（岩土工程专业论文）城市地下洞群施工对周边环境影响规律研究.pdf

北京交通人学硕j ：学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：地下工程因其隐蔽性和不确定性而体现研究必要性和价值。随着城市地下 交通网络越来越多，规模也越来越大，如何保证在洞室群施工中减少对周边环境 的影响成为了迫切需要解决的问题。目前，国内对复杂地下洞室群的计算分析还 比较少，主要集中在地下水电站和地下厂房结构上，而对繁华市区的地下暗挖车 站洞室群模拟分析更少。本文以广州地铁小北站地下车站复杂洞群结构施工为背 景，利用三维数值模拟手段分析了地铁地下车站洞群施工对周边环境的影响。结 合实际监测数据，对地下洞室群开挖引起的地表沉降、地表水平位移以及对地表 房屋建筑和高架桥桩的影响进行了系统分析和讨论。同时对双线平行隧道引起的 地表沉降槽曲线的形状与施工方案、地层结构和相对位置的关系进行了分析和总 结，得到了双线平行隧道沉降槽与施工方案、底层结构和相对位置之间的关系。 通过对主要隧道在不同开挖方案下对周边环境影响进行的对比分析，提出了合理 的施工方案。最后针对小北站施工方案中存在的问题提出了合理建议。 关键词：地铁车站；洞室群；地表变形；f l a c ”：数值计算；环境影响 分类号： 北京变通人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：er e s e a r c ho f u n d e r g r o u n d 饥g i n e m i n gi sn e c e s s a r ya n dw o r t h yb e c a u s e i t s i n d e t e r m i n a t i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n d t r a n s p o r t a t i o np r e s s u r ei nt h eg r o u n di n c r e m e n t ，t h ep r o b l e mo fe n v i r o n m e n te f f e c t s b e c a u s ec o n s t m c t i o nw h i c hn e e dt ob es o l v e d ，a tt h ep r e s e n tt i m e ，s t u d yo nm u n i c i p a l m u l t i t u n l a e l si sm o r es h o r t a g et h a nh y d r o e l e c t r i ca n df a c t o r yb u i l d i n g u n d e r g r o u n d g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni si n e v i t a b l yi n f l u e n c et os u r r o u n d i n g so fe n v i r o n m e n t a n d d e t e c t i o na n ds u m m a r yr e g u l a rp a t t e r no f i n f l u e n c ew i l lb ea d v a n t a g e o u st oc o n s t r u c t i o n a n dc o n t r 0 1 a i ma tg u a n g z h o ux i a o b e is t a t i o n w h i c hi sc o n s i s to fc o m p l i c a t e dh o l e s s t r u c t u r ei ne n m p l e xg e o l o 瘅cs t r a t ar e l a t i o n ，t h i st e x tb a s e do nn u m e r i c a lm e t h o d ， s u m m a r i z e dh o wt 0b u i l dt h en u m e r i c a lm o d e lo fc o m p l i c a t e du n d e r g r o u n dt u n n e l s w l l i c ha r eg r o s se a c ho t h e rw i t hd i f f e r e n ts i z ea n ds h a p e e s p e c i a l l ys o l v e dt h e i n t e r a c t i o no fd i f f e r e n ts i z ea r c st h a ti sv e r yh a r dt om o d e l i n g c o m b i n e dw i t ht h e s i t e - m o n i t o rd a t a , t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e g u l a t i o no ft h ee a r t h ss u r f a c es e t t l e m e n