（工程力学专业论文）交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究.pdf

中山大学博士学位论文 交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究 专业：工程力学 博士生：房明 指导教师：周翠英教授 摘要 地铁隧道的交叉穿越已成为当前城市建设中的热点议题，也是地下工程研 究中的前沿课题之一。交叉隧道盾构施工是盾构、土体及既有结构三者共同作 用的问题，交叉隧道盾构施工引起地层的位移将会引起邻近既有结构的变形， 甚至造成灾害；而既有结构通过改变土体的位移场对盾构施工产生影响；并且 在各种影响因素变化的作用下，交叉隧道盾构施工对既有结构的扰动也随之变 化。目前对交叉隧道盾构施工作用机理还没有进行深入系统的研究，涉及复合 地层中的交叉隧道盾构施工扰动影响研究较少；交叉隧道盾构施工与邻近建筑 物的相互作用机理还没有完全弄清楚；常用的分析既有隧道沉降变形的有限元 法，由于合适的土体本构关系和计算参数难于准确确定，使其应用受到限制， 发展新的计算方法以预计隧道下穿施工引起的既有隧道变形，对于正确评价既 有隧道所受影响是十分必要的。为此，本文对交叉隧道盾构施工与周围环境相 互作用机理与沉降计算控制进行了深入研究。开展了考虑不同影响因素变化时 的交叉隧道盾构施工对既有隧道扰动的三维数值模拟研究，探讨了交叉隧道盾 构施工对既有隧道扰动的量化规律；并将随机介质理论引入到交叉隧道盾构施 工引起的既有隧道沉降计算中，建立了既有隧道沉降计算模型；开展了交叉隧 道盾构施工与邻近建筑物的相互作用研究。本研究不仅可以丰富地下空间和岩 土力学相关理论与方法，而且，可为交叉隧道的设计与施工提供理论依据，也 为地下空间开发利用提供十分有价值的理论指导。 本文主要取得以下研究成果： 1 基于交叉隧道盾构施工力学作用机理，对交叉隧道盾构施工与周围环境的 交叉隧道盾构旌工作用机理与沉降计算控制研究 相互作用机理进行了理论研究，分别探讨了交叉隧道盾构施工与既有隧道的相互 作用机理以及交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互作用机理。 2 基于交叉隧道盾构施工引起的地表及既有隧道沉降随盾构掘进的变化曲 线，研究了盾构隧道下穿施工扰动的时间及空间效应，下穿施工的时间效应表现 在新建隧道盾构进入下穿影响区域前、盾构进入下穿影响区域时、盾构通过下穿 点、盾尾空隙沉降及后续沉降五个不同的交叉隧道盾构施工阶段；交叉隧道盾构 施工的空间效应主要与隧道覆土厚度、间距及交叉角度有关。 3 在交叉隧道盾构施工影响因素分类研究的基础上，利用盾构施工动态过程 的三维有限元模拟方法，开展了各种影响因素变化的情况下，交叉隧道盾构施工 对既有隧道沉降影响的三维有限元模拟研究，探讨了交叉隧道盾构施工对既有隧 道扰动的量化规律。 4 基于沿海地区地铁建设多在复合地层中施工的特点，建立了近似均一地 层、上软下硬地层和长距离硬岩段三类复合地层盾构施工的地质概化模型，研究 了不同的复合地层类型对交叉隧道盾构施工扰动影响，进而提出了复合地层中盾 构推进技术措施。 5 基于交叉隧道盾构施工引起的既有隧道变形特征，引入随机介质理论，建 立了既有隧道沉降计算的随机介质模型，通过反分析方法确定了模型基本参数， 利用m a t l a b 编程计算既有隧道沉降，并通过工程实例验证了该模型的可靠性； 基于交叉隧道盾构施工沉降控制关键问题，研究了相应的沉降控制措施。 6 在邻近不同位置建筑物工况下的交叉隧道盾构施工三维有限元模拟的基 础上，研究了交叉隧道中新、旧隧道、土体和建筑物四者之间的相互作用，探讨 了交叉隧道盾构施工与邻近建筑物的相互影响规律和范围。在此基础上，提出了 减少建筑物沉降措施。 关键词：交叉隧道；盾构施工：相互作用机理；沉降：三维有限元模拟； 随机介质模型 中山大学博士学位论文 s t u d yo nw o r k i n g m e c h a n i s ma n ds e t t l e m e n tc a l c u l a t i o n c o n t r o lo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o n m a j o r ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s n a m e ：m i n gf a n g s u p e r v i s o r ：p r o f c u i y i n gz h o u a b s t r a c t 1 1 舱c r o s s i l l go fm e t r ot u n n e lh a sb e e no n eo ft h eh o ts p o t si nc i t yc o n s t r u c t i o n , a n di ta l s oh a sb e e no n eo f t h ef r o n t i e ri s s u e si nt h es t u d yo f u n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n g f k l d 硼1 ep r o b l e mi nt h ec r o s s i n