（道路与铁道工程专业论文）地铁施工与地下水渗流的环境效应分析及应用.pdf

摘要 摘要 以北京地铁王府井站西南风道为工程背景，针对松散含水地层工程地质及 水文地质差、紧邻建筑物、地表环境要求严、施工条件恶劣、降水条件受到限 制、大断面浅埋暗挖洞室稳定性差等不利因素，深入分析了地铁施工与地下水、 渗流的环境效应机理。 7 ( 利用地下工程中最先进的3 d o 三维有限元软件，采用增量变弹性与增量叠 代的混合法，模拟计算了软弱围岩地铁的施工作业流程，考虑围岩介质的复杂 性态、施工作业方式( 包括分步开挖步序、支护结构形式和施工时机) 和开挖面推 进过程中的空间效应。得出了各步序拱顶下沉、收敛、地表沉降与开挖步的关 系曲线v 从迭西定律出发，利用地下水动力学稳定流理论，针对实际工程，推导出 了任意排列的承压一潜水井群降水计算过程，自行编制了f o r t r a n 程序，完成了 处于潜水含水层和承压含水层群井降水的三维渗流分析及计算，形象地绘制了 降水曲面。并利用3 d f l o w 计算软件进行了降水曲线和流速的计算，与自行编制 的程序进行了比较。最后计算了因水位变化引起的地面沉降最终值及随时间的 变化曲线。 首次将坑道涌水研究用于地铁，并对地铁坑道涌水的危害程度作出了合理 预测和分析。根据坑道所处的不同含水层、以及坑道所处地层中的位置不同， 自行推导了处于潜水含水层和承压含水层的，完整型和不完整型坑道稳定涌水 量和水位降深的计算公式。根据不同的坑道涌水量、不同的水文地质情况对坑 道开挖后可能的涌水引起的地面变形做出预测和分析。最后结合实例进行了验 证、预测和分析，为行业人士对地铁涌水的处理和认识提供了参考和借鉴。 关键词：环境效应，施工力学分析，地下水动力学，涌水，地面沉降 a b s t r a c t a b s t r a c t b a s e do nt h es o u t h w e s ta i ro u t l e to f w a n g f u j i n g s t a t i o ni nb e i j i n gm e t r o ，a i m i n g a t d i s a d v a n t a g ef a c t o r ss u c ha sb a dc o n s t r u c t i o ng e o l o g ya n db a dg e o h y d r o l o g yi n l o o s e a q u i f e r o u sg r o u n d ，a d j a c e n t t o b u i l d i n g s ，s t r i c tr e q u i r e m e n t f o r g r o u n d e n v i r o n m e n t ，p o o rc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n ，l i m i t e d w a t e rl o w e r i n gc o n d i t i o n ，p o o r s t a b i l i t yo fl a r g es e c t i o nw i t hu n d e r g r o u n de x c a v a t i o nu n d e rs h a l l o wd e p t h ，a n a l y z e e n v i r o n m e n t e f f e c tm e c h a n i s mo fm e t r oc o n s t r u c t i o na n d g r o u n d w a t e r - s e e p a g e t h o r o u g h l y u s et h em o s td e v e l o p e d3 d ot h r e e d i m e n s i o nf e ms o f t w a r ei n u n d e r g r o u n d p r o j e c t ，a d o p tc o m p o u n dm e t h o dw i t hi n c r e m e n tv a r i a b l ee l a s t i c i t ya n di n c r e m e n t i t e r a t i o n ，s i m u l a t ea n dc a l c u l a t ec o n s t r u c t i o np r o c e s so fw e a ks u r r o u n d i n gr o c k si n m e t r o ，c o n s i d e rc o m p l i c a t ep r o p e r t i e s ，c o n s t r u c t i o nm e t h o d ( i n c l u d ep r o c e s so fb y s t e pe x c a v a t i o n ，s t y l eo fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o no p p o r t u