t , t h e d e c l i n ea n dt h ee a r t h ss u r f a c eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n tc a u s e db yt u n n e l i n g t h i sp a p e r a l s os t u d i e st h es h a p eo fc u r v a t u r eo ft w op a r a l l e lt u n n e l sd u r i n gi t se x c a v a t i o n a tt h e s a m et i m e ，t h i st h e s i ss u m m a r i e st h ei n f l u e n c er e g u l a t i o n so ft h ep i l ed i s p l a c e m e n ta n d f o u n d a t i o ns e t t l e m e n tc a u s e db yt u u n e le x c a v a t i o n n 伧o p t i m a lc o n s t r u c t i o np r o j e c ti s g o tb yt h ec o n t r a s to ft h r e ek i n d so fc o n s t r u c t i o np r o j e c t sa n a l y s i s s o m es u g g e s t i o n s a i m da tt h ep r o b l e mo f x i a o b e is t a t i o na r eg i v e i la tl a s t k e y w o r d s ：m e t r os t a t i o n ：m u n i c i p a lm u l t i t u n n e l s ；d e f o r m a t i o no fg r o u n ds u r f a c e ； f l a c ：n u m e r i c a lt a l c u l a t i o n ：e n v i r o n m e n te f f e c t s c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 北京交通人学硕士学位论文独创性声叫 独创性声明 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和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得北京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j = 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。 一鹳：幼一期：夕年肛月少日 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本文是在导师乔春生教授的悉心指导和亲切关怀下完成的。导师渊博的学识、 严谨的治学态度、求真务实的学风、宽以待人的师表风范以及孜孜不倦的敬业精 神为我树立了榜样，使我受益颇丰，终身享用。就读硕士两年半以来，无论是在 学习上还是在生活上，乔春生老师均给予我热情的鼓励和无微不至的关怀，我的 进步和成长与他的谆谆教诲是密不可分的，值此硕士论文完成之际，学生谨向恩 师致以最衷心的感谢! 刘保国教授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。 刘开云老师对我在撰写论文过程中进行了悉心指导，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘开云老师表示衷心的谢意。 本文研究工作的顺利完成离不开本教研室众多师兄弟无私帮助! 感谢张志刚 博士、朱正国博士、时洪斌博士、高保彬博士、刘文彬博士、施烨辉博士、焦健 博士等师兄们的帮助，感谢白海卫、魏英华、李继波、朱天然、卢国营、王棚、 高伟等同门的大力支持，感谢杨献永、解廷伟等同学给予无私的帮助。 在此，还要感谢冯兵女士对我再读硕士阶段给予的精神和各方面的理解和支 持。 感谢我的父母、亲人、朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 城市是人类社会经济发展到一定阶段的产物，是人文、经贸、科学技术与文 化复合而成的高度集中的社会实体，是一定地域范围内政治、经济、文化的中心。 目前全世界人口总数达到了6 0 亿，增长速度最快的是城市人口，随着科学技术的 进步，社会经济的不断发展，城市人口将进一步聚集，大城市、特大城市将继续 形成。大城市和特大城市的中心地区人口密集，建筑物林立，空间拥挤，交通堵 塞。机动车和非机动车数量迅速增长，很多大城市交通紧张状况非常突出，市区 的客运交通流量猛增，而城市人均道路面积很低，道路拥挤，交通堵塞状况日益 严重。长期以来，城市交通、基础设施及城市容量的扩大主要是通过扩展城市用 地来实现的，但城市用地的短缺，已成为矛盾的集点。