（岩土工程专业论文）浅埋暗挖隧道地表沉降分析及现场监测研究.pdf

摘要 摘要 浅埋暗挖法是以加固处理软弱地层为前提，以新奥法( n a t m ) 为理论基础， 针对埋置深度较浅的松散软土或破碎岩石地层的一种地下工程暗挖施工方法。 浅埋暗挖法是为了适应城市地下工程没有明挖条件而产生，在过去的实践中证 明了它的实用性和某些方面的优越性。但是，由于变形大、变形持续时间长等 特点，给隧道施工及周围环境带来了很多问题。 在软弱地层中采用浅埋暗挖法施工，研究周围土体变形规律，寻求合理施 工工艺，具有重要的理论与现实意义。鉴于此，本文开展了如下的研究工作： 本文采用三维快速拉格朗日分析程序f l a c 3 d 对施工过程进行模拟，研究 浅埋隧道性状和地表沉降变形，探讨不同因素的影响，为隧道施工提供依据。 首先，简单介绍了浅埋暗挖法的发展，总结了目前国内外隧道施工引起地 层移动的研究现状；接着介绍了浅埋暗挖法的优缺点与适用条件，并以北京地 层为例，重点介绍了浅埋暗挖隧道施工方法，并对各工艺特点进行论述； 然后介绍了三维快速拉格朗日分析程序f l a c 3 d 的计算理论与方法，主要 介绍了三维快速拉格朗日法的数学模型描述、数值公式表示及数值计算过程。 其次，用f l a c 3 d 数值分析软件建立了浅埋隧道的三维模型，研究不同因 素对浅埋暗挖隧道性状的影响，重点研究了围岩性质、上覆土厚度、施工方法、 开挖进尺、支护措施对隧道开挖后周围土体稳定性的影响，主要从地表沉降、 拱顶沉降及隧道开挖后周围土体的应力分布和塑性区范围进行分析。模型中使 用了结构单元，考虑了土和衬砌之间的接触作用，采用m o h r - c o u l o m b 强度准 则和弹塑性本构模型进行计算分析。 进而对地铁十号线芍药居站东南出入口进行分析比较，结果表明，本文研 究成果与实测结果的规律基本一致，从而为软弱地层中合理设计浅埋暗挖隧道 支护结构、施工提供了依据。 最后，对浅埋暗挖隧道现场监控量测方案、目的、原则、仪器与实施方法 进行了详细的分析与探讨，并对监测结果进行了分析，达到优化设计、指导旌 工的目的。 关键词浅埋暗挖法；f l a c 3 d ；地表沉降分析；监控量测 a b s t r a c t a b s t r a c t r e m f o r c e m e n tt r e a t m e n to fs o f t ：f o u n d a t i o ni st h ep r e m i s eo fs h a l l o w - b u r i e d u n d e r c u t t i n gm e t h o d ( s b u m ) n a t m i st h et h e o r e t i c a lb a s i so fs b u m s b u mi sa k i l l do fc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gf o rs h a l l o ws o f t f o u n d a t i o n i ta p p e a r sb e c a u s et h eu r b a nu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gh a sn oo p e nc u t c o n d i t i o n s s b u mh a sv e r ys t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yi nt h ep a s tp r a c t i c e b u t , t h ec o n s t r u c t i o no ft u r m e la n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t h a sm e e tn e w p r o b l e m s i nt h el a r g ea n dd u r a t i o nd e f o r m a t i o n 。 。 a c c e p t i n gt h es b u mi nw e a kb r o k e nf o r m a t i o n ，i th a sv e r yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h ea r o u n ds o i lb o d yd e f o r m a t i o n l a wa n dt h ep r o p e rc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y s o ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa s f o l l o w s ： i nt h i sp a p e r , t h r e ed i m e n s i o n a lf a s tl a g r a n g ea n a l y s i so fc o n t i n u au s i n g s o f t w a r ef l a c 3 di sp e r f