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摘要 盾构法作为地铁隧道施工中一种最主要的施工方法已在我国得到广泛应用。土压平衡 盾构施工的安全性控制以及施工所引起的环境变化是盾构隧道设计和施工中非常关心的 问题，由于粉砂土性质介于砂土和粘土之间，其在盾构施工过程中表现出的工程特性难以 掌握，因此在粉砂土地基中该问题显得尤为突出。本文的主要研究工作包括： ( 1 ) 针对土压平衡盾构双线隧道施工引起的周边土体环境变化进行了现场实测。测 试结果表明，土体中孔隙水压力随着盾构掘进呈锯齿形的上升下降变化，后掘进隧道对先 掘进隧道具有挤压作用，合理的注浆参量有利于控制盾构隧道周围的土体变形。 ( 2 ) 分析了土压平衡盾构施工中盾构与土体的相互作用，通过m i n d l i n 解进行坐标转 化，推导了刀盘和土体之间的摩擦所引起的土体变形计算公式，修正了土体损失引起的土 体变形计算公式，完善了盾构施工引起的地表变形计算公式，验证了刀盘扭矩引起地表沉 降非对称分布的现象，该方法适合于施工阶段。 ( 3 ) 利用三维有限差分法对在饱和粉砂土地基中土压平衡盾构在施工状态下的稳定 性问题进行了研究，得出了饱和粉砂土地基施工状态下盾构开挖面的极限支护压力设置范 围，并分析了隧道埋深、地下水位、停机时间以及土体性质对盾构开挖面极限支护压力的 影响。 本文通过现场实测总结了粉砂土地基中双线盾构隧道施工引起的周围土体环境变化 规律，利用基于m i n d l i n 解推导的盾构施工地表变形公式分析了盾构施工引起的土体变形， 并通过数值分析方法得出了粉砂土地基中盾构开挖面极限支护压力的设置范围，为粉砂土 地基中的盾构隧道施工安全提供了参考。 关键词：盾构隧道；粉砂土地基；现场实测；土体变形；极限支护压力 a b s t r a c t t h es h i e l dt u n n e l i n gm e t h o d ，a so n eo ft h em a i nc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fm e t r ot u n n e l i n g ， h a sb e e nu s e dw i d e l yi nc h i n a t h es a f e t yc o n t r o lo fe x c a v a t i o nf a c ea n dv a r i a t i o no fs o i l e n v i r o n m e n ti n d u c e db ys h i e l dt u n n e l i n gi st h em a i ni s s u ed u r i n gs h i e l dt u n n e ld e s i g na n d c o n s t r u c t i o n b e c a u s et h ep r o p e r t yo fs a n d ys i l ti su s u a l l yb e t w e e nt h a to fs a n da n dt h a to fc l a y , i ti sh a r df o re n g i n e e r st ou n d e r s t a n dt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t yo fs a n d ys i l td u r i n gs h i e l d t u n n e l i n g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r e2 l sf o l l o w s ： ( 1 ) r e l e v a n ti n - s i t um e a s u r e m e n ti se x e c u t e dd u r i n gh a n g z h o um e t r ot u n n e l i n gi ns a n d ys i l t f r o mt h er e s u l t s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tv a r i a t i o no fp o r ep r e s s u r ea g a i n s td i s t a n c ei sa z i g z a g s h a p ed i s t r i b u t i o na g a i n s td i s t a n c e t h el a t t e rs h i e l dt u n n e l i n gh a st h r u s ti n f l u e n c eo n e a r l i e rs h i e l dt u n n e l i n g ，a n dr e a s o n a b l eg r o u t i n gh e l p st oc o n t r o ls o i ld e f o r m a t i o na r o u n ds h i e l d t u n n e l ( 