n i t y ) a n ds p a c e e f f e c ti nf a c ee x c a v a t i o np r o c e s s r e l a t i o nc u r v eo fv a u l t s i n k a g e ，c o n s t r i n g e n c y , g r o u n ds u b s i d ea n de x c a v a t i o ns t e pi ne a c hp r o c e s sa r eg a i n e d f r o m d a r c yl a w ，a i m a t p r a c t i c a lp r o j e c t ，d e d u c e c a l c u l a t i o n p r o g r e s s o f g r o u n d w a t e rl o w e r i n gi ns u r f a c e p r e s s u r ew a t e rw e l lw i t hr a n d o ma r r a n g e m e n tb y g r o u n d w a t e rd y n a m i c ss t e a d yf l o wt h e o r y , d e s i g nf o r t r a np r o g r e s sb ym y s e l f , a n a l y z e a n dc a l c u l a t et h r e e d i m e n s i o ns e e p a g eo fg r o u n d w a t e rl o w e r i n gi ns u b s u r f a c ew a t e r w e l la n dp r e s s u r ew a t e rw e l l ，d r a ww a t e rl o w e r i n gg r a p hv i s u a l l y c a l c u l a t ew a t e r l o w e r i n gc u r v ea n dw a t e rv e l o c i t yb y3 d f l o ws o l ：h a r e a n dc o m p a r et h er e s u l t w i t h s e l f - d e s i g n e dp r o g r a m a t l a s t ，u l t i m a t e v a l u eo f g r o u n d s u b s i d ea n d d i v e r s i f i c a t i o nc u r v e a l o n g w i t h t i m ec a u s e d b y v a r i a t i o no fw a t e rl e v e la r e c a l c u l a t e d r e s e a r c ho ng u s h i n gw a t e ri nt u n n e li s a p p l i e dt o m e t r of o rt h ef i r s tt i m ea n d d a n g e r o u sd e g r e eo fg u s h i n g w a t e ri ns u b w a yi sp r e d i c t e da n da n a l y z e dr e a s o n a b l y a c c o r d i n g t ov a r i o u sw a t e r c o n t a i n i n gl a y e ra n d s t r a t u mt u n n e ll o c a t e di n ，c a l c u l a t i o n f o r m u l ao ns t a b l eg u s h i n gw a t e r q u a n t i t y i ns u r f a c ew a t e r l a y e rt u n n e l ，p r e s s u r ew a t e r a b s t r a c t l a y e rt u n n e l ，f u l l o rf r a g m e n t a r yt u n n e la r ed e d u c e d a c c o r d i n gt o g u s h i n gw a t e r q u a n t i t ya n dh y d r o l o g yg e o l o g yi n v a r i o u st u n n e l ，g r o u n dd e f o r m a t i o nc a u s e db y g u s h i n gw a t e r i nt u n n e li sp r e d i c t e da n d a n a l y z e d a tl a s t ，v e r i f i c a t i o n ，p r e d i c t i o na n d a n a l y s i