因此，合理丌发与综合利 用城市地下空间资源，不仅成为缓解当前存在的各种城市矛盾，满足某些社会和 经济发展的特殊需要，而且为进一步建设现代化城市开辟了广阔的前景。 城市隧道工程，主要包括为解决城市交通拥挤问题的地下铁道、公路隧道， 或穿越障碍物的各种地下通道等；各种市政地下工程，如污水隧道、以及市政管 线公用隧道等；还包括人防设施、工业与民用方面，以及文体、娱乐等方面的地 下设施。对地下空间的利用，从欧洲产业革命至今，随着科技的发展，得到了迅 速的发展。英国伦敦在1 8 6 3 年建成了世界上第一条地铁，莫斯科地铁启用于1 9 3 5 年，每年最高流量达3 3 亿人次。我国自1 9 6 5 年开始在北京修建地铁，至今已有 北京、天津、上海、广州、深圳、南京、香港、台北等城市地铁线路投入了运营。 许多城市也正在规划兴建地铁，如重庆、武汉、青岛等城市。随着经济的发展， 更多的城市将修建地铁。根据国内、外的经验，建设大容量快速轨道交通包括地 铁和轻轨运输是缓解交通紧张状况的有效途径。尤其是在市内建设地下铁道，向 地下发展是今后城市发展的一种趋势。预计2 1 世纪初至中叶将是我国大规模建设 地铁的年代。 地下工程是在岩体中开挖兴建的，因此，施工不可避免地对岩体产生扰动， 引起的岩体扰动变形可能影响地表建筑物和已有的地下管线设施。故在隧道施工 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。一般地说， 地下工程施工对周边环境的影响是由于在地下工程在施工过程中产生了地层变 异、地下水变动、地下水水质变化、土壤污染、振动等一系列的后果而造成。地 北京交通大学硕士学位论文 铁作用的一个重要方面就是要将地面人流最大限度引入地下，因此，地铁车站修 建的地方几乎是城市主要干道上最繁华地段，环境的复杂性和地段的特殊性要求 对地铁在进行施工时考虑更多的因素。在外部环境的保护中，地层变异及地下水 变动是隧道施工中共同的环境因素。在地层中，视深度和地质条件，土压、水压 一般是处于平衡状态的，在地下工程施工过程中，地层原岩应力场将被打破，也 就是平衡状态被打破，即地下隧道的开挖导致t - 次应力场的产生，在开挖面由 于应力释放、附加应力等引起地层的弹塑性变形，地层位移和地下水将发生变化。 这种地层的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导致建筑物的破坏，造成经济 损失和安全事故。因此，控制施工对周边环境和结构物的影响成为了一个重要的 研究课题。 1 2 研究现状 隧道施工过程中，土体或岩体因扰动，平衡状态将被打破，地层应力将进行 重分布，相应地会产生地表和地层的位移与变形。地表的移动和变形是对于位于 地表的建( 构) 筑物产生不良影响的主要原因。而地层中的位移和变形则会对位 于地层中的管线、隧道等产生不良影响。地表移动可分为两个组成部分，即地表 沉降和水平位移；地表变形主要指不均匀地表沉降和不均匀水平位移所形成的地 表倾斜和水平变形，以及地表的曲率变形。隧道施工地表移动与变形主要是由于 旋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。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空隙 水压力的变化，使地层发生排水固结引起的地表沉降，而土体的蠕变也可能导致 一部分沉降的发生。 影响地表移动和变形的因素很多，隧道的埋深、断面尺寸、施工方法、支护 方式、隧道( 基坑周围) 上部荷载、地层性质、施工管理等都影响地表移动和变 形的大小。城市隧道施工产生的地层移动对地表建( 构) 筑物和地下已有管线及 隧道的影响程度除了与隧道施工有关外，还与建( 构) 筑物和地下已有管线及隧 道所处的位置、结构形式等有关。隧道开挖施工引起的建筑设施的损害可以分为 直接开挖损害和问接开挖损害两种情况。建筑设施位于隧道开挖的主要影响范围 内的，称直接损害。而离主要范围较远的损害称为间接损害。隧道开挖能造成建 筑设施的整体下沉、倾斜等损害。对建筑设施由于不均匀沉降或者整体的沉降过 大而形成地基失稳或拉压破坏。地层的移动对地下设施会造成坍塌或者严重变形 第一章绪论 而失去使用功能。 由于社会不断向前发展，人们的环保意识也不断增强，对于在城市市区隧道 引起的地表位移与变形及对周边环境的影响预测便显得更加重要。在科技不断进 度和经验不断积累的基础上，对与隧道施工带来的各种负面影响已经有了很多的 预测方法，目前常采用较为有效的评估和预测有量测预测、经验预测、理论预测 和数值模拟预测等等。 量测预测，就是根据实际测得的数据，在施工中进行反分析和经验数据，对 后续作业进行可行性的指导，这是施工中和施工后比较具有代表性的方法。 经验预测，此方法就是采用过去的经验推断出来的公式或经验值来进行预测。 理论预测，该方法是利用各种理论获得图式解释等进行预测，该方法计算简 便，在各种条件不复杂的情况下，能取得比较好的效果。但是对复杂的情形则显 得力不从心。 数值模拟预测，计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。因为对于扰 动分析影响因素较多，简单的数学解释计算方法无法满足同时考虑多种因素影响 情况下的综合分析。应用计算机技术，就可以较为全面地在分析扰动影响时同时 考虑多种因素的综合影响。利用数值模拟方法进行预测主要存在的问题是与计算 方法相对应的计算参数在目前的勘测过程中提交的很少，使参数的选取较困难。 