盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究

】７３４３８２‘分类号……………密级……………ＵＤＣ编号……………午Ｉ初大·擎ＣＥＮＴＲＡＬＳｏＵＴＨＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文论文题目：……．履掏．隧道鹅王地袁承降趣囊………………丞握趔措旗研窕………………学科、专业：…………～岩．圭王焦………………………研究生姓名：郑淑芬导师姓名及专业技术职务…………罗．恩全一熬攮…………………一ｉ（、’’、Ｐ·ｏＵＩ．ｒ－Ｌｊ．ｆ硕士学位论文盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究ＳｔｕｄｙｏｎＬａｗｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅａｓｕｒｅｓｏｆＧｒｏｕｎｄＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓＣａｕｓｅｄｂｙＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ作者姓郑淑芬学科专岩土工程学院（系、）：资源与安全工程学院指导教名业所师罗周全答辩委员会主席中南大学２０１０年０５月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：塑邀盔日期：竺丝年上月兰日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：塑壑盔．导师签名中南大学硕士学位论文城市地铁隧道采用盾构法施工时，在盾构机的推进过程中一般会引起隧道上方地表沉降，并且在隧道施工阶段和运营阶段还会产生隧道沉降，直接影响周围地面建筑和地下设施的正常使用。如何减少施工对周围土体的扰动程度，分析地表沉降的原因并研究地表沉降的规律是隧道施工中的一个很重要的问题，具有实际的工程意义。论文在收集并阅读大量相关文献和资料的基础上，对盾构隧道施工地表沉降进行了较为深入的研究。首先，归纳总结前人研究所得理论，分析了产生地表沉降的机理和影响地表沉降的因素以及地表沉降的大致规律；接着，以广州地铁三号线北延段高增站～新机场南站区间盾构隧道为实际工程背景，运用有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ模拟盾构隧道开挖掘进过程，分析盾构隧道掘进过程中产生的地表沉降，并将数值模拟分析结果与实测的地表监测数据对比；然后，借助ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ软件，研究上层覆土条件、盾尾注浆、掘进压力和双线隧道的不同开挖顺序等因素对盾构隧道地表沉降的影响规律；最后，针对如何将地表沉降控制在合理范围内提出了实用性的措施。论文研究得出：（１）有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ模拟分析盾构隧道产生地表沉降的结果与工程实测的监测数据基本吻合，从而验证了本文数值分析结果的可靠性。（２）研究表明采用盾构施工的隧道上方覆土的厚度越大，地表沉降就越小；当上覆土层厚度相同时，埋深越大处地层的横向最大沉降量越大。（３）采用等代层来模拟盾尾注浆时，等代层的弹性模量取值对地表沉降影响很小，而等代层的厚度则明显影响地表沉降值。（４）掘进压力对地表纵向沉降影响较大，施工中应控制好掘进推力的大小，广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道的掘进压力应控制在５００ｋＰａ左右比较合适。（５）双线隧道施工时，同时同向开挖和完成一条隧道后调头开挖另一条隧道两种不同施工方案引起的地表沉降值相差不大；但是，完成一条隧道后调头开挖另一条隧道由于先开挖隧道对后开挖隧道有沉降叠加作用，因此两条隧道中心线上的沉降值不等，沉降槽不对称。关键词：隧道，盾构，数值分析，地表沉降，控制措施—－————————————＿——————＿－—－＿—＿————＿＿＿－＿’—－＿————＿－＿－＿＿———————————————————————————一生堕大学堡主兰垡丝奎！墅！！坚，ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｓｈｉｅｌｄｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｗｉｌｌｇｅｎｅｒａｌｌｙｒｉｓｅｔｏｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｎｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｔｈｅｒｅｗｉｌｌｂｅａｔｕｎｎｅｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ａｄｉｒｅｃｔｉｍｐａｃｔｏｎｔｈｅｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｎｏｒｍａｌｕｓｅ．Ｉｔｉｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｓｓｕｅｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｈａｔｈｏｗｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｔｏｓｏｉｌｌｅｖｅｌ，ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｌａｗｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎ也ｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｐａｐｅｒｓａｎｄｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｄｍｏｒｅｉｎ．．ｄｅｐｔｈｏｎｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｐａｐｅｒｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｏｕｒｐｒｅｄｅｃｅｓｓｏｒｓ，ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｆａｃｔｏｒｓａｎｄｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｌａｗｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｉｎｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｆｒｏｍＧａｏｚｅｎｇＳｔａｔｉｏｎｔｏＮｅｗＡｉｒｐｏｒｔＳｔａｔｉｏｎｉｎＧｕａｎｇｚｈｏｕＭｅｔｒｏ，ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｓｉｅｄｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｂｏｒｉｎｇａｎｄｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｂｙｔｕｎｎｅｌｉｎｇｗｉｔｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，ｔｈｅｎｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ｓｔｉｌｌｗｉｔｈｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳ｜ＧＴＳ．ｔｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｄｏｎｓｔｕｄｙｉｎｇｏｎｈｏｗｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｕｐｐｅｒｃａｓｉｎｇ，ｔａｉｌｓｈｉｅｌｄｇｒｏｕｔｉｎｇ，ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｔｗｏ－ｌａｎｅｔｕｎｎｅｌ’Ｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｇｒａｍａｆｆｅｃｔｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｓｏｎｈｏｗｔｏｃｏｎｔｒｏｌｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｓｏｍｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｆｒｏｍｔｈｅｓｔｕｄｙｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ：（１）ＲｅｓｕｌｔｓｆｒｏｍｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳ／ＧＴＳａｎｄｐｒｏｊｅｃｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａａｒｅｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ，ｉｔｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｂｙＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ．（２）Ｔｈｉｃｋｅｒｔｏｐｃａｓｉｎｇｍａｋｅｓｌｉｔｔｅｒｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｐｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｓｔｒａｔａｍａｘｉｍｕｍｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｍｏｕｎｔｉｓｅｖｅｎｇｒｅａｔｅｒ．（３）Ｗｈｅｎｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｔａｉｌｓｈｉｅｌｄｇｒｏｕｔｉｎｇｗｉｔｈｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｌｅｚｏｎｅ，ｉｔｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｌｅｚｏｎｅａｆｆｅｃｔｌｉｔｔｌｅｏｎＴｌｏｎｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．（４）ＴｈｅＤｒｉｖｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐａｃｔｅｄｏｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｇｒｅａｔｌｙ，ｉｔｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｗｈｅｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ．（５）Ｉｎｄｏｕｂｌｅｌｉｎｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｉｓｌｉｔｔｌｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｂｏｕｔｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｈｅｔｅｒｔｈｅｔｗｏｌｉｎｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｓａｍｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆａｏｒｏｎｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｆｉｒｓｔｔｈｅｎａｎｏｔｈｅｒ．ｗｈｉｌｅａｎｄｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｕｎｎｅｌｔｈｅｎｔｕｒｎａｒｏｕｎｄｔｈｅｏｔｈｅｒｏｎｅ．Ｂｕｔ，ｗｈｅｎｕｓｉｎｇｔｈｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｌａｔｔｅｒｍｅｔｈｏｄｓ，ｂｅｃａｕｓｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｗｏｃｅｎｔｅｒｓｏｆｔｗｏｌｉｎｅｓｉｓｎｏｔｅｑｕａｌ，ｔｈｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔａｎｋｓａｒｅｕｎｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ｓｈｉｅｌｄ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓ，ｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｃｏｎｔｒｏｌｍｅａｓｌｌＴ．ｅＳＩＩＩ中南大学硕士摘要……………………………………………………．：…．ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………………ＩＩ第一章绪论……………………………………………………ｌ１．１引言………………………………………………………１１．２国内外研究现状综述…………………………………………．１１．２．１经验公式法……………．’………………………………．２１．２．２解析法…………………………………………………４１．２．３理论分析法……………………………………………．．５１．２．４模型试验研究法…………………………………………．７１．２．５数值分析法……………………………………………．．８１．３目前研究存在的问题…………………………………………．９１．４本文研究内容与技术路线………………………………………９１．４．１主要研究内容……………………………………………９１．４．２技术路线………………………………………………１０第二章隧道施工产生地表沉降的机理………………………………．．１１２．１盾构施工原理………………………………………………１ｌ２．１．１盾构法的基本工作原理……………………………………１１２．１．２盾构法的主要技术环节……………………………………１１２．２盾构施工对土层的扰动机理……………………………………１２２．３地层沉降的影响因素…………………………………………１６２．４地层沉降的特征………………………………．．…………．．１８２．４．１地层沉降的时间效应……………………………………．．１８２．４．２地层沉降的空间效应……………………………………．．１９２．５本章小结…………………………√……………………．．２１第三章隧道施工数值模拟…………………………………………２３３．１隧道施工过程有限元分析原理……………．……．……………．．２３３．１．１隧道模型有限元分析概述…………………………………．２３３．１．２岩土材料力学特性和本构模型…………．…………………．．２４３．１．３隧道施工过程数值模拟方法…………．．．…………………．．２７３．２ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ简介……．．…………………．．…………………３１３．３工程概况…．．……………………．．……．………………．．３４中南大学硕士学位论文目录３．３．１工程地质条件…………………………………………．．３４３．３．２水文地质条件…………………………………………．．３７３．３．３场地类别与地震烈度、地震效应……………………………．３８３．３．４地面沉降监测…………………………………………．．３８３．４数值模拟…………………………………………………．４０‘３．４．１计算假定………………………………………………４０３．４．２计算边界及网格划分……………………………………．．４０３．４．３材料属性………………………………………………４１３．４．４模拟的过程……………………………………………．４１３．５计算结果分析………………………………………………４５３．６本章小结…………………………………………………．４９第四章地表沉降影响因素敏感度分析………………………………．．５０４．１不同覆土条件下盾构开挖对地表沉降的影响………………………．５０４．２盾尾注浆对地表沉降的影响……………………………………５３４．３不同掘进压力条件下盾构开挖对地表沉降的影响……………………５６４．４双线隧道不同开挖方式对地表沉降的影响…………………………５８４．５本章小结…………………………………………………．６０第五章地表沉降控制措施……………………．，．…………………．６２５．１地表移动与变形对周围建筑物的影响……………………………．６２５．２地表沉降控制基准分析………………………………………．６３５．３控制盾构隧道施工地面沉降主要的工程方法………………………．６５５．４工程实际采用的控制地表沉降措施………………………………６７５．５本章小结…………………………………………………．６８第六章结论与展望………………………………………………６９６．１本文结论…………………………………………………．６９６．２下一步工作展望……………………………………………．６９参考文献………………………………………………………７１致谢………………………………………………………．．７６攻读学位期间主要科研成果………………………………………．．７７中南大学硕士学位论文第一章绪论弟一早殖下匕第一章绪论１．１引言近年来，我国城市规模不断地扩大，人口密度也不断增长。