sa r em a d e w i t he x a m p l e ，r e f e r e n c ei so f f e r e dt op e o p l ei nt h es a r n eo c c u p a t i o n o np r e d i c t i o na n d c o g n i t i o no f g u s h i n g w a t e ri nm e t r o k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t - e f f e c t ，c o n s t r u c t i o nm e c h a n i c sa n a l y s i s ，g r o u n d w a t e r d y n a m i c s ，f l o w i n g ，g r o u n ds u b s i d e 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在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 获得石家庄铁道学院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。 签名：e t 期：墟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院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：导师签名：一毫名日期：t 竺! ：! ： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着城市现代化程度不断进步，城市地铁的修建不但缓解了城市交通，解 决了空间立交等问题，而且已成为城市现代化的标志。但在修建地铁过程中， 由于城市中各种建筑物、道路及地下管线等影响施工因素的存在，使修建城市 地铁隧道有着各种严格的条件：控制地面沉降、保护建筑物、确保人们的日常 工作和生活的物质环境、保证交通、保护地下管线等，所以地铁施工与一般隧 道相比有着更加苛刻的要求。一般隧道工程的稳定只需要不坍方，采用新奥法 施工的隧道工程，甚至允许围岩有一定的位移量，以提高围岩的自承能力。而 城市地铁施工产生的位移要受到地面建筑物允许变形值及地下构筑物允许变形 值的控制。这就涉及到施工环境控制的问题，或者说是环境岩土工程问题。 城市地铁的施工和地下水渗流是地铁对环境造成影响的两个主要因素，对 二者产生的环境效应的正确预测和控制，对于城市的环境控制起着至关重要的 作用。地铁的施工和地下水渗流对环境造成的影响最突出的表现就是地表沉陷， 除此之外还有可能造成地下水的流失、地层稳定性降低、水污染及生态环境的 破坏等。其中的主要影响地表沉陷如果不能合理预测和控制，有可能造成 邻近建筑物的倾斜、地基失稳，更严重的会造成坍塌事故的发生；以及地下管 线的破坏等不良后果。因此对于地铁施工和地下水渗流造成环境影响的合理预 测和控制是非常必要的和势在必行的，这已经成为政府部门、建筑行业的共识。 刘宝琛院士指出，深入开展岩土力学研究，提出较为可靠的地下开挖及降 水引起的地面沉降及变形预计方法就显得十分必要1 1j 。高大钊在他的新著中谈 及，软土地区城市中地下工程的施工扰动和地下水对城市环境的影响是制约和 控制设计和施工的重要因素1 2 j 。 1 2 地铁施工与地下水渗流的环境效应危害分析 涉及到城市地铁施工的环境岩土工程研究内容主要是地面沉降的合理预测 第一章绪论 和控制。在地铁施工过程中造成地面沉降的因素主要有地层开挖和人工降水， 人工降水和地层开挖引起对环境的不利影响，是工程界的一大棘手难题。地铁 施工中的地层开挖和人工降水，会改变原来的工程地质条件和水文地质条件， 土层的应力场发生了变化，受影响的范围远比地铁净空的范围大得多。在此范 围内地下水位下降，土层发生位移，相邻建筑物和地下市政设施产生附加的变 形。而地下水向地铁坑道涌水的环境效应不仅表现在施工阶段，而且表现在运 营阶段。 1 2 1地层开挖的环境效应危害分析 任何地下地下工程，如暗挖、盏挖、明挖都是从原始地面以下取走岩土体， 无论其埋深大小，均将扰动周边岩土体使之失去原有的平衡，而逐渐向新的平 衡转化。即由岩体的初始应力状态转向围岩的二次应力状态。在这个过程中地 下岩土体及地表面势必发生或大或小的位移及变形。如果地面变形较大而不采 取适当的措施加以控制，则地面建筑物及交通系统将遭到损害。有时此类变形 十分微小，所造成的危害不大，然而企图制止变形是办不到的。因而只能根据 地表保护的要求，采取有效措施来减小变形，以使地面建筑物不至造成损害， 生态环境不至恶化。应该指出，由于设计不周或施工措施不利而造成地面沉降 及基坑滑坡事故时有发生，造成严重经济损失和社会影响f ”。开挖施工破坏了土 体的原有状态平衡状态，会造成地表下沉、水平位移、倾斜位移、净空收敛等 土体变形。因此近几十年来，岩土工程开挖所导致的岩土体及地面沉降预测普 遍引起重视。 