gs h i e mc o n s t r u c t i o ni sl o c a t e da tt h ei n t e r a c t i o no f s h i e l d , s o i la n de x i s t i n g t u n n e l s ms t r a t u md i s p l a c e m e n tc a u s e db yt h ec r o s s i n g s h i e l dc o n s t r u c t i o nw i l ll e a dt ot h ed e f o r m a t i o no re v e nd a m a g eo ft h en e a r b y e x i s t i n gs t r t ! c t u r e s , w h i l ee x i s t i n g s t r u c t u r e sw i l la l s oi n f l u e n c et h es h i e m c o n s t r u c t i o nb yc h a n g i n gt h es o i ld i s p l a c e m e n tf i e l d m o r e o v e r , t h ed i s t u r b a n c ef r o m c r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o nt oe x i s t i n gs t r u c t u r e sc h a n g e st o g e t h e rw i t hd i f f e r e n t i n f l u e n c e 蠡屺t o r s h o w e v e r , t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h ec r o s s i n gs h i e l d c o n s t r u c t i o na n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n tl a c k sf u r t h e ra n ds y s t e m a t i cs t u d y , a n dt h e r e s e a r c ha b o u tt h ed i s t u r b i n gm e c h a n i s mo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o ni nc o m p o s i t e g r o u n di sa l s os e l d o mr e p o r t e d t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h ec r o s s i n gs h i e m c o n s t r u c t i o na n dt h ea d j a c e n tb u i l d i n gh a sn o tc o m p l e t e l yc l e a ry e t a st h ec o m m o n m e t h o df o rt h ee x i s t i n gt u n n e lc a l c u l a t i o n , t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sd i f f i c u l t yi n t h ed e t e r m i n a t i o no fs o i lc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p sa n dc a l c u l a t i o np a r a m e t e r sw h i c h l i m i t si t sa p p l i c a t i o n s oi ti si ng r e a tn e e d st oc o r r e c te v a l u a t i o no ft h ee x i s t i n g t u n n e li n f l u e n c ea n dt od e v e l o pn e wp r e d i c t i o nm e t h o df o rt h ee x i s t i n gt u n n e l d e f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，i nt h i sp a p e r , t h ei n t e r a c t i o nm e c h a m s mo ft h ec r o s s i n g s h i e mc o n s t r u c t i o na n ds u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n ti ss t u d i e d ，t h eq u a n t i t a t i v er e s e a r c h o nt h ed i s t u r b a n c