2 ) t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns o i la n ds h i e l di sa n a l y z e d t h ef o r m u l a t i o no fs o i ld e f o r m a t i o n i n d u c e db yt o r q u eb e t w e e ns o i la n dc u t t e r h e a di so b t a i n e dd e r i v e df r o mm i n d l i ns o l u t i o nw h i c h c o u l dv e r i f yt h ep h e n o m e n o nt h a tt h es e t t l e m e n tt r o u g hi sa s s y m m e t r i c b yr e v i s i n gf o r m u l a t i o n o fs o i ld e f o r m a t i o ni n d u c e db ys o i ll o s s ，t h et o t a lf o r m u l a t i o no fs o i ld e f o r m a t i o ni so b t a i n e d w h i c hi su s e f u li nc o n s t r u c t i o ns t a g e ( 3 ) at h r e e d i m e n s i o n a lf a s tl a g r a n g i a nd i f f e r e n t i a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o di su s e dt o s i m u l a t et h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r eo fe x c a v a t i o nf a c ec o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fg r o u n d w a t e r t h el i m i t e df a c ep r e s s u r eo fe x c a v a t i o nf a c ei so b t a i n e db yag r e a td e a lo fa n a l y s i s ，a n d t h ei n f l u e n c eo ft u n n e ld e p t h ，t h ed e p t ho fg r o u n dl e v e l ，t i m eo fs h i e l ds t o p p i n ga n ds o i l p r o p e r t yi sa l s oa n a l y z e db yu s i n gn u m e r i c a lm o d e l i nt h i st h e s i s ，t h ev a r i a t i o nr e g u l a r i t yo fs o i ls t r e s sa n dd e f o r m a t i o ni n d u c e db yp a r a l l e l s h i e l dt u n n e l i n gi sc o n c l u d e db yf i e l dm e a s u r e m e n t s ，a n ds u r f a c es e t t l e m e n ti sa n a l y z e db y f o r m u l a t i o nd e r i v e df r o mm i n d l i ns o l u t i o n ，a n dt h es e tr a n g eo ff a c ep r e s s u r ei ns a n d ys i l ti s o b t a i n e d b yn u m e r i c a la n a l y s i s a l lo ft h ec o n c l u s i o n sp r o v i d es o m er e l e v a n ts u g g e s t i o nf o r s h i e l dt u n n e l i n gi ns a n d ys i l t k e y w o r d s ：s h i e l dt u n n e l ，s a n d ys i l t ，i n - s i t um e a s u r e m e n t s ，s o i ld e f o r m a t i o n ，l i m i tf a c ep r e s s u r e i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他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 并表示谢意。 