1 2 2 人工降水的环境效应危害分析 在地下构筑物或深基坑的开挖过程中往往会遇到地下水位高于施工作业面 的情况，地下水的涌入和流砂的产生造成基坑边坡失稳等，往往会影响施工进 度和施工质量，甚至会造成无法施工。井点降水的方法是最常用的人工降低地 下水位的方法，它固然是地铁开挖施工中良好降水措施，改善了施工作业环境， 但其必然产生周围地面的不均匀沉降，进而引起建筑物倾斜或开裂、地下管线 断裂、道路开裂及其它设施的破损。井点降水过程中抽取地下水，会排出土体 孔隙中的水分，孔隙体积减小，从而使孔隙水压力减小，有效应力增加，使土 一2 一 第一章绪论 体产生固结压密，从而造成地面沉降。因此，对于采用人工井点降水方法旌工 的地铁，井点降水对周围环境的影响及防范措施是地铁开挖和支护过程中一个 至关重要的课题。井点降水降低地下水位引起的地面沉降与开挖施工引起的地 面沉降相比，其值较小，但是影响范围很大，影响时间长，应引起足够重视。 对深基坑工程的设计与施工，地下水位及地下水渗流特性的影响是十分明 显的，需进行专门的降水设计，要求在工程勘察时提供水文地质的必要资料， 对地下水的影响估计不足或没有采取合适的工程措施，常会引起工程事故，有 时成为基坑工程成败的关键口】。在地铁建设中，也同样存在上述问题，地下水造 成的环境影响不容忽视。早在1 9 4 8 年太沙基对初期的土力学评价中指出：“在 工程实践中，大多数施工难点与事故是由于渗流所产生的压力引起，但这些压 力并未受到重视【j j 。” 1 2 3 地下水向地铁坑道涌水的环境效应危害分析 地铁隧道作为地下构筑物，修建过程中将不可避免地穿越不同水文地质、 工程地质条件的岩土体。当地铁隧道通过含水层时，由于人为破坏了原有地下 水的渗流条件，使洞身成为地下水向外排泄的地下坑道。在施工开挖阶段，地 下水不可避免地会涌入坑道，从而造成地下水的流失、土层固结压密、地层的 不均匀沉降等危害；而在地铁修建完成，直至运营期间，尽管采取了一定的治 水措施，但总不易做到滴水不漏，特别是排导方式治水的防排水措施，地下水 通过盲沟流入排水沟，从而也会造成相应的危害。 在施工开挖初期，还未进行初期支护封闭或未完全封闭，这时有可能出现 最大涌水量，根据涌水后水位降深的大小涉及不同的影响地层。如未封闭时间 较长，则水位降深大，影响地层范围大，相应造成的危害大。因此，在新奥法 施工中要求用初期支护及早封闭洞室。 而施作支护封闭洞室后直至运营期间，对于采用排导方式治水的隧道，地 下仍然可以通过盲沟排入水沟，但这时涌水量会有所减少，涌水速度降低。从 而在有地面降雨补给或其它方式的补给的情况下，水位降深可能达不到无降雨 补给条件下的稳定状态，从而可降低涌水的危害。 对于封堵方式治水的隧道，地下水只能通过施工缝、变形缝、裂缝及混凝 土孔隙中极少量的渗漏进隧道中，其水量相对于地下水的补给来说极其微小。 或者从时间来说，其极小的渗水量来不及使水位下降，就被地下水补给源补充 一3 一 第一章绪论 上了。因此，这时涌水的危害可以忽略不计。 1 3 国内外发展动态 1 3 1岩土工程和环境岩土工程的国内外现状 岩土工程为土木工程中涉及岩石、土的利用、处理或改良的科学技术【4 】。它 是一门综合性的学科，包括土力学与基础工程学、岩石力学与工程和工程地质 学三门主要学科。m o h r c o u l o m b 强度理论是土力学的第一个理论，为土压力、 地基承载力和土坡稳定分析奠定了基础【2 】。太沙基有关有效应力的概念和土的固 结理论的形成是现代土力学发展道路上的里程碑，太沙基被公认为土力学和基 础工程方面的权威| 5 】。近年来，岩土工程已发生了许多新的变化，例如，岩石力 学体系的形成，非饱和土研究的迅速发展，环境岩土工程的出现等正在研究和 解决太沙基时代没有显现出来或没有解决的问题【6 】。现代计算机和数值计算技术 的出现与发展，为岩土工程复杂问题的研究、计算与验证提供了先进的手段， 推动了岩土工程的不断发展f 2 1 。我国土力学和岩土工程学科的奠基人黄文熙教授 在2 0 世纪4 0 年代创建了地基沉降和地基中主应力的新的计算方法，在2 0 世纪 8 0 年代创建了清华弹塑性模型，创造性地解决了许多工程的关键问题，对我国 的工程建设产生了深远的影响。 自从第一届环境岩土工程国际学术讨论会于1 9 8 6 年召开以来，环境岩土工 程得到迅速发展，它不仅覆盖了传统岩土工程问题，而且延伸到许多其他领域【7 】。 环境岩土工程一词的英文是 e n v i r o n m e n t a lg e o t e c h n o l o g y ，在土木工程和岩土 力学界被译为“环境岩土工程”，而在工程地质界称为“环境地质工程”，在台 湾工程界还被称为“环境大地工程，【”。钱七虎院士指出，岩土工程的发展正经 历着保护自然生态环境、改善城市环境与岩土工程的第四次浪潮【9 】。 提及环境，不能仅局限于“污染”，或更进一步的“生态平衡”、“水土流失” 等概念，随着人类工程活动的不断增多和逐渐扩大，工程施工改变了岩土结构 的本身状态，从而引起的环境岩土工程问题已经超出了“污染”的范畴。不仅 在工程施工过程中而且在工程修建完成后的使用期间，都在改变着人类的生存 环境，如建筑物的不均匀沉降甚至倒坍、地下水资源的匮乏、地下水污染、噪 声与振动、工程废物的处理等都直接与人们的日常生活息息相关。