ef r o mt h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o nt ot h ee x i s t i n gt u n n e lu n d e r d i f f e r e n ti n f l u e n c ef a c t o r si sp e r f o r m e d ，a n dt h es i m p l i f i e dg e o l o g i c a lm o d e l o f c o m p o s i t eg r o u n di sp r o p o s e d ，a sw e l la st h es e t t l e m e n to ft h ee x i s t i n gt u n n e lc a u s e d ! i i 交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究 b yt h ec r o s s i n gs h i e l d c o n s t r u c t i o ni s c a l c u l a t e do nt h eb a s i so ft h es t o c h a s t i c m e d i u mt h e o r y , w h i l et h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o na n d n e a r b yb u i l d i n g si sr e v e a l e dl a s t l y s u c hk i n do fr e s e a r c hi sn o to n l ya b l et oe n r i c h t h ec o r r e l a t e dt h e o r ya n dm e t h o df o rt h eu n d e r g r o u n ds p a c ea n ds o i lm e c h a n i c s ，b u t a l s oc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o ni nc r o s s i n gt u n n e l s ，嬲 w e l la sp r o v i d ev a l u a b l et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rd e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f u n d e r g r o u n ds p a c e 1 1 屺m a i nc o n t e n t sh e r ea r ef o l l o w e da s ： 1 t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o nh a sb e e na n a l y z e d ， b a s e do nt h em e c h a n i c sw o r k i n gm e c h a n i s mo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o n 啊1 e i n t e r a c t i o no f t h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o na n dt h ee x i s t i n gt u n n e l ，a sw e l la so f t h e i n t e r a c t i o no ft h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o na n dt h ea d j a c e n tb u i l d i n ga r ed i s c u s s e d ， r e s p e c t i v e l y 2 o nt h eb a s i so ft h es e t t l e m e n tc u r v eo fg r o u n ds u r f a c ea n de x i s t i n gt u n n e l c a u s e db yt h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o n , t h et i m ea n ds p a c ee f f e c to f c r o s s i n gs h i e l d c o n s t r u c t i o nh a v eb e e nd i s c u s s e d t h et i m ee f f e c tc a nb er e f l e c t e di nf i v ed i f f e r e n t u n d e r c r o s s i n gc o n s t r u c t i o ns t a g e s ，n a m e l y , s h i e l dm a c h i n eb e f o r ee n t e ri n f l u