o r m e dt os i m u l a t ec o n s t r u c t i o np r o c e s s a n dt h es h a l l o w b u r i e dt u n n e lc h a r a c t e r sa n ds e t t l e m e n to fg r o u n ds u r f a c ea r es t u d i e d ，d i f f e r e n t i n f l u e n c i n gf a c t o r sa r ed i s c u s s e d a l l t h i s p r o v i d e se v i d e n c et o t h e t u n n e l c o n s t r u c t i o n f i r s t , t h ep a p e rs i m p l yi n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t o fs h a l l o wt u n n e l c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，s u m m a r i z e sp r e s e n tg r o u n dm o v e m e n tc a u s e db yt u n n e l e o n s t r u c t i o n t h e n ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sa d v a n t a g e s ，d i s a d v a n t a g e sa n da p p l i c a b l e c o n d i t i o n a n d ，t h ep a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d so fs h a l l o w t u n n e la n dv a r i o u sc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g i e si nb e i j i n ga r e a s e c o n d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h e t h e o r y a n dm e t h o df o rc a l c u l a t i o n , m a t h e m a t i c a lm o d e ld e s c r i p t i o n , n u m e r i c a lf o r m u l ar e p r e s e n t a t i o na n dn u m e r i c a l c a l 砌a t i o no ff l a c 3 d 删，at h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs h a l l o wt u n n e l si se s t a b l i s h e db yt h e n u m e r i c a la n a l y s i ss o f t w a r e - f l a c 3 d a n dt h ep a p e rs t u d i e st h es h a l l o wt u n n e l c h a r a c t e r sf o r md i f f e r e n tf a c t o r s ，w h i c hf o c u s e so nt h en a t u r eo fr o c k ，t h eo v e r l y i n g s o i lt h i c k n e s s ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h ee x c a v a t i o no ff o o t a g ea n ds u p p o r t i n g m e a s u r e s t h es u r f a c es u b s i d e n c e ，t h ec r o w ns e t t l e m e n t ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n a n dp l a s t i ca r e ao fs o i la r o u n dt u n n e la f t e rt h ee x c a v a ti o na r ea n a l y z e di nt h i s p a p e r m o d e lu s e st h es t r u c t u r a lu n i t ，t a k e si n t oa c c o u n tt h ec o n t a c t sb e t w e e ns o i l i i i 北京t 业大学t 学硕+ 学位论文 a n dl i n i n g t h em o h r - c o u l o