这种工程活 一4 一 第一章绪论 动对环境的破坏不断积累，严重时有可能成为自然灾害的诱因。 环境岩土工程学正是研究上述问题的一门学科。环境岩土工程学是一门新 兴的综合交叉学科，它涉及岩土力学与岩土工程、卫生工程、环境工程、土壤 学、地质学、水文地质、水文地球物理、地球化学、工程地质、采矿工程以及 农业工程学等f i “。环境岩土工程学是岩土工程与环境科学密切结合的一门新学 科：它主要是应用岩土工程的观点、技术和方法为治理和保护环境服务。所以 这门学科的视野十分广阔，就目前涉及到的问题来分，可归纳为两大类1 ： 第一类是人类与自然环境之间的共同作用问题。这类问题的动因主要是自 然灾害引起的：如风灾、洪灾、震灾、火山、海啸、土壤退化、区域性滑坡等。 这些问题通常泛指为大环境问题。 第二类是人类的生活、生产和工程活动引起的环境之间的共同作用问题。 它的动因主要是人类自身。例如，采矿造成采空区坍塌发生的突然陷落；过量 抽汲地下水引起的地面沉降；有毒有害废弃物对人类危害等。有关这方面的问 题统称为小环境岩土工程问题。 如果再细分，人类工程活动造成的环境岩土工程问题包括：打桩对周围环 境的影响；深基坑开挖造成的地面移动；隧道推进时的地面移动：抽汲地下水 引起的地面沉降：采空区地面变形与地面塌陷等。 1 3 2 地下工程力学分析国内外现状 与城市工程建设有关的环境问题研究，如城市深基坑开挖及地铁等地下工 程开挖支护中的地质环境效应问题，是当前环境岩土工程问题研究的热点领域 之一【引。要想对地下工程的稳定性及施工环境效应进行分析评价，以及确定地下 工程的开挖和施工方法等就必须弄清开挖引起的围岩应力和位移场的分布。一 般情况下，围岩体的开挖后出现的弹性、塑性变形范围必须借助于现场实测或 弹塑性理论分析才能确定 1 2 l 。 影响地下工程围岩稳定性的因素有：地质及地质结构、地应力、岩体力学 性质因素、工程因素、地下水因素、时间因素【l ”。 将复杂地层中开挖地下工程和采取相应支护手段看成是一项系统工程。由 于围岩体一般是非线性的，所以要运用非线性的力学原理和方法为指导原理。 应强调指出其开挖支护是空间和时间不断变化的过程中实施的，而该施工过程 实际上是对围岩进行的反复加卸载，因此要重视和考虑该过程对围岩稳定的影 一5 一 第一章绪论 响。朱维申【1 3 】提出了与此相关的三条原理： ( 1 ) 施工过程力学原理。工程岩体的稳定不仅与自然因素有关，还与人为的 工程因素有关：复杂岩体的施工，对围岩是一个非线性的力学荷载过程；根据 岩体及工程特点，要有针对性运用开挖和支护手段，把有害的影响及隐患控制 在尽量低的范围内；做好施工期间围岩动态响应的观察和监测，用以判断旋工 方案的合理性，并及时调整；强调勘察、设计、施工、科研各环节紧密结合、 相互渗透，允许调整施工方案。 ( 2 ) 能量转化原理。对于软岩巷道支护问题，工程界长期以来对是否要“先 柔后刚”的方针来实施支护一直有争议。朱维申从能量分析的角度提出的能量 转化原理对此做了科学的解释。 ( 3 ) 时空变载原理。前述两项原理在随后的工程应用中又逐渐得到深化和发 展。近年来又提出了适于复杂地层开挖和支护研究的“时间和空间载荷变化分 析原理”，简称为“时空变载原理”。 地下工程是建造在具有一定初始应力的圃岩中，复杂地层中的施工和维护 难度强烈受到应力场及其方向的影响：无论是开挖和支护都可视为对围岩施加 的一种荷载：工程开挖从宏观来说似乎是对围岩的一种卸荷行为，但实际上从 力学分析角度来看，即使对同一个开挖断面，一般来讲围岩周边总是同时存在 着加载区和卸载区：对于软弱围岩一般具有流变性能；在对这种情况做数值分 析时，应考虑到其加卸载过程特定应力路径和时间效应的特点；由于复杂地层 中的这些特点，其开挖和支护影响的科学分析实际上是一个对开放的系统的系 统工程分析。 孙钧院士指出【1 4 l ，在隧道开挖过程中，伴随着开挖面的向前推进，如何尽 可能地使围岩的初始状态不受过大的扰动，从而使围岩体处于相对稳定状态是 一个非常复杂的问题。 据理论计算和洞周收敛观测结果表明，当开挖作业停止，掘进面附近的变 形速率减少直至为零，这意味着开挖面起到虚拟的支撑作用。这种虚拟的支撑 作用发生于距开挖面小于1 5 2 0 倍洞跨范围内。充分利用开挖面的虚拟支撑作 用，并适时地构筑支护结构，于是成了人们关注的焦点。 隧道开挖面的空间几何效应在纵断面上表现为“半圆穹”约束，在横断面 上则表现为“环形”约束，这两种约束方式的联合作用使得开挖面附近一定范 围、一定时间内的围岩体在无支护的情形下得以稳定。开挖面的环向约束效应 一6 一 第一章绪论 在某种程度上受纵断面方向的”虚拟”支撑力影响，在横断面上它使洞周围岩以及 与支护结构共同构成的承载拱效应得以加强。这种“半圆穹”作用的大小取决 于洞室截面形状系数( 宽高比) 、地应力大小( 指侧压力系数) 、埋深、泊松比以及 施工方式等因素。 近年来随着地下工程的发展，对地下工程施工环境效应研究，引起的地面 沉降、围岩收敛等的计算模拟等的研究也成为工程界、学术界的热门课题f 1 5 - - 2 1 】。 在数值分析程序方面，先后出现了以下典型的大型地下工程力学分析程序： ( 1 ) 1 9 7 8 年西安矿业学院的刘怀恒教授开发的“岩石力学平面非线性有限元 程序n c a p 一2 d ”，使数据准备工作和后续数据处理大大简化。