e n c ea r e a , s h i e l dm a c h i n ee n t e r i n gi n f l u e n c ea r e a , s h i e l dm a c h i n et h r o u g hc r o s s i n gp o i n t ， s e t t l e m e n ts t a g eo fs h i e l dt a i lv o i da n ds u b s e q u e n ts e t t l e m e n ts t a g e a tt h es a m et i m e ， t h es p a c ee f f e c to ft h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o ni sm a i n l yr e l a t e dt ot h eo v e r l a ys o i l t h i c k n e s s ，n e td i s t a n c eo f t u n n e l sa n dc r o s sa n g l eo f t u n n e l s 3 b a s e do nm a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ft h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o n , t h e i n f l u e n c eo fc r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o no nt h ee x i s t i n gt u n n e ld i s p l a c e m e n tu n d e r v a r i a t i o no fd i f f e r e n ti n f l u e n c ef a c t o r si ss t u d i e d ，b ye m p l o y i n ga3 df i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nt ot h es h i e l dd y n a m i cp r o c e s s ，w h i c hp r o v i d e st h eq u a n t i z a t i o no ft h e d i s t u r b a n c et oe x i t i n gt u n n e l 4 o nt h eb a s i so ft h ep h e n o m e n o nt h a tm o s tm e t r oc o n s t r u c t i o n si nc o a s t a la r e a a r eb u i l ti nc o m p o s i t eg r o u n d ，t h es i m p l i f i e dg e o l o g i c a lm o d e li sp r o p o s e d ，w h i c h r e f l e c tt h et h r e ec o m p o s i t eg r o u n d sa st h ea p p r o x i m a t eh o m o g e n e o u sg r o u n dm o d e l t h eu p p e r - s o f tl o w e r - h a r dg r o u n dm o d e la n dl o n gd i s t a n c eh a r ds t r a t u mm o d e l ，n 圮 c r o s s i n g s h i e l dc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c et ot h ee x i s t i n gt u n n e lu n d e rd i f f e r e n t c o m p o s i t eg r o u n dt y p e si sa l s os t u d i e d t h e n , t h et e c h n i c a lm e a s u r e so fs h i e l dd r i v i n g i nt h ec o m p o s i t eg r o u n da r ep r o p o s e d 5 b a s e do nt h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so fe x i s t i n gt u n n e ld u r i n gt h ec r o s s i n gs h i e l d c o n s t r u c t i o n , t h es t o c h a s t i cm e d i u mt h e o r yi si n t r o d u c e d ，a n dt h es t o c h a s t i cm e d i u m l v 中山大学博士学位论文 m o d e lo ft h ee x i s t i n gt u n n e