m bs t r e n g t hc r i t e r i aa n de l a s t o p l a s t i cc o n s t i t u t i v e m o d e la r ea d o p t e dt oa n a l y z e t h es o u t h e a s ti m p o r ta n de x p o r to fs u b w a ys h a o y a o j us t a t i o ni nt h elo t hl i n e i sa n a l y z e da n dc o m p a r e d c o n c l u s i o ns h o w st h a tt h el a w so fr e s e a r c ha n d m e a s u r e dr e s u l t sa l eb a s i c a l l yi d e n t i c a l s o ，t h i sp r o v i d e st h eb a s i st ot h er e a s o n a b l e d e s i g no fs h a l l o wm i n i n gt u n n e ls u p p o r ts t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o ni ns o f tg r o u n d f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h es c e n em o n i t o r i n gp r o g r a m m e ， o b j e c t i v e s ，p r i n c i p l e s ，a p p a r a t u sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s ，a n dm o n i t o r i n g r e s u l t sf o r t h es h a l l o wb u r i e dt u n n e lm e a s u r e m e n t sa r ea l s oa n a l y z e da n dd i s c u s s e d t oo p t i m i z et h ed e s i g na n dg u i d ec o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：s h a l l o w - b u r i e du n d e r c u t t i n gm e t h o d ( s b u m ) ；f l a c 3 d ；g r o u n d s e t t l e m e n ta n a l y s i s ；f i e l dm o n i t o r i n g i v 独创性声明 ，本人声明所呈交的论文是我个人在两位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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 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 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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：勤逝 一， 1 聊签名：鳖圣il 吼训 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景 随着经济的发展和城市化进程的不断加快，使得城市建设面临着严峻的局 势。目前，中国各类城市约有7 0 0 多个，其中人口在2 0 0 万以上的有1 0 多个， 人口在1 0 0 _ - 2 0 0 万之间的城市有2 0 多个，预计，到2 1 世纪中期，我国的城市 将达到1 0 0 0 多个，城市化水平将达到5 0 以上。随着城市化的高速发展，也 带来了一系列其他的城市环境问题，形成了所谓的“城市综合症”【l 】。主要表 现为城市人口密度大、建筑空间拥挤、城市绿化面积减少、交通阻塞。作为城 市功能中最活跃的因素，交通已成为城市可持续发展的最关键问题。交通阻塞、 行车速度缓慢已成为我国许多城市的流行病。为缓解或从根本上解决人口增长 对城市环境的压力和威胁，大力开发地下空间使其成为人类在地球上安全舒适 生活的第二个空间，而地下空间如何合理利用已经成为世界各国广泛关注和研 究的课题【2 】。 2 1 世纪将是地下空间大发展的时代。纵观当今世界，有识之士已把地下空 间的发展和利用作为解决城市资源和环境危机的重要措施，是实现可持续发展 的重要途径。随着我国经济建设的突飞猛进以及城市化程度的不断提高，城市 基础设施建设远远落后于城市化进程的矛盾日显突出。目前我国1 0 0 万以上人 口城市已达3 5 座，这些城市不同程度存在着“乘车难”的问题，发展地铁将是 城市交通建设中的必然趋势。中国是目前世界上动工新建地铁城市最多的国家 之一。