特点是用增量加荷 方式可以在任意荷载增量时加入支护单元以模拟开挖面的“空间效应”和支护 时间的影响，而且可以考虑非零己知位移即量测位移值【2 2 】。 ( 2 ) 1 9 7 9 年我国引入大型弹性结构静动力分析有限元通用程度s a p 5 。1 9 8 1 年美国麻省理工学院的k j b a t h e 教授主持完成了大型自动化动力增量非线性有 限元通用分析程序a d i n a a d i n a t 。这些程序具有通用性，不但可用于地下工 程，而且可以对多种结构进行分析【l ”。 ( 3 ) 美国明尼苏达i t a s c a 咨询集团公司开发的显式有限元差分程序f l a c ， 即连续介质快速拉格朗日分析程序。其特点是应用节点位移的连续性可以对连 续介质进行大变形分析，具有较强的前后处理功能【12 1 。 ( 4 ) 1 9 9 6 年日本软脑株式会社的宋文洲先生向中国市场推出的“新概念三维 土木结构分析系统2 d o 、3 d o ”程序。与以往的f e m 程序相比，2 d o 、3 d o 具有显著的特点：可视化操作均是针对图形进行，具有很强的直观性；任意 指定边界条件和施工顺序，自动生成f e m 网格并逐步进行网络优化；高效三维 显示与作图；综合支援系统，高性能作图系统和文本编辑系统，建模快捷、编 辑方便：快速、大容量：可以进行非线性分析、弹塑性分析、接触、碰撞分析、 热应力分析等。可以向其它f e m 程序提供数据 2 3 , 2 4 】。 f 5 11 9 7 0 年由美国a n s y s 公司j o h n s w a n s o n 博士创立的a n s y s 软件，是 集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件，可广泛地应 用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防 军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一 般工业及科学研究。a n s y s 软件的主要功能包括建立模型、结构分析、非线性 分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、结构优化【2 5 1 。 1 第一章绪论 1 3 3 地下水位计算的国内外现状 地下水变化的预测可采用以下4 种方法【2 6 】： ( 1 ) 量测预测。是根据实测记录的地下水位，定量地预测原来状况和以后状 况的方法。在施工中可采用反分析和经验数据，对后续作业进行指导。是施工 中和施工后具有代表性的方法。 ( 2 ) 经验预测。是根据过去的工程总结的经验式和经验值预测的方法。 ( 3 ) 理论预测。根据各种理论，如井点理论、流线网解析或由理论获得的图 式解析等预测的方法，其计算简便，在地层条件不复杂的条件下，能得到很好 的应用。 ( 4 ) 数值模拟预测。应用计算机技术，建立不均质地层和复杂边界条件及复 杂形状结构物的渗透流解析、三维有限元数值模拟计算的方法。此方法可应用 于复杂的地层情况。 近1 0 年来，由于应用数学和地下水动力学两门学科的互相渗透以及计算机 技术( 数值法) 的推广和应用，大大丰富了原有水文地质学的内容，因而不论在理 论上还是在计算方法上都取得了重要的突破，数值法已被作为常规方法编入国 家工程建设标准供水水文地质勘察规范( g b j 8 8 ) ，得到推广和普及【2 7 】。 对人工井点降水的计算，以往文献中对基坑研究较多【2 卜33 1 ，对于井点降水 应用于地铁因施工实例不多，故研究较少。但无论井点降水在地铁中还是在基 坑中，其作用机理是相同的。 1 3 4 地面沉降研究现状 地面沉降是我国平原地区的主要地质灾害之一，据不完全统计，总计沉降 地区4 5 处，沉降面积4 86 5 5 k m 2 ，年均直接经济损失1 亿元以上。其中沉降中 心累计降深大于l m 的城市和地区就有1 0 多个，近年来在全国许多城市都在采 取相应措施来应对随人类工程活动的增加而不断加剧的地面沉降【3 引。 地面沉降的成因可分为天然影响因素和人为影响因素【3 9 a o ) ，其中地下开挖施 工和抽汲地下水是导致地面沉降的重要原因。国内外研究的区域性地面沉降问 题，主要集中于抽汲地下水引起的区域性地面沉降 4 1 - 4 s 。 约3 0 年前，工程师p e e k 曾提出过一个地铁开挖地面沉降预计公式，它与岩 一8 一 第一章绪论 土体性质不够密切，且不能分析地下水降水的影响。近年来曾应用数值分析议 法来预计开挖引起的地面沉降，但因诸多岩土力学参数及地应力难以准确测定， 预计结果与实测资料相差甚远不能使用。2 0 世纪9 0 年代以来，刘宝琛院士等开 始将在矿山工程中研究开采矿石对地面沉降的随机介质理论和方法应用于北京 及深圳地铁工程，初步解决了地铁各种开挖方法地面各点位移和变形的计算方 法，获得了全套计算公式，并编制了相应的程序( t u n n e l ，s u b w a y 等) 。此 种方法经国内外数十个工程实例资料的对比，已证实了其准确性和实用性【1 , 9 7 。 