一方面，为了达到城市建设发展与人口增长相适应的目标，城市可供利用的土地面积会越来越少，从而造成环境污染、交通阻塞、空间拥挤等城市问题，恶化了居民的生活环境。另一方面，社会与经济的快速发展对城市集约化程度要求越来越高，这也给城市土地带来极大的压力。合理地开发和利用地下空间已经成为扩大城市容量和增加城市功能的有效途径，它能有效解决城市建设与地面空间紧张的矛盾，是促进城市可持续发展以及加强环境保护的有力举措【ｌ】。隧道工程建设伴随着地下空间的开发和利用而出现，并且得到大量的兴建。隧道工程主要包括：为解决城市交通拥挤问题而修建的公路隧道、地下铁道和穿越障碍物的各种地下通道；各种市政地下工程，如污水管道、电缆管道、以及市政管线公用隧道（共同沟）；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【２１。隧道工程施工过程中，会对地层造成一定的扰动，原始的力学平衡受到影响。在隧道支护后，地层实际上是达到了一个新的静态平衡状态。但在施工过程中，由于施工正在进行，地层是出于一个应力变化状态，隧道周围的岩层会发生一定的变形和移动。理论中把因开挖形成的应力调整涉及有明显位移的地层范围称为施工影响范围，对于浅埋隧道情况，这一范围波及到地表，形成施工沉降槽【３】。沉降槽可能引起地表的沉降，当体积过大，地层力学平衡破坏严重时就会出现塌陷，导致道路路面结构破坏以及管道、地表建筑物的损坏。因此，在城市中开挖隧道时，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，根据地表保护要求，采取有效的措施来控制地层移动、减小变形，以使地表房屋、道路、管线等不致造成损害，生态环境不致恶化【４】。这就必须要研究隧道施工所引起的地层移动和由此造成的地表沉降，并对隧道施工所引起的地表沉降提出较为可靠的预计与控制方法【５～。１．２国内外研究现状综述对隧道施工引起地表沉降问题的研究最初是从分析矿山巷道上方地表沉降开始的。在此之后，国内外的许多学者都进行了许多相关的研究。目前，对盾构法隧道施工引起的地表沉降分析及预测的主要方法有：经验公式法、解析法、理论分析法、模型试验研究、数值分析等【¨。去＝（笥。。一一＿尺Ｌ２Ｒ，，１小。。４，式中：ｚ一隧道的开挖面中心到地面的距离；Ｉ卜盾构的外半径。此外，Ａｔｔｅｗｅｌｌ等‘９１也提出横向沉降槽的宽度系数ｉ取决于近地表地层的强度以及隧道埋深和隧道半径，其值可近似为：Ｋ谢２Ｒ’ｋ＝去ＬＲｋ２一２Ａ‘Ｉ——ｌ／ｍ５）ｍ６，ｆ１‘、Ｋ的取值为：砂性土为０．２＂－＇０．３，硬粘土为０．４，软粘土为０．５。日本的藤田圭一【１２】主要从事于在软弱地层中不同的施工方法对地层产生的不用影响的研究，并提出了基于一系列影响因素如地层条件、盾构模式等的地表最大沉降预测值。Ｍａｉｒ【１３】在统计分析的基础上提出了地层沉降量的估算经验公式：ｔ毯，懈ｄ一瓦Ｘ。２ｊ：］∽９，式中：疋，一２百万石函１．２萄５ＶＦＬ调。ｉＲ２Ｉ＝：—－－－——－－————－———————————————－－——－——－二一．０．１７５＋０．３２５（１一ｚ／ｚ０）１一ｚ／ｚｏ考虑到土体扰动后产生固结沉降的规律，并且加入时间影响因素，侯学渊‘１４１修正了Ｐｅｃｋ计算地表的横向沉降公式：‰＿（谮Ｈ斋］㈨㈣式中：日一超孔隙水压水头（ｍ）；０≤ｔ≤Ｔ，１＝—＝？—＝，ｌ，一２死·Ｐ．Ｅ·Ｋ。中南大学硕士学位论文第一章绪论丁一固结时间（ｓ）；Ｐ一隧道的顶部孑Ｌ隙水压力平均值（ＭＰａ）；．１０一隧道顶部土体渗透系数（ｍ／ｓ）；Ｅ一隧道的顶部土层平均压缩模量（ＭＰａ）。解析法分析多数是以线弹性土体为研究模型的，主要有：Ｓａｇａｓｅｔａ法，Ｖｅｒｒｕｉｊｔ法，Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ＆Ｐｏｕｌｏｓ法【¨。（１）Ｓａｇａｓｅｔａ法Ｓａｇａｓｅｔａ［”１采用两个不同分析步骤，即隧道的开挖和衬砌过程产生的土层损失和地层损失引起的周围土体变形，计算盾构隧道施工引起的地表位移。其地表位移计算如下：耻一嘉寿【Ｉ¨南ｊｓｙ０－＂云瓦云酽％＝嘉南１．¨蒯（２）Ｖｅｒｒｕｉｊｔ法ｎｄＤＶｅｒｒｕｉｊｔＡ．＆ＢｏｏｋｅｒＪ．Ｒ．【１６】提出估算相同径向的地层损失引起的横向变形和地表沉降的解析公式：铲划睁办积２（掣＋冬爿＋等［譬］铲划睁卦积２（掣＋销一等［－一争］４积２ｘＨＩｍｚ（ｘ２—３２２２）ｌ所＋１Ｌ吃４。吃６－Ｊｚ２＋字础２静＋鼎竿］ｇ一相同径向位移情况隧道表面的相对位移参数；万一卵形位移情况下隧道表面相对位移参数；４ｍⅢ（１－１３）式中：中南大学硕上学位论文第一章绪论聊＝ｉ＝瓦１，后＝ｆ钫；∥为土层泊松比。（３）Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ＆Ｐｏｕｌｏｓ法Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ＆Ｐｏｕｌｏｓ［１７１提出了适用于砂性土层和粘性土层的等效的土层损失模型，同时融合Ｖｅｒｒｕｉｊｔ的解析解，从而得出不考虑开挖土体固结影响的地层垂直、水平位移：甜ｙ＝Ｒ２｛－二器＋ｃ３＋４∥，丽ｙ＋Ｈ一×一４９Ｒ＋９２唧Ｈ３．１２ｘ２４Ｒ２‘Ｉｌ型］１ｊＪ（１．１４）日２Ｕｘ＝Ｒ２工｛ｆ３—４９４ｙ（ｙ＋日）【ｘ２＋（ｙ＋Ｈ）２ｋ２＋（少＋日）２】２×警唧｛＿［３．１２ｘ２１ＦⅡｏ．６９ｙ２］１（１．１５）４Ｒ２‘ｌ式中：∥一土层沉降影响区的角度。１．２．３理论分析法（１）随机介质理论法波兰学者Ｌｉｗｉｎｉｚｙｎ主要从事于矿山地下开采导致的地表沉降研究，并在研究基础上提出了随机介质理论。目前，理论经过了长期的发展，成为有效预测地采中地表变形与移动的科学手段‘１引。Ｌｉｗｉｎｉｚｙｎ分析认为在隧道开挖导致的复杂岩土体的移动过程中，单位土体的运动表现出较强的随机性，不能作为简单的弹塑性模型来分析，以概率统计方法将由大量已知或未知因素所控制的岩土体作为随机介质来分析是比较理想的。随机介质理论主要是将隧道开挖土体等效为多个微小的基本块体，那么隧道开挖导致的地表沉降就可以看做由这些微小基本体开挖时导致地表沉降的总影响之和。其数学分析表达式为：假设某一开挖单元的尺寸为ｄ吞ｄ（ｄｒｌ，距地表深Ｈ（如图１．１所示），当开挖单元完全塌落时所引起的地表下沉量达到最大，所引起的地表坐标（ｘ，ｙ）点下沉量为【１９】：Ｗｅ＝（Ｘ，Ｙ）２志ｅｘｐ｛一南【（Ｘ－Ｘｏ）２＋（Ｙ－Ｙｏ）２ｄ影乒刁（１．·６）中南大学硕士学位论文第一章绪论式中：Ｘ、Ｋ、，７——开挖单元倒∥刁中心坐标；厂（刁）——主要影响半径，（刁）＝刁·ｃｏｔｆｌ；∥——主要影响角，其值取决于上覆岩层的性质。０×Ｙ／／一ｌ％ＺＲ图１－１单元开挖示意图目前随机介质理论的研究在国内也得到了较大的发展与应用。例如：刘宝琛，张家生【２０】等以随机介质理论为依据对不同隧道断面下二维以及三维状况地铁隧道开挖导致的地表沉降进行研究，取得良好效果；阳军生，刘宝琛【２ｌ】等以随机介质模型完成了对挤压式盾构隧道施工引起的地表移动研究；朱忠隆，张庆贺等［冽立足于随机介质理论，应用于上海地铁二号线的ＥＰＢ盾构施工导致的地表纵向沉降研究，并总结推导出计算公式；施成华，彭立刨２３】等分析并改进了地表纵向沉降公式。随机介质理论（２）灰色理论与人工神经元网络法灰色系统理论阱】是由邓聚龙教授于上世纪８０年代提出的。其中以等时距为约束靳晓光，李晓红等【２５】在完成对建模方法的优化后，灰色模型可以用于分析隧道围王铁生，张冰等【２６】以时间ｔ为形式参数，建立了以时间为变参的灰色模型，实践张玉祥【２７】以岩土工程中时间序列的预报为例，提出灰色理论存在的缺陷，认为神孙钧、袁金梨蹦１等则将神经网络应用于对盾构法隧道施工导致地表沉降预测，取６在国内应用很广泛，由此取得的新的成果也是较为丰硕的。条件的灰色ＧＭ（１，１）模型应用最广，但当遇到建模为非等间距时序的情况时就超过了其分析范围。灰色系统理论也是经过长期的发展和逐渐完善的。岩非等间距位移以及不同增长检测数据序列。证明这种模型应用于预测地表沉降是可行的。经网络解决问题的效果更为理想。灰色理论模型得到的是相对较为简单的指数模型，对实际复杂的工程问题是不能够很好表达的。得较好成效。中南大学硕士学位论文第一章绪论胡珉，周文波［２９】在模拟神经网络的基础上成功拟合出了盾构法施工参数与地表沉降关系，并总结出对应数学表达式。利用遗传算法匹配结果，实现施工效率与效益的最优控制。王述红，田军等【３０】等在结构上对神经网络进行优化，主要采用遗传算法来实现盾构法隧道施工中对地层变形量的预测，预测精度得到很大提高。（３）专家系统专家系统是一种人工智能系统，主要作用是利用施工中所总结的先验参数库为基础，对盾构法隧道施工过程中的遇到的多种不确定参数进行分析并在综合考虑情况下选择确定，选取这些参数直接影响着地层损失的形成。专家系统的解决方案应用在工程实际的多个方面，效果良好。黄黔、周文波【３ｌ】在上海软土隧道施工数据库的基础上，建立了盾构隧道开挖施工对周围影响评价的人工智能系统，实践证明效果良好。日本早稻田大学的小泉淳【３２】研究得出在盾构法隧道开挖过程中，土压、注浆时间和注浆量以及盾构姿态等与地层损失之间的关系。实践证明，通过这些参数控制可以减少地表沉降量，取得良好应用效果。侯学渊、廖少明等【３３】等也在上海地铁一号线施工数据的基础上，建立了专家系统。专家系统对施工参数进行了多方位模拟推断，给出了相对最优的开挖参数，对地表沉降或地层损失起到了较好的控制作用。刘建航于１９９１年将该系统应用于上海地铁一号线的施工监测，取得了良好的结果【３４】。１．２．４模型试验研究法模型实验作为科学研究的一个重要手段，发挥着巨大的作用。为了对隧道施工引起的地表变形特征和影响地表变形的因素等进行更进一步的探讨，通过模型试验方法对现场实测和理论分析进行验证和模拟研究是非常必要的。目前，相似材料模型试验应用广泛，主要采用多方面性质近似的材料模型来模拟岩层，另一种应用广泛的是离心模型试验。Ｌｉｔｗｉｎｉｚｙｎ将地层看做是由岩性有差异的类球体堆积而成的地质体。采用大小相同的球体作为模拟地层的组成部分，假定前提为不考虑材料应力以及应变状态的影响。试验表明：沉降槽横向分布曲线与高斯概率曲线相同。Ａｔｋｉｎｓｏｎ等在砂土和粘土中进行浅埋隧道离心模型实验，得出隧道破坏时应力差与ｚ／ｄ的关系，进而由塑性理论的下限定理求得地面沉降的理论解【１５】。Ｍａｉｒ＆Ｇｕｎｎｔ３５】在采用离心模型试验的同时，以有限元理论对浅埋隧道盾构法施工导致的地表沉降进行了分析。研究认为浅埋隧道周边的粘土层对地表沉降影响最大，隧道的坍塌稳定率随着埋深的不同而变化，而稳定率相同的不同埋深隧道沉降也有很大不同。７中南大学硕士学位论文第一章绪论Ｋｉｍｕｒａ＆Ｍａｌ［３６】利用离心模型试验研究软土层中二维状态下理想模型与隧道开挖之间的关系。研究表明分析结果与由塑性理论得出的稳定性结论是一致的。Ｇｕｔｔｌｅ＆Ｓｔｏｆｆｅｒｓ［３７】在进行圆形隧洞变形以及破坏形态分析时也采用了离心模型试验３８。Ｉｍａｍｕｒａ等【３９】采用一种微型盾构机进行隧洞开挖和衬砌脱出盾尾过程的离心模型试验，对不同的隧道埋深条件和有盾尾间隙情况下衬砌拱项土压力及地面沉降的情况进行了研究。周小文，濮家骆…利用离心模型试验，研究砂土隧道支护压力与地层位移之间存在的关系。试验得出了计算任意位移下支护压力的计算公式。李围，何川等【４Ｉ】进行了南京市玄武湖公路隧道两条盾构隧道对公路的影响的研究，分析其相互扰动带来的影响或可能导致的路年结构破坏。试验表明：扰动带来的影响不大，且隧道导致的地表沉降不会造成公路结构的损坏。１．２．５数值分析法随着计算机技术在工程中的不断应用，采用软件对隧道开挖进行模拟，从而预测和分析地表沉降的手段越来越受到重视。相对于其他方法，数值分析方法考虑的因素更为细节化，更加全面。通过计算机精确以及大量计算的特性，解决复杂条件下隧道开挖对地表沉降构成的影响，得到的结果更为可靠。常用的预测地面沉降的数值分析方法主要是有限单元法【４２’４３１。有限元法是一种力学分析法，通过模拟地层的受力进而分析其所处的应力、变形情况。此时，复杂性只是对于计算机而言，分析人员考虑的是相对有限的参考因素本身的合理性。根据地层条件及隧道施工情况，可以将地层假定为弹性、弹塑性或者粘弹塑性等不同类型的介剧州。地层和施工条件好时选用弹性有限元分析。弹性模型表达的是一种近似线性的关系，当土体受到的扰动不可以忽略时，土体实际上是作为弹塑性介质存在的，这时要采用非线性有限元分析，要考虑岩层中水的存在、土体的可塑性等。目前，各种有限元分析软件应用都较为广泛，软件允许在进行多参数设置的情况下综合分析。例如：Ｇｈａｂｂｏｕｓｓｉ采用了二维和三维有限单元法樟拟分析了在两条地下通道上方施工穿越隧道的力学影响，并与实测进行了对比【４５舶】。Ｓａｇａｓｅｔａ提出了仅考虑土体损失的应变法【４７】。Ｌｅｅ和Ｒｏｗｅ采用二维平面应变有限单元法，分析参数选取对隧道开挖计算结果的影响，得出各项参数对开挖计算结果的影响规律【４８．５０１。张弥等针对上海地铁一号线工程开发了盾构施工技术专家系统【５ｌ】，用于对盾构隧道施工面沉降进行预估１５引。国内外的研究结果表明，采用有限元方法是研究隧道开挖问题引起地面沉降的有效方法。中南大学硕士学位论文第一章绪论１．３目前研究存在的问题（１）盾构法隧道施工导致的地表沉降是与空间以及时间相关的。理论研究或模拟只是在相对理想约束条件下对地层的相似评估，方法本身具有－＿定的限制，可能只适用于某种或某几种情况【ｌＪ。（２）专家系统所提供的只是基于计算机处理模式的相对可以提出多个方案的参考性结果。盾构施工参数是多样性的，对地表带来的扰动以及沉降程度也是不同的。工程实际中还是应该具体问题具体对待，研究仍然任重而道远。（３）利用经验公式可以完成对地表沉降的预测和分析，但对于开挖过程中的变化描述是不准确的；解析法的计算必须以有数据参数为前提，局限性较大，由参数的模糊性导致的结果不可靠也是经常发生的；随机介质理论、灰色理论和人工神经元网络是是预测地表变形的新方法，分析和推估都有一定的前提约束条件和数据量的基础，结果相对可靠，因为其负载所以应用受到一定限制；专家系统从一定程度上讲是相对易推广和应用的方法，提供的方案是具有较大可行性的，数值分析法中分析的细节更为具体，考虑的因素更为本质化，也是有效的预测方法之一。盾构法隧道施工对地表沉降的影响有多种方法来进行有效预测和分析，分析效率与效益的平衡是评估过程中考虑的重要因素。１．４本文研究内容与技术路线１．４．１主要研究内容本文以广州市轨道交通三号线北延段高增站～新机场南站区间隧道工程为背景，运用大型有限元分析软件ＭＩＤＳ／ＧＴＳ模拟分析盾构开挖隧道的过程，进而分析盾构施工引起地表沉降的规律，并针对分析结果提出控制地表沉降的工程措施。论文主要内容如下：（１）在阅读大量文献的基础上，总结了盾构法隧道施工引起的地表沉降及地层位移的研究方法及现状，阐明了研究意义；（２）分析了盾构法隧道施工产生地表沉降的机理；（３）结合广州市轨道交通三号线北延段高增站～新机场南站区间盾构隧道施工资料，运用大型有限元分析软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ建模模拟该隧道施工过程，得出对地表沉降的影响，并将数值分析结果与现场实测的监测数据对比，发现二者基本吻合，从而验证该数值分析结果的可靠性：（４）研究覆土条件、盾后注浆、掘进压力和开挖顺序等因素对地表沉降的影响；（５）提出盾构法隧道施工地面沉降控制措施。９绪论的技图１．１本文技术路线图１０中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理第二章隧道施工产生地表沉降的机理盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，由于盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地层变形以及地面的沉降。地层扰动导致的土体强度和压缩模量的降低将会引起长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及到邻近建筑物和地下管网的安全，进而引起一系列的岩土环境问题。由此可见，研究盾构施工产生地表沉降的机理具有重大的意义。２．１盾构施工原理２．１．１盾构法的基本工作原理盾构法（ＳｈｉｅｌｄＭｅｔｈｏｄ）是暗挖法施工中的一种全机械化施工方法，它是依靠盾构机械在土体中推行前进，通过盾构外壳和管片来支承周围的岩体，以防止岩土体向隧道内的坍塌。盾构法利用切削装置开挖盾构机掘进前方的土体，再由出土机械将切削下来的土体运出洞外，靠千斤顶在后部加压顶进，并拼装预制混凝土管片，最终形成隧道结构的一种机械化施工方法。稳定开挖面是盾构法施工的主要工作原理，另外，它与挖掘排渣和注浆衬砌共同等构成了盾构法施工的三大要素。施工中常常采用的土压平衡盾构包括削土密闭式与泥土加压式两种。本文所研究的工程实例正是采用土压平衡盾构，在盾构机的前端有一个全断面的切削刀盘，紧跟刀盘后面的是用于贮存切削下来土体的密闭土舱。掘进过程中，刀盘旋转切削下前方的土体并将其涌入密闭土舱；不断的切削涌入必定能够使土体充满土舱，这时，盾构千斤顶的顶推力就会作用在密闭土舱内的土体上而加压于开挖面。施工中要控制地表的沉降主要应从减少盾构对周围土体的扰动着手，要实现这一点只需在削土压力地层水土压力平衡时保证排土量与切削土量相同即可【５３】。２．１．２盾构法的主要技术环节盾构施工是个非常复杂的过程，盾构开挖隧道时，其对周围环境产生的影响与本身施工的主要技术有着密切的关系，因此，只有准确分析并把握盾构施工的主要因素才能更好地将盾构施工对于周围环境的影响降低到最小范围内。盾构施工的主要技术环节包括以下３个方面【ｌＪ：（１）土体开挖与开挖面支护开挖隧道过程中，土压平衡式盾构通过刀盘切削前方的土体。千斤顶的推力大小、中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理刀盘的转速快慢和切削的扭矩大小三者共同决定了排土量，而控制排土量的大小则是通过调节螺旋排土器的转速来实现的。由于施工中要保持土舱内的土体压力与开挖面承受的水土压力平衡以降低施工扰动，减小地表沉降，所以要调节并控制好排土器的转速以平衡排土量和挖土量。（２）盾构推进与衬砌拼装依靠千斤顶的顶推作用向前掘进的盾构机在前进的过程中需要克服来自开挖面的正面土体压力、侧面土体阻力、盾构机内部设备之间的摩擦力等三个方面的阻力，为了减小掘进对周围土体的扰动，需要根据上述三方面的阻力来确定盾构掘进的顶推力大小，因为如果顶推力大于阻力，会使掘进前方的土体受挤压而产生地表隆起或地层往前推移，而顶推力小于阻力则会降低施工速度。每推进一个工作环以后，盾构的千斤顶就会收缩回来并且完成拼装衬砌。