数值模拟预测方法主要有有限元法、有限差分法、加权余量法和边界元法等。 根据煤矿地区巷道丌挖地表下沉的实测结果，m a r t o s ( 1 9 5 8 ) 提出了隧道丌 挖所引起的地表沉降槽可由误差函数近似表示。 1 9 6 9 年，依靠大量隧道开挖所引起的地表沉降实测数掘，p e c k 系统提出了地 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。n 出认为， 在不排水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。 所谓的地层损失，是指隧道施工中实际开挖的土体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。 一j 2 ，、y fi r j 【叫= 吾一e “( 1 1 ) 、2 疵 s ：毒土旦 “2 赢蠢 式中s ( 力距离隧道中心轴线为x 处地表沉降值； 施工引起的隧道单位长度地层损失； 3 ( 1 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 s 一隧道中心线处地表最大沉降量； 卜一地表沉降槽宽度系数。 公式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 中，需要确定v ：和i 两个参数。这些参数与隧道开 挖深度、断面尺寸、地层条件和施工条件密切相关，p e c k c o r d i n g 等许多科研工 作者给出了许多经验取值。 0 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。a t t w e l l 等还通过假定横向地表沉降为一正态分布形式，纵向分布 为二次抛物线形态，得出了隧道施工引起的三维地表运动公式。k i m u r a 和m a i r 等还通过离心模型试验对伦敦几种地层终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，可以得到地表水平位移计算公式。 日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，尤其是在软土地层中进行 隧道建设，许多学者对此提出了很有意义的预计方法和公式。f u j i t a 提出了盾构 隧道地表沉降预计方法；半谷根据实测资料，也给出了地表最大沉降的预计方法； 藤田进行了软土地层中不同盾构施工方法对地层的影响研究，森氏、岛田等亦提 出过使用的计算公式。 我国科研学者刘宝琛等应用随机介质理论。1 ，研究了近地表开挖引起的地表 移动及变形问题。根据中国铁道出版社出版的由阳军生和刘宝琛所著的城市隧 道施工引起的地表移动及变形一书，可以得到单元开挖引起的地表各点的下沉 为： - r。 11 职z y ) 2 而唧卜高( x 2 + y 2 如蟛，7 ( 1 3 ) 式中：，( z ) 为单元开挖在z 水平上的主要影响半径，它是关于z 的一个函数， 通常可认为与z 成线性关，即，( z ) = z t g f l ，为隧道上部围岩的主要影响角， 其值取决于开挖所处的地层条件，可根据地质勘测资料选取，也可根据量测资料 通过反分析方法计算得到。 单元体开挖引起地表下沉的同时，还会在地表引起水平位移。为了研究地表 各点的水平位移u 。( 石，】，) ，和u 。( x ，】r ) ，假定岩土体不可压缩，则有： 蠛七“七晓= 0 式中：占d 、s 。，、# 口分别为单元岩土体沿瓜y 、z 方向上的应变。 挖引起的上覆岩土体的移动和变形可以认为是宏观连续的，则有： 4 ( 1 4 ) 单元开 第一章绪论 = 挈铲挈= 1 0 u a r ( x , y )以d j叱 ( 1 5 ) 将式( 1 5 ) 代人式( 1 4 ) ，解此方程，并根据边界条件，当x = o 和x 寸时， 叱( x ，】，) = 0 ，当y = o 和y - - - m 时时，玑，( 】| ，】，) = 0 ，得： c 埘，= 高d 鬟- z z ) e x p 一南“2 ，) 捌卿 m 。 吲五y ) = 而r 百d r ( z ) 唧1 f 一高硝2 ) ) 删叩 ( 1 7 ) 纵向地表移动与变形是指沿隧道轴线平行方向地表沉降以及水平移动等的变 化规律。取如图l 所示的坐标系，在距离地表深度为h 处开挖隧道，在隧道牙挖 工作面处y = o ，这是一个沿】，轴方向为半无限长的空白j 半平面问题，因此有： dy 蕾 id d 1 l口 1 l 嘴矬捌，：字c x ：笋q 叫2 + ( 卜2 印 。壁筹唧 _ 警心叫2 孚+ 丘芦唧卜力d 司捌玎 一 吲一点叭学寸了疵9 2 f l 一灿旷卜m f i - 1e x p l 。一了m 9 2 f 1 k 】 捌刁 5 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 1 0 ) ( 1 1 2 ) 求解 耳( x ，y ) = d w ( x ，y ) d y = 芋坦唧 - 字k 归刁 o 1 回 毋( x ，y ) = d u r ( z ，d d y = 字- n ：! y 唧 _ 警k x _ s ) 2 + y 2 归叩 弋1 1 1 k r ( x ，y ) = d 2 矿( j ，】，) d y 2 = 等点y 斟警k 妒枷 均 以上推导的计算公式可编制成相应的计算机程序。