但这种理论和方法尚不完善，岩土体内部各点的位移和变形尚无法计算，三维 问题尚待开发，计算参数与岩土工程地质条件之间的关系还需进一步查明。 对于抽汲地下水引起的地面沉降，刘宝琛院士等提出可以用两种方法来预 计：固液两相介质有限单元法和随机介质方法与固结理论相耦合的方法。后一 种方法从2 0 世纪9 0 年代已逐步在北京及深圳地铁中应用，在后一种方法中， 把原始水位以下、降水漏斗以上部分岩土体中各点降水固结引起的该单元的微 沉降作为导致上部土体及地面沉降和变形的源泉。采用随机介质方法，对各单 元的影响分别计算并线性叠加，从而获得地面各点的沉降和变形，此种方法已 开始应用并编制了程序( d w 系列) 。它可以计算单孔抽水、排孔抽水及地下通道 排水各种条件下的地面沉降及变形。但此种方法目前也不够完善，降水引起的 岩土体内部位移及三维问题均尚待开发。 抽水导致松散含水地层骨架发生压密所引起的地面沉降，是土力学范畴内 的一种固结过程，即饱和土孔隙水压力的逐渐消散及在外荷载作用下，土层产 生压缩。由于抽汲地下流体引起的地面沉降，目前普遍采用有效应力原理进行 解释【”1 。许多学者提出了经典弹性地面沉降理论【鼽5 7 1 ，它是基于t c r z a g h i - j a c o b 理论，且一般假定为：含水地层骨架的压缩变形与孔隙水压力减小幅值成比例， 这种理论忽略次固结作用，仅考虑土层的主固结作用。它能满足一般的工程精 度，但由于地面沉降过程是一个不能完全恢复的非弹性压密过程，经典弹性地 面沉降理论不能全面地解释这现象。为了克服经典弹性地面沉降理论的不足， 有关学者对经典弹性沉降理论进行了改进，提出了准弹性地面沉降理论【5 “”。 准弹性地面沉降理论仍然假定土层压密符合线性弹性规律，由此建立的地下水 渗流模型及土层压密变形模型的形式仍与经典弹性地面沉降模型的形式一致， 其特点在于取消了含水层的渗透系数、比贮水系数、压缩系数等参数为常数的 假设。细粒松散土层的次固结作用对地面沉降也具有重要影响，近几年来有关 一9 一 第一章绪论 文献中已改用流变学理论分析地层压密变形的特征，按粘弹性理论考虑，同济 大学的吴林高、缪俊发等在这方面作了大量的工作6 3 卅。运用流变学理论对地 面沉降现象进行研究，为补充与扩展弹性地面沉降理论提供了可行的途径。地 面沉降的流变学理论可分为粘弹性地面沉降理论和粘弹塑性地面沉降理论。 1 3 5 坑道涌水量研究现状 以往文献中对矿井、基坑、集水廊道、水平集水建筑物、水平坑道、渗渠、 山岭隧道等地下水涌水问题研究较多，而把坑道涌水用于地铁研究尚属空白。 自从修建隧道工程开始，就存在着地下水的危害问题。地下水问题不仅是 影响隧道j 下常施工的因素之一，而且也是影响隧道正常运营的重要因素之一。 人们对付它的方针从“以排为主”发展到“防、排、截、堵相结合”；技术措施 也从注浆堵水发展到以衬砌自防水( 包括防水板) 为主”。 预测地铁隧道涌水量，需要掌握气象、地质( 岩性、构造等) 、含水层( 带) 、 地形地貌、河流水文以及一定比例尺的地形图、地质图等配套资料。预测隧道 涌水的方法很多，预测运营中隧道正常涌水量的方法有降水入渗法、地下遥流 模数法、地下迳流深度法、地下水动力学方法、比拟法、同位素氚法、模糊数 学法等；预测隧道施工中最大涌水量的方法有地下水动力学法、比值法等【6 7 】。 各种预测方法都有一定的适用范围，一般情况下对于长大隧道要选择3 种或3 种以上的方法为好。 文献 6 8 ，6 9 1 汇总了计算隧道涌水量的大部分理论及经验方法，包括地下水 动力学中的稳定流法和非稳定流法，以及其它一些计算方法的经验公式。朱大 力、李秋枫【7 0 】在编制铁路工程水文地质勘测规则中，汇集了些国内外利 用地下水动力学理论预测隧道涌水量的公式，并结合国内外5 个隧道工程实例 进行了验证分析。黄涛、杨立中【7 卜。7 3 l 提出了渗流与应力耦合环境下，以及渗流 一应力一温度耦合下裂隙围岩隧道涌水量预测计算的确定性数学模型方法，并 用一隧道工程实例进行了计算验证。尽管隧道修建已有1 7 0 多年的历史，但隧 道涌水问题直到2 0 世纪5 0 年代中后期才开始真正引起人们的重视，尤其是日 本的学者【7 4 啪】就此问题作了大量的工作，我国的隧道涌水问题研究起步更晚【7 7 】。 1 4 论文研究内容及创新点 一1 0 一 第一章绪论 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 深入分析城市地铁施工与地下水渗流的环境效应危害及其形成原因。 ( 2 ) 利用地下工程中最先进的3 d o 三维有限元软件，采用增量变弹性与增量 叠代的混合法，考虑围岩介质的复杂性态、施工作业方式( 包括分步开挖步序、 支护结构形式和施工时机) 和开挖面推进过程中的空间效应，对软弱围岩地铁的 施工作业流程进行计算模拟。得出各步序拱顶下沉、收敛、地表沉降与开挖步 的关系曲线。 ( 3 ) 从达西定律出发，利用地下水动力学、水文地质学原理，基于稳定流理 论，对非规则排列的潜水干扰井群、承压水干扰井群、承压一潜水干扰井群的 水位降深进行计算推导。利用所得推导结果对实际工程的降水问题进行计算， 得出任一点水位降深值。并据水位降深值计算因人工降低地下水位而引起的地 面沉降最终值及随时间的变化曲线。