靴论文作者繇耪签字嗍加口年乡月卜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交 本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一虢瓣 签字口期：加f o 年弓月口目 导师签名： 彦咙爿， 签字日期：砷卜年歹月，口e l 致谢 本论文从选题到成文，自始至终是在导师唐晓武教授的悉心指导和殷切关怀下完成 的。唐晓武教授“以人为本”的工作原则、渊博的学识、严谨的治学态度、卓越的领导能力、 一丝不苟的敬业精神一直都在深深地感染我；尤其是他对学术和人生的远见卓识，必将使 我受益终身。 在整个论文撰写期间，经常得到9 7 3 项目组陈仁朋教授等老师的指导，获益匪浅；和 李君、姜民同学探讨学术问题；和同科研组的胡琦、罗耀武、申文明、张革强和王耀商等 在学习和体育竞技上一起相互努力。 在整个研究生学习期间，特别感谢刘维师弟在研究问题上与我相互讨论，在工程现场 一起相互帮忙，他对我的帮助我将牢记于心；同时，还要感谢王艳、唐强、寇乃羽、牛彝 等各位同门在学习和生活上给我的帮助，我们在一起度过的日子永远都是充满快乐的。 还要感谢同宿舍的张乾青、王华强、刘钊同学在生活上的互相支持；正是有了他们， 学习生活才变得更加丰富多彩。 同时要感谢我的父亲和亲戚，在我求学的过程中，他们竭尽所能给我提供帮助，使我 能安心学习，并不断鼓励我，他们是我人生前进道路上永不枯竭的动力。 最后向所有关心，帮助过我的老师、家人和同学们表示衷心的感谢。 朱季 2 0 1 0 年3 月于浙大求是园 浙江大学硕十学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 第一章绪论 随着我国社会经济的快速发展，大城市的建设空间资源日趋紧张，除最大限度地利用 地表和空间资源外，开挖利用地下空间资源已经变得越来越重要。地铁作为一种解决城市 交通拥堵，减轻城市交通压力的有效方法已经被我国的许多城市所采纳。 截止目前，已有1 0 个城市开通了3 1 条城市轨道交通线，运营里程达到8 3 5 5 公里。 2 0 0 9 年9 月，国务院又批复2 2 个城市的地铁建设规划，总投资达8 8 2 0 0 3 亿元，本次批 复建地铁的2 2 个城市分布于4 个直辖市及黑龙江、辽宁、浙江、江苏等1 3 个省份，分别 是：北京、天津、上海、广州、深圳、南京、杭州、哈尔滨、沈阳、成都、武汉、西安、 重庆、宁波，无锡、长沙、郑州、福州、昆明、大连、南昌、青岛。到2 0 1 0 年，中国城 市轨道数量将达到5 5 条、里程1 5 0 0 公里，需要配属车辆逾6 0 0 0 辆。至2 0 1 6 年，我国将 新建轨道交通线路8 9 条，总建设里程为2 5 0 0 公里，投资规模达9 9 3 7 3 亿元。届时，我 国建成和在建轨道交通线路将达到1 5 8 条，总里程将超过4 1 8 9 公里，成为世界最大的城 市轨道交通建设国。其中，杭州地铁一号线于2 0 0 7 年获批开始招标进行建设，杭州地铁 路线规划图如图1 - 1 所示。( 一摘自百度百科) 撬瓣布囊遗交叠装坶曩麓爱一纛i 器幂纛函 图1 - 1 杭州市轨道交通网线规划图( 一摘自百度百科) 大量的地铁建设伴随着大量盾构机的使用。盾构法自从1 8 1 8 年开始在法国使用开始， 至今已经发展了接近2 个世纪，盾构机也逐渐发展出适应于各种不同地质条件下的各种盾 构机，目前国内主要采用土压平衡盾构为主。 1 浙江 学顺i 学位论z粉砂地基盾拘旌i * 挖i 稳定性豆环辘辩n 研究 1 1 盾构法隧道的发展过程| 1 l 1 8 18 年，洼国工程师布鲁诺尔在伦敦从船蛀在船板上蛀孔中得到启示，提出了盾构 法掘进隧道的原理并注册7 专利，即所谓的敞口式手掘盾构的原型。布鲁诺尔于18 2 3 年 拟定了横贯伦敦泰晤士河的一条道路隧道的计划，中途园地层下降致使工程中止。布鲁诺 尔总结了失败的教训，制作了一个改进型的方形铸铁框盾构，经过7 年的精心施工，在 i8 4 1 年终于贯通了横穿泰晤士河的隧道。 1 8 6 9 年，工程师詹尼斯负责建造穿越泰晤士河的第二条隧道，呆用新开发的圆形盾 构和扇形铸铁管片保障了工程的顺利进行，随后詹尼斯在l8 8 7 年南伦敦铁道隧道施工中 采用了盾构和气压组合工注获得了成功，为现在的盾构工法奠定了基础。 1 9 5 9 年，用液体泥水支撑隧道工作面的恕往由g a r d n e r 首次提出，并成功地试用于一 条直径为33 5 m 的排污隧道。1 9 6 0 年，斯内德瑞特提出了用膨润土悬浮液的活动工作面 支撑。1 9 6 3 年，土压平衡盾构首先由日本s a t o k o g y o 公司开发出来，同时在1 9 6 4 年，英 国摩特、安德森和约翰巴勒特等人提出了泥水加压平衡盾构掘进机原理。 1 9 7 4 年，第一台土压平衡盾构在东京使用，此后，更多制造厂商以土压盾构、压力 保持盾构、款泥盾构、土壤压力盾构，泥压盾构等名称生产了“土压平衡盾构“，固采用同 一种工浩，国际上统称为“土压平衡盾构”( e p b ) 。 