ls e t t l e m e n tc a u s e db yt h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o ni s p r o p o s e d t h eb a s i cp a r a m e t e r si nt h i sm o d e la r ed e t e r m i n e db yt h eb a c ka n a l y s i s m e t h o d ，a n dt h es e t t l e m e n to ft h et u n n e li sc a l c u l a t e db yt h em a t l a bp r o g r a m m i n g a ne n g i n e e r i n gc a s ea n a l y s i ss h o w st h a ti ti sv e r ye f f e c t i v et oc a l c u l a t et h es e t t l e m e n t o fe x i s t i n gt u n n e lc a u s e db yt h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o nw i t ht h es t o c h a s t i c m e d i u mt h e o r y f u r t h e r m o r e ，o nt h i sb a s i s ，t h ek e yc o n t r o lf a c t o r so fs h i e l d c o n s t r u c t i o ns e t t l e m e n t ，t h ec o r r e s p o n d i n gs e t t l e m e n tc o n t r o lm e a s u r e sf i r es t u d i e d 6 a c c o r d i n gt o3 df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no ft h ec r o s s i n gs h i e l dc o n s t r u c t i o n u n d e ra d j a c e n ts t r u c t u r e ，t h ei n t e r a c t i o nm e c h a n i s mo ft h en e wa n dt h ee x i s t i n gt u n n e l o fc r o s s i n gt u n n e l s ，t h es o i la n dt h eb u i l d i n gi ss t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c el a w sa n d s c o p eh a v eb e e nm a d ec l e a r o nt h i sb a s i s ，t h es e t t l e m e n tc o n t r o lm e a s u r e sa r e p r o p o s e d k e y w o r d s ：c r o s s i n gt u n n e l s ；s h i e l dc o n s t r u c t i o n ；i n t e r a c t i o nm e c h a n i s m ； s e t t l e m e n t ；3 df i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；s t o c h a s t i cm e d i u mm o d e l v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引 用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：艿明 日期：2 口协年b 月箩日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定 机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢 利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室 被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 可以采用复印、缩印或其它方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 诱n 凡 日期：知i d 年多月乡日 导师签名：，司嚣芝 日期：护r p 年多月厂日 中山大学博士学位论文 1 i 研究背景 第一章绪论 地铁隧道的交叉穿越是地下工程领域前沿研究课题之一。随着地下空间的不 断开发利用，其使用深度在不断向下发展，尤其在一些大城市，地下空间的规划 利用已经达到地下3 0 米左右。对于城市地铁来说，己经由单一的地铁线路变为 复杂的地铁网络，随着地铁网络的形成，受既有建( 构) 筑物的限制，新、旧结 构的相互穿越成为地铁线路规划不可避免的问题。