（３）盾尾脱空与壁后注浆当盾构机械的千斤顶往前顶进时，拼装衬砌会脱离原本的盾构壳体内部的保护，而在自身外面产生一定的建筑空隙，从而使地层产生较大的损失，如图２．１所示。如果没有对建筑空隙及时采取有力的补救措施，那么便会引起严重的地层位移和地表沉降【５４１。（ａ）盾尾空隙后构钢壳ｉ！劳管１零苎竺要雯豳ｊ壁后注浆体、同步是浆［二二三三二二二二工二二二二：二二Ⅱ图２－１盾尾空隙与壁后注浆２．２盾构施工对土层的扰动机理（１）对水和泥浆的扰动。１２化；沿着衬砌管片之间的连接缝隙渗入其中的泥水含有沙石颗粒，它会导致土体的局部坍塌。盾构法施工特别是泥水式或者土压平衡式的盾构，施工中如果碰到坚硬的障碍物，在排除障碍物的过程也有可能引起附近的土体产生大幅度沉降。（３）对土体性质的变化盾构管片脱离盾尾时，因为盾壳内径与管片外径的制作误差，同时加上盾壳自身的厚度，管片与周围的土体会存在一个建筑空隙，大小约为２０＂－－－３０ｒａｍ。对于这个建筑空隙如果没有及时填补，那么空隙上方的土体就会塌落到管片内部，并且还会在覆盖土层陆续地产生间隙，进一步降低土体密实度。土体遭受扰动以后需要很长时间的的固结与次固结才能逐渐回复到初始的应力状态。当对隧道轴线进行纠偏时，会出现千斤顶一侧超载，而另一侧却卸载，从而使得两侧的土体应力状态存在明显的差别。土体受扰动以后，其本构关系与物理参数必定也会发生改变。（４）对土体应力状态的影响隧道的开挖会引起原来处在稳定状态的地层周围土体发生原始应力状态改变，力学行为变得比较复杂，出现加载与卸载；当周围土体的应力平衡状态遭到破坏时就会产生土体扰动，进一步引起地层的变形。当采用盾构法开挖隧道时，开挖施工将改变土体应力状态或者应力路径，而且不同位置点的土体应力路径也会不一样。盾构掘进过程中主要是靠千斤顶的推力达到向前推进的目的。当千斤顶提供的推力足以抵抗掘进过程中的种种阻力时，盾构机才得以向前推进。盾构机前进过程中受到的阻力会发过来作用于周围土体之上，这就产生了所谓的土体附加力。使隧道周围土体产生扰动的阻力主要包括：产生于盾构机壳体和盾构周围土体之间的摩擦力，耳［ＩＦＩ；开挖面的土体主动土压力，ｆｌＯＦ２；衬砌管片与盾构机尾部之间的摩擦力，Ｈ【ＩＦ３；存在于配套的车架和盾构机之间的摩擦力，即Ｆ４；盾构机刀具切口切入土体所承受的土体对其产生的阻力，即Ｆ５。当千斤顶的总推力大于或者等于这５项阻力时，处于盾构机前方的土体就会经过加载并且产生弹塑性变形，其中加载力为Ａ仃。。图２．２即为盾构掘进时产生土体扰动的影响范围，其中，虚线所围成的部分是挤压扰动的影响范围。图中①区的土体保持原有的应力状态，土体的水平应力为仃。、垂直应力为盯－Ｊ．②、④两个区土体承受的挤压变形很大，其中②区土体的水平应力和垂直应力都增加了，而④区土体只有水平应力增加了；处于③区的土体在大刀盘的切削搅拌影响下，应力状态变得十分复杂，如果不及时加以支撑，就会导致开挖面应力松弛，相应地土体的水平应力也会减小，但是，如果对丌挖面施加的支撑力太大，则中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理土体的水平应力就可能增加。当土体产生的阻力总和大于盾构千斤顶所能提供的推力时，盾构就无法往前推进，而处于静止状态，这时开挖面土体若没有及时施加支撑，那么土体应力就会发生释放，并且朝着盾构的临空面发生滑移【１１。根据盾构所处的位置与Ｔ，Ｆ（其中Ｆ＝Ｆｌ＋Ｆ２＋Ｆ３＋Ｆ４＋Ｆ５）间的相对大小可以绘制出如图２．３所示的土体的扰动分区。＼＼④／≮＼＼图２－２盾构前方土体扰动分区图围结区ＩＶ．，‘、．，＼，、图２．３土体扰动分区图盾构掘进的开挖和衬砌中，应时刻保证土舱内土体压力只稍微大于开挖面的水土（５）对土体应变状态的影响盾构隧道产生地表沉降的基本原因是施工过程中引起的地层损失与隧道周围重１４压力总和（Ｐｚ＋Ｐｗ），以减小土体受到的开挖扰动影响。但是，在实际的施工过程中，由于土舱压力还受到千斤顶推进速度以及排土器排土量等因素的影响，无法完全实现只＋凡≤Ｐ，，因此盾构掘进对于土体的扰动无法完全避免。中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理塑土受到扰动或者剪切破坏而产生的固结作用。盾构施工中，土体的实际开挖体积与隧道的竣工体积之差称为地层损失，其中，隧道的竣工体积还包括隧道外围包裹着的注浆体的体积。地层损失率为地层损失的大小与盾构的理论排土体积的比值，表示为以（％）。对于本文所研究的圆形盾构隧道，其理论排土体积为确２，，其中，ｎ为盾构机的外径，，为盾构每环的推进长度，那么单位长度的地层损失率为：Ｋ＝巧（％）×７／７＂０２。当隧道周围的土体补偿地层损失时就会产生地层的移动，从而引起地表沉降。盾构隧道施工产生地表沉降的因素主要有以下方面【５５】：①开挖面土体发生移动。当千斤顶提供的对开挖面土体的支撑力小于来自土体侧面的压力时，开挖面土体就会往盾构内部移动，地层的损失将带来地表下沉；相反地，当千斤顶提供的对开挖面土体的支撑力大于来自土体侧面的压力时，则开挖土体向前移动引起地表隆起。②盾构后退。当盾构掘进机器暂时停留休息时，千斤顶的漏油产生压缩回退可能会导致盾构机械整体后退，从而开挖面前方的土体变得松动甚至发生坍塌，最终引起地层损失。③盾尾后边的土体压入盾尾空隙。当往盾尾后面的隧道外部产生的建筑空隙转入泥浆充填时，如果存在注浆不及时、注浆量不够、注浆压力偏大或偏小等情况时，盾尾后面的土体原有的平衡状态就会破坏，发生土体挤入盾尾空隙的现象，产生地层损失。在某些稳定条件不好的地层中，盾尾后边的土体挤入盾尾空隙是地层损失的主要原因，尤其是在粘土中，由于粘土的粘附作用，盾尾建筑空隙会更大，在注浆不及时的情况就会带来更大的地层损失。④盾构机的推进方向发生改变。在曲线推进、盾尾纠偏、仰头推进的过程中，盾构实际的开挖断面往往不是圆形而是椭圆，其实际开挖面略大于设计开挖面，从而引起地层损失，并且超挖的程度以及由其引起的地层损失随着盾构轴线与隧道轴线的偏角的增加而增大。⑤盾构机正面障碍物随着盾构的推进而移动，当盾构机通过后，地层产生的空隙未能及时得到压浆填充，也会引起地层的损失。⑥壳体移动与地层之间的摩擦和剪切作用，引起地层损失。⑦隧道衬砌由于受到土压力的作用，也会产生变形从而带来少量的地层损失。⑧当隧道衬砌的沉降量较大时，也会引起较大的地层损失。当周围土体受到盾构施工的扰动后，就会在盾构隧道周围形成一个超孔隙水压力区。盾构推入地层后，其周围的孔隙水压力分布如图２．４所示。盾构离开该地层后，土体的表面应力发生释放，隧道周围的孔隙水压力也随之下降，孔隙水压力分布状态如图２．５所示。超孔隙水压下降的过程中，会有孔隙水排出，进而产生地层移动与地表沉降【６】。中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理ｕ／ｔｕ／～厂。、．＼Ｌ一／／＼．．＿ｊ厂。‘、∥ｆ．。≮．．／图２＿４孔隙水压力分布图图２－５孔隙水压力分布图此外，盾构推进的过程中还受到挤压作用和盾尾的压浆作用，这些施工因素会使隧道周围的地层形成一个超孔隙水压力区（其值为正的）。盾构隧道施工完成以后，超孔隙水压力区的超孔隙水压力会在一段时间内逐渐消失直到回复到原来的状态。而在这个过程中，地层会产生排水固结变形，从而引起地表沉降。因地层的孔隙水压力变化而产生的地面沉降，称为主固结沉降；土体受到扰动以后的很长一段时间土体骨架还会持续产生压缩变形，而这种土体蠕变过程中所产生的地面沉降称为次固结沉降。在软塑和流塑粘土中，由于土体的孔隙比和灵敏度较大，次固结沉降往往要持续几年，软土中的固结沉降量占总沉降量的比例可高达３５％以上。土体产生附加位移的主要是因为受到了施工扰动，施工扰动能够改变土体的应力状态并使土体产生位移。土体的主固结压缩、弹塑性剪切、粘性时效蠕变共同构成了土体位移。前人的研究成果表明：土体受扰动范围与地表中心沉降量大小呈相同趋势，受扰动范围越大中心沉降量也越大，二者存在很好的线性相关。土体受扰动的范围受到很多因素的影响，其中包括：盾构机的顶推力、注浆回填的时间、覆土层的厚度与隧道外径的比值等等。当盾构机的顶推力越大时，地表沉降量也越大，因为随着顶推力的增加，盾构前方土体的挤压程度越高，土体受扰动程度也越大；当回填注浆的时间越长，地表沉降也越大，因为随着盾构推进完成与回填注浆的时间间隔增加，土体应力释放的程度就越高，土体应力扰动程度也越大；当覆土层的厚度与隧道外径的比值越大，地表受到的扰动越小，地表沉降量也随之减小。２．３地层沉降的影响因素因为隧道施工改变了土体原本的应力场，对开挖面的围岩或者土体产生扰动，使得隧道周围的土体发生变形，进而导致地表变形。理想情况下，隧道开挖是一个卸载过程，所以其产生的地表变形应该是地表隆起，但是，实际施工过程中，往往还受到以下方面的因素影响，而使地表产生沉降变形。（１）隧道埋深。隧道的埋深同时影响着地表沉降的最大值和地表沉降的影响范围。不同的地层情况下，隧道埋深对地表沉降的影响可以借由Ａｔｅｗｅｌｌ研究得出的关系１６三：ｋｆ旦１（２．１）尺Ｌ２Ｒ／式中：卜隧道中心轴线与地表沉降槽曲线反弯点的距离；Ｒ－一隧道的半径；ｌｒ隧道的埋深；ｋ、ｌｒ与地层特性和施工因素相关的常数。（２）开挖断面形状和尺寸。随着隧道开挖半径的增大，地表下沉量和沉降槽的宽度都会增大；隧道开挖断面尺寸越大，地表下沉量也越大。（３）土层条件。隧道上方的覆盖土层由于分布情况、土层厚度、物理力学参数等条件各异，会对地表沉降产生较大的影响，同时地表沉降还受土层的历史应力状态影响。（４）地表下富含的地下水。由于盾构法采用的是暗挖技术，所以在富含地下水的施工区段应做降水处理，而降水范围和降水方法都对地表的沉降有一定的影响。（５）开挖面土体的侧压力系数。侧压被磊篆瓣当开挖面受到的水平支护力小于开挖面原始侧应力，开挖面土体就会往盾构内部移动，地层的损失将带来地表下沉；相反地，当开挖面受到的水平支护力大于开挖面原始侧应力，则开挖土体向前移动引起地表隆起。（６）受扰动的土体发生固结。由于盾构施工的影响，周围土体产生扰动并形成一个超孔隙水压力区，随着盾构不断向前掘进而离开所处的地层，孔隙水压力就会因为土体表面应力释放而下降，从而水流排除，导致地表下沉和移动。（７）开挖面土体发生移动。当千斤顶提供的对开挖面土体的支撑力小于来自土体侧面的压力时，开挖面土体就会往盾构内部移动，地层的损失将带来地表下沉；相反地，当千斤顶提供的对开挖面土体的支撑力大于来自土体侧面的压力时，则开挖土体向前移动引起地表隆起。（８）由于盾构机的暂停推进，千斤顶发生漏油回缩而产生的盾构后退会引起开挖面土体松动甚至坍塌，带来地层损失引起地表下沉。（９）盾尾后边的土体压入盾尾空隙。当往盾尾后面的隧道外部产生的建筑空隙转入泥浆充填时，如果存在注浆不及时、注浆量不够、注浆压力偏大或偏小等情况时，盾尾后面的土体原有的平衡状态就会破坏，发生土体挤入盾尾空隙的现象，产生地层损失。在某些稳定条件不好的地层中，盾尾后边的土体挤入盾尾空隙是地层损失的主１７中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理要原因，尤其是在粘土中，由于粘土的粘附作用，盾尾建筑空隙会更大，在注浆不及时的情况就会带来更大的地层损失。（１０）盾壳的移动会和土层产生摩擦和剪切，这也是地层损失的一个因素。（１１）盾构开挖中碰到坚硬障碍物后又继续向前推进，这就使得盾构通过后的地层会留下一定的空隙，这些空隙为得到及时的填充时也会引起地层损失。２．４地层沉降的特征土体的固、液、气三相体系使得它具有流变性，因此隧道开挖引起的地表变形都是有一个积累的过程，而不是瞬间达到变形最大值，也就是说地表变形具有时间效应。另外，地表变形还具有空间效应，它是呈三维的。地表沉降的时间效应和空间效应受到许多因素的影响，下面将详细加以说明。２．４．１地层沉降的时间效应不同隧道工程的水文地质条件周围环境往往不一样，施工所引起的地表沉降的时间效应也不同。一般地，地表沉降在时间上可以划分成五个阶段，如图２－６所示：第２阶段第３阶段爿７ｕ—Ｉｔ戈卜隆起Ｉ／帚蚋‘成＼｜＼卜ｉｉ‘ｔｗＩ夙／＼＼／ｔＪ＼／ｌ＼／下降＼＼～一／时ｎＳ‘＼．＼、——＿～ｌ入＼图２－６沉降发展曲线示意图（１）先行沉降盾构掘进过程中，开挖面发生涌水和管片拼装质量不好都会降低隧道土层的地下水位，这就相当于覆土层加大，由此产生盾构到达之前的地表先行沉降。（２）开挖面前的沉降和隆起开挖面土体压力过大或过小都可能导致土体失去平衡状态，因此要合理控制开挖面的土体压力，而它与盾构机掘进的速度和刀盘的排土量有关。当正面土压力与开挖面的静止土压力相等时，盾构掘进对于土体的影响作用最小；当千斤顶的推力不足，１８中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理导致正面土压力比开挖面的静止土压力小时，将会发生开挖面土体的下沉；当千斤顶推力过大则反过来会引起开挖面土体的隆起。如果将当正面土压力与开挖面的静止土压力差值控制在一定范围内时，那么地层的变形就呈线弹性变化，并且变化率比较小，而若二者差值很大，则地层的变形将发展为塑性变形，并且变化很大。这种地表沉降是由于土体应力释放、开挖面土体反作用力、周围土体与盾构机之间的摩擦力等因素综合作用而产生的。图２．７简单地表示了盾构机推力大小对土体沉降的影响。隆起Ｔ讥！』／图２．７盾构正面土压模式图（３）盾尾沉降当盾构机通过土层以后，由于扰动而使土体原有的应力状态被破坏并发生改变，这就产生了所谓的盾尾沉降。（４）盾尾空隙沉降盾构掘进过程中盾尾会产生一个建筑空隙，这个建筑空隙上方和周围的土体由于应力释放而产生的弹塑性变形为盾尾空隙沉降。（５）后续沉降地层受到扰动以后会产生固结变形和蠕变残余变形，这两者共同构成了地表的后续沉降。固结变形和残余变形同时产生的，这与地层条件与施工条件有关。目前随着盾构机的制造已有了很大程度的改进，加上盾构施工水平的提高，我们可以将正面土体压力控制在较为理想的范围内，使其与水土压力接近，另外，同步注浆技术也为减少地表沉降做出了很大贡献。２．４．２地层沉降的空间效应地表沉降的空Ｉ’日Ｊ效应是指盾构隧道引起的地表变形为三维分布状态，随着盾构机１９中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理的推进，地表沉降会沿着隧道的纵向往前不断推进发展，同时沉降槽也有所增大，总体呈现波浪般的前进趋势。地表沉降的空间效应如图２．８所示。葛篁Ｉ■、们≥们｛辱世，、．照３ｌ３ｉ差鳝图２－８地表变形理想状况（１）地层的移动是沿着隧道开挖面和起点开始，往上、往前、往侧面同时开展的，沉降范围从盾构的上部到下部扩散开来，最终趋于稳定。（２）地层位移大小受到土层条件和隧道埋深等因素的影响，当隧道上方覆土厚度越大时，地表沉降量越小，在隧道中心轴线衬砌顶端所对应的地表沉降值达到最大。（３）地表沉降槽是曲线形状的，其纵向和横向的分布都近似于正态概率函数分布曲线。（４）盾构隧道纵向断面的地表变形靠近开挖土体前方的区域为应力拉伸区，在沉降槽参数（ｉｙ）处拉应变为最大，盾构刀盘后方为压缩区，沉降槽参数（ｉｙ）处压应变为最大；横向断面上，在轴线为对称轴的沉降槽参数（ｉｘ）范围内为压缩区，在ｉｘ～３ｉｘ范围内为拉伸区，最大拉应变位于１．７３２ｉｘ处。（５）下沉盆的大小与土层条件、隧道的埋深等因素有关，并随埋深的增大而减小。综合国内外对盾构法的研究资料，盾构的扰动范围基本上近似于土的破坏棱体，并且主要由剪切破坏面控制，沉降扰动影响范围如图２－９所示。２０盾构掘进时，垂直于隧道轴线方向地面扰动范围ｗ理论值也分两种情况：①盾构通过时，盾构挤压土体向两侧移动，地面土体的扰动范围账理论上限值为：ｗ＝Ｄ／２＋Ｈｔａａ（４５０＋缈／２）（Ｄ为隧道外直径，Ｈ为隧道轴线埋深，缈为土休内摩擦角）②盾构通过后，由于建筑空隙，土体向隧道中心移动，此时地面土体的扰动宽度Ｗ理论下限值为：ｗ＝Ｄ／２＋Ｈｔａｎ（４５０．缈／２）盾构掘进引起土体的扰动范围一般介于式理论上限值与下限值之间，盾构掘进引起士体扰动范围的实际值与土体地面沉降大小有关。土体地面沉降越大，土体扰动范围越大。２．５本章小结本章分析了隧道施工产生地表沉降的机理，为下文对地表沉降规律及控制措施的研究提供理论依据。本章主要包括以下内容：（１）简要阐述了盾构施工的基本原理及其主要技术环节。盾构法的基本工作原理就是一个圆柱体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进边对土壤进行挖掘，盾构法施工主要由稳定开挖面、挖掘及排土、衬砌（包括壁后注浆）三大要素组成。盾构施工主要技术环节包括：土体开挖与开挖面支护、盾构推进与衬砌拼装、盾尾脱空与壁后注浆。（２）详细阐明盾构施工对土层的扰动机理并分析地层沉降的影响因素。盾构施工对土层的扰动主要包括５个方面，即对水和泥浆的扰动、对不良土层的影响、对土２ｌ中南大学硕士学位论文第二章隧道施工产生地表沉降的机理体性质的变化、对土体应力状态的影响和对土体应变状态的影响。地层沉降的影响因素则包括隧道埋深、开挖断面形状尺寸、地层条件、地下水、开挖面侧压系数、扰动土体的固结、开挖面土体的移动、施工中盾构后退使开挖面塌落和松动、土体挤入盾尾空隙、盾壳移动与地层间的摩擦和剪切和随盾构推进而移动的正面障碍物等１１方面的因素。（３）分析了地层沉降的特征。隧道开挖后土层变形都不是瞬间达到最终值的，而是随着时间推移逐渐累积终，地层沉降具有“空间效应”的同时还表现有“时间效应＂。地层纵向和横向沉降与许多因素相关，包括水文地质条件、开挖方法、开挖技术条件、开挖断面型式、支护的时间与刚度、地层原始应力的变化等。中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟第三章隧道施工数值模拟３．１隧道施工过程有限元分析原理岩体不同于其它一般的材料，它是一种具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件等性质的地质结构体。由于岩体的此种特性，研究者们无法简单地用解析方法对岩石力学问题进行求解。相比之下，近些年发展起来的数值分析方法不仅能够模拟岩体复杂的力学问题以及结构特性，还能很方便地分析施工过程以及各种边值问题，并且能够对工程进行预测。因此，数值分析方法已成为了近年来分析解决岩体工程问题最有效的工具之一。近些年来，相继出现了许多数值分析方法，而所有这些数值分析方法除了各自的特点，都有一个共同点，那就是：将带有边界条件的常微分方程或偏微分方程离散为线性代数方程组，采用适当的求解方法解方程组，并获得基本未知参量，进而根据几何方程和物理方程，求出研究范围内的其他未知型５４￥】。３．１．１隧道模型有限元分析概述目前，有限元法已成为应用于岩土工程和结构分析领域的最有效工具之一。