1 9 8 6 年，日本研制了世界上第一台双圆泥水加压式盾构( 图i - 2 ) ，又称双头型泥水 盾构或双联体泥水盾构，该双圆坭水加压式盾构是由两个直径为7 , 4 2 m 的盾构组合而成， 盾构横向总宽度为1 2 1 9 m ，刀盘呈半重叠状。在1 9 9 2 年，日本研制成世界上第一台三圆 泥水加压式盾构( 图1 3 ) ，并用于大阪市地铁7 号线。 目1 - 2 双圊盾构示意图i ”田1 - 3 = 圆盾柯示意图i 2 0 世纪6 0 年代毗来，盾构工法得到了很大发展，其特点是完善圆形断面的各种平衡 2 浙江人学硕士学位论文 粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 方式的盾构工法气压盾构、挤压式网格盾构、土压盾构、泥土加压式盾构、泥水盾构 等。 大量的地铁建设伴随着大量盾构机的使用，综合大量的工程设计和施工经验，盾构机 在使用过程主要存在以下两个问题：开挖面稳定性控制和隧道施工对周围环境的影响控 制。 1 2 隧道开挖面稳定性安全控制方法 合理的开挖面支护压力设置可以保持开挖面的稳定性，确保盾构开挖面能够顺利地进 行土层的切削、渣土的搅拌和运输等工作。为了找到在不同的地质条件下盾构隧道开挖面 支护压力的合理设置值，国内外众多岩土工程界的学者和工程师做了大量研究。归结起来 大概可分为以下几种方法：基于微观尺度的模型分析、基于塑性极限分析理论的极限支护 力求解、基于楔形体模型的极限支护力求解、模型实验法和数值分析法。 1 2 1 塑性极限分析理论 b r o m s - - b e n n e r m a r k ( 1 9 6 7 ) 1 2 1 最早提出了粘土中不排水开挖条件下的开挖面稳定系数， 如式( 1 1 ) 表示： n = ( 仃，+ ) ，何一q ) 瓯( 1 1 ) 式中，n 为开挖面稳定性系数；仃，为地面超载；y 为粘土容重；日为隧道轴心到地表距 离；q 为隧道开挖面支护压力；为隧道轴心处土体的不排水抗剪强度。 通过对现场多个基坑及隧道工程的实测统计分析及简单的室内模拟试验发现：当 n 6 时开挖面失稳，当4 n 6 时，开挖面前方土体塑性变形，当2 n 4 开挖面前方 土体弹塑性变形，当1 n 2 开挖面前方弹性变形，当n 1 时开挖面前方不变形。p e c k 等( 1 9 6 9 ) 3 1 、【4 】也给出了类似的结论。k i m u r a 等( 1 9 8 1 ) 【5 1 基于离心模型试验，认为隧 道开挖面稳定系数为5 1 0 。 d a v i s 等( 1 9 8 0 ) 6 1 基于b r o m s - - b e n n e r m a r k 提出的稳定系数法，结合上限塑性极限 分析及开挖面坍塌与隆起的破坏机理，考虑了t r e s c a 材料中的无支护横、纵向平面应变稳 定问题，用圆柱体及球形体代表滑动区域得到了2 个下限解： n = 4 1 n ( 2 c d + 1 ) ( 1 2 ) n = 2 + 2 1 n ( 2 c d + i ) ( 1 3 ) 式中，n 为开挖面稳定性系数；c 为隧道埋深；d 为隧道直径。 3 浙江大学硕r j j 学位论文 粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 在d a v i s 的基础上，l e c a - - d o r m i e u x ( 1 9 9 0 ) 7 】提出了用一个或两个圆锥形块体的圆弧 滑动的上限解法，分析了m o h r - - - c o u l o m b 材料中盾构隧道开挖面的稳定性，其研究假设 开挖面有3 种破坏机制，分别如图1 - 4 、图1 5 及图1 - 6 所示。通过计算l e c a 等人认为滑 动破坏方式i i 能更好的表示盾构开挖面的坍塌破坏情况，同时根据上下限定理得出了盾构 隧道开挖面最大和最小支护力的计算公式，分别为： 听曲= m 吼+ 町，d + ( m 一1 ) 口c o t 9 ( 1 4 ) 仃r 一= n ：q ，+ 7 y d + ( ：一1 ) c c o t q ( 1 5 ) 式中，y 为土体容重；吼为地表超载；d 为隧道直径；c 、9 为土体粘聚力和内摩擦角；唧 为支持如；n ：n ；n ：n ；为稳定系数。 图1 4l e c a d o r m i e u x 提出开挖面塌落破坏形式im 缸 图1 - 5l e g a d o r m i e u x 提出开挖面塌落破坏形式i i 1 7 1 图1 - 6l e c a d o r m i e u x 提出开挖面塌落破坏形式1 7 l 计算结果与c h a m b o n 的离心试验结果进行比较，发现上限估计值与离心试验测得的 4 浙江大学硕士学位论文 粉砂土地基盾构旋工开挖面稳定性及环境影响研究 开挖面破坏时的支护压力有较好的一致性。之后有不少学者通过假定不同的滑动面形式， 并基于塑性极限理论进行开挖面稳定的研究，a b d u l h a r n i ds o u b r a l ( 2 0 0 0 ) 8 】假定盾构隧道 开挖面破坏模式由两个刚性截圆锥及一个剪切带组成，提出了两种改进的破坏模式来考虑 开挖面的坍塌与隆起，其计算结果与c h a m b o n 的离心试验结果较为接近。 