以广州地铁为例，到2 0 1 5 年， 广州城市轨道交通总里程达到4 7 0 公里。按照远期规划，到2 0 2 0 年，将建成并 开通覆盖全市1 2 个区( 县级市) 的1 5 条线路，中心城区轨道交通将占公共交通 出行量的7 0 。城市地铁的大规模建设必然带来各线路的交叉换乘问题，产生很 多节点车站及地铁区间隧道的穿越，目前广州地铁已经存在近2 0 处下穿工程。 在2 0 2 0 年广州市区轨道交通规划图中，节点车站和地铁区间穿越段的数目多达 7 0 处，这对地铁隧道的设计和施工提出了具大挑战。 由于地铁隧道设计和施工中经常遇到邻近或穿越建( 构) 筑物的工况，这些 区域一般只能采用盾构穿越施工。大量地铁交叉隧道盾构施工实践表明，交叉盾 构隧道施工势必引起周围地层发生移动和变形，当地表沉降到一定程度时，将影 响其上覆的建( 构) 筑物的安全使用，严重时还会造成地表建( 构) 筑物不均匀 沉降、开裂、甚至破坏，同时，交叉隧道盾构施工也会引起邻近地铁隧道变形过 大，从而可能引发列车出轨等严重事故。因此，如何确保盾构安全穿越一直是施 工和设计人员关注的焦点。而保证盾构安全穿越的前提是充分认识交叉隧道盾构 施工作用机理尤其是盾构下穿施工的扰动机理，以及准确预计交叉隧道盾构施工 引起的既有结构特别是既有隧道的沉降变形，从而采取有效措施。因此，开展交 叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究具有重要的工程实践意义和科学 理论价值。 1 2 国内外研究现状及存在问题 本文拟开展城市交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究，其关键问 交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究 题主要体现在以下三个方面：( 1 ) 交叉隧道盾构施工与既有隧道的相互作用研究； ( 2 ) 盾构施工对邻近建筑物的影响研究；( 3 ) 交叉隧道盾构施工引起的既有隧 道变形计算研究。因此，针对这三个方面国内外目前的研究现状与存在问题，作 进一步阐述。 1 2 1 交叉隧道盾构施工与既有隧道的相互作用研究 交叉隧道盾构施工是盾构土体既有隧道三者相互作用问题，交叉隧道盾构 施工对既有隧道所产生的扰动是通过改变周围岩土体的位移场来传递的，因此， 地层变形是既有隧道产生变形的直接原因。可见开展交叉隧道盾构施工与既有隧 道相互作用机理研究的前提是充分掌握盾构施工对地层影响的研究现状。因此， 本节首先综述了盾构隧道施工对地层影响的研究现状，在此基础上，进一步对交 叉隧道盾构施工与既有隧道相互影响的研究现状进行阐述。 1 2 1 1 盾构隧道施工对地层的影响研究 对于盾构隧道施工对地层的影响问题，国内外研究成果主要集中在盾构施工 引起的地层应力场和位移场改变方面。其中，地层变形包括了地层沉降、水平位 移以及由不均匀地层位移所形成的地层倾斜和水平变形以及弯曲变形。盾构隧道 施工对地层影响研究，特别是对地层变形的预计一直是人们十分关注的课题，也 发展了很多研究方法，主要有经验公式法、物理模型法、理论分析法及数值分析 法等，近年来，随机介质理论和神经网络方法也开始在盾构隧道施工引起的地层 变形预计中得到应用。 ( 1 ) 经验公式法 经验公式法最有代表性的是p e e k ( 1 9 6 9 ) 【1 】提出的著名的p e c k 公式，该经 验公式是估算隧道开挖引起地表下沉的实用方法。p e e k 通过对大量地表下沉数 据及工程实测资料分析后认为，盾构隧道施工后引起的地表沉降是在不考虑后期 沉降的情况下发生的，所以地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。此方法假 定地层损失在隧道长度上均匀分布，并且地表沉降的横向沉降槽大致为正态分布 曲线( n o r m a ld i s t r i b u t i o n ) ，又称高斯分布曲线( g a u s s i a nd i s t r i b u t i o n ) ，如图 1 1 所示。dn c h a m p a n 等( 2 0 0 6 ) 2 1 、c jl e e 等( 2 0 0 6 ) 1 3 】、jss h a r m a 等( 2 0 0 1 ) 1 4 、mam e g u i d 等( 1 9 8 0 ) 1 5 1 及m i c h a e ljk a v v a d a s ( 2 0 0 5 ) 【6 】等学者撰文验证 2 中山大学博士学位论文 和发展了p e e k 公式。 隧道1 心线隧道梗截咖万同 i 。一一。“一- ，一j 一。i 。 i 一 缸 图l - 1 地表横向沉降曲线 p e e k ( 1 9 6 9 ) 1 1 提出的预测地表沉降横向分布的公式为： s ( x ) = s m a x 唧吲 m ，) = 赢 ( 1 - 2 ) 其中，在曲线的对称点处( 对应于隧道中心线f 拘i e 上方) 所发生的最 大沉降值； r 从隧道中心线对应的地面点到计算点的水平距离； 垤一盾构隧道单位长度地层损失( m 3 m ) ； 卜从隧道中心线到沉降曲线拐点处的水平距离，一般称之为沉降槽宽度。 p e e k 公式有两个重要参数：沉降槽宽度i 和地层损失圪。