有限元法的基本思想是将连续的整体结构分割成有限个小单元，而每个小单元中又设置有限个结点，将连续体视为是在结点处相连接的一组小单元的集合而构建的整体；并选定场函数的结点值作为基本未知量，在每一个单元都假设一近似插值函数从而来表示单元场中场函数的分布规律；以此利用力学中的某些变分原理去建立有限元平衡方程来求解结点未知量，这样就把连续域中的无限自由度问题进行转化，变成了离散域中的自由度问题。一旦求解就可以使用解得的结点值和设置的插值函数确定单元上以至整个集合体的场函数。有限元法是用一种由多个彼此联系的单元体组成的近似等价物理模型来代替实际的结构物或者连续体。通过连续体力学的基本原理以及单元的物理特性来建立表征力和位移关系的方程组。通过解方程组来求其基本的未知物理量，并且由此来求得各单元的应力、应变和其他辅助量的值。有限元法的应用发展非常快，它不仅能够很容易的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，更能灵活地模拟岩土工程中复杂的施工过程，因此，已成为目前隧道数值分析的主要手段。利用有限元法计算时，可以采用的求解方法包括力法、位移法和混合法。其中，这里以位移法计算为例，求解步骤如下：（１）结构离散化。离散化是指将结构分割成有限个单元体，同时将单元的指定中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟点设置为节点，使相邻单元的相关参数在节点处具有一定的连续性，使原有的结构用有单元构成的集合体来代替。（２）选择位移模式。有限元方法通常是对典型单元进行分析，单元内的位移、应力、应变用节点位移来表示，在分析连续体问题时，通常假定位移是坐标的某种简单函数，这种函数称为位移模式或插值函数。（３）分析单元力学特性。节点位移的单元应变是用通过几何方程导出的关系式来表示；节点位移的单元应力是用通过物理方程导出的关系式来表示；同时利用变分原理，建立作用于单元节点力与节点位移之间的关系式，即单元平衡方程。（４）集合所有单元平衡方程，建立整个结构平衡方程。该步骤包括两方面的内容：一方面是将所有单元的刚度矩阵集合成整个结构的结构刚度矩阵；另一方面是将作用于所有单元的节点力列阵集合成整个结构的节点荷载列阵。（５）对边界条件进行约束。（６）对未知点的位移和应力进行计算求解。简而言之，有限元分析可分为三个阶段：前处理、计算和后处理。前处理是建立有限元的几何模型，并生成划分单元网格；后处理也就是查看分析结果，使用户能简便提取信息，用于判断分析是否正确，同时也获得物体对荷载的响应，用于指导设计。３．１．２岩土材料力学特性和本构模型总体归纳起来，岩土类材料的基本力学特性有以下几点【２】：（１）岩土是由矿物组合而成的自然历史产物，结构复杂。（２）岩土具有压硬性，即在一定范围内，岩土体的抗剪强度随着压力的增大而增大。由于岩土材料是由矿物颗粒堆积或者胶结而成的，它属于摩擦型材料，因此，岩土的抗剪强度与其粘结力和摩擦角有很大关系。（３）作为一种多相材料，岩土体具有多压屈服性，即在各向等压作用下，岩土体会发生塑性体变。（４）岩土材料具有剪胀性，即在剪应力的作用下，岩土材料会发生体积膨胀或收缩的现象，即发生塑性体应变。上述特性即为岩土材料共同的基本力学特性，岩土体的塑性理论必须能够反映出岩土材料的这四个特性。针对材料的物理性质进行数值处理时，其中心部分是建立其本构关系，即对于其应力、应变、强度和时间之间关系进行描述【删。土的本构关系，是在用压缩仪、三轴移、平面应变仪、真三轴仪等对相关土体进行试验后，分析整理相关试验结果的基础上提出的。由于采用传统的岩土力学理论进行工程设计已经不能满足要求，因此，必须采用有限元等先进的数值计算方法来辅助研究和设计，这就对岩土体本构模型的建立提出２４中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟了更高的要求。对岩土体进行本构关系的研究，主要是将数值计算方法与岩土体的应力、应变以及强度等联系起来，从而使弹性力学等一些列的力学方面的新理论和新方法对于分析岩土体性质，讨论岩土的力学问题有着重大的指导意义，并且作用非凡。目前，用于隧道开挖后围岩力学特征的本构模型包括：线弹性、非线性弹性、弹塑性、临界状态岩土以及应变一软化等多种本构模型。从本质上讲，岩土类材料的本构关系是非线性的，通常有与加载历史无关的非线性弹性和与加载历史有关的弹塑性。非线性弹性的应力应变关系虽然是非线性的，但是材料为完全弹性的，应力应变关系互为单值函数，与加载历史和时间无关。由此建立的模型中，假定变形是弹性的，材料的非线性通过改变弹性常数来反映。弹塑性理论包括弹性理论和塑性理论，其中塑性理论主要涉及到塑性增量本构理论，有屈服准则、加卸载准则、塑性流动法则、硬化规律等【２１。（１）屈服准则屈服准则是表示在复杂应力条件下，材料进入初始屈服的条件，它控制了塑性变形的开始阶段。在主应力空间中表现为屈服面。如果介质某点的应力在屈服面之内变化，则为弹性状态；如果某点的应力落在屈服面上，则为塑性状态，此时既有弹性变形又有塑性变形。在应变硬化的材料中，屈服后再连续加载到较高的应力水平时，屈服面就连续扩大直至破坏。这样，屈服面就与破坏面相重合。在理想弹塑性材料中，屈服面就是破坏面。我们知道材料在一维拉伸或压缩应力条件下，若应力达到其屈服强度，材料就开始进入屈服状态。但对二维和三维复杂应力状态，就需要根据材料特性建立一个条件，应力状态满足这一条件，材料就屈服。目前，岩土介质的常用屈服条件有特雷斯卡（Ｔｒｅｓｅａ）屈服准则、米塞斯（Ｍｉｓｅｓ）屈服准则、摩尔一库仑（Ｍｏｂ＿ｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ）屈服准则和德鲁克一普拉格（Ｄｒｕｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ）屈服准则。这里重点阐述有限元分析中运用到的摩尔—库仑模型。弹塑性模型把总的变形分成弹性变形和塑性变形两部分，用虎克定律计算弹性变形部分，用塑性理论部分来解塑性变形部分。对于土体，摩尔一库仑强度理论受到广泛应用，其破坏准则为：—Ｏｒ—！－－０－３：Ｏ＂１＋，’Ｏ＂３ｓｉＩｌ缈＋ｃＣＯｓ缈，’一，（３．１）或吼＝叽ｔ９２（４５＋娄）＋２ｃｔｇ（４５＋兰）Ｚ么（３．２）它表示破坏与％无关，在主应力空间破坏面是与氓轴平行的面，且投影到Ｏ＂Ｉ轴与吒轴构成的平面内，是以式（３．１）为代表直线。如果正、％、０－３的大小不确定，则为６个面，它们在主应力空间构成不等角的六角锥面，如图３．１所示。锥顶点Ｇ在叭、Ｏ＂ｔ、０＂２、吒三个方向的坐标值都是．ｃｃｔｇ々ａ。在粘聚力ｃ＞Ｏ．的情况下，锥面ｑｏｏ＇３中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟面的交线为ＡＦＣ，它与坐标轴ＯＡ、ＯＣ构成正方形ＯＣＦＡ。同样，锥面与其他两个坐标面的交线与坐标轴也构成正方形，它们分别是ＯＡＤＢ和ＯＢＥＣ。值得注意的是，ＤＥＦ和ＡＢＣ不在同一个平面上。如果用通过Ａ、Ｂ、Ｃ的面来切割六棱锥面，则交线为ＡＨＢＩＣＪ，它是一个等边不等角的六角形。对于主应力大小确定的情况，矾＞吼＞吼，摩尔一库仑准则所对应的破坏面仅仅是由ＧＡＤ所表示的平面。它与呸轴平行，在吼帆面上的投影是式（３．１）所确定的直线。图３．Ｉ在主应力空间内的破坏面（２）流动法则流动法则是基于假定塑性应变增量与塑性势中的应力梯度成正比为前提，它描述了发生屈服时塑性应变的方向，也就是说，流动法则定义了单个塑性应变分量随着屈服是如何发展的。一般来说，流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的，这种流动准则叫做相关流动准则，如果使用其它的流动准则（从其它不同的函数推导出来）则叫做不相关流动准则。对理想塑性材料，采取相关流动准则时，塑性势函数和屈服函数Ｆ相等。由此有张量形式表示：如罗：ｄ２堕：ｄ２里（３．３）’８０镕ａｏ４式中：蟛一塑性应变增量张量。％—应力张量；五一塑性因子。中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟３．１．３隧道施工过程数值模拟方法（１）隧道开挖（卸载）模拟岩土的初始地应力是开挖前岩体天然状态下存在的。它包括由于上覆岩（土）层的重量引起的自重应力及由于地质作用产生的“构造应力’’等，是数值计算的一个重要的原始条件。由于岩土工程的开挖使开挖边界裸露，这些边界点（如地下巷道的周边）原来处于一定的初始（原始）应力状态，开挖使这些边界点的应力“释放’’，从而引起围岩应力场和位移场的重新分布。隧道的开挖导致围岩应力场和位移场的变化，一般都是通过卸载过程来实现的。在对卸载过程进行模拟时，通常有两种不同的处理方法。一种是在已知边界初始应力作用下，沿预定开挖线进行的“开挖卸荷模拟方法＂，如图３．２（ａ）；另一种是在确定开挖空间几何形状后的“外边界加载法”，如图３．１（ｂ）。ｊ¨¨¨¨｜『１一¨｛『｛『¨１｜¨｛，『一·１＼＿＇＼：＼二＼二＼二＼二＼｝二＼：＼二＼压◆（ａ）（ｂ）匿１３－２开挖卸栽模型从应力路经看，隧道的开挖过程中应力场的演化是卸载过程的产物，而不是加载所形成的，因此，严格地讲隧道开挖问题的模拟应该采用“开挖卸荷模拟方法”。只有在进行线弹性分析或不考虑岩体的弹塑性变形时，两者才能取得相同的应力计算结果。但“外边界加载法’’所得出的位移实际是初始应力场和开挖边界形态影响的综合结果，而不具有明显的实际意义。而“开挖卸荷模拟方法＂的位移场则真实地反映了开挖所引起的位移变化，是工程需要了解的部分。所以对隧道等地下结构的应力应变场进行分析时应采用卸载的方法。正确模拟卸载过程的效果是地下工程数值模拟的一个重要课题。开挖卸载之前，沿着开挖边界上的各点都处于一定的初始应力状态，如图３．３所示，开挖使这些边界的应力解除（卸载），从而引起围岩变形和围岩场的变化。对上述过程的模拟通常所采用的方法有两种：邓肯等人提出的“反转应力释放法”和“地应力自动释放法’’ｂ６。。２７中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟图３．３开挖卸载“反转应力释放法＂是把沿着开挖边界上的初始地应力反向后转换成等价的“释’。放荷载＂，施加于开挖边界，在不考虑初始地应力的情况下进行有限元分析，将由此得到的围岩位移作为由于工程开挖卸载产生的岩体位移，由此得到的应力场与初始应力场叠加即为开挖后的应力场，方法如图３．４。对于一般的隧道工程，“反转应力释放法＂可以方便地模拟旋工过程。对每一步开挖，只需在计算开挖边界释放荷载的同时，把这一步被挖出部分的单元改为“空单元＂，即令其弹性模量Ｅ＝ＯｆｌＰ可。此种方法的不足之处在于应力反转时释放荷载的计算困难，对大型的地下工程如地铁车站、连拱隧道等由于施工工序繁多，应力场需多次叠加，使得分析过程过于繁杂。另外，进行弹塑性分析时，由于应力场需要叠加，对围岩屈服的判断需作特殊的处理，增加了分析的复杂度，降低了分析的准确性【５７１。开挖———————●Ｐ反转应力０ｆ：Ｃ白＋（ｎ应力叠加一图３－４反转应力释放法“应力自动释放法’’则是认为洞室的开挖打破了开挖边界上各点初始的应力平衡状态，开挖边界上的节点受力不平衡，为获得新的力学平衡，围岩就要产生相应的变形，引起应力的重分布，从而直接得到开挖后围岩的应力场和位移场，如图３．５所示。中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟分步开挖时，对于每一步开挖，将这一步被挖出部分的单元变为“空单元’’，即在开挖边界产生了新的力学边界条件，然后直接计算就可得到工况开挖后的结果，接着可用同样的方法进行下一步的开挖分析。“地应力自动释放法＂更符合隧道开挖后围岩应力重分布的真实过程，反映了开挖后围岩卸载的机理，可以实现连续的开挖分析。它不需人为计算释放荷载，不需进行应力叠加，对于弹塑性分析计算只需建立弹塑性模型，其余计算过程同线弹性，不需做任何特殊处理就可实现连续开挖。图３．５地应力自动释放法（２）施工过程模拟在对隧道结构进行结构分析时，我们关注的不仅仅是建成后隧道结构和围岩的稳定性，而且关注各个旋工阶段中围岩和尚未完成的结构的受力和变形情况。根据新奥法的基本思想，隧道开挖后，围岩从变形到破坏有一个时间历程，其包括开挖面向前推进围岩应力逐步释放的时间效应和围岩介质的流变效应，如能适时地构筑支护结构，使围岩和支护结构共同形成兼顾的承载环，就能保证整个结构系统的稳定和安全。因此，想要真实地模拟隧道开挖与支护地整个旌工作业流程，不仅要考虑围岩介质的复杂性态，施工作业方式，包括施工开挖的分部步序，支护结构的形式和施作时机，而且还要考虑开挖面推进过程的空间效应，为此要反映真实的原型，需要在考虑时间因素的影响下建立三维的空间模型。但是用真三维的计算模型来模拟上述复杂的地层特征和施工条件，伺时又要考虑施工支护的时效性是很难办到的，昂贵的计算费用和有限的计算机内存使人们束手无策，但可采用适当简化的模型，以尽量逼近真实原型。现实中最常用的是将地下结构按平面应变问题进行计算，又因为岩体的流变参数获取困难，有时甚至不考虑岩体的流变特性，仅按线弹性或弹塑性处理【５引。当把岩体的变形看作是线弹性或弹塑性问题，建立平面应变模型进行隧道结构分析时，为了比较真实地模拟施工过程，常采用“应力逐步释放”的方法来模拟隧道开挖与支护的时空效应。具体的实现方法有两种：“反转应力逐步释放法”和“施加虚拟支撑力逐步释放法’’１５圳。“反转应力逐步释放法＂是以“反转应力释放法”为基础的，将释放荷载按开挖和支护的工序分成几部分，多次逐步释放。因为“反转应力逐步释放法”是以“反转中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟应力释放法＂为基础的，其不可避免地存在和“反转应力释放法＂一样的不足之处。“施加虚拟支撑力逐步释放法”是在“地应力自动释放法＂的基础上，通过在开挖边界施加虚拟支撑力的方法，来模拟围岩的逐步卸载。“施加虚拟支撑力逐步释放法＂对隧道施工过程的模拟连续进行，不需要应力和位移的叠加，使得分析过程更为简单，也更符合施工实际。本文对隧道施工过程的模拟主要采用“施加虚拟支撑力逐步释放法’’。（３）释放荷载计算无论用哪种方法来模拟隧道的施工过程，都要进行释放荷载的计算，有些有限元程序可以自动计算节点的释放荷载，而有些时候由于计算程序的限制，往往需要人工计算。释放荷载的确定也有两种方法，一种是将释放边界一侧单元的初始应力转换成相应的等效节点荷载，然后通过叠加，计算开挖边界上各节点总的等效节点荷载。Ｆｏ＝ＬＢ２ｃｒｏｄｆ＇ｚ（３－４）Ｚ＝帆厶ｆ＝一∑ｔｏ＂（３－５）式中，Ｄｏ一单元初始应力向量；艿１一应变矩阵的转置阵；Ｑ一积分区间，平面问题为单元面积，空间问题为单元体积。另一种确定释放荷载的方法是：根据预计开挖边界两侧单元的初始应力通过插值求得边界节点上的应力，然后假定两相邻边界节点之间应力变化为线性分布，从而按静力等效原则计算各节点的等效节点荷载，如图３．６。则对于任一开挖边界节点ｉ，开挖引起等效释放荷载（等效节点力）为：１只，７５２言【２ｑ，ｆ（６１＋６２）Ｊ＋吒＇ｉ＋１６２＂ｓｔ＂Ｏ＇ｘ，ｉ＿ｌｂｌ＋２ｒ圳（口ｌ４－ａ２）４－ｚ＇ｘｙ，ｉ＋１ａ２＋ｚ＇ａｙ，ｌ－ｌａｌ（３－６）１１Ｂ，。５２言Ｌ２仃ｙ，ｆ（口ｌ＋口２）Ｊ＋ｑ舟ｌａ２＋ｏｒ—ｌ－ｌａｌ＋２ｒ夥Ｊ（６ｌ＋６２）＋～’ｌ＋ｌ如＋ｆ秒Ｈ６Ｉ式中吒』一ｌ，仃Ｊ，Ｊ—ｌ，盯习，，卜ｌ，吒Ｊ，Ｏ＇ｙ，Ｈ，勺Ｊ……ｆ矽Ｊ＋ｌ为开挖前节点ｉ一１，ｉ，ｉ＋ｌ处的应力分量。当隧道进行分部开挖时，则第二次开挖应以第一次开挖后的应力场作为初始应力场，以此类推。（ａ）洞型（ｂ）节点间的应力分布图３－６开挖边界线上应力及等效节点力计算示意图３．２ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ简介目前，数值分析软件有很多，软件开发技术日趋成熟，软件的模拟和分析功能也越来越强大，不同的数值分析软件各有特色，分别适用于不同研究领域，本文数值模拟工具将采用用岩土与隧道分析系统ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ。Ｍｉｄａｓ／ＧＴＳ作为岩土和隧道的通用分析软件，具有类似ＣＡＤ水准的数值建模功能，为复杂地下工程的有限元数值分析提供了方便。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ（岩土与隧道分析系统）代表了当前工程软件发展的最新技术，在隧道工程与特殊结构领域提供了一个崭新的解决方案。自从１９８９年以来，ＭＩＤＡＳ公司致力于有限元分析与仿真方面的研究，而ＧＴＳ就是在其基础上发展而形成的专门针对岩土与隧道工程的分析软件唧ｊ。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ主要针对岩土隧道领域的结构分析所需要的功能直接开发的程序，是通用有限元程序与岩土及隧道专业技术的完美结合，并通过了国际ＩＳ０９００１品质管理认证及韩国隧道工学会等专业机构的认证。其全新的操作界面和三维分析功能，为岩土和隧道工程师提供了强有力的解决方案。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ在直观建模、自动划分有限元网络、卓越的分析能力和速度、可视化的模型及分析结果、输出计算书等方面提供了一个很好的人机交流平台。另外，其独特的Ｍｕｌｔｉ．Ｆｒｏｎｔａｌ求解器可提供最快的运算速度，这也是最强大的功能之一。在２００６年世界隧道大会暨第３２届国际隧协年会在韩国首尔举办之际，ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ以其友好的界面及优秀的前后处理、强大的分析功能得到各位专家的好评。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ已经通过－ｊ＂ＱＡ／ＱＣ质量管理体系认证，能确保计算结果的精度和质量，致力于为岩土与隧道工程方面提供一个创新的解决方案咖】。中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟在进行岩土结构分析的时候，往往需要对同一模型进行各种分析。作为岩土专业通用有限元软件，ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ为用户提供了几乎所有的岩土分析，其中包括：线性静力分析、非线性静力分析、施工阶段分析、固结分析、稳定流分析、非稳定流分析、动力分析以及边坡稳定分析等，见图３．７ｔ俐。（ａ）应力分析Ｃｏ）应力一渗流耦合分析（ｅ）基坑开挖施工阶段分析（ｂ）渗流分析（ｄ）固结分析（ｆ）衬砌分析中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟’杉７（ｇ）地震、振动、爆破分析（ｈ）边坡稳定性分析３．