l e e & n a m ( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ) 9 】【1 0 】【1 1 1 在l e c a 等人的研究基础上，结合现场实际情 况考虑了地层渗流的影响，认为渗流力的水平分量影响开挖面的稳定，得出了维持盾构开 挖面稳定的上限解，从而大大推进了盾构法隧道开挖面稳定性的理论研究。 1 2 2 楔形体模型 基于j a n s e e n 的仓筒理论( s i l ot h e o r y ) ( 1 8 9 5 ) 1 2 1 ，h o r n ( 1 9 6 1 ) 1 3 1 最早提出了三维楔形体 模型的概念，如图1 7 所示。 c d 图1 7 三维楔形体计算模型1 1 3 i 在此基础上，j a n c s e c z & s t e i n e r ( 1 9 9 4 ) 1 1 4 】假设地层均匀，楔型体上部土柱考虑土体的 松动土压力，采用该模型来分析盾构隧道开挖面的极限支护力。m o n n e t & c h a f f o i s ( 1 9 8 9 ) 1 5 】 基于楔形体模型，对砂砾地层条件下支护介质渗入、孔隙压力变化及有效支护压力减小3 者相互作用对开挖面稳定性影响做了详细分析。 a n a g n o s t o u & k o v a f i ( 1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 1 6 】【1 7 】利用同样的计算模型，假定泥膜处于理想状态 下不透水，研究了地层抗剪强度、地层渗透系数、泥水黏度、泥水重度、泥水压力、隧道 的几何尺寸和开挖面稳定性安全系数的相互关系，并重点分析了泥水渗入地层的时间效 应。a n a g n o s t o u 等人通过分析认为，不同的超孔隙水压力、泥膜强度( 膨润土含量) 条件 下，不同砂粒径下的安全系数相应不同。同样，a n a g n o s t o u 等基于楔形体模型，考虑了土 5 浙江大学硕士学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 压平衡盾构施工中地下水渗流产生的渗透力作用于楔形体内时对开挖面稳定性的影响，通 过数值方法进行了渗流分析，并基于量纲分析给出了有效支护压力的求解公式。通过分析 认为，对于土压平衡盾构隧道，必须区分有效支护压力和密封舱内的水头差，开挖面稳定 性由两者共同承担，开挖面水头差越小，所需要的支护压力也越小，如图1 8 所示。最后 结合工程实例对土压平衡盾构隧道的施工提出了相应建议，认为密封舱内泥浆的抗剪强度 应当保持足够低，通过添加适当的添加剂用来减少密封舱内土体的内摩擦角；而水头差也 必须保证很小，通过减小密封舱的泥浆渗透性或者加设水泵的方式来维持密封舱内水头差 足够小，从而保证开挖面的稳定性。 01 0钩3 0柏 c c h 笛i 时嘲 图1 - 8 开挖面安全系数与颗粒粒径之间的关系1 1 6 1 b r o e r e ( 1 9 9 8 ，2 0 0 0 ，2 0 0 1 ) 1 8 1 9 】1 2 0 提出把上述计算模型拓展于成层地基条件下分析 泥水平衡盾构及土压平衡式盾构施工极限支护压力，并考虑了泥水渗入地层的时间效应及 地下水渗流产生的渗透力作用对开挖面稳定安全系数的影响。 魏纲( 2 0 0 5 ) t 2 1 】进一步修正了三维楔型体模型，假定开挖面失稳时滑动块形状为一梯形 楔型体，而不是三角形楔型体，滑动块体上部为一梯形棱柱土体，该模型最小支护力计算 结果比三维楔型体模型计算结果小，更接近离心模型试验结果。 1 2 3 模型试验 c h a m b o n & c o r t ( 1 9 9 4 ) 【2 2 1 通过离心试验模拟了均质砂土层中开挖面支护压力逐渐减小 的情况，研究不同埋深情况下开挖面的破坏形式。研究表明：开挖面破坏形状可以看成 楔型体，破坏区域上方基本表现为仓筒状，随着埋深的加大，破坏面反映不到地表面； 6 董s色最篓餐蓦枣薹山 浙江大学硕十学位论文 粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 极限最小支护压力的大小- 9 埋深关系不大( c d = 0 5 4 ) 。 m a i r ( 1 9 7 9 ，1 9 9 7 ) f 2 3 】1 2 4 1 在总结前人研究成果的基础上，在粘土地层进行了盾构隧道 开挖面稳定性试验研究，得出砂土和粘土地层中隧道开挖面不同的破坏模式，砂土地层中 开挖面破坏形状表现为烟囱状，而在黏性土层中，由于土体颗粒间黏聚力的存在，破坏面 的表现为下部较缓上部区域较大的盆状，同时指出，当隧道埋深达到一定深度后，满足开 挖面稳定的最小支护压力变化不大。 周小文等人( 1 9 9 9 ，2 0 0 2 ) t 2 5 】【2 6 1 基于平面应变假定，模拟了一次开挖成型的隧道发生失 稳破坏时的情况，结果表明：开挖引起地层变位产生的拱效应使得满足隧道稳定的极限支 护压力小于上覆土重；同时并修正了t e r z a g h i 公式计算的松动土压力偏大的问题，改进公 式计算的松动土压力与模型试验结果比较吻合。 