这两个参数的正确 选取对最终的地表沉降预测结果起决定性作用，在这方面已经有大量的研究。现 分别进行阐述： 关于沉降槽宽度i 的取值，l e e 等( 2 0 0 6 ) 3 1 、p a r k 等( 2 0 0 8 ) v l 、r e i l l y 等 ( 1 9 8 2 ) 嗍、何川等( 2 0 0 7 ) 【9 l 、w u 等( 2 0 0 3 ) 【1 0 1 、h o e k ( 2 0 0 1 ) 1 1 1 、s u g i y a m a 等( 1 9 9 9 ) 1 2 1 、l e e 等( 1 9 9 9 ) 1 3 1 、m a i r 等( 1 9 9 8 ) 1 4 1 、s h i r l a w ( 1 9 9 5 ) i l s 等 学者相继对沉降槽宽度i 的取值进行了研究，其中r e i l l y 等( 1 9 8 2 ) 【8 1 根据伦敦 地铁隧道施工经验提出的确定沉降槽宽度i 的方法应用最为广泛，他们认为对于 3 交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究 在单一地层中隧道开挖引起的地表沉降，i 和隧道埋深之间以下线性关系： f = & o ( 1 3 ) 其中，尽一沉降槽宽度系数。 ，_ 0 4 - 4 ) 7 粘土 弘 l 0 2 o 3 砂性土( 仅限于气在6 , 一1 0 m 的浅埋隧道) b u r l a n d 等( 2 0 0 1 ) 1 6 j 研究得出：地层损失率玩主要与该地区的工程地质和 水文地质、盾构隧道施工水平、工程管理经验等因素有关，因此，这个参数的 取值并非一个定量而是依赖于各地区的实际情况和经验。c h a p m a n 等( 2 0 0 7 ) t 1 7 1 、 c l o u g h 等( 1 9 8 1 ) 认为盾构隧道在粘性土中开挖，可由稳定系数m 来估算地 层损失。 p e e k 经验公式的提出使地表沉降的预测计算得到了很大的简化，并已成为一 个经典的预计地表沉降公式1 1 9 - 2 4 l ( 李宁等，2 0 0 6 ；韩煊等，2 0 0 7 a ，2 0 0 7 b ；王 炳军等，2 0 0 6 ；杨冠天等，2 0 0 4 ：k i r s e h ，2 0 1 0 ) 。p e e k 法在经过四十多年的实 践验证，积累了丰富的工程应用经验，并且很多其它的经验方法 1 4 , 2 5 - 3 4 1 ( m a i r ， 1 9 9 8 ：h u a n g 等，2 0 0 8 ：i o s p e r ，2 0 0 6 ：藤田圭一，1 9 8 5 ：侯学渊等，1 9 9 3 ：a t t e w e l l 等，1 9 8 8 ，1 9 8 9 ：e i s e n t e i n 等，1 9 9 2 ：f a n g 等，1 9 9 3 ，1 9 9 4 ：刘波等，2 0 0 6 ) 都是在该方法的基础上进一步修正提出了新的方法，如刘波等( 2 0 0 6 ) 3 4 1 研究 了双孔平行盾构隧道施工引发地表变形的修正p e e k 法，并结合随机介质理论开 发出了地铁隧道施工引起的地层环境损伤预测系统；m a i r ( 1 9 9 8 ) 1 1 4 1 总结了3 5 个隧道施工的工程实例，得出以下结论：在硬的粘性土中用开胸开挖方法修建的 隧道，其地层损失率在心之间；而对于盾构等闭胸开挖方法修建的隧道，在 砂土地基中地层损失率小于0 5 ，在软粘土中地层损失率在1 2 之间。同时引 入地层损失率k 的概念，式( 1 1 ) 可以写为： 刺= 瓦a 1 ：e x 怯 m 4 ， 删层损失率，定义为单位长度的地表沉降槽的面积占隧道开挖面积彳的 百分l t 3 5 - 3 s l ( m a i r 等，1 9 8 1 ；姬永红，2 0 0 4 ；韩煊等，2 0 0 6 ) 。 ( 2 ) 物理模型法 4 中山大学博士学位论文 在经验公式研究的基础上，很多学者还通过模型试验方法对盾构隧道开挖引 起的地表沉降问题进行了研究。这些模型试验方法主要有相似材料模型试验和离 心模型试验两类，如h e 等( 2 0 0 9 ) 【3 9 】、h u a n g 等( 2 0 0 9 ) m 、l i 等( 2 0 0 7 ) 【4 1 1 、 y a n g 等( 2 0 0 6 ) 【4 2 1 、安红刚等( 2 0 0 4 ) 【4 3 1 、林刚等( 2 0 0 4 ) 嗍、王明年等( 2 0 0 2 ) 【4 5 1 、g u a l e r 等( 1 9 8 8 ) 4 6 1 、a t k i n s o n 等( 1 9 7 7 ) m 开展了盾构施工的模型试验 研究。但模型试验所得成果多为半定性的结果或作为数值分析等方法的验证和补 充。 ( 3 ) 理论分析方法 随着对地层变形研究的不断开展，许多学者也将其他相关学科的研究方法引 入到隧道开挖地层变形预计的研究中，考虑隧道开挖所在地层的变形特点，将地 层作为弹性、弹塑性、粘弹塑性体来看待，取得了一定的研究成果。如p a r k ( 2 0 0 5 ) 【4 8 1 假设隧道开挖后其横断面形状由圆形变为椭圆形，推导在软弱粘性土地层中开 挖圆形断面隧道引起的地表移动的弹性解。y o o 等( 2 0 0 8 ) 【4 9 】采用二维有限元法 利用l a d e 双硬化本构模型研究了盾构隧道开挖引起的地表移动规律。