对于不同的隧道开挖横断 面形状，只需变换不同的积分区问，而以上基本公式是完全相同的。比如对于横 断面为圆形的隧道，程序需要输入的参数为隧道埋深眠开挖半径一、收敛半径 4 和地层影响角，另外根据所求地表建筑物位景输入z 的坐标，即可求得特 定位置沿隧道纵向地表的移动和变形分布曲线，从而预测隧道开挖对地表建筑物 的影响程度。 同济大学自2 0 世纪7 0 年代起，便对地表沉降进行了研究工作，在实测资料 和理论分析的基础上，对p e c k 公式的基础上进行了修正，提出了考虑土体受到扰 动后固结沉降的新的地表沉降预计公式。张弥等开发出了预计盾构发隧道施工地 表沉降的专家系统。 地铁施工对邻近桥桩影响的研究涉及到隧道工程、桩基工程、土力学等多个 领域，其复杂性决定了这方面的研究工作还相当薄弱，进展也显得异常艰难。目 前的研究大体采取以下三种途径1 ：一是理论分析研究( 主要指数值试验研究) ， 二是试验研究( 主要指离心机试验研究) ，三是现场原位测试研究。针对具体工程， c h e n g 和p a n g 等以新加坡东北线隧道邻近新建高架桥桥桩开挖为工程背景，对隧 道一土一桩的相互作用进行了三维数值分析。结论表明：当桩基与隧道中心线的 水平距离大于2 倍洞径时，桩基中引起的弯矩几乎可以忽略，而当桩基与隧道中 心线的水平距离小于1 倍洞径时，桩基中引起的弯矩很容易超过容许弯矩；桩基 中产生的轴力主要依赖于桩尖与“大变形区”的相对位置、土体的刚度以及地层 损失值。对糖土中的隧道开挖而言，“大变形区”对称分布在隧道起拱线位置4 5 。 斜向上到地表的夹角范围内。着重于影响规律的研究，c h e n 和p o u l o s 等采用两 阶段法来分析隧道开挖引起桩基的侧向和轴向反应。首先在解析法的基础上估算 自由场地的土体位移，然后用简化的边界元分析法将这些估算的土体位移作用在 6 第一章绪论 桩基上，进而计算桩基的反应，并对一些关键性的影响因素进行了参数研究。他 们认为桩基的反应特性受桩尖在隧道水平轴线之上还是之下的极大影响。m r o u e h 等通过建立三维弹塑性有限元模型模拟了城市隧道开挖对单桩和群桩的影响。结 果表明，隧道开挖会在邻近桩基中产生较大的内力，而内力的分布则取决于桩尖 与隧道水平轴线的相对位置以及桩基轴线与隧道中心线的水平距离：群桩效应会 产生一些积极的影响，大大减小了同一承台下另一侧桩基中的内力。国内学者李 永盛等利用弹性力学k e l v i n 解及弹性地基梁理论导出了盾构推进对相邻桩体内力 及挠度影响的计算公式。阮林旺等通过三维有限单元法对软土盾构施工引起相 邻桩体变形和受力进行了研究。王占生系统地对盾构近距穿越桩基进行了研究， 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，提出了盾构施 工对近邻单桩内力和变形影响的评价方法以及盾构穿越桩基的方法、步骤。 郭璇等人利用t t q n k l e r 弹性地基梁分析模型对1 9 9 5 年日本国兵库县南部地震 桩基础典型破坏模式进行了分析，并应用荷载分布法和应大变位法对桩的水平位 移及应力状况进行分析，取得了较好的效果。杨敏等人基于w i n k l e r 模型从侧向 受荷桩的受力和变形机理出发，提出了地面超载下邻桩侧向变形的计算分析方法， 推导了关于邻桩受力和变形的微分方程和有限元计算方法。并编制了程序。张建 勋等人将桩体等效成板状，用梁单元模拟，采用平面有限元分析了堆载超载影响 下的相邻桩基性状。於法明。引按弹性法对深基坑丌挖的地下连续墙或挡土桩进 行内力和变形分析。采用w i n k l e r 地基模型，考虑墙( 桩) 体变形的影响及墙( 桩) 与土体的共同作用，提出了侧向承受荷载的地下连续墙或挡土桩的传递矩阵计算 方法。刘杰等人基于竖向变形模式及径向变形模式。利用弹性理论及桩一位移协 调条件建立了桩及桩周土的控制微分方程，并由此推导出了路堤荷载作用下复合 地基加固区桩及桩周土压缩量计算的解析式，同时得出了桩、桩周土中竖向应力 及桩侧剪应力计算的解析式，并对复合地基荷载传递规律及变形进行了计算。谢 洪涛等人基于非线性黏弹性理论。描述了土体的蠕变特性，并对某小桥桥台挡板 开裂原因进行分析，同时对修建在软土中桩基与土、桥台及台背填土的相互作用 进行了有限元计算。得出软土侧向挤出是挡板开裂原因的结论。谭金华运用三维 有限元法分析了软弱黏土中桩群的侧向承戴力。邓利民等人将桩视为弹性杆件， 推导了其在轴向和侧向荷载作用下的拉氏空i b j 基本解；应用互等定理分别建立了 桩在轴向和侧向动力荷载作用下的积分方程使其离散。对于土域应用了弹性半空 间的拉氏空间动力基本解，采用加权残量法建立了土域的积分方程也使其离散； 按照土和桩接触面的平衡和相容条件，对桩、土系统建立一组代数方程，则在其 接触面和域内任意点的位移和力可以求解。由k o i s u m l 数值求逆的方法可以得到 时域的解。并推导出桩、土动力相互作用的简便积分方程法。另外还有甘德福、 7 北京交通大学顾i 二学位论文 陈孝培提出的g a n - - c h e n 模式c 和桩侧向最大挤压力的黄金分割研究方法。 模拟分析现在已经成为了分析复杂问题的一种重要的手段，在土木工程行业 里已经得到了广泛的应用，国内目前对复杂地下工程的模拟计算主要集中在水电 站、地下电力厂房清华大学李仲奎对溪洛渡水电站地下厂房洞室群的施工仿真 三维地质力学模型试验研究“”，通过与f l a c 3 d 计算对比分析，取得了满意的结果。 