程展林等( 2 0 0 1 ) f 2 7 1 通过模型试验，对泥水盾构施工中泥浆维持开挖面稳定的力学机 理，开挖面前方土体的应力变化规律，泥水压力作用机理及泥膜形态进行了研究，认为在 中粗砂地基中泥水盾构掘进时通过泥水压力的作用，是可以保持开挖面稳定的，并提出了 中粗砂地基中临界泥水压力公式： 易= a t a n 2 ( 4 5 0 一妒2 ) ( o r v - j l f ) + j l l ( 1 6 ) 式中，t p 为土体的有效内摩擦角；p 为孔隙水压力；仃。为上覆土体竖向应力；口= o 6 o 7 反映砂土地基的拱效应。 1 2 4 数值分析 随着计算机技术的发展，国内外许多学者用数值计算来研究盾构隧道开挖面的稳定 性。 b u h a n ( 1 9 9 9 ) 1 2 8 1 建立土压平衡盾构隧道开挖面的三维有限元计算模型，考虑了渗透 力作用在开挖面上的影响，发现开挖面的稳定安全系数只与水平和垂直方向渗透系数的比 值有关，土体密度对其影响很小。 l e e & n a m ( 2 0 0 1 ) 9 1 考虑地层的水平方向的渗透力对开挖面的影响，通过数值模拟计 算出地下水的渗透力分布情况，并认为其与采用塑性定理计算的土压支护力的总和为开挖 面的支护压力。 秦建设( 2 0 0 5 ) 【2 9 1 用大型有限差分程序f l a c3 d 针对土压平衡盾构开挖面变形与破坏 进行了详尽的分析研究，得出了以下结论：开挖面支护压力对隧道围岩变形影响可以分 为三个阶段：影响不敏感阶段、影响敏感阶段及破坏失效阶段，与砂土相比而言，粘土的 7 浙江人学硕士学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 第一阶段变短而第二阶段变长。随着开挖面支护压力的减小，开挖面前方土体塑性区不 断扩大，并最终发展到地表面，砂土中拱效应更为明显；在极限支护压力允许范围内， 支护压力减小引起周围土体的水平应力和竖向应力的释放；支护压力对开挖面稳定起决 定作用，土体压缩模量对变形量影响很大，根据盾构施工需要，盾构掘进开挖控制要结合 地层条件确定控制指标。 黄正荣( 2 0 0 6 ) t 3 0 1 针对有地下水情况下土压平衡盾构开挖面变形- 9 破坏状态进行了研 究，采用p l a x i s3 d 进行计算，发现了有地下水条件下的开挖面盾构极限支护力远大于无水 条件下的开挖面极限支护力。 1 3 隧道开挖引起环境变化预测方法 盾构隧道开挖施工引起的地层移动和土体性质的改变是国内外众多学者关心的问题。 为此，国内外岩土工程界的学者和工程师做了大量的研究，常采用方法分为以下几类：基 于大量工程实例的经验公式法、解析法、试验模型法和数值分析法。 1 3 1 经验公式法 p e c k ( 1 9 6 9 ) 【3 1 根据2 0 多个隧道实例总结出隧道的横向沉降槽曲线呈近似的正太分布 ( 高斯曲线) ，认为土体移动由土体损失引起，假定土体不排水，不可压缩( 泊松f l y = 0 5 ) ， 沉降槽体积等于土体损失体积，则： 一 s ( x ) = p 2 i 2 ( 1 7 ) = 专兰 ( 1 8 ) 吖z 石z 式中，s ( x ) 为地表沉降量；为地表最大沉降量( 隧道轴线上方) ；x 为距隧道中线的 水- y - 距离；f 为沉降槽宽度系数，为土体损失体积。 通过现场观测得到的沉降槽宽度系数i 和隧道半径火的关系如下： 础( 封 9 ， 式中，咒= 0 8 1 0 ，土越软，n 的取值越大；h 为隧道埋深。 随着大量监测数据的出现，p e c k 公式得到了更多的验证，关于p e c k 公式的研究主要集 中在对于沉降槽宽度系数f 值的确定。o r e i l l y & n e w s ( 1 9 8 2 ) 3 1 1 针对各种地质条件下开 挖隧道产生的沉降值进行统计，得到了3 m h 3 4 m 时f 的经验计算公式： 浙江大学硕士学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 粘性土中：i = 0 4 3 h + 1 1 粒状土中：i = 0 2 8 h 一0 1 l o g a n a t h a n 和p o u l o s ( 1 9 9 8 ) 【3 2 1 根据大量的工程试验总结提出： 邝r ( 甜 ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 1 1 2 ) 刘建航( 1 9 9 1 ) 1 3 3 认为沉降槽宽度系数i 与隧道上覆土层的有效摩擦角相关，认为： f 2 荔面丽h ( 1 1 3 ) 式中，为各土层有效内摩擦角。 而对于隧道轴线上方的纵向沉降曲线，a t t e w e l l ( 1 9 8 2 ) 1 3 4 1 等采用累积概率曲线公式 计算土体损失引起的隧道轴线上方纵向地面沉降为： 跏m 群 ( 半) 一文半 式中，s ( y ) 为沿隧道掘进方向左边为y 处的纵向地表沉降量( m ) ；y 为地表面点沿隧道 掘进方向的坐标( m ) ；以为隧道开挖面推进起始点( m ) ；y r 为当前隧道开挖面的位置( m ) ； 函数为标准正态分布函数表查得。 1 3 2 解析法 s a g a s e t a ( 1 9 8 7 ) 3 5 1 采用绝对位移作为变量，假定土体是无限介质，采用一个镜像源 来消除虚拟边界条件。