７ＧＴＳ分析类型通过ＧＴＳ为用户提供的以上几种分析类型，用户可以实现对隧道、基坑、边坡、土石坝等等岩土和隧道结构的计算和分析。在岩土结构中，除过需要考虑岩土自身的作用外，同样也需要考虑结构部分对岩土部分的作用。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ也为用户提供了各种结构单元来模拟结构部分的作用，包括：桁架单元、梁单元、桩单元、只受拉单元、只受压单元、板单元以及平面应力单元等结构单元。通过这些单元的设置，可以模拟各种岩土分析中的结构部分，例如：隧道施工阶段分析中的支护结构、临时架设构件、桩、边坡支护构件等等。通过使用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，用户可以实现岩土和结构的协同作用，实现对支护结构的受力分析。ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。也就是说上一个施工阶段中结构体系与荷载的变化会影响到后续阶段的分析结果。在仿真施工阶段分析时可考虑如下事项【４３】：（１）施工阶段模拟单元的添加和删除（激活和钝化）；荷载的添加和删除（激活和钝化）；边界条件的变化；材料特性的变化。（２）地下水分析各施工阶段的稳定流分析；各施工阶段的非稳定流分析。（３）渗流—应力场藕合分析利用渗流分析得到的孔隙水压力进行应力分析。３３中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟３．３工程概况广州地铁三号线北延段高增站～新机场南站盾构区间从高增站向北穿越大片农田后拐入机场大道，沿机场大道中间绿化带穿行与已施工完成的机场线试验段贯通，到达新白云机场，工程包括始发井明挖段、盾构施工区间、吊出井明挖段三部分。线路平面最小曲线半径为１０００ｍ，区间线路的纵剖面主要受区间两端的埋深影响。隧道埋深约５～１３ｍ，最大纵坡为２５‰，最大纵坡位于始发段内。根据工期要求和施工现场实际条件，工程采用两台土压平衡盾构机进行施工。总体工期如下：第一台盾构机（右线）２００８年８月２０日进场，８月２０日￣９月２０日组装调试完成，９月２１日右线始发掘进，２００９年４月２０日盾构到达吊出井，工期７个月整；第二台盾构机（左线）２００８年１０月２０日进场，１０月２０日～１１月２０日组装调试完成，１１月２１日左线始发掘进，２００９年６月２０盾构到达吊出井，工期７个月整。区间为两条平行的单线圆形隧道，单线隧道开挖轮廓净空６．０ｍ，线间距１３ｍ。右线盾构隧道起讫里程ＹＤＫ－２６．２８８．１３０－－－ＹＤＫ－２７．９０８．１００，长度１６１９．９７０ｍ；左线盾构隧道起讫里程ＺＤＫ－２６．２８８．１４１－、－．ＺＤＫ０２７．９０８．１００，长度１６１９．９５９ｍ。其中右线隧道先行开挖，左右两隧道开挖掘进方向相同。本标段盾构区间沿线除有一处机场标志雕塑外，另无其它大的建（构）筑物。在穿越该段及机场高速公路下方时，采取土压平衡模式掘进，严格控制出土量，加强同步注浆，加密地表沉降监控测量，确保地表沉降在控制要求范围内。本标段下穿地段，始发端位于矮岗村附近，地下管线较少。线路途经机场高速路，靠近机场管线分布较多，在施工前进一步对场地内管线进行探测和调查，以便对重要管线进行改线、位移或采取保护措施。特别是进行明挖作业，应对重要管线进行改迁。３．３．１工程地质条件本区间上覆土层主要为：人工填土层（１）、冲积．洪积粉细砂层（３．１）、中粗砂层（３．２）和砾砂（３．３）、冲积一洪积粉质粘土层（４．１），残积层（５．１）、（５．２）。各个地层情况如下所述：（１）人工填土层（１）：沿线在水平方向上分布广泛，垂直方向上分布极不均匀，该层土填垫年限较短，土质杂乱，成分不一，结构松散，薄厚多变，极不均匀，遇水易湿陷，固结程度低，工程性质差。人工填土未经处理加固，不适宜作为天然地基，厚度为０．１５，－－－－７．８０ｍ，由于本层在本区间离拱顶较远对区间隧道的影响较小。（２）冲积一洪积层：为本区间的主要含水层，由细砂层（３．１）、中粗砂层（３．２）和砂砾层（３—３）组成。在水平方向上分布较广泛，垂直方向上分布极不均匀，稍密状～中密状。隧道洞身范围内分布广泛，隧道开挖时应给予注意。（３）冲积～洪积土层（４．１）：主要由粉质粘土、粉土层，呈连续分布，可塑状，中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟自稳性较差，渗透性较弱为弱至微透水，可作为砂层的相对隔水层。分布于大部分隧道洞身和隧道拱顶处，隧道开挖时应给予注意。（４）河湖相沉积土层（４．２）：在水平方向上呈零星分布，呈透镜体分布，垂直方向上分布不均匀；具易压缩变形、低强度、自稳能力差的特点。隧道开挖时应给予注意。（５）残积土层（５．１）、（５．２）：按状态和密实度可分为二个亚层。可塑或稍密～中密状残积土层、硬塑或密实状残积土层。本区间位于残积作用不发育，仅呈透镜体状分布。（６）岩石全风化带（６）：为泥质粉砂岩、粉砂岩、页岩、局部为石英砂岩，呈坚硬土状，土质的均匀性差，在天然状态下具有较好的力学性质，遇水易软化崩解，施工时应注意土层长时间泡水，降低土层的强度，隧道施工应给予注意，（７）岩石强风化带（７）：岩性主要泥质粉砂、页岩、局部为石英砂岩，呈密实状或半岩半土状，拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定。具有遇水软崩解的特性，渗透性较好，具有一定的地下水，在隧道掘进及开挖时，易产生涌水现象，局部分布于隧道拱顶。（８）岩石中等风化带（８）：主要为粉砂岩、页岩和石灰岩，局部有分布，裂隙发育，当位于拱顶时，可能发生塌落现象。本层渗透好，具有一定的地下水，在隧道开挖进局部可能有大量地下水涌出。（９）岩石微风化带：岩性为灰岩，岩层面起伏较大，主要在隧道的底部，有岩溶发育。根据《铁路隧道设计规范》（ＴＢｌ０００３—２００５），沿线隧道围岩分类如表３—１：表３－１隧道围岩类别及级别表中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟具体的地层分布情况如图３．８所示：∥∥∥黝够∥∥∥∥∥蠹－Ｏ－襞Ｏ－蕊Ｏ－Ｏ－－Ｏ熬－Ｏ－Ｏ嚣－ＯＵＺＫＯ熏娥Ｏ－一－Ｏ鞫－Ｏ－Ｏ瓣－Ｏ－Ｏ藕－Ｏ－Ｏ鬻－Ｏ－人Ｚ填±晨蟹舅蔓髓懂髓嘎慢堕捌髓髓∞西蔓芭髓髓西芭懂０量受西髓髓能能髓西西ｉ西说碰懂髓西髓懂髓髓曲∞ｒ二．图３．８地层分布图中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟３．３．２水文地质条件勘察场地地下水按赋存方式分为第四系松散岩类孔隙水，层状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。第四系海陆交互相沉积砂层和冲积一洪积砂层为主要含水层，根据抽水试验，冲积一洪积砂层水量特别丰富，渗透性强。冲积一洪积土层、残积土层和岩石全风化带，含水贫乏，透水性较差。层状基岩裂隙水主要赋存在红色碎屑岩的强风化带和中等风化带，由于岩石裂隙大部分被泥质充填，故其富水性不大，岩体大部分完整，地下水赋存条件较差。碳酸盐类裂隙溶洞水主要赋存在矮岗站石炭系石灰岩中，溶蚀裂隙和溶洞发育，水量中等～丰富。地下水对混凝土结构无腐蚀性、对混凝土结构中的钢筋无腐蚀性；地下水对钢结构具弱腐蚀性。线路围岩所穿过的岩土层中的（４＿１）、（４．１）、（５．１）、（５．２）、（６）、（９Ｃ一２）为弱～微透水层，土体中基本无水，可视为相对隔水层，（３．１）、（３．２）、（３．３）是透水层，渗透性强，为主要含水层，地下水主要第四系孔隙水，由于本段砂层分布广泛，且厚度大，连通好，和地表水水力联系密切，富水性强，（７）、（８）为主要含水层，地下水为基岩裂隙水，渗透性中等，隧道开挖时涌水量大，在开挖应注意防排水。地层渗透系数见表３．２。表３－２水文地质特征及综合渗透系数表３７中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟３．３．３场地类别与地震烈度、地震效应高增站～新机场南盾构区间场地土类型为软弱土～中软土，场地类别为ＩＩ类。本区间抗震设防烈度为７度，设计基本地震加速度值为０．１０９，地震特征周期值为０．３５ｓ。在７度地震条件下，区间范围内大部分地段冲洪积砂层不会发生地震液化，仅局部地段冲洪积中砂层会发生地震液化，液化等级为“轻微＂。３．３．４地面沉降监测农用灌溉渠主体为混凝土结构，下部为混凝土墩柱，盾构穿越其下部时产生的隆沉量会对灌溉渠的结构有一定影响，施工时可采取盾构机超前注浆进行地层加固的方法，以控制盾构施工时在该段地区的地表隆沉量，保护构筑物的安全。机场标志性建筑右侧边缘与线路左线外侧水平距离为３ｍ，未侵入隧道施工界限，受盾构掘进影响较小，可通过预注浆以提高地基承载力，同时在盾构通过时在地面采用跟踪注浆，可确保建筑物的安全。机场景观河蓄水较深且为浆砌片石结构，距离盾构左线水平最小距离为５．５ｍ。除了调整好盾构参数外，必要时也需对其进行适当加固，以防出现不可控制的事故。为保护地面建（构）筑物及控制地面沉降，盾构施工应注意加强掘进参数的调整和中南人学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟盾构姿态的控制，及时同步注浆和二次补充注浆，并进行信息化施工和管理，避免不良现象的发生。隧道施工引起的地表沉降和隆起均应控制在环境条件允许的范围内，一般情况下，隆沉量宜控制在＋ｌＯｍｍ－．３０ｍｍ。本工程的监测措施如下：（１）根据建（构）筑物的不同类型，按规范要求确定沉降允许值，并按允许值的６０％～８０％定出警戒值。（２）在盾构始发前进行一次全面建（构）筑测量，并每天进行监测，得出建筑确定原始值及原始沉降速率值。（３）根据监测对象情况，在每个建筑物周围布设不少于３个稳固的基准点。（４）根据隧道通过的围岩条件和周围建（构）筑物情况布置观测点，沿隧道中线前进方向每隔５～８ｍ布设一个观测点，每隔５～１０个观测点布设一个检测横断面。每个断面上布设４￣８个观测点，对软弱土层、重要的建（构）筑物或埋深较浅的区域应适当加密监测断面和测点。（５）在硬化的地表上布设的测点要穿透硬化层，渗入地面１ｍ以下，防止下面虚空而没有及时发现。（６）盾构通过建（构）筑物时，每天监测次数不少于２次，当出现异常情况，及时加大监测频率。在盾构掘进过程中，隧道上部地表及周围地表会出现沉降和隆起，并可能因此出现地表开裂。为了控制在开挖过程中的地表的变化情况及沉降量值，在隧道上方中线左右各３０ｍ范围内沿线路方向每３０ｍ设一个监测断面（始发ｌＯＯｍ内每２０ｍ一个断面），每个断面设监测点位１３个，如遇到地面障碍再酌情调整。布点时用经纬仪定向，使各断面测点在同一直线上。地表监测布置如图３－９所示。地面下沉点，，∑＞≥，ｒｌ地面ＴＴＴｊｒ，，Ｉ■■＼１０ｍ／／／＼纩４５Ｎ惑纩妻∥心飞／Ｎ乡／＼＼７线间距、一砂图３－９地表监测布置图３９中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟量测频率为：掘进面前后＜２Ｄ时测１～２次／ｄ，掘进面前后＜５Ｄ时测１７¨欠／２ｄ，掘进面前后＞５Ｄ时测１次／周。观测使用ＤＳＺ２水准仪配测微器、铟瓦尺，量测精度为二等水准要求。３．４数值模拟３．４．１计算假定在进行有限元计算时先做好以下假设【６１＇６２】：（１）地表面和各土层均呈匀质水平层状分布。（２）不考虑岩体的构造应力，自重应力是唯一的初始地应力。（３）将隧道周围的围岩视为各向同性、连续的弹塑性体，采用Ｄｒｕｃｋｅｒ－Ｐｒａｇｅｒ屈服准则进行计算。（４）从简化问题方面出发，在模拟计算时将忽略地下水的渗透作用，假设土体的变形不受时间因素的影响，也就是忽视土体的固结和蠕变。（５）盾构每步的推进步长均取用管片的宽度１．５ｍ。（６）对受施工扰动影响范围内的土体参数，根据广州地铁三号线的实测值进行了不同程度的折减，并考虑了注浆初期强度和盾尾空隙来综合反映盾构推进所产生的地层损失。（７）为了模拟刀盘切削土体的推进力，在分析计算时将在模型表示的盾构开挖面施加一个的应力。３．４．２计算边界及网格划分对隧道进行数值模拟分析时所建模型几何尺寸需将隧道围岩和地表主要影响范围包含在内，但又不可能取一个无限体来模拟，因此需要根据工程资料和工程经验对模型尺寸和边界做出合理的定义。众多研究和实测资料表明，地下隧道的开挖后的应力应变，仅在隧道周围距离隧道中心点３＂－＇５倍隧道开挖宽度（高度）的范围内存在实际影响，在３倍宽度处的应力变化一般在１０％以下，在５倍宽度处一般在３％以下【６３】。所以计算边界确定在３－－一５倍洞径宽度。为了消除边界效应，两侧面及底面距最近的隧道边缘为３０ｍ，上侧取至地表【４９１。边界条件均采用位移边界条件，上边界取自地面为自由面，两侧面、底面均受法向约束。开挖迸尺选取１０个开挖段的长度，即１５ｍ，再根据各个土层的厚度，最终确定模型的尺寸为７９ｍｘｌ５ｍｘ４６ｍ。网格划分是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因数综合考虑。隧道三维模型网格划分单元尺寸越小，分析结果越精确，但相应的网格单元数量越多，计算分析费时也越多。根据经验，在分析结果满足工程要求的情况下增加单元数量对提高精度的作用不大，所以应在满足工程精度要求的前提下，尽量较少网格数量，使网格划分更加合理【删。３．４．３材料属性运用数值分析软件建模分析时，往往将工程进行适当的简化，隧道管片可以采用板单元模拟，±层用实体单元模拟，对于高增站～新机场南站盾构区间，我们根据实测的土层参数结合简化后的拟建模型，材料属性见表３．３：表３．３模型计算所用的地层和材料参数岩搿料：麓鬻名称（ｇ，ｃｍｊ）凝聚（ＫＰａ力）内摩。孥角）压缩（ＭＰ模量ａ）泊松比一…～人工填土层（１）１．７３１７３３３．９４０．３５粉能手层１．９０２１２８６．００ｏ．３３甲租砂层（３－２）１．８２１９３５５．７６０．３４硬塑（５残－２积）层１．８９３０３２６．０２０．３０Ｃ５０混凝土管片（厚度２．５０４２４１６２．７３５０００Ｏ．１７３００ｒａｍ）。甓播，７．８５２００００‘５０２１００００们。夏霪橐署各于·．７。·．··。。．９５。．４８３．４．４模拟的过程（１）建立数值模型建立有限元模型过程如图３．１０所示：４ｌ大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟（ａ）实体模型（ｂ）衬砌、注浆、管片之间的位置关系砌挖土体（ｂ）衬砌与开挖土体之间的位置关系４２图３．１０有限元模型（２）定义施工阶段ｔ第一步：根据土体的初始条件计算模型的初始平衡状态。初始地应力是指在进行隧道施工之前地层的初始应力场，它的形成与地层构造、性质、埋藏条件及荷载历史等有关。由隧道开挖引起的地层反应与隧道开挖前地层的初始地应力状态密切相关。地层的初始应力包括地层的竖向应力Ｏ＂ｚ和水平应力ｑ、仃，。盯：＝ｃｒｏ＋∑７ｆｈｉ式中，ｏｒｘ＝Ｏ＇ｙ＝Ｋｏｃｒ，（３－７）Ｏ＇ｏ－－㈣超载应力（１（Ｐａ）；乃一第ｉ层土的重度（ｋＮ／ｍ）：４３中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟啊一第ｉ层土的厚度（ｎ１）；Ｋ—土层的静止土压力系数。本模型在初始地应力作用下达到平衡的状态如图３．１１所示。鹾黧图３＝ＩＩ初始应力平衡状态第二步：根据工程实际中右线隧道为先行隧道，将右线隧道第１段钝化以模拟其第一环隧道的开挖。第三步：模拟右线隧道第２环的开挖，即将右线隧道第２环钝化。同时，激活右线隧道管片ｌ，并给盾体周围的土体施加一个向外的径向应力，应力值为注浆压力。为了在一定程度上反映注浆材料的凝固过程。第四步：模拟右线隧道第３环的开挖，即将右线隧道第３环钝化。同时，激活右线隧道管片２，并给盾体周围的土体施加注浆压力。依照上面步骤循环进行，即开挖下一段隧道的同时需要对上一步开挖掉的隧道段模拟添加管片和注浆。如此循环下去一直到开挖完左线隧道最后一段，并对最后一段模拟施加管片和注浆。这时，地层的应力完全由隧道的管片衬砌承受。整个盾构隧道推进的模拟过程不断循环进行，直到地表沉降值趋于稳定。４５中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟ｆ舫ｔ嫩客Ｇ髓舞黪ａｇＩＬ～ｘ■Ｍ图３．１４左右两线均开挖完应力图图３．１５左右两线均开挖完ＤＺ位移图ｔ＾ｌ－一－Ｉ步●ⅡＨ’ｌＩ（－，“）ｆ心（Ｉｒａｔ】ｌ（【Ｈ．．】）§ｌＯＯＴ１．釉ｅ玉１２ｆ麓士２ｌＺＡｓｔ￥１ｔＱ－０．Ｏｌ舛讣·０．０１１５８５一Ｏ．∞¨笳一Ｏ．０００ｓ１５Ｉ辑ｌ燕ｒ２ｌｈｔｔｓｔ·呻０３０３２７—０００３５他ＯＯ惦３２２Ｏ．，２７毙Ｚ２ｌ００甜６ｒ一仉０瞻２９２０．０００锥ｌＢ５３臆ｒ２ｌ００８雒，一０Ｏ“’８，聿．ｒ钉２．４２ｒ麓工２ｌｈｉｔ宴ｔ●’Ｏ．００２７盯Ｏ．ｅＯＯ刍幸＃０００２０舔Ｏ仰ｌｒ＂ｔＯ．７∞ｌ持３畴Ｚ牡ｈｓｔＯ．口ＯＯ“§０００％３５Ｏ惦０３ｅＯ，２７篪Ｚ２ｌ“ｌｔ钳·一０ＯｌＯｗｌｌ帏００００蓖ｒ２ｔＬ“ｔ１艏ｌ，ｓ∞Ｏ．ｅＯｅ施Ｚ２ｌＬｔ科ｓｔｅＯＢｓ筠§Ｏｌ循２｝ｅ神＋０．９２７施Ｚ２１Ｏ．０１１５鞴一口００６，０２，Ｏ．００２０苒＋０｝ｌ耨．３。Ｉ＋ｒ５｛施工ｎ０１４２３３·“００潞ｌ惦４７村ｅ的一２．４２７奠工２ｌＩ＊；８５３施工“００１ｅ０５一Ｏ．ｅ０７鞠《０３２韩ｒ０００纯Ｚ２ｌｌ帖７０００施Ｚ２ｌ￡“ｔＩ惦ｅ９２７慧工２Ｉ００１８＂＋０ｉ幛９２钟‘Ｉ．７ｓｉ毙ｒ２ｌ。２．４２７毙Ｚ２１００ｌ瓣＇８５３施Ｚ２ｌｈｓｔ０００４菇０ｌＯ他—２＂３钝ｔ２ｌｈ，ｔ０１５８为－０４２ｒ照Ｚ２１ｈＩｔ０２６９”·０００４９”０００；纠｛ｒ６３施ｒ２ｌｈ，ｔ０１４０％０００２％６—０．，２７蔗工２ｌｓｔｔ—Ｏ，０３筠ｌＯ“ｒ６３Ｉ；０１“５ＯＯ鹄ｌ＇跚０００施ｒ２Ｌ≈２卯一玑∞Ｏ■！Ｚ２１乱∞钾５４０．０１０２０，一Ｏ．∞Ｏｚ，＇Ｏ．０Ｕ（１５籀图３．１６数值分析结果位移数据表４７中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟－４１４５—５１５５—６量一埋世飕搽碧咄６５—７地面点位置（－）图３．１９左线隧道中心线地表纵向沉降数值对比图…ｊＥｌ谚重蕈豁秘飘‰麟９潞。绷通磐ｌ飞、磐罗｛世炼∥｝；、崭＝７；蜇｝＼麓蒲．，ｉＶ。籀嗜籍／一ｉＶｉ§後｛自施丝ｌ崩Ｉ缓磁自磊锄渤玉么施锄地面点位置（－）己。搋磁彩缢施翰一图３－２０地表横向沉降对比图从图３—１８～图３—２０可以看出数值分析结果与监测数据比较相近，并且数值分析结果所反映的地表沉降随地面点位置的变化趋势与监测结果相吻合。