除香港、北京、上海、天津、广州等城市地铁已先后通车外，现在还有 1 0 多座城市正在扩建、兴建或计划修建地铁。综观世界城市交通动向，地铁发 展前景令人瞩目。 1 2 研究意义 城市地铁暗挖隧道工程是在岩土体内进行的，无论其埋深大小，隧道的开 挖将不可避免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态 转化。地下岩土体的开挖会引起地表的变形和沉降，地表变形到一定程度，将 影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。而地铁线路一般都会穿过人口 密集、地面建筑物林立、地下管线密布的市中心繁华地段，而该区段对地表的 变形都要求非常高，因此，隧道开挖必须与保护城市中有历史、经济和社会意 义的设施结合起来。隧道开挖引起的地表变形和沉降，尤其是在地面建筑物密 集、地下管网密布的城市中心地带进行施工，一直都是人们非常关心的课题。 北京t 业大学丁学硕十学位论文 地下开挖必然会引起地表的变形，虽然有时这类变形很小，造成的危害也不大， 然而要完全控制变形是极其困难的。因而只能根据具体的地表建( 构) 筑物和 地下管线的变形要求，采取相应的有效措施来把变形控制在规定范围内，使得 地表构筑物和地下管网不至于受到大的损害，生态环境在可承受的范围内。随 着我国城市地铁的大量兴建，为了保证隧道工程的顺利进行以及周围建( 构) 筑物的安全和正常使用，深入开展隧道工程支护结构的受力以及支护结构和围 岩的相互作用机理的研究，进行全方位的监控量测，以完善设计和指导施工， 这是十分必要和重要的。 1 3 国内外研究现状 地下工程建设中应用的浅埋暗挖法是以加固处理软弱地层为前提，以新 奥法( n a t m ) 为理论基础，针对埋置深度较浅的松散软土或破碎岩石地层的一 种地下工程暗挖施工方法。其与新奥法的一个较明显区别在于它采用足够刚 度的复合衬砌为基本支护承载结构( 由刚度较大的初期支护、二次衬砌及中间 的防水层组成) 。开挖中采用多种辅助施工措施加固周围土体，充分调动周围 土体的自承能力，开挖后即时支护，封闭成环，使其与周围土体共同作用形 成联合支护体系，并正确处理地下水问题，以监控量测为手段，来指导设计 与施工，有效地抑制周围土体过大变形的一种综合施工技术。 浅埋暗挖法的产生追根溯源必然要涉及到新奥法。新奥法最早用于奥地 利阿尔卑斯山深层硬岩隧道，采用柔性支护，旨在充分利用“拱效应” 地层的自承能力。2 0 世纪6 0 年代中期，新奥法用于波鸿、法兰克福、慕尼 黑、纽伦堡等城市地铁软土隧道。地层大都为泥灰岩、粘土、粉砂、砂砾石， 隧道直径一般为8 1 3 m ，顶部覆盖约3 m ，对地表沉陷有严格限制。很多学 者一开始就强调，硬岩隧道与软土或破碎岩石隧道的新奥法应有所区别：在 软土或破碎岩石地层中隧道在近地表的情况下，地层薄，它不可能承受应力 重分布的荷载，覆盖土的重力作用较大，如果仍用柔性支护，显然不合适。 还指出隧道的变形会很快反应到地表沉降。开挖和支护必须在短时间内完成， 初期支护必须很快闭合。软土中衬砌了的隧道是以“管的形式工作的。根 据当时提出的这些原则，德国城市地铁软土近地表隧道的施工是成功的。 2 0 世纪8 0 年代，慕尼黑工业大学艾培尔教授来华讲学，针对当时拟建 的北京站至北京西客站的地下联络线( 6 k m ) 工程的施工方法说：“根据我所 了解的北京地质特征和慕尼黑地铁采用新奥法的经验，认为采用新奥法修建 北京的地下工程，应该是没有问题的。 此后，德国格拉兹尔教授谈到在岩石 条件下和土质条件下采用新奥法修建地下工程的差别时指出：“开挖具有相当 第1 章绪论 地应力的岩石隧道，喷锚支护应采用柔性支护，以便有控制地释放部分地应 力，使围岩在新的条件下达到稳定。而在不稳定的土层条件下开挖隧道，喷 锚支护应具有足够的刚度，以防止地层产生过大的扰动，同时也防止地表过 大沉降，影响地面建筑物和地下管线的安全。 这一时期，我国在黄土地层中 的几座单线、双线铁路隧道，试验采用喷锚支护，也取得了初步经验。这些 工程的试验成功，为北京地铁“复一八 线采用锚喷支护和新奥法创造了条 件。1 9 8 6 年，北京提出用浅埋暗挖法修建长3 5 8 m 的复兴门地铁折返线。 铁道部隧道工程局首次在亚粘土、砂土和砂砾石地层中用喷锚支护和新奥法 建成最大跨度达1 4 3 m 的地下折返线工程。由此总结出包括十八字诀在内的 基本经验，通过了铁道部和北京市科技成果鉴定，并正式取名为“浅埋暗挖 法【3 1 。 浅埋暗挖法强调预支护、即时支护以控制地面沉降，保证下部施工和地 面及地下建筑物的安全。十八字方针“管超前，严注浆，短开挖，强支护， 快封闭，勤测量 是其精髓 3 】 1 3 1 隧道开挖引起的地表沉降与变形规律的研究 目前，隧道对地层移动的影响的研究，大多集中于地层变形和对邻近建( 构) 筑物和管线的影响方面，在这些方面的研究已经取得了不少成果；从经验公 式法到半经验半解析再到数值模拟分析法，从弹性、均质、各向同性假设求 得的解析解到弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、各向异性的解析解或者数值分析 解，学者们做了大量的工作。就目前而言，其计算方法大致分为三类：经验 公式法、解析法、数值计算法。 ( 1 ) 经验公式法 经验公式法主要是研究地表的沉降和变形，并不涉及到地表以下的地层的 应变分析和应力状态。它给出了地面沉降槽曲线的各种经验公式。而半经验 半解析、解析法、数值分析法可以得到隧道周围以及支护结构的应力应变状 态，也可得到各点的位移值。 1 p e c k 公式i 刖 早在1 9 6 9 年墨西哥国际土力学地基基础会议上，就“隧道掘进引起地 表沉陷议题，r b p e c k 通过1 7 例由隧道开挖引起的地表沉陷数据及工程 资料分析，提出地表沉降槽类似正态分布曲线，认为地层移动由地层损失引 起，施工引起的沉降是在不排水的条件下发生的，所以沉陷槽的体积应等于 地层损失的体积，并提出一个地表沉降横向分布的估算公式： 北京t 、世大学t 学硕十学位论文 s ) 邗m 觚巳。寺 ( 1 1 )式 中：s 似- - h 量( m m ) ； 一隧道中心线处的最大沉降量( m m ) ，s 一= 高熹； k 一隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ，k = 圪万r 2 ； x 一距隧道中心线的距离( m ) ； f 祝降槽宽度系数( m ) ，由查图表或公式f - 三1 ：砣求得； f f - f i t g ( 4 5 。一要) z 一地面至隧道中心深度； 矽一土的内摩擦角； 圪一地层体积损失率； 尺一隧道开掺半释。 图卜1 地表沉降横向预测图 2 c l o u g h & s c h i m i d t 公式 英国的c l o u g h & s c h i m i d t ( 19 7 4 ) 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i 由如下公式求得： 素2 ( 云) 0 。8 ( 1 - 2 ) 3 刘建航公式1 5 1 毗，= 撮 矽c 学h c 半， + 志 妒c 孚抑c 学) ( 1 - 3 ， 式中：圪，、圪：分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙引起的地层损失； y i 、以分别为盾构推进起始点和盾构开挖面到坐标原点的距离； y 。f = y i l 、y 厂可厂z ； 一盾构长度。 4 a t t w e u 公式 a t t w e l l ( 英国，1 9 8 1 ) 等也假定沉降槽曲线为正态分布，给出了估算地表 沉降的经验公式： 三= k ( 羔) 糟 ( 1 4 ) r、2 r 7 、。 式中：k 、以为与土体性质和施工因素有关的系数( n - - ；查表) 5 藤田氏公式1 6 1 日本藤田( 1 9 8 2 ) 对日本国内1 9 6 5 年以来发表的有关盾构施工造成的地 表沉降的9 4 例资料加以整理，发现沉降槽形状与p e c k 所假定的正态分布曲 线惊人地一致。藤田按盾构形式和围岩情况的不同，对最大沉降量进行分析， 列出了实测最大沉降量的分类统计结果，并将统计结果与有限元计算结果进行 对比。在此基础上，对统计结果进行了整理，给出了最大沉降量的分类估计值。 藤田所收集的统计资料涉及的盾构形式包括泥水式、土压平衡式等；土层包括 黏土、砂性土等；隧道形式包括单孔和双孔，其统计结果具有良好的代表性， 但其估计值变化范围也很大。具体公式为： f = 普4 2 x ( 筹) ( 1 - 5 )z = r i ， f 1 5 1 、彳。 v 7 式中：鲋为沉降槽断面积，彳为隧道断面积， 尺为隧道直径，为隧道 轴线上方的地面最大沉降值。 6 侯学渊公式7 1 同济大学侯学渊( 1 9 8 7 ) 等结合上海地区饱和土和盾构施工的特点，提出了 考虑时效( 即土体扰动后固结) 沉降的修正p e c k 公式： 趴力= l- 1 唧降 m6 ， o f 于丁= 丝垡f e k 上式中：尸一隧道顶部孔隙水压的平均值； r 一固结时间； 北京下业大学t 学硕+ 学何论文 e 一隧道顶部土层的平均压缩模量； k ，一隧道顶部土体渗透系数； 月一超孔隙水压水头。 还有很多人提出了符合现场的沉降公式，这里不再赘述。应当说明的是， 经验公式法一般均假定横向沉降曲线服从高斯分布，隧道纵向服从累积概率曲 线，然后用几个可量测的参数来确定其形状，其优点是可以较好的反映适应具 体地区地质的沉降情况，能对实际的沉降变形做出大致的预测，从而为施工提 供指导。但是缺点也是明显的，例如，假定为高斯分布没有理论依据，不能反 映工程地质变化情况；不能反映双洞施工的情况；不能反映施工方案及参数的 影响；不能反映施工不对称的情况等等。此外，该法也没有考虑周边荷载对沉 降线形的影响，因而具有一定的局限性。 ( 2 ) 解析法 目前就隧道工程而言，对岩土环境影响的研究，大多集中于地表面变形的 经验预估、数值模拟方面，但是考虑到经验公式的局限性，有限元法的不确定 性，简单的闭合解析解也是一种可取的分析隧道工程对周围岩土环境影响的有 效方法。但是，目前解析法的研究基本上都考虑弹性或者粘弹性分析，实际情 况是隧道周围的地层以及衬砌的变形都不是弹性的，解析解分析的结果和工程 实测数据的对比说明了这一点，但是弹性或者粘弹性的分析仍然十分有意义， 尤其是在缺少地层的变形特性资料时或者为了确定地层变形的非均匀性和多变 性需要做大量的数据处理时。简化的弹性方法可以迅速找到要求解的结果相对 于各参变量的敏感程度，为用数值法求解提供一定的基础。 