假定土体损失为圆柱体，沿纵向均匀分布，土体变形采用等量径向 移动模式，如图1 9 所示，图中g 为等效土体损失参数。 图1 - 9 土体等代损失示意图 假定土体不排水、体积不可压缩，则地面沉降槽体积等于土体损失体积，得到地面沉 9 浙江大学硕上学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 降计算公式为： 岛= 0 2 h 一南 v e r r u i j t 和b o o k e r ( 1 9 9 6 ) 【3 6 1 基于s a g a s e t a 提出的方法，假定土体是线弹性材料，认为 隧道变形机理主要是隧道表面的均匀径向位移和隧道长期椭圆变形，采用均匀半弹性平面 法，得到土体垂直向和水平向位移的解析解，对任意的泊松比都使用。 2 0 = 2 e r 2 _ m 聊+ l “h _ 2 6 r 2 黼 ( 1 1 6 ) ，靠x 。+ 门一 ix 一十，z l 。 式中，聊= 二，s 和6 分别代表均匀径向位移和椭圆化非等量土体位移。 i 一v 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 蔗 玉 ：l ， l 鬈 2 r l 图1 - 1 0 隧道周围土体变形模式示意图1 3 7 l l o g a n a t h a n & p o u l o s ( 2 0 0 0 ) 【3 7 】采用椭圆形非等量径向土体移动平面，如图1 1 0 所示， 结合v e r r u i j t 等推导的解析解，提出了新的地面沉降计算公式： 一一”p ，争南e 冲卜器j c h o u & b o b e t ( 2 0 0 1 ) 【3 8 1 通过假设与隧道轴线垂直的每个截面都处于- y - 面变形状态， 隧道周围的土体是多孔弹性体以及隧道衬砌是弹性体，提出了预测地表最大沉降的公式： = 一等+ 半h 1 疗m 帅似h ，h 涮一心 ) ( 1 舶， 浙江大学硕十学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 式中，氏缸为地表的最大沉降( m ) ；w 为i 日- j 隙参数；r o 为隧道内径( m ) ；h 为隧道轴线埋 深( m ) ；，为泊松比；e 为弹性模量( m p a ) ；r h 为土体的浮重；k 为土体的侧压系数。 p a r k ( 2 0 0 4 ，2 0 0 5 ) 【3 9 】 1 4 0 1 在采用椭圆化非等量土体移动模式的基础上，利用应力函 数方法在极坐标下提出了软土中浅埋和深埋隧道引起土体变形的二维弹性解，详细研究了 采用均匀径向和椭圆化土体移动模式引起的地面和深层土体沉降和水平位移的区别。 方从启( 1 9 9 8 ) 【4 1 1 采用轴向离散而在环向和径向引入解析函数的半解析元法，建立了 计算软土地层中顶管施工引起的地面位移随时间变化的方法。 曾小清等( 1 9 9 5 ) 【4 2 1 将解析法与数值方法相结合，对双孔平行隧道施工过程这样一个 单连通体与多连通体共存与转化的相互作用问题构造合理的半解析函数，使隧道施工的三 维结构介质相互作用时空问题在微机上的模拟得以实现。 吴修锋( 2 0 0 4 ) 4 3 1 利m i n d l i n 解推导了正面附加推力引起的土体竖向位移计算公式， 并对正面附加推力引起的土体变形分布规律进行了分析。 廖少明等( 2 0 0 4 ) 【删应用弹性力学i 均m i n d l i n 位移解，结合边界元法，得到盾构侧向 剪力和正面附加推力引起的土体变形计算公式，并作了相应的算例分析。 魏纲等( 2 0 0 6 ) 【4 5 1 假定土体不排水，利用弹性力学的m i n d l i n 解推导了正面附加推力、 盾壳与土体之间的摩擦力引起的地面变形计算公式，结合s a g a s e t a 提出的土体损失引起的 变形计算公式，得到了适用于施工阶段的盾构施工地表变形计算公式。 1 3 - 3 试验模型法 试验模型法作为科学研究的一个重要手段，在隧道开挖引起的地层位移研究中发挥了 重要作用。 a t k i n s o n & p o r t s ( 1 9 7 5 ，1 9 7 7 ) 4 6 1 4 7 1 在密砂地层中针对隧道开挖引起的地表沉降问题 进行了离心模型试验，首次采用了收缩空气膜来模拟地层损失的方法，并一直为多数后人 采用。 m a i r ( 1 9 7 9 ) a s l ：a 超固结粘土作为模拟介质，对无支护隧道的变形与破坏进行了试验。 结果表明：隧道的稳定性随着无支护长度的缩短而提高，随着埋深对直径的比值增大而提 高。 k i m u r a & m a i r ( 1 9 8 1 ) 4 9 1 用有限元分析和离心模型试验相结合的办法，分析了浅埋 隧道的地表沉陷。认为地表沉陷在很大程度上取决于隧道周围粘土的特性，浅埋隧道的坍 塌稳定率m 随埋深而变化。 1 】 浙江大学硕士学位论文 粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 k i m ( 1 9 9 8 ) 【5 0 】进行了新开挖隧道对已建隧道影响的模型试验，模型试验研究工况包 括平行隧道和正交隧道两种情况。