从数值分析结果可以得知地表横向沉降最大值出现在两隧道各自中心线位置，且最大值接近－３０ｍ，这与实测的最大值－２７．４ｍｍ相差仅不足３ｍｍ，这也说明本次数值模拟效果较好，结果较为准确，可以为工程提供可靠的指导。中南大学硕士学位论文第三章隧道施工数值模拟３．６本章小结本章首先介绍了论文数值模拟分析部分所运用的软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ，同时对于工程背景也作了详细介绍。接着，本章着重叙述数值模拟的具体过程。最后，分析数值计算结果，并将其与地表沉降监测数据对比。经对比发现二者基本吻合，从而验证了ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ在隧道施工地表沉降方面分析结果的可靠性，也成为第四章继续运用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ分析地表沉降影响因素敏感度的前提条件。４９中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析第四章地表沉降影响因素敏感度分析在隧道的施工开挖过程中，由于土体受到扰动、破坏、失稳变形以及地下水的流失，从而导致地面发生沉降。影响地表沉降的因素很多，包括隧道埋深、土体性质、土体参数、设计与施工方法的不同、结构类型的不同、开挖前土体的加固方式、开挖过程中地下水的流失等等。但是，考虑全部因素是不切实际的。本章主要研究隧道埋深、盾尾注浆、掘进压力和双线隧道的施工顺序等因素对地表沉降的影响规律和影响程度。本章的分析过程与３．５节相同，同样以广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道为对象，运用岩土与隧道分析系统ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ对每一个影响因素的不同取值分别建立有限元模型加以分析计算，然后将不同取值分析所得的位移数值导入ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ生成沉降曲线，进而加以比较和分析。４．１不同覆土条件下盾构开挖对地表沉降的影响为了分析不同的覆土条件对地表沉降的影响程度和影响规律，本节将在第３．４节所建模型的基础上，分别设定覆土厚度为１０ｍ和１５ｍ。分析比较结果见下图４．１～图４．６。管一”。。”一‘７一”。１垮…”ｊ”一灞｝ｌ》ｌ｜ｔ秀，舡一嚣—船舷。，磺母，罄嚣—豁—一—一秽帮确峨—Ｊｌ一－１＝５ｍｌ０１４；１习《一重一墨鹰懈雪．．。一．．—．。一《溉。。…ｍ……ｔ＾船…，＆ｍ慨锚＾％％∞∞％∞‰‰巍钯∞ｔ“擀∞‰∞“‰％４嗽碱《＾慨自％‰％雪地面点位置（Ａ）图４－１右线隧道中心线地面纵向沉降曲线图图４４地面横向沉降曲线图５ｌ中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析从图４．１～图４．４可以看出：当开挖方式一样时，盾构隧道旌工引起的地表沉降量沿着盾构掘进的方向逐渐增加，但是增加的幅度较小；无论是横向沉降还是纵向沉降，当隧道上面的覆土层厚度越大则地表沉降越小；在其他条件相同的情况下，隧道覆土层厚度越大则地表的横向沉降范围也越大。由于地表沉降是由地层损失和固结沉降引起的，固结沉降需要在施工完成一段时间以后才能完成，所以施工阶段影响地表沉降的主要因素是地层损失，当双线隧道采用的施工技术和工艺完全相同时，施工所引起的地层损失可视为相同，因此埋深越大处地层损失就越小，对应的地表沉降也越小。另外，我们还对以上所模拟的埋深为ｌＯｍ的隧道在地表、距离地表５ｍ处和距离地表ｌＯｍ处分别取等值面，读取各等值面上的位移值，以研究相同覆土厚度条件下不同埋深处的地表沉降规律。结果如图４．５所示。０—０一一咱匿’４驾霪一∞缈聊铂蚴％．～口犁矽矿肇鼍《麓一蚯鬻一幻｝１ｋｌ妒ｙｌｋ彳｛唇一删函飕惟署渡群３巍嚣氍衢；ｉ一§一∞琵；象；兹≯么缢菇蠡磊ｉ线！§缝２；。。缴缴施。缴锄磁荔。巍磊蒯Ｉ地面点位置（Ｉ）图４－５不同埋深地层沉降曲线从图４－５中可以看出：地表的最大沉降量约为１９．８ｍｍ，分别出现在左右隧道中轴线的正上方；距离地表５ｍ处地层的最大沉降约为２２．３ｍｍ，也是出现在左右隧道中轴线的正上方；距离地表ｌＯｍ处地层的最大沉降量为２８ｍｍ，仍然出现在左右隧道中轴线的正上方。由此，我们可以得出这样的规律：当上覆土层厚度相同时，随着隧道埋深的增大，地表的横向沉降最大值越大。这是因为地表是距离盾构隧道顶板最远的地方，受到的开挖影响也最小，而埋深越大处地层距离隧道顶板越小，受到的施工扰动必定越大，所对应的地表沉降值也越大。５２中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析４．２盾尾注浆对地表沉降的影响为了防止盾构施工对地表产生太大的扰动，开挖后应及时进行盾尾注浆，盾尾注浆可以有效地控制地表沉降。考虑盾尾注浆对于地表沉降的影响时可以按照两种方法来分析：一是忽略盾尾注浆的影响，认为盾尾的建筑空隙最终被土层所填充，即开挖面土体都产生一个大小等于盾尾建筑空隙的径向位移；二是不考虑浆体的硬化过程，认为注浆完成后浆体立即硬化成强度很大的固体，并将其视为弹性等刚体【２３１。施工过程中主要通过调节注浆量的大小和注浆材料的强度来控制盾尾注浆对地表沉降的影响作用。注浆前，隧道壁上的土体会向衬砌内移动，注浆后，则在衬砌周围形成了包括土体、泥浆以及土体和泥浆的混合体，这种混合体很难量化，当运用有限元模拟隧道施工时，可以将该混合体简化成一个均质、等厚的弹性等代层，等代层如图４．６所示。只要地层结构条件和施工工艺相同，即使是不同的隧道工程，等代层的厚度和力学参数也可以取相同的特定值。图４．６等代层示意图由于等代层是土体、泥浆以及土体和水泥浆的混合体，所以其材料性质与土体性质、注浆材料以及注浆压力相关，若将等代层视为弹性材料，则其材料参数应包括厚度、弹性模量以及泊松比。其中，等代层的弹性模量大小应介于其组成成分土体和泥浆二者之间，其大小取值通常可以参考水泥土的压缩模量，该值与土体的力学性质、注浆材料的性质以及二者的组成比例有关。对注浆体不同的考虑就会得到不同的地表沉降，为此分别以上面所述对注浆体的不同考虑方法，对隧道开挖盾尾注浆造成地表沉降进行研究。按照第一种处理方法完全不考虑注浆体的作用，可以把注浆体的弹性模量设得非常小，注浆体各参数按原始土层参数考虑。另外一种是认为注浆体为强度较大的弹性体，取该弹性体的弹性模量分别为中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析１．８ＧＰａ、１８ＧＰａ，材料的泊松比分别为Ｏ．２５、０．２，依据此材料参数，利用有限元软件ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ展开计算比较。三种处理方法计算所得地表沉降曲线如图４－７－－－图４－１０所示。移？“…？”ｉ”｜’。ｊ｜’？’镯｝搦ｉｌｉ｛｝｝∥囊｝，—ｅ圹，，｝∥露２，’％“岛箜兰。磁。旋燃ｊ地面点位置（－）图４－７右线隧道中心线地表纵向沉降曲线图一１７．５－１８一招．５重一均趔－１９．５疆一２０一殂．５－２２—２２．５地面点位置（且）图４－８左线隧道中心线地表纵向沉降曲线图壤。∞．５堡一２１嗣从图４．７～图４．１０可以看出，双线隧道的地表纵向沉降值随着等代层弹性模量的增大而逐渐减小，但等代层弹性模量的变化对地面横向沉降的影响比较小。另外，由于等代层厚度的取值问题跟开挖区土体的性质有着重要的关系，同时等代层的取值可以直接影响隧道开挖后地表沉降的效果，为了分析等代层厚度对地表沉降的影响，我们分别选择等代层厚度为１５ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ进行建模分析隧道开挖后造成的地表沉降值。由于等代层的材料是水泥、钢筋、土层的混合体，故其材料参数应根据土体扰动情况、开挖面应力释放情况来确定。针对本论文涉及的地质情况，本文选取等代层的弹性模量介于土体和混凝土之Ｉ＇／ｊＪＥ＝２．０ｘ１０６Ｐａ进行计算。不同等代层厚度条件下的地表沉降曲线见下图４．１１。中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析翅ｑ眵獬‰；飞锄瓣∥矽攀∥｝：ｉ：２１ｖ姥潋媛搽髫；、缀嚣ｕ雠℃ｙｌ；＼／≮Ｖ≥ｌ魏知盛蝻§＃；露：＆ｂ妊“蠡ｉ§盘剃｛僦巍．纰荔‰“－慨‰啦纰§珏“妣一？。‰蠡‰塘女ｊ囔ｉ托葫诌地面点位置（鼍）图４－１１地表横向沉降曲线图由不同等代层厚度计算得到的地表沉降沉降曲线可以看出，等代层厚度对地表沉降的影响非常显著，等代层厚度越小，地表的沉降就越来越来越大，为了较好地控制地表沉降，在施工过程中，应保证注浆区在管片层外围约２０ｃｍ以上的范围。４．３不同掘进压力条件下盾构开挖对地表沉降的影响盾构开挖过程中，盾构机开挖时掌子面上施加了平面应力来平衡开挖面土体的应力释放。但是由于开挖面土体应力大小不确定，施工中很难真正做到平衡，因此盾构开挖隧道过程中便出现了沿隧道纵向地表有隆起或者沉降的现象。另外，盾构机开挖过程中，盾壳的外壁与土体发生了相对运动，摩擦力的存在使得沿隧道纵向的土体产生了纵向位移【６５１。本次模拟分析时，在开挖面上分别施加掘进压力３００ｋＰａ、４００ｋＰａ和５００ｌ【Ｐ进行计算比较，结果见图４．１２＂－＂图４．１５。地面点位首（ｍ）图４．１４两隧道中心线地表纵向沉降曲线图５７中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析…Ｆ习甄≯锄ｋ｜《｛１蚪肆§孵‘｝；’ｊ＿紫篙Ｉ磅～∥ｉ翻磐掰渤曩搿施搋搋茹矗磊妊凇地面位置点（ｍ）图４－１５地表横向沉降曲线图从图４—１２～图４－１５可以看出，隧道开挖过程中掘进压力的大小对于地表纵向位移的影响较大，在该模拟区间内，当掘进压力达到５００ｋＰａ时，地面纵向位移出现突变，且沉降量显著减小，由此可以推断，本模拟区间段的掘进压力应控制在５００ｋＰａ左右比较合适。但是如果开挖面施加的应力过大，则开挖面前方的土体会出现隆起现象，原因是开挖面施加的应力大于开挖面土体的应力释放值。４．４双线隧道不同开挖方式对地表沉降的影响双线隧道盾构施工常用的施工方案有以下三种：一是采用两个盾构机同时施工，同向掘进；二是先施工完成一条隧道后，再调头回来进行另一条隧道的施工；三是两条隧道同时旅工，但是采用的是反向掘进脚】。因为建立模型时选取的模型是模拟１０个开挖步骤，长度只有１５ｍ，比较短，而第三种施工方案对模型的要求较高如果模拟双盾构同时逆向施工的话，可能达不到预期的仿真效果，并且广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道实际采用不是第三种方案，所以本节只针对前两种双线隧道盾构施工方案进行了模拟计算，其结果如图４．１６～图４－２０所示。５８５－１８锈’。””‘。’”～？一～ｊ。ｊ～１～二。９”ｊ穗簟—１８。５’囊ｉ４鲈谚－１９－１９．５》｝—２０重趔世蜉搽君－２０．５一殂匆碰一一廨：∥。嚣一霭—２１．５隧貌娩缀施＃锄缎翁嬲蠡糍自ｉ癌疰２缝２《熬盏自蕴磊锄％勘苏缓＆糍酝巍撅缓《自巍轾ｉ≤渤地面点位置（Ｉ）图４－１７左线隧道中心线地表纵向沉降曲线图５９中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析０３６９１２１５—４霞一ｗｊ“㈣…ｊ””一……”’｜。“”飞一４５ｉ｛；篓—５一５５｝。锵，∥—－，＿Ｉ６》。。痧矿７重一理世赔懈挈一６５ｂ∥∥’｛：ｒ１一１７ｌｉｂ舷女ｚ＆∞蠡孝，舶蠡￡。々；撕。赫“纰盎＆她如。属２§础黜。。乒赢㈣盔‰勰ｚ如。删友绱。！滋地面点位置（矗）图４－１８两线隧道中心线地表纵向沉降曲线图地面点位置（Ａ）图４－１９地表横向沉降曲线图从图４—１６～图４—１９可以看出，同时同向施工方案引起的两隧道中心线上的沉降值基本相等且沉降槽对称；完成一条隧道后调头回来继续开挖另一条隧道的施工方案所引起的两条隧道中心线上的沉降值不等，并且沉降槽也不对称，这主要是因为前期开挖对后期开挖有沉降叠加的效果；虽然两种施工方案引起的地表沉降略有不同，但是当隧道直径、埋深、中心距离相同时，盾构旌工对地表沉降在横向上的影响范围是基本相同的。４．５本章小结本章运用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ分析覆土条件、盾尾注浆、掘进压力以及双线隧道不同的施工方案对广州地铁三号线北延段高增站～新机场南站区间盾构隧道施工地表沉隆的影响，从中得出以下结论：中南大学硕士学位论文第四章地表沉降影响因素敏感度分析（１）隧道上方覆土的厚度越大，地表沉降就越小，另外，当上覆土层厚度相同时，埋深越大处地层的横向最大沉降量越大；（２）采用等代层来模拟盾尾注浆时，等代层的弹性模量取值对地表沉降影响很小，而等代层的厚度则明显影响地表沉降值：（３）掘进压力对地表纵向沉降影响较大，施工中应控制好掘进推力的大小，广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道的掘进压力应控制在５００ｋＰａ左右比较合适；（４）双线隧道施工时，同时同向开挖和完成一条隧道后调头开挖另一条隧道两种不同施工方案引起的地表沉降值相差不大；但是，完成一条隧道后调头开挖另一条隧道由于先开挖隧道对后开挖隧道有沉降叠加作用，因此两条隧道中心线上的沉降值不等，沉降槽不对称。６ｌ中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施第五章地表沉降控制措施在盾构施工中，能否准确的预知盾构掘进对地层产生的影响，是指导施工很关键的因素。但预测地表沉降不是最终目的，在实际工程中，要实现从仅仅能够预测沉降到能够控制沉降的转变，这样才能达到控制地层扰动和变形的目的。另外，在现代施工中，提出了一种反馈理论思想，即将预测结果应用于指导设计和施工，并提出相应的控制沉降的措施【碉。５．１地表移动与变形对周围建筑物的影响在隧道施工的过程中，地层应力状态随之改变，相应地，地表和地层将会发生移动和变形。通常情况下，隧道施工所产生的是快速变形，即在较短时间内引起较大位移，这将对周边建筑物造成更大的危掣Ｆｎ。隧道旌工周边地表建筑物变形和沉降的影响因素很多，本身地质条件是最重要的影响因素，另外，建筑物本身的基础与结构型式也是较重要的影响因素。直接开挖损害和间接开挖损害是隧道周边构筑物损害的两种方式。直接开挖损害是指在离隧道开挖较近范围内对象所受的损害。另外，在离开挖范围较远的地方，也有开挖影响的存在，例如开挖周边大范围地下水变化产生的影响，这种影响称为间接开挖损害。通常情况下，有以下几种形式的开挖损掣删：（１）地表沉降损害当地表均匀沉降时，周边构筑物整体也会产生均匀下沉。一般情况下，较小的均匀下沉不会对构筑物的正常使用带来大的影响，但当沉降量较大时，而构筑物所处环境的地下水位又浅时，会对建筑物的正常使用产生影响，另外，如果建筑物地基长时间被水浸泡，其强度会降低，这对建筑物的长期使用是不利的【６８】。（２）地表倾斜损害地层均匀沉降不会对地面构筑物造成严重的危害，但不均匀沉降会对构筑物产生较大影响，这是因为不均匀沉降导致地面原始坡度发生改变，这对于底面积小而层高较高的建筑物来说，可能会引起其重心偏移，从而导致附加应力重分布，建筑物将受到不均匀的载荷，以致其结构内应力发生改变，直到引起破坏。地层的非均匀沉降，对于民用建筑，如普通居民楼来说，会严重影响其使用。对于施工周边有铁路等设施．的地段，地层倾斜会使铁路的坡度以及其整个排水系统发生倾斜变化，这样可能导致污水倒灌，铁路的运营将会受到严重影响ｆ６７】。（３）地表曲率损害曲率的存在将使地表变成曲面，在通常情况下，将地表相对下凹称为负曲率，地６２中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施表相对上凸称为正曲率。建筑物在负曲率的影响下，其中间部分凸起，墙体将产生正八字和水平裂缝。如果建筑物过长，在重力的作用下，建筑物中央的底部可能发生断裂，以致于其被破坏。相反，建筑物在正曲率的作用下，其两端部位悬空，墙体产生倒八字裂缝，如果正曲率现象严重，建筑物屋架或者梁的端部将发生从墙体抽出的现在，从而造成建筑物倒塌【６训。（４）地表水平变形损害拉伸和压缩是地表水平变形的两种形式，这两种形式的变形对构筑物的影响很大，特别是拉伸变形，这是因为建筑物的抗拉能力远小于其抗压能力。当地表发生压缩变形时，墙体会产生水平裂缝，严重时纵墙会发生褶曲，屋顶会鼓起【５９】。地面构筑物受地表拉伸变形的影响很大，当构筑物所处地表属于拉伸区时，地基的外向水平推力作用于基础侧面，外向摩擦力作用于基础底面，并且大多数建筑物抗拉伸强度弱，较小的拉伸变形就能导致建筑物开裂甚至破坏【７们。构筑物也会受地面压缩变形的影响，同拉伸变形一样，其影响也是通过其基础底面摩擦力和侧面推力来施加的，只是作用力的方向和拉伸时刚好相反。一般情况下，构筑物有抵抗较大压缩变形的能力，也就是说压缩构筑物对拉伸作用的敏感程度比压缩作用高。不过，要是由于压缩作用产生了较大的变形，它造成的破坏程度可能比拉伸带来的破坏程度更大，并且有压缩带来的破坏主要发生在结构薄弱的地方。地表的水平变形对地下管道的影响也很大。当地下管道受到拉伸作用时，可能是管道接头出现裂缝，发生漏气漏水的现象，严重时造成接头被拉开；当地下管道受到压缩作用时，管道可能发生接头被压入的情况，严重时甚至会导致接头被压坏，以至于管道出现裂缝‘５９１。地表植被也可能受到地表变形和移动的影响。当施工导致地下水位下降时，植被生长所需供水就会受到影响；植被的根部也可能受到地层内部裂缝的影响而损害，从而发生病虫灾害等【＿７１】。以上对隧道开挖对地表损害的几种形式进行了分析。但是在实际工程中，隧道周围建筑物受到不可能只是一种形式的破坏，而通常是多种变形共同作用的结果。．５．２地表沉降控制基准分析在隧道施工过程中，一般采用两种方法来评价其对周边构筑物的影响。第一种是直接法，即根据地表及构筑物的变形值及其允许变形值来判断构筑物是否安全，如果不安全，则需要采取有效的措施来控制变形，以保证构筑物能够正常使用；第二种方法是事先根据构筑物的正常使用要求来确定地表允许变形值，再确定施工方法，指导施工。在实际工程中，是通过确定地表沉降值来指导施工的。（１）按地面环境要求分析地表下沉控制标准中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施在进行地下工程施工时，应该要求地面交通不受太大影响，能够确保其正常使用。同时，地下管线及地面构筑物也要能安全使用。