1 s a g a s e t a 方法1 3 i s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 假设土层各向同性和不可压缩，提出地表三维沉降公式； 后来又由s a g a s e t a 和u r i e l 等人进行了推广。其公式为： 驰，= 睾南m 7 ， 万x 一+ 爿。 r 渺嘉l 1 + 丽y j m 8 ， 式中：最( x ) 一与隧道走向轴线正交的平面内土层的竖直位移； x 一距中心线的距离； 第1 章绪论 7 皖( y ) 一与隧道轴线平行的平面内土层的竖直位移； y 一该点距中心线的距离； 玩一土体体积损失； h 一隧道的埋深。 以后，g o n z a l e z 和s a g a s e t a 对以上公式进行了修正 观积( 争。1 志q + p 警) ( 1 - 9 ) 式中： 尺一隧道的半径5 p 一径向应变； x 一距隧道轴线的相对距离5 口一系数； p 一相对椭圆度。 以上参数均与土的性质和开挖过程有关。 另外，v e i r u i j t & b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 【9 1 采用了s a g a s e t a 的方法，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。他们的结果是s a g a s e t a 解的 推广，他们给出的结果不仅适用于不可压缩土的情况( 泊松比为o 5 ) ，而且适 用于泊松比为任选值的情况。 2 n l o g a n a t h a n 等提出的方法【1 0 】 土层的损失包括两个阶段：( 1 ) 开挖面通过后立即产生的不排水状态的损 失( 裂隙孔隙封闭、弹性压缩等) ；( 2 ) 固结和蠕变产生的损失。但是，以往的 土体损失仅考虑了第一阶段的损失。该方法对土层损失给出了新的定义，提出 了等效损失的概念。n l o g a n a t h a n 等认为地表位移是由地层损失引起的，但是 隧道的径向位移不是均匀的，其形状近似椭圆形；地层的沉降主要发生在隧道 轴线与水平方向夹角为4 5 。的范围内。因此，地层等效损失为： = 可4 9 r + 9 2e 冲l c 器+ 警) m 埘 式中：日一隧道的埋深。 r 一隧道的半径； g 一等效地层损失参数，包括隧道超挖损失、地层的弹塑性变形与工艺 水平的影响三部分之和。 把上式代入v e r r u i j t 和b o o k e r 提出的基于地层损失沿隧道径向均匀分布 假设的地表沉降解析解，得到预测地表位移公式。 垂直方向的位移： 铲r z _ 端邶山，端也兀x 2 + ( z - h 叶) 2 警 【 j 唧 一 焉+ 0 6 9 2 2 h 2 ( 1 - 1 1 ) 水平方向的位移： 驴一r ：x - 端+ 端砘端惮 吃= 一2 x x 2 + ( z 一日) 2 x 2 + ( z + 日) 2“x 2 + ( z + 日) 2 兰警 【j fr1 3 8 x 20 6 9 2 2 1 懿p h 面可+ 可d ( 1 1 2 ) 该公式在硬粘土中的预测值很好，但高估了软粘土中的沉降；预测的沉降 槽的宽度比观测值大；对各向同性的粘土的地层位移和水平位移的预测与观测 值较为吻合。 ( 3 ) 数值分析法 自6 0 年代中期起，随着电子计算机的应用和岩土本构关系研究的发展，隧 道与地下工程分析方法进入了数值分析时期，岩土力学数值分析技术日益得到 发展。因为隧道施工引起的地表沉降影响因素很多，任何简单实用的计算方法 都无法反映众多因素的综合影响。而借助于计算机，可以较全面地考虑影响地 表沉降的各主要因素，较为准确地预计隧道施工引起的地表沉降，并提出有效 的控制地表沉降的方法。常用的预计地表沉降的数值计算方法主要有有限单元 法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 和刚 性有限元法( r f e m ) 等【1 1 】。 在众多的数值分析方法中，有限单元法被最早用于隧道结构计算，在这方 面做出重要贡献的代表学者有：s e 瑞亚斯和d v 迪尔( 1 9 6 6 ) 【1 2 】、o c 辛克 维奇( 1 9 6 8 1 9 7 4 ) 1 3 1 4 e l 威尔逊( 1 9 6 8 ) 【15 1 、e h 库尔荷剧16 1 、w 维特基( 1 9 7 7 ) 【1 7 】等。由于有限单元法能较容易地处理分析域的复杂形状及边界条件，材料的 物理非线性和几何非线性性状，具有很强的适应性，所以其应用发展非常快， 目前已成为隧道数值分析的主要手段。采用有限单元法( f e m ) 预计隧道施工 第1 章绪论 引起的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能够计算出地表的移动及变形， 而且可以得到地层内部的应力、变形状况。由于在隧道施工过程中，周围的土 体可能受到较大的扰动，采用弹性介质有限元法常常使估算值偏小，因此通常 需要将士体视为弹塑性介质进行非线性分析。非线性有限元法不仅能够考虑隧 道施工引起的地层损失，而且可以考虑土体的失水固结、土体本身的压缩性等， 并且能够考虑多种施工方法对地表沉降的影响，并可以考虑各种断面形式，因 而获得了广泛的应用。