学者朱维申采用三维有限差分f l a c 3 d 程序，以二滩工程地下洞群的结构形式为背 景，主要考虑了三个洞室群情况，对几种主要不同因素的影响对围岩稳定性进行 了大量计算工况的准三维数值模拟，得到若干规律性结果。而对于城市地铁的数 值计算主要是区间隧道，对山岭隧道的数值计算多数集中在两连拱和三连拱隧道 的施工方案上。以整个暗挖地铁车站建立三维模型，同时将周边环境考虑在内的 计算尚不多见。这种大型模城市地下洞室群的模拟计算的意义在于能够考虑到洞 室群在开挖过程中的相互影响效应和对地表环境和周边环境的整体影响效应，将 多种因素同时考虑在内进行分析。 1 3 研究方法、目的及内容 研究目的：随着城市地下交通网络越来越发达，大型地下洞室群工程越来越 多。目前对地下单隧道、双线隧道及连拱隧道施工产生的地层移动和对周边环境 的影响分析较多。因为缺少对大型地下洞室群成熟的理论研究，大部分工程采用 工程经验和工程类比法进行施工，给工程带来较多的不确定因素和匮乏的理论依 据。基于上述现状，本文利用数值计算为手段，以广州地铁五号线小北站代表， 对大型地下洞室群对周边环境的影响规律进行分析和总结。希望能对大型地下洞 室群的施工和设计提供一些理论依据，同时对小北站的施工控制有所指导，对类 似工程提供一些参考。 研究方法和技术路线： 一、现场调查、收集资料：对洞室群周围的外部环境和内部环境进行调查分 析，确定需要分析和研究的对象。收集整理所需要的建模断面图、地层及支护加 固物理力学参数。 二、建立模型、数值计算：利用按a n s y $ 建立三维模型，基于有限差分数值 计算软件f l a c j d 对地下洞室群进行建模计算。 三、理论分析、总结规律：通过多种施工方案的对比，对施工方案进行优化 选择。对复杂情况下城市地下洞群施工对周边环境影响规律进行初步探讨。 本文研究内容： l 、复杂城市洞群三维建模研究：建立广州地铁五号线小北站整个地铁车站的 第一章绪论 三维模型。地铁车站隧道分为站台层和站厅层，站台层有左右站台隧道、连接左 右站台之间的联络通道、连接联络通道与斜通道的下直通道，站厅层有站厅隧道、 连接站厅隧道和斜通道的上直通道，楼梯层连接上直通道和下直通道的斜通道。 整个洞室群结构、地质条件非常复杂，周边考虑的影响环境因素多，包括车站上 方的高架桥、l l 层高以锤击桩为基础的惠声服装厂。考虑到隧道开挖的控制和计 算精度，重点研究的是如何利用六面体单元建立交叉隧道和斜交隧道三维模型。 2 、城市复杂洞群合理施工方案研究：利用有限差分软件f l a c 3 d 对地层结构、 隧道开挖方式和支护结构进行合理的模拟，对不同地层的参数进行现场和室内试 验，合理选取。通过分析三种施工方案，评价各种指标，对合理施工方案进行优 选。 3 、洞群施工引起地表沉降及水平位移研究：分析在复杂地下洞室群开挖中， 不同断面、埋深和开挖方式的隧道对地表沉降影响的大小和影响方式。对复杂洞 群所产生的地表移动规律进行总结。 4 、洞群施工相互影响规律研究：分析地下临近洞室群在开挖过程中对隧道变 形的影响规律。 5 、洞群施工对近距离桥桩影响研究：通过对复杂洞群的数值模拟分析，结合 实测数据，分析洞群施工对近距离桥桩、周围建筑的影响。 6 、双线平行隧道沉降研究：分析对双线平行隧道在不同的围岩中，沉降槽曲 线形状随隧道的埋深和隧道间距变化而变化的关系。 7 、对小北站施工方案的研究：以控制周边环境影响为目的，针对小北站在实 际施工中存在的问题，经过分析，提出有效的改进措施。 9 第二二章f l a c 3 d 计算蟓理 第二章f l a c 3 d 计算原理 f l c ”计算程序简介川 f l a c 3 d ( f a s tl a g r a n g i a l la n a l y s i so fc o n t i n u ai n3 d i m e n s i o n s ) 是由美国i t a s c a c o n s u l t i n gg r o u pi n c 开发的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材 料的三维力学行为。f l a c 3 d 将计算区域划分为若干六面体单元，每个单元在给 定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，如果单元应力使得材料屈服 或产生塑性流动，则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形，这就是所谓的 拉格朗日算法，这种算法非常适合于模拟大变形问题。f l a c 3 d 采用了显式有限 差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模 拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形 分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。f l a c 与基本离散元法相似，但 它克服了离散元法的缺陷，吸取了有限元法适用于各种材料模型及边界条件的非 规则区域连续问题解的优点。