通常情况下，在进行地面施工时，地表是均匀沉降的，这样对地面交通不会造成太大影响，因此可以不考虑对地面交通的影响。（２）按地层与结构稳定要求分析地表下沉控制标准一般情况下，地表下沉量受到施工规模、结构尺寸、构筑物埋藏深度和旅工方法等因素的影响，在控制地表下沉量时，通常是根据当地地质条件建立试验模型，通过数值模拟来分析和指导设计与施工。所有的地面和地下构筑物都有其特有的结构强度和安全系数，即有抵抗地层变形的能力。当构筑物在施工影响下发生的变形值在其允许范围内时，观测不到其受到的损害。不同类型的构筑物，由于它们的基础和上部结构的不同，其抵抗变形的能力也不同。通常情况下，根据构筑物受到损害后所带来后果的严重程度来确定其所需安全等级。市区进行地下浅埋工程建设时，设计施工承包的单位，通常要在投标文件中提出控制地表下沉的标准。我国目前所采用的城市地铁施工而带来的地面允许沉降值大多是由专家按照工程经验来设定的，一般使用的控制标准值是３０ｍｍ，这个指标的设定目的是控制地下工程施工时给地面环境带来的不利影响。根据调查数据统计，国外对市区的地铁工程标准是更加苛刻的，用暗挖法修建时地表沉降量要控制在２０－－５０ｍｍ之间，沉陷曲线在拐点的斜率不应该大于１／３００，地层的损失系数也要控制在５％之内。由于地质条件、工程情况的复杂特殊性，尤其是施工细节中的偶然性因素，在实际的工程施工中必须对每个具体的工程确立一个控制地表下沉的基准值来作为施工监测指标，以此来保障地下管线的使用与地面上建筑物的安全，还要确保地下工程围岩和结构的稳定性。表５．１列出了各地区地表沉降的控制基准值。表５－１各地区地表沉降控制基准值【６５１中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施地表沉降给城市环境带来了诸多危害，比如地下埋设管线的变形、断裂而导致不能正常使用及地而建筑的过度倾斜。一般采用的地面沉降控制值既考虑了环境要求，也参考了现有的建设规范和之前的工程实例。考虑到地下埋设管线的线路穿越的地层差异和地面建筑结构不同，如果采用统一的控制基准值，会造成有的地段过于谨慎，造成了不必要的浪费，有的地段又发生灾害性沉降，鉴于此情况，有必要深入分析控制基准，使控制基准尽可能地达到工程实际中各类建筑和地下埋设管线的需求，这样既保证了建筑成本相对经济，又保证了地下管线及建筑物的使用和安全。５．３控制盾构隧道施工地面沉降主要的工程方法主动控制和被动控制是两种常规的变形控制方、法【７２１。主动控制是指在盾构掘进时，先对邻近建（构）筑物采取实时保护措施，例如，在盾构机不断推进时，通过监测地表沉降数据，实时调整施工参数。被动控制通常是指在地层出现了大的沉降，或者是地面建（构）筑物发生较大的不均匀沉降时，对建（构）筑物进行加固或纠偏等措施，使其恢复到正常的变形范围内。这种处理措施是沉降治理的方式之一，应尽量避免在工程中使用。工程中提倡的控制措施，主要是实时主动调整施工参数来控制盾构掘进时对周围土体的扰动，主要措施如下：（１）隧道设计选线时，要充分考虑地表沉降可能对建筑群的影响【‘７３】当用盾构法对隧道区间进行施工时，要充分考虑到含水软弱地层和地面建筑的影响，尽可能的避开建筑群，并且使隧道线路处于地表均匀沉降区内。对于不同时施工的双线隧道，在进行施工设计时，需要考虑二次沉降的影响，并且正确估价地表沉降及其危害。在条件允许的情况下，尽量通过监测和测量取得盾构施工后的地表沉降及隆起值。（２）合理设定舱内压力保持开挖面的稳定对于土压平衡式盾构施工方法，其原理是在盾构推进的过程中，依靠盾构前方土体压力和舱内土体压力相平衡来保持开挖面的土体稳定。通过大量工程实践得知，由于在盾构推进的过程中，土压受到推进速度、排土量和千斤顶顶力等的影响会发生波动，因此土压平衡是一种动态的平衡。在实际工程中，动态平衡是很难完全保持的，因此，可以通过控制排土量和舱内外土体压力差值的大小要实现开挖面的稳定。开挖面的稳定，可以减小前方土体的松动或挤压造成的土体扰动。在盾构推进的过程中，应该一直保持正面静止水、土压力之和略小于密封舱内的压力，这样才能尽可能的减小开挖面土体的扰动。尽管从理论上来说，可以通过控制排土量的方法来减小土体扰动，但在实际工程中比较难实现。在实际工程中，切实可行的方法是通过监测土舱压力来判断丌挖是否６５中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施稳定，并且可以通过控制开挖面的土压来保持其稳定。开挖面的土压控制，首先是根据地层情况确定目标土压，接着是监测土压变化情况，最后通过调节螺旋输送机的转速来维持目标土压值。理论上，目标土压值等于土层压力，这在实际中是难以实现的。因此，一般是通过测定盾构停止推进时的开挖面土压值作为目标压力值，再根据开挖面周边土压及排土量来修正目标值。（３）做好盾尾建筑空隙的充填压裂７４】①管片施工质量的好坏是盾构施工的关键因素之一。管片的强度、尺寸和预留孔道位置等都需要严格控制。防水处理也必须做好，这样才能保证盾构具有良好的抗渗性。②确保注浆工作的及时进行，尽可能地防止洞体由于衬砌暴露的时间过长而引起的坍塌。③确保注浆数量，控制注浆压力。由于注浆材料会发生收缩，因此注浆量必须大于理论建筑空隙的体积，一般应该超过理论值的１０％左右；如果在注浆材料中掺加膨胀剂，则实际注浆量可以等于理论注浆量。在实际工程中，建筑空隙的理论数据是比较难准确确定的，因此，还应该通过控制注浆压力来确定是否已经完全的填充。当注浆数量已经将近达到原定标准，而注浆压力急剧升高时，说明充填已经密实，此时应该停止压注。如果注入数量已达到规定标准但注浆压力很低，就说明空隙较大，这个时候，应该增加注入数量，以压力升高到规定值为准。如果注入数量已经远大于对建筑空隙的估计而压力还是很低，则说明浆液流失，这时需要根据水文地质资料情况，进行实际勘测，做封堵水道、重新压浆等处理。④改进压浆材料性能。拌浆站在施工时，要对浆体进行强度、凝结时间和收缩量等进行相关实验，选择合适的配合比。注浆材料抗渗性的好坏影响到隧道的防水能否成功，因此需要严格把握。⑤土体受到卸荷而发生扰动的程度与是否存在盾尾间隙有关。通过同步注浆和二次注浆能够减小土体扰动程度。在盾构向前推进时，需要及时调整注浆参数，从而达到控制沉降的目的。进行同步注浆时，需要严格注浆压力，从而确保注浆是填充土体间隙而不是由于过大的压力而是土体被劈裂。过大的注浆压力会使土层被劈裂，从而引起管片后期沉降，过小的注浆压力会使浆液的填充速度过慢，从而使间隙不能被完全填充，引起地表变形。根据已有的施工经验，注浆压力一般取为１．１～１．２倍静止土压力比较合适。⑥在理论上，注浆量只要能够完全填充建筑空隙就行。但在实际工程中，注浆量都会大于理论值。当注浆量发生较大变化时，可以采用加大注浆压力的办法补注，当这种方法不能进行时，就需要进行二次补浆。注浆是有效的使地表沉降得到控制的辅助手段，当盾构在重要建筑物或地下管线下穿过时，可以控制其地表的沉降，这样中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施就能减小由于盾构施工而对周边环境造成的影响。（４）减少对开挖而地层的扰动【７习①施工之前就要调查施工区域内的地质概况，尤其是要清楚地下水的来源、流量和流向，为施工做好准备，及早制定控制地表变形的预防措施和防水、堵水的具体方案以及坍塌应急处理方案，在突发事件发生时能够有效应对ｆ７６】。②加快施工速度，并保证连续性。盾构机停止向前推进时，正面土压力导致盾构机发生后退，尽管后退量可以采取支撑或者加固来减少，但还是不可避免的。所以，做好施工组织，避免盾构机停止运作，提高开挖工程的施工速度，对减少地表变形有积极地作用。如果盾构机在施工过程中需要检修或者其他原因不得不暂停作业时，必须要采取防止后退的措施，正面和盾尾要封闭，尽可能地减少暂停作业期间的地表沉降【７６】。③盾构机向前掘进时，要控制好开挖面的出土量，避免超量。严格控制了出土量，地表沉降的控制还是可能的。依照上海在软粘土中盾构施工中的工程经验，采用挤压式盾构，要是地表不发生隆起，出土量要控制在理论土方量的８０哆扣９０％【『７６１。④对盾构机向前推进时的纠偏量要严格控制。施工测量要严格，盾构不能偏离隧道的设计断面，严防发生偏斜现象，从而避免盾构机在地层中的摆动，以及对土层的扰动。另外，还要确保纠偏时需要的开挖面不超挖【．７６】。⑤施工过程中用合理的正面支撑控制土体的坍塌，保证开挖面的稳定性。条件允许时，要尽量使用先进的不会改变地下水位的土压平衡式盾构技术进行开挖，这样可以减少土体由于地下水位发生变化而引起扰动【．７６１。５．４工程实际采用的控制地表沉降措施本文研究讨论的广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道除有一处机场标志雕塑外，另无其它大的建（构）筑物。在穿越该段及机场高速公路下方时，采取土压平衡模式掘进，严格控制出土量，加强同步注浆，加密地表沉降监控测量，确保地表沉降在控制要求范围内。具体应做到以下方面以控制地表沉降并降低施工对周围建筑物的影响。（１）盾构机掘进前，掌握施工影响范围内的地面建筑物、地下管线、地下障碍物、地下设施等，必要时进行物探，对重要建筑物采取事前保护措施。（２）建立严格的隧道沉降量测控制网，及时定期的进行监测，掌握隧道施工时和建成后对周围环境及对隧道本身的影响。注意对盾构前方监测点监测数据的分析。如果盾构前方监测点地面变形控制在（－５ｍｍ＂－－＇＋５ｍｒｎ），则盾构在通过时地面变形可控制在（－３０ｍｍ＂一＋ｌＯｍｍ）否则应调整出土量控制地面沉降，要求更加严格的环境下，应另外确定控制值。６７中南大学硕士学位论文第五章地表沉降控制措施（３）地面变形接近．２０ｍｍ＂－－＇＋５ｍｍ时，尽快找出原因并采取相应措施。（４）加强掘进参数的管理，尤其是土仓压力设定要合理，通过优化盾构掘进参数来保持开挖面的稳定，从而控制地层和建筑物的隆降。（５）在砂层地层中掘进时，由于掘进对地层的扰动，不易形成连续的土压，为此采取向刀盘面、土仓和螺旋输送机内注入泡沫、膨润土、聚合物来改良碴土，维持土仓内土压平衡，从而控制地层和建筑物的沉降。（６）根据初始ｌＯＯｍ的掘进，对盾构施工所采用的参数进行不断优化调整，以使盾构在全线掘进中，随地质、埋深、环境条件的变化而动态的、合适的确定施工参数，将地面沉降控制在＋ｌＯｍｍ和．３０ｍｍ范围内。（７）对盾构机进出口端头进行加固，确保离、进洞口的安全。施工中在盾构快进入加固体土体时严格控制盾构机的操作，采取适当对开挖面注水或膨润土泥浆，低速钻进，低速转动大刀盘等措施。（８）加强同步注浆及二次注浆管理来控制地层的隆降。为了减少和防止地面沉降，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形孔隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，确定浆液配比，注浆压力、注浆量及注浆起止时间对同步注浆能否达到预期效果起关键作用。（９）注意盾构在曲线上推进及盾构纠偏。盾构在曲线上推进时，土体对盾构和隧道的约束力差，盾构轴线较难控制，因此推进速度要减缓，纠偏幅度不要过大，加大注浆量、加强纠偏测量工作等，以减少地层损失，降低地面沉降。（１０）防止从管片接头、壁后注浆孔等漏水而引起地层下沉，进行管片安装和防水施工按施工要求进行，保证施工质量。若出现管片漏水及时采取二次注浆，达到防水效果。（１１）对建筑物、桥桩基础进行注浆加固。根据建筑物结构类型及对沉降的敏感程度、沉降的允许值，制定建筑物及地面变形警戒值。建立完善的监测网，及时反馈信息，及时进行跟踪注浆及补充注浆。５．５本章小结（１）介绍地表移动与变形对周围建筑物的破坏作用，包括地表沉降损害、地表倾斜损害、地表曲率损害和地表变形损害，地表移动与变形对于建筑物的破坏作用，往往不是只受单一种类的地表变形的影响，而是几种变形同时作用的结果。（２）总结分析地表沉降的控制基准。（３）针对盾构隧道施工特点，提出控制盾构隧道地表沉降的主要工程方法。控制地表沉降的措施主要从保持开挖面稳定、减小对地层的扰动、合理注浆填缝等方面出发考虑。中南大学硕士学位论文第六章结论与展望第六章结论与展望６．１本文结论论文通过研究国内外对隧道开挖所产生地表沉降的研究现状和结论，结合地表沉降机理、有限元分析原理等相关理论，采用ＭＤＡＳ／ＧＴＳ有限元分析软件建立隧道开挖的有限元模型，模拟分析广州地铁三号线北延段高增站～新机场南站区间盾构隧道的施工过程及其对地表沉降的影响。在此有限元模型基础上，通过数值仿真模拟隧道开挖引起的地表沉降，研究影响隧道地表沉降的相关因素，对影响隧道地表沉降的主要因素进行对比分析。论文最后根据研究所得结果，对控制隧道施工地表沉降提出了实用可行几项工程措施。全文主要得出以下几点结论ｔ（１）有限元软件ＭＢ）ＡＳ／ＧＴＳ模拟分析盾构隧道产生地表沉降的结果与工程实测的监测数据基本吻合，从而验证了ＭＤＡＳ／ＧＴＳ数值分析结果的可靠性；（２）盾构法开挖隧道时，隧道上方覆土的厚度越大，地表沉降就越小，另外，当上方覆土的厚度相同时，埋深越大处地层的横向最大沉降量越大；（３）采用等代层来模拟盾尾注浆时，等代层的弹性模量取值对地表沉降影响很小，而等代层的厚度则明显影响地表沉降值；（４）掘进压力对地表纵向沉降影响较大，施工中应控制好掘进推力的大小，广州地铁三号线高增站～新机场南站区间盾构隧道的掘进压力应控制在５００ｋＰａ左右比较合适；（５）双线隧道施工时，同时同向开挖和完成一条隧道后调头开挖另一条隧道两种不同施工方案引起的地表沉降值相差不大；但是，完成一条隧道后调头开挖另一条隧道由于先开挖隧道对后开挖隧道有沉降叠加作用，因此两条隧道中心线上的沉降值不等，沉降槽不对称。（６）工程中应该对施工参数进行实时的主动调整来控制和减小盾构掘进对周围土体的扰动，主要做到：合理选线、合理设定土舱压力、做好盾尾注浆工作、施工中控制好各项参数以减小对土体的扰动。６．２下一步工作展望近年来，隧道开挖引起的地面沉降研究取得了较大的进展，但由于土体本构关系较为复杂以及工程的复杂性，仍然有很多实际工程问题有待于解决。在以后研究工作中，以下几个方面还需进行更加深入的研究：（１）考虑土体的各向异性、粘弹塑性以及渗流排水的影响，建立更符合土体应中南大学硕士学位论文第六章结论与展望力—应变模型，以便通过有限元软件建立更为合理的有限元分析模型。（２）本文数值分析中仅仅考虑了土体的自重荷载的作用，在实际中，地面常常有建筑物等附加荷载，而隧道建好之后，当地面的附加荷载发生变化的时候，或是当有地震等特殊荷载发生之后，对地面沉降的影响需要进一步研究。（３）随着建设的需要，隧道的断面形式不再仅仅是圆形，还有椭圆形、双圆形、矩形等形状，这些断面隧道的开挖引起的地面沉降与圆形有所不同，需要进一步研究。（４）在隧道施工过程中，通常采用各种措旋来保持开挖面的稳定，减小地面沉降，施加这些措施之后的隧道开挖引起的地面沉降情况需要进一步的分析研究。７０中南大学硕士学位论文参考文献参考文献［１】李曙光．ＥＰＢ盾构法隧道施工引起的地表沉降分析与数值模拟［Ｄ】．长沙：中南大学，２００６．［２】谢康和，周健．岩土工程有限元分析理论与应用［Ｍ】．北京：科学出版社，２００２：４１．８９．【３】刘宝琛．急待深入研究的地铁建设中的岩土力学课题［Ｊ】．铁道建筑技术，２０００，（３）：１．３．【４】刘天泉，钱七虎．城市地下岩土工程技术发展动向【Ｊ】．煤炭科学技术，１９９９，２７（１）：１．５．【５】钱七虎．岩土工程的第四次浪潮［Ｊ】．地下空间，１９９９，１９（４）：２６７．２７２．【６］张云，殷宗泽，徐永福．盾构法隧道引起的地表变形分析［Ｊ】．岩石力学与工程学报，２００２，２（３）：１５．１８．【７】ＰｅｅｋＲ．Ｂ．Ｄｅｅｐｅｘｅａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｏｎｇｒｏｕｎｄ［Ｊ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＭｅｘｉｃｏＣｉｔｙ：７ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ１９６９：２２５—２９０．ＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ【８］Ｃｌｏｕｇｈ，Ｓｃｈｍｉｄｔ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｄｒａｉｎｅｄ１９８７，３７（３）：３０１．３２０．ｓｏｉｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｇｒｏｕｎｄｌｏｓｓ．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，【９】ＡｔｔｅｗｅｌｌＰ．Ｂ．Ｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｔｕｎｎｄｉｎｇｉｎｓｏｉｌ［Ｊ］．Ｉｎｔｈｅｐｒｏｅｅｏｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎｌａｒｇｅｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．ＥｄｉｔｅｄｂｙＧｅｄｄｅｓＪ．Ｄ，Ｃａｒｄｉｆｆ，１９７８：８１２．９４８．【１０】ＡｔｔｅｗｅｌｌＰ．Ｂ．Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｓｉｔｅｉｎｖｅｒｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｔｅｒｍｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｄｕｃｅｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎｓｏｉｌ［Ｊ】．ＧｅｏｌｏｇｉｅａｌＳｏｅｉｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙＳｐｅｃｉａｌＰｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，１９８８：５５．６１．【ｌｌ】ＡｔｔｅｗｅｌｌＰ．Ｂ，ＳｅｌｂｙＡ．Ｒ．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐｒｅｓｓｉｂｌｅｐｌｉｅａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｉｓｍＴｅｅｈｎｏｌｏｇｙ，１９８９，４（４）：４８１－４８９．ｓｈａｌｌｏｗＳｐａｃｅ【１２】藤田圭一．