r k r o w e & k m l e e ( 1 9 8 3 ) 1 8 1 9 】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，并且提出了“间隙参数( g a pp a r a m e t e r ) 的概念。他们( 1 9 8 9 ，1 9 9 0 ) 2 0 2 1 2 2 2 3 又发展了一种用于模拟施工工序、后继地层位移、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， 考虑了具有简单几何形状和地层条件的隧道。 一般的有限元法解决的问题仍局限于小变形的假设，即忽略因变形造成几 何尺寸的改变所致应力的微小变化，且略去应变的二次幂，对于几何大变形问 题，虽然原则上可以通过将荷载分成若干级来处理，但计算繁杂，工作量大。 为处理隧道中遇到的大应变问题，拉格朗日元法【2 4 】得到了发展。它是一种分析 非线性大变形问题的数值方法，这种方法依然遵循连续介质的假设，利用差分 格式，按时步积分求解，随着构形的变化不断更新坐标，允许介质有大的变形。 隧道周围土体( 岩体) 是自然的、历史的产物，其分布和物理力学性质参 数往往具有随机同时，隧道衬砌材料性能、几何尺寸、荷载等也具有不确定性。 为了考虑这种随机性和不确定性，7 0 年代开始，随机有限元法【2 5 】开始出现， 运用它可以分析材料参数、几何形状或荷载具有某种不确定性时的位移、内力 及可靠性的分析，到8 0 年代后期，随机有限元法得到了迅速发展，大量文献 开始涌现【2 6 2 7 】。对隧道开挖的研究通常以应力场的变化为主，但在特殊情况下 会涉及到其它场，比如地下水丰富隧道的渗流场与应力场耦合问题，寒区冻土 隧道开挖的温度场、渗流场和应力场的耦合问题。为了研究这些特殊问题，多 场耦合的数值分析方法开始得到了发展，其中以有限元数值耦合分析最为常见 【2 8 】 o 目前国内不少学者也在隧道开挖引起地层沉降以及和上部建筑物相互作 用等方面做了不少研究和探索。文献e 2 9 一 3 1 指出隧道开挖无论采用何 种施工方法都会或多或少的产生地层沉降，诱发地层沉降问题是亟待深入研究 的重要课题。文献 3 2 对浅埋暗挖隧道的动态开挖全过程进行数值模拟分析， 研究了加强支护的刚度控制施工方法对地表和拱顶沉降的影响。文献 3 3 结 北京t 业大学丁学硕十学何论文 合隧道开挖应力释放及地下水流失造成的地层失水效应，分析了不同地层条件 下拱顶下沉与地表沉降的关系。文献 3 4 一 3 5 以地表沉降作为主要控制目 标，对隧道的不同施工方案进行了优化分析，进一步对开挖路径和不同台阶长度 的施工效应进行了优化分析。文献 3 6 对c r d 工法和短台阶施工法这两种 较为常用的施工形式及其所采用的支护方式用f l a c 进行了数值模拟，分析不 同的支护参数对隧道周边应力场和位移场的影响，得出了有关塑性区分布与支 护方式之间的关系，并对各类支护方式进行了比较与分析。文献 3 7 区间隧 道短台阶矿山法施工，用f l a c 3 d 对不同的施工工况进行了三维数值分析，得 出施工引起的土体中的位移场及地层下沉情况，文献 3 8 3 9 提出隧道开挖 之前，土层在其自重及其它外部荷载作用下已处于受力变形状态，开挖之后， 洞室周边的应力被解除，必然要引起土层的应力重新分布。 文献 4 0 模拟了隧道开挖施工对地表变形影响的全过程，并对各施工方 案进行了比较和论证。文献 4 1 4 2 分析地表沉降产生的原因，提出了控制 地层变形的技术措施。文献 4 3 提出隧道拱顶正上方土层满足应力松弛规律， 从地表到拱顶沉降量总体变大，推出隧道开挖地层应力是从地表往下传递，而 地层沉降的发展则是从拱顶呈辐射状传递。文献 4 4 4 5 得出盾构推进对地 表影响的主区域和次区域，明确了盾构推进时对地表的影响范围，对地表沉降规 律进行了数值模拟，研究了不同工况盾构施工对地面带来的影响。国外的有关 研究结果【4 6 一 4 8 表明地表沉降的超前影响比拱顶沉降大，影响范围广， 即在掌子面通过前地表沉降略比拱顶沉降大，而随着开挖的推进，拱顶沉降发 展很快，超过了地表沉降，并一直保持到稳定状态。文献 4 9 5 0 应用随机 介质理论，对浅埋隧道旌工所引起的纵向地表移动与变形进行了分析计算，推 导了相应的地表下沉、水平移动、倾斜、水平变形以及地表弯曲曲率的计算公 式。文献 5 1 运用f l a c 3 d 进行了数值分析，采用最d , - 乘法拟合地表沉降 曲线，并与p e c k 法经验曲线对比，分析得到了较为符合实际的地表沉降计算经 验公式。 在进行数值分析时，其计算精度与材料本构模型的合理选取密切相关。在 隧道数值计算中，土体的本构关系最初采用线性弹性模型，它以广义虎克定律 为基础。其后有弹塑性模型，其以塑性增量理论或全增量理论为基础，最常用 的弹塑性模型有p r a n d t l r e u s s 模型、d r u c k e r - p r a g e r 模型、m o h r - c o u l o m b 模 型等。