f l a c 所采用的动态松弛法求解，不需要形成耗机 时量较大的整体刚度矩阵，占用计算机内存少，利于在微机上求解较大规模的工 程问题。同时，f l a c 还应用了节点位移连续的条件，可以对连续介质进行大变 形分析。 f l a c 程序可以模拟线性、非线性等多种材料模型，可以模拟实际工况分期开 挖、回填，以及锚杆、混凝土衬砌等支护手段。f l a c 具有较强的前、后处理功能， 能快捷地形成计算网格和整理所需数据成果和图表。 2 1 f l a c 3 d 的基本原理阳 f l a c 3 0 的求解使用了如下3 种计算方法：( 1 ) 离散模型方法。连续介质被离散 为若干互相连接的六面体单元，作用力均被集中在节点上。( 2 ) 有限差分方法。变 量关于空问和时间的一阶导数均用有限差分来近似。( 3 ) 动态松弛方法。应用质点 运动方程求解，通过阻尼使系统运动衰减至平衡状态。 ( 1 ) 空间导数的有限差分近似 在f l a c 3 d 中采用了混合离散方法，区域被划分为常应变六面体单元的集合 体，而在计算过程中，程序内部又将每个六面体分为以六面体角点为角点的常应 变四面体的集合体，变量均在四面体上进行计算，六面体单元的应力、应变取值 为其内四面体的体积加权平均。 如图2 1 所示一四面体，节点编号为1 4 ，第n 面表示与节点n 相对的面， 北京交通大学硕 ：学位论文 设其内任一点的速率分量为，则可由高斯公式得 j j f v j , j d v 2 k v ，“，落 ( 2 1 ) 节点4 2 式中：矿为四面体的体积，s 为四面体的外表面， 一为外表面的单位法向向量分量。对于常应变 单元，v i 为线性分布，所在每个面上为常量， 。 由式( 1 ) 可得： v 。：- 专t a 以y s ( 2 2 ) 1 = 1 式中：上标，表示节点，的变量，( 0 表示面，的 变量。 图2 1四面体 ( 2 ) 运动方程 f l a c 3 d 以节点为计算对象，将力和质量均集中在节点上，然后通过运动方 程在时域内进行求解。节点运动方程可表示为如下形式： 譬：掣 ( 2 3 ) 西 m ， 、 式中：i t ) 为在t 时刻f 节点的在i 方向的不平衡力分量，可由虚功原理导出； 为f 节点的集中质量，在分析静态问题时，采用虚拟质量以保证数值稳定，而在 分析动态问题时则采用实际的集中质量。将式( 2 3 ) 左端用中心差分来近似，则可 得到 ，f + 讣彰 一讣字& ( 2 4 ) ( 对应变、应力及节点不平衡力 f l a c 3 d 由速率来求某一时步的单元应交增量，如下式： & f2 舌( ，+ y 川) 缸 ( 2 5 ) 式中速率可由式( 2 2 ) 近似。有了应变增量，即可由本构方程求出应力增量，各时 步的应力增量叠加即可得到总应力，在大变形情况下，还需根据本时步单元的转 角对本时步前的总应力进行旋转修正。然后即可由虚功原理求出下一时步的节点 不平衡力，进入下一时步的计算，其具体公式这里不在赘述。 ( 4 ) 阻尼力 第二章f l a c 3 d 计算原理 对于静态问题，f l a c 3 d 在式( 2 3 ) 的不平衡力中加入了非粘性阻尼，以使系统 的振动逐渐衰减直至达到平衡状态( 即不平衡力接近零) 。l l t 时式( 2 3 ) 变为 掣f t ( t ) + f ( t ) ( 2 6 ) 国 m ， 、 7 阻尼力 a t ( t ) = - - a i 曩t ( f l 咖( 一) 酬加= ：揽宝 【d ，( y = d ) ( 5 ) 计算循环 f l a c 3 0 的计算循环如图2 2 所示。 2 2f l a g 3 d 的特点哪 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 由以上原理可以看出，无论是动态问题，还是静态问题，f l a c 3 d 均由运动 方程用显式方法进行求解，这使得f l a c 3 d 很容易模拟动态问题，如振动、失稳、 大变形等。对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，对 于已知的应变增量，可很方便地求出应力增量，并得到不平衡力，就同实际中的 物理过程一样，可以跟踪系统的演化过程。此外，显式法不形成刚度矩阵，每一 步计算所需计算机内存很小，使用较少的计算机内存就可以模拟大量的单元，特 别适于在微机上操作。在求解大变形过程中，因每一时步变形很小，可采用小变 形本构关系，只需将各时步的变形叠加，即得到了大变形。这就避免了通常大变 形问题中推导大变形本构关系及其应用中所遇到的麻烦，也使它的求解过程与小 变形问题一样。该程序能较好地模拟岩土材料在达到强度极限或屈服极限时发生 的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。 它主要有如下一些特点： ( 1 ) 应用范围广泛，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。f l a c 3 d 包含了1 0 种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度5 种计算模式，各种 模式问可以互相耦合，以模拟各种复杂的工程力学行为。