 4 ) 1 15 8 搬道了采用离心模型试验研究 砂土中隧道稳定性的情况。 i m a m u r a ( 1 9 9 6 ) 【1 5 9 】和n o m o t o 等( 1 9 9 6 ) 【1 6 0 】设计了一个小的e p b 隧道工 程机械，直径为1 0 0 m m ，用于离心试验，试验在松散于砂中进行，来模拟2 5 m 直径的盾构机。掌子面开挖和盾尾空隙对作用在衬砌上的土压力的影响进行了研 究，并采用了分别考虑和一起考虑的情况。k i m 等( 1 9 9 6 ) 【1 6 2 】也用微缩盾构模 型在地面具有超载的软粘土中进行了试验，来研究近邻隧道的相互作用。 1 3 1 5 其他方法 另外，周文波【1 删以上海地区软土隧道施工经验为基础，编制了盾构法隧道 旌工对周围环境影响和防治的专家系统，用于地面沉降研究；阳军生、刘宝琛等 划在随机介质概念的基础上建立了挤压盾构施工引起的地表变形的理论方法； 第一章绪论 李建华和孙钧16 6 1 等应用模糊一随机理论对盾构施工引起的地层移动进行了研 究。孙钧、袁金荣16 7 1 采用了人工智能神经网络技术对地表沉降进行了预测。 1 3 2 盾构施工对周围土体的扰动影响 盾构施工不可避免地对周围土体的产生扰动，由于盾构施工对土体产生挤压 和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降，而引起土性的变异、地层移动等。 大冢将夫、藤f t q ( 1 9 8 9 ) 1 1 6 8 】研究泥水加压盾构施工中地层的动态变化，得 出盾构通过时和通过后引起的下沉占总沉降量的8 0 一9 5 ，初始下沉和工作面下