从基础工程角度看盾构掘进法．隧道译丛．１９８５，（５）：４９．６３．【１３】ＭａｉｒＲ．Ｊ，ＴｙｏｒｔｕｎｎｅｌｓｉｎＲ．Ｎ，Ｏ’ＲｅｉｌｌｙＭ．Ｐ．Ｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔａｒｏｕｎｄｓｏｒｒｅｌ［Ｊ］．１２ｔｈＭＦＥ，Ｂｒａｚｉｌ，１９８９（４）：４１－４３．［１４】侯学渊，廖少明．盾构隧道沉降预估［Ｍ】．地下工程与隧道，１９９３，（４）：２４．３２．［１５］ＳｅａｓｅｔａＣ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｄｒａｉｎｅｄｓｏｉｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｅｔｏｇｒｏｕｎｄｇｅｏｔｅｃｎｉｑｕｅ［Ｊ］．１９８７，（３７）：３２９—３３３．［１６】Ｖｅｎｖｉｊｔ，ＢｏｏｋｅｒｅｌａｓｔｉｃｈａｌｆＪ．Ｒ．Ｓｕｒ－ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｕｅｔｏｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆａｔｕｎｎｅｌｉｎｇｏｆａｎｐｌａｎｅ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｅｈｎｉｑｕｅ，１９９６，４６（４）：７５３—７５６．７１中南大学硕士学位论文参考文献［１７】ＬｏｇａｎａｔｈａｎＮ，ｐｏｕｌｏｓＨ．Ｇ．ＡｎａｌｙｔｉｅａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒＴ’ｕｌｍｅｌｉｎｇｉｎｄｕｅｅｄＧｒｏｕｎｄＭｏｖｅｍｅｒｆｉｓｍＣｌａｙｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｃｏｔｃｃｈｎｉｃａｌａｎｄＧｃｏ—ｅｎｖ打ｏｎｍｅｎｍｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，１９９８，１２（９）：１２４－１２９．［１８】李小刚．小半径、大坡度盾构隧道施工力学特性研究【Ｄ】．中南大学硕士学位论文，２００７．【１９】“ｕＢａｏｃｈｅｒｔ．Ｃ拍ｕ１１ｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｄｕｅｔｏｕＩｌｄｅｒ伊０１ｍｄｅｘｅａｖａｆｉｏｍｎ［Ｊ］．ＰＲＣｈｉｎａ．Ｃｈａｐ２９，Ｖｏｌｕｍｅ４，ＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＲｏｅｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＰｅｒｇａｍｏｎＰｒｅｓｓ．１９９３：７８１．８１７．［２０】刘宝琛，张家生．近地表开挖引起的地表沉降的随机介质方法［Ｊ】．岩石力学与工程学报．１９９５，１４（４）：２８９．２９６．【２１】阳军生，刘宝琛．挤压式盾构隧道施工引起的地表移动及变形［Ｊ】．岩土力学，１９９８，１９（３）：１０．１３．【２２】朱忠隆，张庆贺，易宏传．软土隧道纵向地表沉降的随机预测方法［Ｊ】．岩土力学，２００１，２２（１）：５６．５９．【２３】施成华，彭立敏．随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用［Ｊ】．岩土力学，２００４，２５（２）：３２０．２３．【２４】邓聚龙．灰色预测与决策［Ｍ】．武汉：华中理工大学出版社，１９９８．［２５】靳晓光，李晓红等．隧道围岩位移的灰色优化模型预测［Ｊ】．重庆大学学报（自然科学版）：２００２，２５（１）：１．５．［２６】王铁生，张冰，周建业．时变参数灰色模型在隧道地表沉降中的应用【Ｊ】．水电能源科学，２００６，２４（２）：６４．６５．【２７】谢玉祥．岩土工程时间序列预报问题初探［Ｊ】．岩石力学与工程学报，１９９８，１７（５）：５５２．５５８．［２８】孙钧，袁金荣．盾构施工扰动与地层移动及其智能神经网络预测［Ｊ】．岩土工程学报，２００１，２３（３）：２６１．２６７．［２９】胡珉，周文波．基于多级神经网络的盾构法隧道施工参数控制［Ｊ】．计算机工程，２００５，３１（８）：１９２．１９４．［３０】王述红，田军，肖福坤等．遗传神经网络方法预测地下工程位移演化规律［Ｊ】．东北大学学报（自然科学版）：２０００，２１（５）：５６２．５６５．【３１】黄黔，周文波等．工程设计阶段对盾构引起地面变形的预测研究【Ｊ】．上海软土盾构施工专家系统课题研究报告之二、之三，１９９４．【３２］小泉淳．盾构工法的自动化、智能化及其在工程实践中的应用［Ｊ］．日本土木学会报告论文集，１９９５．【３３］侯学渊，廖少明．施工段优化盾构施工参数的研究成果一信息化施工［Ｒ］．上海中南大学硕上学位论文参考文献软土盾构施工专家系统课题研究报告之四，１９９４．［３４】刘建航．上海地铁ｌ号线地下工程的技术概要［Ｊ】．地下工程与隧道，１９９５，３：２－８．【３５】ＭａｉｒＲ．Ｊ，ＧｕｎｎＭ．ＪａｎｄＯ’ｒｅｉｌｌｙＭ．Ｐ．软粘土中浅埋隧道周围地层运动．隧道译丛，１９８３，（１０）：４７．５３．【３６】ＭａｉｒＲＪ，ｐｈｉｌｉｐｓＲ，ＳｃｈｏｆｉｅｌｄＡＮａｎｄＴａｙｌｏｒＲＮ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｔｏｔｈｅｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆｔｕｎｎｅｌｓａｎｄｅｘｅａｖａｔｉｏｎｓｉｎｓｏｆｔｃｌａｙ［Ｊ］．ＰｒｏｅｅｅｄｉｎｇｏｆＳｙｍｐｏｓｉｕｍｔｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅＭｏｄｅｌｌｉｎｇｔｏＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＤｅｓｉｇｎ，Ｍａｎｃｈｅｓｔｅｒ（Ｂａｌｋｅｍａ），１９８４：３５７．３８０．【３７】ＧｕｔｔｅｒＵ，ＳｔｏｆｆｅｒｓＵ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｃｏｌｌａｐｓｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｃｉｒｃｕｌａｒｌｉｎｅｄｔｕｎｎｅｌｓｉｎｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓ［Ｊ】．ＣｅｎｔｒｉｆｕｇｅｓｉｎＳｏｉｌｅｃｈａｎｉｃｓ．Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ：Ｂａｌｋｅｍａ，１９９８：１８３．１８６．【３８】张云生．突变大断面地铁隧道施工力学行为及地表沉降研究［Ｄ】．成都：西南交通大学，２００９．【３９】ＳｈｉｎｉｅｈｉｒｏＩｍａｍｕｒａ，ＴｏｓｈｉｙｕｌｄＨａｇｉｗａｒａ，ＫｅｎｊｉＭｉｔｏ，·ｅｔａ１．ＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔｒｏｕｇｈａｂｏｖｅａｍｏｄｅｌＳｈｉｅｌｄｏｂｓｅｒｖｅｄｉｎａｃｅｎｉｒｉｆｕｇｅ［Ｊ］．Ｃｅｎｔｒｉｆｕｇｅ９８．Ｔｏｋｙｏ，１９９８：７１３－７１９．【４０］周小文，濮家骆．砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究［Ｊ】．岩土力学，２００２，２３（５）：５５９．５６３．【４１】李围，何川，张志强．大型地下结构下修建盾构隧道模型试验［Ｊ】．西南交通大学学报，２００５，４０（４）：４７８－４８３．［４２】谢康，周健．岩土工程有限元分析理论与应用［Ｍ】．北京：科学出版社，２００２：４１－８９．［４３】Ｇ哥德赫．有限元法在岩土力学中的应用［Ｍ］．张清，张弥．北京：中国铁道出版社１９８３：８４．１２９．［４４】潘昌实．隧道力学数值方法【Ｍ】．北京：中国铁道出版社，１９９５：３４－８１．［４５】ＧｈａｂｏｕｓｓｉＪ，ＲａｎｋｅｎＲ．Ｅ，ＫａｒｓｈｅｎａｓＭ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅＯｖｅｒＳｏｆｔＧｒｏｕｎｄＴｕｎｎｅｌｓ［Ｊ］．ＥｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［４６］ＧｈａｂｏｕｓｓｉＪ，ＨａｎｓｍｉｒｅｏｆＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅ，１９７８：１８２—１９６．Ｗ．Ｈ，ＰａｒｋｅｒＨ．Ｗ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｕｎｎｅＵｉｎｇｌｏｓｓ［Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＯｖｅｒＳｕｂｗａｙｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ【４７］Ｓａｇａｓｅｔａ１９８７，３７（３）：３０１．３２０．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８３，１０９（３）：３１８·３３４．Ｃ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｄｒａｉｎｅｄｓｏｉｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｇｒｏｕｎｄ［４８］ＬｅｅＫＭ，ＲｏｗｅｄｕｅＲＫ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｔｏｇｒｏｕｎｄｏｆｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｃｏｈｅｓｉｖｅｓｏｉｌｓ：ｐａｒｔＩ－ｍｅｔｈｏ．ｄａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，１９９０，（１０）：８７—１０９．中南大学硕士学位论文参考文献［４９】ＬｅｅＫＭ，ＲｏｗｅＲＫ．Ｆｉｎｉｔｅｄｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｕｅｔｏｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｃｏｈｅｓｉｖｅｓｏｉｌｓ：ｐａｒｔＩＩ－ｒｅｓｕｌｔｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ，１９９０，（１０）：１１１．１３８．【５０】ＲｏｗｅＲ．Ｋ，ＬｅｅＫ．Ｍ．Ａｎｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｕｎｄｒａｉｎｅｄｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓｄｕｅｔｏｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｆｏｒｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｉｎｓｏｆｔｓｏｉｌｓ［Ｊ】．ＣａｎａｄｉａｎＧｅｏｔｅｅｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，１９９２，（２９）：３９－５２．【５１】马丽霞．地铁车站浅埋暗挖法施工引起沉降的控制措施研究【Ｄ】．北京：北京交通大学，２００８．【５２】朱合华，刘挺金．超浅埋盾构法隧道施工方案三维有限元分析【Ｍ】．现代隧道技术，２００１，３８（６）：１４．１８．［５３】乐贵平．土压平衡式盾构机简介［Ｊ】．建筑机械，２０００（６）．【５４】张庆贺，朱忠隆，杨俊龙，朱继文．盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究【Ｍ】．岩石力学与工程学报，１９９９，（１２）－１５—１８．［５５】杨晓杰，楮立孔，张蓓，刘冬明．城市隧道施工引起地表沉降数值模拟研究［Ｊ】．矿山压力与顶板管理，２００５，（３）：９８．１００．【５６】石根华．数值流形方法与非连续变形分析［Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９３．【５７】王助成，邵敏．有限元法基本原理和数值方法（第二版）［Ｍ】．北京：清华大学出版社，１９９２．【５８】张庆贺，朱忠隆，杨俊龙，朱继文．盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究［Ｍ】．岩石力学与工程学报，１９９９，（１２）：１５．１８．［５９】杨磊．山区隧道施工地表移动与变形规律研究［Ｄ】．长沙：长沙理工大学，２００８．［６０】盾构法施工过程中土体变形特性及其数值分析研究ｒＤ］．成都：西南交通大学，２００８．［６１】陶德敬．地下铁道施工引起的地表沉降及变形预测技术研究［Ｄ】．成都：西南交通大学，２００７．【６２】丁锐，范鹏，焦苍等．不同开挖步骤引起浅埋隧道地表沉降的数值分析【Ｊ】．铁道工程学报，２００５，１０（９）：６２．６５．［６３】张云军，宰金珉，王旭东．隧道开挖对周围土体的影响分析［Ｊ】．建筑结构，２００６，（６）：４０－４２．［６４】胡学兵，乔玉英．小团山大断面公路隧道稳定性数值模拟分析【Ｊ】．重庆交通学院院报，２００２，（１２）：１６．１９．［６５】张有天．隧道旌工期变形过程分析［Ｊ】．岩石力学与工程学报，１９９２，１１（１）：６３．６９．［６６】王传琦．成都地铁区间隧道盾构施工引发地表沉降的数值模拟研究［Ｄ】．成都：西南交通大学，２００８．７４中南大学硕士学位论文参考文献［６７】李海峰．浅埋暗挖隧道施工地表沉降的规律及其对既有构筑物的影响分析【Ｄ】．北京：北京交通大学，２００８．【６８】汪振伟．城市连拱隧道施工地表沉降研究［Ｄ】．重庆：重庆交通大学，２００８．［６９】张飞进．盾构施工穿越既有线地表沉降规律与施工参数优化【Ｄ】．北京：北京工业大学，２００６．［７０】赵志民．隧道施工引起土体位移与应力的镜像理论研究以及回归方法的应用［Ｄ］．天津：天津大学，２００６．［７１】夏才初，潘国荣．土木工程监测技术【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２００１：５４．６８．【７２】李晓红．隧道新奥法及其量测技术［Ｍ】．北京：科学出版社，２００２：２１．３５．７３．８７．２５．２８．１９９９：２２．２９．大学，２００７．【７３】陈建勋，马建秦．隧道工程试验检测技术【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２００４：【７４】赵鹏，王永东．秦岭ｌ号特长公路隧道施工监控量测［Ｊ】．公路隧道．２００６，（５３）：【７５】夏才初，李永盛．地下工程测试理论与监测技术［Ｍ】．上海：同济大学出版社，【７６】梁睿．北京地铁隧道施工引起的地表沉降统计分析与预测［Ｄ】．北京：北京交通中南大学硕士学位论文致谢致谢研究生学习生涯即将结束，这三年中我得到了很多人的帮助，值此论文完成之际，谨向大家致以最诚挚的谢意！首先，要感谢我的导师罗周全教授。本文是在罗老师的悉心指导下完成的，论文从选题到构思一直到内容的完善都得到了导师的详细指点。在这三年里，罗老师在学习和生活上给了我很多的帮助，他严谨的治学态度、丰富的学识以及对学生的和蔼可亲都深深影响了我。今后无论处于何种岗位，我都将铭记罗老师的可亲可敬。。同时也非常感谢谢学斌老师，在撰写论文的前期准备阶段，您曾经给予过我帮助和指导，谢谢您！感谢刘艳红、王中民、王国焘、黄志国、罗贞焱、熊立新，三年来与你们在一起学习真的很开心，也谢谢你们曾经对我的帮助，希望毕业后我们都能找到理想的工作，创造美好的生活。谢谢各位师兄师姐以及师弟师妹，能与你们在同一个实验室里学习是难得的缘分，我会珍惜这份缘分，牢记你们的每一个笑脸。感谢我的同学张志宇为我提供了收集工程资料的机会，感谢衣永亮在数值模拟软件应用方面对我的帮助，感谢杨慧敏在学习和生活中对我的关怀和照料。感谢我的家人，在漫长的求学岁月中，正是他们始终如一地给予我默默的支持和鼓励，才使我能顺利完成学业。在此对远在家乡的父母和妹妹遥寄祝福，希望他们健康平安。最后，非常感谢细心评阅论文和出席答辩的各位老师，感谢您们于百忙之中抽出时间参加答辩会，并对论文提出宝贵的意见。郑淑芬２０１０年３月７６中南大学硕士学位论文学位期间主要科研成果攻读学位期间主要科研成果一、参加的科研项目冬瓜山铜矿采空区三维精密探测技术研究二、学术论文发表情况郑淑芬，罗周全．提高我国城市地下空间开发综合效益对策研究．地下空间与工程学报．（已录用）三、获奖情况１、荣获２００７．２００８年度金诚信二等奖学金２、荣获资源与安全工程学院第四届研究生学术论坛三等奖『盾构隧道施工地表沉降规律及控制措施研究

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学位授予单位：被引用次数：

郑淑芬中南大学1次

1. 王璐 西安市地铁区间隧道盾构施工对地表沉降机理的研究[学位论文]20082. 王传琦 成都地铁区间隧道盾构施工引发地表沉降的数值模拟研究[学位论文]20083. 徐冬健 盾构隧道沉降数值模拟[学位论文]2009

4. 魏广文 北京地铁盾构隧道施工引起的地表沉降及建（构）筑物的变形控制标准研究[学位论文]20085. 朱岱云 盾构隧道施工引起地层沉降的数值模拟研究[学位论文]20076. 蒲诃夫 复合地层中盾构隧道施工的环境效应研究[学位论文]2010

7. 朱才辉.李宁.柳厚祥.张志强.ZHU Cai-hui.LI Ning.LIU Hou-xiang.ZHANG Zhi-qiang 盾构施工工艺诱发地表沉降规律浅析[期刊论文]-岩土力学2011,32(1)

8. 董增春 盾构引起的地层沉降数值模拟方法研究[学位论文]2009

9. 马达君 软土地区盾构隧道施工引起地表沉降的理论与数值研究[学位论文]201010. 周尚荣 砂砾地层土压平衡盾构施工地表沉降分析与控制[学位论文]2010

1.张向东.王群.盛超 黑龙江哈尔滨地铁盾构法施工地面变形规律分析[期刊论文]-中国地质灾害与防治学报2011(3)

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