隧道周围土体材料具有蠕变性，其应力应变关系与时间有关，考虑时间 效应则采用粘弹塑性模型，常用的粘弹性模型有m a x w e l l 模型，k e l v i n 模型 等，常用的粘塑性模型有b i n g h a m 模型等，常用的粘弹塑性模型有三元件粘 弹塑性模型等【5 2 】。 第1 荦绪论 1 3 2 地层预加固研究现状 在地层预加固方面，管棚应用在我国已取得一定的成就，其分析理论有梁 理论、弹性地基理论、壳体理论等【5 3 5 4 。 ( 1 ) 梁理论：该理论把管棚作为静定梁或超静定梁，具有计算方法简单的 特点，缺点是不能完全反映管棚的受力特点和掌子面附近的受力情况。 图1 - 2 静定简支梁力学模型图图1 - 3 超静定梁力学模型图( 一端固定，一端简支) ( 2 ) 弹性地基梁理论：该理论假定管棚支护结构为弹性地基梁，按照隧道 围岩压力理论计算得到的载荷，作用于管棚掘进前方一定距离，按照每次开挖 步距计算管棚挠度。地层按照地基模型选取，基于w i n k l e r 地基简单模式的力 学模型，模型的纵向挠度解析解与现场量测结果和三维有限元计算结果吻合较 好。 图1 4 弹性地基梁力学模型图 ( 3 ) 壳体理论：假定管棚结构为一个完整结构，用壳体计算方法分析受力。 由于组成管棚钢管之间存在不连续性，且壳体结构在数学上求解复杂，使得管 棚受力计算结果偏于不安全。 1 3 3 支护结构研究现状 计算方法采用荷载一结构法。对施工阶段和使用阶段分别进行内力计算，初 期支护单独承载时，采用符合文克尔假定的弹性支承链杆来体现围岩的弹性抗 力。弹性支承的一端与支护在节点处铰接，只传递轴向压力。侧向支承链杆水平 方向布置，仰拱底面的支承链杆垂直布置。初期支护与二次衬砌共同承载时，两层 衬砌之间的相互传力作用以桁架单元模拟，每一桁架单元的两端与其相应的内外 层梁单元节点相铰接。桁架单元只考虑承受压力，桁架单元径向设置。同时考虑 在长期使用过程中，外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌转 移【5 鲁5 6 5 7 1 。 北京丁业大学t 学硕十学何论文 ( 1 ) 初衬计算：初衬的计算按照施工步骤对每一工况分别进行计算，然后将 所有工况的计算结果进行比较，确定控制截面的内力，初衬计算时，水土压力按水 土合算考虑。 ( 2 ) 二衬计算：按初期支护与二次衬砌共同承载计算二次衬砌内力时，由于 初衬不考虑防水，因此由二次衬砌承受全部水压力，而土压力则作用在初衬上，考 虑到在长期作用下，初期支护材料性能会逐渐退化，冈4 度会下降，以初衬的刚度乘 以o 1 5 倍的系数进行折减， ( 3 ) 考虑地震和人防：目前，地下结构的抗震设计是将地震作用用等代的静 力荷载代替，按静力计算模型求结构的内力，人防设计是将人防荷载等效为静荷载 作用在结构上，从而求出结构的内力反应。由于抗震设计时结构安全系数降低，不 考虑裂缝控制，人防设计时材料的强度系数提高，以及不考虑裂缝的控制。 1 4 本文主要研究内容 本文从地铁隧道开挖引起地表沉降入手，分析各种因素对隧道自身性状以 及地表沉降的影响，寻找响应规律，考虑开挖引起地表沉降对上部构筑物的影 响，最后综合考虑各方面因素，进行地层中开挖地铁隧道的数值模拟，预测隧 道开挖对地表的影响，从而为隧道开挖设计与施工控制以及道路的安全提供数 值计算依据，而不是仅仅以限定沉降最大值为3 0 m m 这样一个单一的标准作 为依据。 本文采用岩土工程分析专用软件f l a c 3 d ，对在隧道开挖中诸多因素对于 隧道自身性状和地表上部构筑物的影响进行数值分析，重点研究隧道周围土体 的应力分布、变形响应及地表沉降响应。 ( 1 ) 论述进行隧道开挖引起地表沉降研究的意义和研究现状以及本文的主 要研究内容和分析方法。 ( 2 ) 简要介绍浅埋暗挖隧道开挖的施工方法和工艺。 ( 3 ) 介绍快速拉格朗日元法理论以及基于该理论的有限差分软件 f l a c 3 d 。 ( 4 ) 对在地表没有建筑物的土层中开挖隧道的影响因素进行分析，包括不 同的施工工法、围岩状况、覆土厚度等对地表沉降的影响；以及拱顶加固体强 度对周围地层的影响；从而为隧道的设计、施工以及上部建筑安全与稳定提供 依据和指导。 ( 5 ) 对北京地铁十号线芍药居站东南出入口暗挖段，用f l a c 3 d 进行了分 析，并与实测结果对比分析；并针对该工程进行现场监测研究。 最后，对全部的工作进行总结，提出今后值得深入研究的问题。 第2 章浅埋暗挖隧道施下方法 第2 章浅埋暗挖隧道施工方法 2 1 概述 浅埋暗挖法是按照“新奥法 原理进行设计和施工，以加固、处理软弱地 层为前提，采用足够刚性地复合衬砌( 由初期支护和二次衬砌及中间防水层所 组成) 为基本支护结构的一种用于软土地层近地表隧道的暗挖施工方法，它以 施工监测为手段，指导设计与施工，保证施工安全，控制地表沉降。与明挖法 相比，浅埋暗挖法的最大优点是避免了大量拆迁、改建工作，减少了对周围环 境的粉尘污染和噪声影响，对城市交通的干扰小。 一 浅埋暗挖法主要是针对埋置深度较浅、松散不稳定的土层和软弱破碎岩层 施工而提出来的【5 8 5 9 1 。对于软弱土层地段，为了较准确地判别隧道埋深的性质， 可以通过试验段进行荷载实测，应用实测压力( p ) 与垂直土柱重( yh ) 之比 来确定隧道处于何种埋深。其判别标准可参考如下经验值： 当p y h 0 4 为深埋隧道； 当p y h o 4 为浅埋隧道。