李文秀等 ( 2 0 0 6 ，2 0 0 4 ) 【5 1 1 分别基于弹性力学中的薄板弯曲理论和模糊测度法，在岩体 移动领域建立了盾构隧道开挖地表沉降预测分析模型。s h e o r e y 等( 2 0 0 0 ) 【5 2 】采 用影响函数法计算盾构隧道开挖引起的岩体移动。杨小礼等( 2 0 0 1 ) f 5 3 】采用非线 性莫尔一库仑屈服准则和非关联流动法则推导出了盾构隧道的粘弹塑性位移解。 张冬梅等( 2 0 0 1 ) 瞰1 采用粘弹性模型对盾构推进引起的地表沉降进行了研究，得 到了考虑岩土体固结沉降引起的地表沉降计算公式。b o b e t ( 2 0 0 1 ) 【5 5 】考虑了盾 构隧道衬砌结构的弹性和土体的粘弹性性质，推导了在饱和土体中开挖盾构隧道 引起的地表沉降计算公式。c h o u 等( 2 0 0 2 ) 【5 6 1 通过对比分析2 8 座盾构隧道的实 测资料，验证了理论分析方法具有一定的计算精度。 ( 4 ) 三维有限元数值模拟法 近年来三维有限元数值模拟分析已成为盾构隧道开挖研究中应用最多的方 法，同时，数值模拟分析方法也在应用中不断完善和发展，主要体现在以下几方 面： 盾构施工动态过程三维有限元模拟方法：目前，三维有限元方法已经可 以较好地模拟盾构施工动态过程，并可获得地表沉降的定量或半定量结果，如张 连凯等( 2 0 0 5 ) 1 5 7 】、丁峻宏等( 2 0 0 7 ) 1 5 5 】、黄俊等( 2 0 0 5 ) 1 5 9 1 、s c h m i t t 等( 2 0 0 5 ) 5 交叉隧道盾构施工作用机理与沉降计算控制研究 唧l 、颜勤( 2 0 0 7 ) 【6 1 1 、赵华松等( 2 0 0 5 ) 6 2 1 、y o i c h i 等( 1 9 8 5 ) 【6 3 1 ，从而可以 较好的用于指导实际工程的设计和施工。目前国内外有较多的相关商业软件， 如m i d a s g t s 1 7 2 】是可以较好地模拟施工阶段全过程的岩土和隧道通用分析软 件，在模拟过程中它可以定义隧道开挖施工阶段的荷载释放系数、进行位移清零 等简便操作，并且可以通过动画效果查看施工阶段。但是，由于盾构隧道施工过 程的复杂性和不确定性，在模拟过程中仍需要较多地依赖研究者的工程设计、施 工和计算经验，在该方面有待进行更深入的研究。三维有限元模拟反演分析 研究：目前隧道施工有限元模拟反分析方法己经成为一种有效的计算参数选取方 法，采用反演分析得到的等效计算参数及等效本构模型j 具有鲁棒性，综合反映 了工程实际的岩土体性质和隧道施工的各种影响因素，为准确预计隧道开挖施工 引起的地表位移和变形提供了基础，如杨林德( 1 9 9 9 ) 州、p o r s ( 1 9 7 6 ) 酶5 】等 很多学者开展了这方面的研究。多场藕合问题的数值模拟：对隧道开挖的研 究通常以位移场的变化为主，但在特殊情况下会涉及到其它场，如隧道渗流场与 应力场耦合，火灾情况下的隧道温度场与应力场耦合，冻土隧道温度场、渗流场 和应力场的耦合，赖远明等( 1 9 9 9 ) 惭】、谢康和等( 2 0 0 2 ) 【6 7 】、平扬等( 2 0 0 1 ) 【6 射、杨彩弘等( 2 0 0 4 ) 【6 9 1 等学者对这些问题的研究也取得了很大的进展。 ( 5 ) 随机介质理论 波兰学者李特威尼申( 1 9 5 7 ) 7 0 1 提出了随机介质理论以用于研究煤矿开采引 起的地表移动问题。他基于砂箱模型试验研究，提出了五大公理，经过严密的推 导，建立了随机介质理论。该理论最早被应用于煤矿开采地表移动与变形预计中 r 7 1 1 ( 刘宝琛等，2 0 0 4 ) ，2 0 世纪9 0 年代以来，阳军生，刘宝琛( 2 0 0 2 ) 【3 刀等进 一步将随机介质理论应用于浅埋隧道开挖引起的地表移动和变形预计中，取得了 较好的预计效果，并且其研究成果已开始被用于地铁工程中。由于常见的城市隧 道一般埋深较浅，大都处于表层土或风化岩层中，因此这些岩土体能被较好地视 为随机介质。阳军生( 1 9 9 6 ，1 9 9 8 ，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ) 【3 7 ，7 2 - 7 4 1 、乔世范等( 2 0 0 6 a ， 2 0 0 6 b ，2 0 0 8 ，2 0 0 9 ) r 7 5 。7 8 1 对该理论在地铁隧道开挖地表移动与变形预计中的应 用做出了重要的贡献，并推导了降水、冻结、挤压盾构及压气等隧道施工方法及 圆拱形等隧道断面形式下地表变形预计的计算公式。施成华( 2 0 0 8 ) u 9 】推导了地 铁隧道施工地层变形的时、空统一预测计算模型，进一步完善和发展了随机介质 理论研究。 6 中山大学博士学位论文 ( 6 ) 其他方法 人工神经网络是动态系统识别、建模和控制的种新工具。姚燕明等 s o l 、l e u 等( 2 0 0 4 ) s t 】、s h i 等( 1 9 9 8 ) 8 2 1 、t o m a z 等( 2 0 0 3 ) 8 3 1 、黄修云等( 1 9 9 8 ) 8 4 1 、 孙海涛等( 1 9 9 8 ) 8 5 】、袁金荣( 2 0 0 0 ) 8 6 1 、冯夏庭等( 1 9 9 9 ) 8 7 1 、孙钧等( 2 0 0 1 ) 【8 8 1 学者致力于将其引入到城市地铁隧道的研究中，并取得了一些有