f l a c 3 0 可以模拟多种 结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚元、桩、壳以及人工结构如支 护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩等。另外，f l a c 3 0 设有界面 单元，可以模拟节理、断层或虚拟的物理边界等。 北京交通大学硕十学位论文 运动方程 盟垂仝芷盛 由应力及外力利用虚功原理求节点不平衡力 由不平衡力求节点速率 本构方程 盟堡全垫五 由节点速率求应交增量 由应变增量求应力增量及总应力 图2 2f l c 计算循环 ( 2 ) f l a c 3 d 具有强大的内嵌程序语言f i s h ，使得用户可以定义新的变量或函 数，以适应用户的特殊需要，例如，利用f i s h ，用户自己设计f l a c 3 0 内部没有 的特殊单元形态；用户可以在数值试验中进行伺服控s j j ；可以指定特殊的边界条件： 自动进行参数分析：可以获得计算过程中节点、单元参数，如坐标、位移、速度、 材料参数、应力、应交、不平衡力等。 ( 3 ) f l a c 3 d 具有强大的前后处理功能。f l a c 3 0 具有强大的自动三维网格生成 器，内部定义了多种基本单元形态，可以生成非常复杂的三维网格。在计算过程 中用户可以用高分辨率的彩色或灰度图或数据文件输出结果，以对结果进行实时 分析，图形可以表示网格、结构以及有关变量的等值线图、矢量图、曲线图等， 可以绘出计算域的任意截面上的变量等值线图或矢量图。 表2 1 列出了目前已经开发出的有关岩士的大、中型软件的功能对比，f l a c 软件自问世以来，得到广大岩土工程计算者的推崇，主要是该软件应用了显式的 有限差分法代替了原先广泛使用的隐式有限元法。程序将计算区域内的介质划分 为若干个六面体单元，单元之间用节点相互连接。上述过程中，网格的划分与有 限元不同之处在于其网格分物理网格和数学网格且互为影射，所划分的网格只要 有序也可具有不规则的形状。 表2 1 各种岩土计算软件功能对比表 能奔处理 是否考虑 是否适应岩 种类前处理后处理足否非线性计算维数时间因素 大变形土工程妥求 影响 n a c p 不好 般 不能 可以2 d k 3 d可以适应 n o l m一般般小能 町以2 d 不能适应 1 4 第- 二章f l a c 3 d 计算原理 f l a c好好可以町以2 d - 3 d3 d 可以适应 a l g o r 好好可以可以 2 d 一3 d 可以不适应 a d i n a好好可以可以2 d 一3 d可以不适应 f i n a l 好好可以可以 2 d 一3 d 可以适应 2 3f l a c 3 d 的计算步骤“， f l a c m 总的计算步骤如图2 3 所示： f l a c 程序首先计算单元不平衡力，再将此不平衡力重新加到各节点上，进 行下一步迭代计算，直到不平衡力足够小或各节点位移趋于稳定为止。 f l a c 显式静态分析求解一般流程为： ( 1 ) 建模：实施f l a c 算法，首先要建立f l a c 模型，包括生成单元网格、 给定边界条件和初始条件，定义本构模型与材料特性。例如对于m o h r - c o l u m b 塑 性模型，其材料特性参数为容重、内摩擦角、粘聚力、剪胀角和抗拉强度。 ( 2 ) 确定模型平衡状态：在给定边界条件与初始条件作用下，f l a c 应处于初 始平衡状态。通过对最大不平衡力，节点速度或位移的监控，用户决定什么时候 模型已达到平衡状态。 ( 3 ) 检查模型响应：f l a c 模型的反应是通过其显式动态代码进行监控的。当 模型动能降低到可忽略值时，静念和准静态解即可得到。这时模型或处于平衡状 态，或处于稳流状态。 ( 4 ) 执行扰动：f l a c 在求解过程中的任何点，均允许被改变模型条件，即扰 动。这些扰动包括：材料的开挖、节点载荷或压力的增加或删除，任何单元材料 模型或特性的改变、任何节点的约束或解除约束等。 ( 5 ) 求解f l a c 模型：f l a c 采用显式时问逼近法求解代数方程组，求解计 算时步由f l a c 代码自动控制。用户必须确定具体的计算时步数( 对于所需求的解) ( 6 ) 计算结果的输出处理：这也就是后处理过程，用户可以根据自己的需要， 选择输出相应的位移，速度、应力等值线图或某个节点菜物理量的计算值。 2 4f l a c 3 d 与其他数值方法相比的异同点“， f l a c 3 d 与其他数值方法一样，都是把偏微分方程组转化成每个单元的矩阵 方程组，把节点相关的力转化为节点相关的位移。但是f l a c 3 0 在以下方面与其 他数值方法不同： 北京交通大学硕1 ：学位论文 闰2 ，3 一 c ”总的求解过程 第章f l a c 3 d 计算原理 ( 1 ) f l a c 3 d 采用的“混合离散”方法能够更精确的模拟塑性极限荷载和塑性 流动，从物理上来说，这种方法比有限单元法中常用的归约积分法更合理。 ( 2 ) 采用全动态运动方程使f l a c 3 0 在处理不稳定问题时不会遇到数值困难。 ( 3 ) 采用显式解法( 相对于常用的隐式解法) ，在求解非线性应力一应变关系 时，只需要和求解线性关系差不多的机时，然而，隐式求解非线性关系要比显式 求解要多花费相当长的机时。显式求解不需要存储任何矩阵这意味着f l a c ”只 需不大的内存就可以模拟数量非常多的单元；由于不需要对刚度矩阵进行更新， 大应变数值模拟几乎只需花费和小应变数值模拟相同的机时。