编制相应程序，获得计算结果。并利用 3 d f l o w 计算软件对降水曲线、流速进行计算比较。 ( 4 ) 根据地铁坑道所处的不同地下水的水力类型、不同工程类型以及坑道处 于地层中的不同位置，利用稳定流理论，推导出潜水、承压水含水层的完整型、 非完整型坑道稳定涌水量公式，以及各情况下任一点水位降深曲线公式，并据 不同的坑道涌水量、水文地质情况对坑道涌水引起的地面变形做出预测和分析。 最后结合实例进行了验证、预测和分析。 1 4 2 主要创新点 ( 1 ) 以北京地铁王府井站西南风道为工程背景，针对松散含水地层工程地质 水文地质差、紧邻建筑物、地表环境要求严、施工条件恶劣、降水条件受到限 制、大断面浅埋暗挖洞室稳定性差等不利因素，深入分析了地铁施工与地下水 渗流的环境效应机理，对有可能造成的危害进行了探索，特别是对因人工降水 及坑道涌水造成的地面沉降进行了合理分析预测。 ( 2 ) 利用地下水动力学稳定流理论，自行推导了承压一潜水井群的计算公式， 对非规则排列的井群三维流场进行了分析计算，计算结果与实际吻合良好，取 得了满意的效果。与3 d f l o w 软件计算结果比较发现自行编制的程序所得计算 结果更符合实际。针对实际工程所得承压一潜水干扰井群计算公式，弥补了水 第一章绪论 文地质学中，基于稳定流理论的承压潜水干扰井群理论计算公式的空缺，对 其他类似工程具有普遍意义。 ( 3 ) 首次将坑道涌水研究用于地铁，并首次对地铁坑道涌水时坑道周边影响 范围内的水位降深值，以及因涌水引起的地面沉降作出了合理预测和分析。基 于稳定流理论，对地铁坑道所处的不同地下水类型、不同工程类型、坑道所处 不同位置时的坑道涌水量计算推导得出了精确的解析解，与以往文献所得公式 进行分析对比，并首次据涌水量大小得出影响范围内的水位降深曲线，以及因 水位降深而造成的土体固结压密，从而造成地面沉降。并应用于实际工程中， 为行业人士对地铁坑道渗流的处理和认识提供了参考和借鉴。 1 4 3 论文的不足之处及今后的研究方向 由于时间和本身知识水平的限制，未能对地铁施工的应力场和地下水的渗 流场进行耦合分析，只是采用了简单叠加的方法进行了简化计算。在对降水引 起的沉降计算只采取了简单的计算方法进行沉降预测，按弹性体模型来考虑， 这与实际会有一些误差。在对地铁坑道涌水及由涌水造成的地面沉降计算时， 由于没有实测资料，未能对计算结果进行完全验证，而只是对几个数据不太完 整的现有例子进行了验算，并且在计算过程中没有考虑时间过程，只是考虑了 处于稳定状态下的情况。在对坑道涌水量计算中，未讨论边界条件为有界的情 况( 即一侧或两侧有河流补给) ，也还未考虑衬砌防水板的隔水作用。 今后将对应力场和渗流场耦合作用地铁地丽沉降预测方面，地下水位变化 与地面沉降的关系，地铁坑道涌水随时间、季节的变化，考虑衬砌及防水板隔 水作用时的涌水量计算，因坑道涌水造成的危害，以及拓展到深基坑工程中的 地下水渗流等方面进行进一步的深入研究，以有利于对城市的环境控制，减少 工程对环境的影响。 一1 2 一 第二章工程背景 第二章工程背景 论文所作主要研究工作的工程背景是北京地铁“复一八”线王府井站西南 风道工程，地铁“复一八”线已于1 9 9 9 年l o 月顺利建成通车运营，因拆迁原 因剩余王府井车站西南风道，于1 9 9 9 年5 月达到了开工条件。“复一八”线施 工是在地面统一井点降水至作业面以下，在无水条件下施工，通车运营后统一 系统降水已停止，地下水位已恢复。由于本工程的难点，即风道紧邻建筑物， 施工场地狭窄，施工条件恶劣，降水条件限制，降水对环境影响明显，风道结 构断面大、浅埋、地层为松散含水地层、地下水位高，致使施工极其困难，特 别是工程处在首都北京的重要地段，施工环境控制问题显得尤为重要。为使本 工程能顺利完成，解决施工中遇到的众多技术难题，施工单位中铁第十六工程 局提出了“松散含水地层紧邻建筑物大断面浅埋洞室施工环境综合控制技术研 究”课题。 2 1 工程概况 ( 1 1 地理位置和地表环境。北京地铁“复一八”线王府井站西南风道位于东 长安街下，其出口在北京饭店对面，中国远洋运输总公司和长安俱乐部大楼之 间夹道中。风道结构距中远公司大楼仅3 0 m ，该楼高6 层，砖混结构：距长安 俱乐部大楼4 5 m ，该大楼8 层，混凝土结构。在风道西侧有2 根m5 0 煤气管线， 距结构0 5 m 。结构覆土内部有一根由4 0 污水管道，因年久失修，已渗漏严重。 ( 2 ) 风道结构。风道分南北风道和斜风道，斜风道走向为北偏东6 5 。，在南 北风道南端设施工竖井。风道与车站接口里程为b 2 0 3 + 5 1 2 0 5 。风道由竖井、 主风道、冷风机房、污水泵房和联络通道及排污专用竖井组成。其中竖井深2 2 m ， 开挖断面9 9 m x 7 6 m ；主风道全长9 5 4 8 7 m ，双层结构，有4 种断面形式，开 挖最大断面1 3 1 m x1 2 6 m ；冷风机房5 2 0 9 6 m ，单层结构，开挖断面为1 0 2 4 6 m x 7 1 m ：污水泵房和联络通道总长2 2 1 6 3 m ，单层结构，开挖断面3 4 m x 3 9 m 。 风道由西南向东北3 下坡，南端开挖标高2 2 2 0