主要研究了顶推力、衬砌变形后周围土层的应力重分布、 地层损失等关键控制参数，并监测了隧道衬砌的变形和弯矩值。 l o g a n a t h a n ( 2 0 0 0 ) 3 7 1 用模型试验研究不同埋深隧道对邻近单桩、群桩的影响，并在 试验过程中监测了邻近桩的弯矩、轴力和变形和周围土体的变形，与通过经验公式所得到 的土层位移结果能够非常好的吻合。 k o m i y a ( 2 0 0 1 ) f 5 1 1 通过记录新建隧道的现场注浆数据，并对地表沉降监测数据整理 后发现，尽管注浆导致了地表的上抬，但由于浆液收缩和土体固结导致了长期沉降。随后 k o m i y a 通过模拟单孔注浆作用进行了室内试验，用来评估主要控制参数，并采用数值模型 计算验证了试验现象。在试验过程中建立了一个新的注浆效率参数( 上抬量注浆量) ，并 通过试验结果发现，在超固结土中或隧道注浆量增多时，该系数相对较大。 1 3 4 数值分析法 随着计算机技术的飞速发展和各种岩土工程模拟软件的出现，用数值模拟技术来研究 隧道开挖引起的环境变化越来越受到人们的重视。从计算原理上，一般可分为有限元法和 有限差分法；而从模拟方法上，一般可分为力控制法、位移控制法和单元替代法。 l e e & r o w e ( 1 9 9 0 ) 1 5 2 1 5 3 1 针对软粘土地区隧道开挖引起的地表沉降问题建立了三维 弹塑性有限元模型，以模拟隧道开挖过程和引起的土体移动以及隧道表面的应力状态，采 用1 1 节点非协调单元以解决非线性和弹塑性三维隧道问题。 s i m p s o n ( 1 9 7 9 ) i s 4 】，d a s a r i ( 1 9 9 6 ) 【5 5 】，l e c a ( 1 9 9 6 ) 1 5 6 1 和s t a l l e b r a s s ( 1 9 9 6 ) 5 7 】等 人先后采用力控制模型( f c m ) 预测地表变形，得出了相对实测值更宽更浅的沉降槽，即 近轴线处沉降偏小，远轴线处沉降偏大。而a d d e n b r o o k e ( 1 9 9 7 ) 【5 8 】等人为克服上述问题， 通过研究并发展出了更好的土体本构模型，在一定程度上克服了沉降槽不合理情况，得到 了合理的沉降槽曲线轮廓，但其沉降值仍有差别。 此后，在力控制法的基础上发展出了位移控制法模拟隧道变形。位移控制模式认为力 控制法总是会形成更宽更浅的沉降槽，是因为力控制法会导致隧道下部土体反拱过多，从 而导致远轴线处的土体下沉更多，因此在相同的体积损失下，地表最大沉降值会更小，从 而形成更宽更浅的沉降槽。 而位移控制法通过假定隧道周围土体位移的收敛形式，依据实测资料对隧道周围土体 节点进行位移移动假定，从而对地表沉降曲线进行分析。c h e n g & d a s a r i 等( 2 0 0 7 ) 5 9 7 对 12 浙江人学硕士学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 位移控制法进行了明确的假设和定义，采用该方法对希思罗试验隧道( h e a t h r o wt r i a l t u n n e l ) 的位移实测结果和l o g a n a t h a n 的离心试验结果进行反演，验证了位移控制法的精 确性，并采用该方法对土桩隧道的相互作用进行了模拟，与实测结果对比得到了很好的 验证。 李宏建等( 2 0 0 6 ) 6 0 1 结合北京地铁十号线某区间隧道的具体情况，进行三维动态数值 模拟，计算中分别考虑小导管注浆预加固和无预加固措施两种土况，通过数值模拟对比了 两种土况下区间隧道台阶法施工过程地表沉降及拱顶沉降规律及小导管注浆预支护对隧 道稳定性的影响。 张志强等( 2 0 0 5 ) 6 1 l 根据南京地铁区间盾构隧道工程的实际情况，建立了模拟盾构机 ( 包括刚度、自重、推力) 前行推进隧道的三维有限元力学模型，在此基础上研究了盾构 推进引起的地表沉降和隆起变形。 张玉军等( 2 0 0 1 ) 【6 2 1 以拟建的武汉地铁线路的5 个重点地质剖面为例，采用平面弹塑 性有限元方法对该地铁隧道用盾构法施工中的周围土体动态进行了数值模拟，分析了土体 中的塑性区、位移、应力分布及地表下沉情况。 张云等( 2 0 0 2 ) 6 3 1 认为盾尾空隙的大小、注浆填充的程度、隧道壁面土层受扰动的程 度和范围等对地层位移有着重要影响，而在实际工程中又难于分别量化的因素，因此在模 拟过程中将盾尾空隙层概化为一均质、等厚的等代层，分析了地表变形对等代层参数的敏 感性，在有实测位移的情况下，运用位移反分析法准确地获取等代层参数。实例分析表明， 这种处理方法用于实际工程中能取得合理的结果。 姜忻良等( 2 0 0 5 ) f 6 4 1 以天津地铁一号线工程为背景，通过现场实测得到了盾构推进过 程中地表的变形规律和隧道周围土体的扰动规律。利用有限元程序a b a q u s f f 寸单元生死技 术模拟盾构前进过程，并对工程盾构开挖过程进行了仿真模拟。 于宁等( 2 0 0 4 ) 6 5 1 采用有限元法，对盾构隧道施工过程中的施工步骤、管片与土层接 触面以及开挖过程中地应力释放等多方面进行了有限元模拟，并计算和分析了盾构施工对 临近构筑物的影响以及地层的变化情况。 张印涛等( 2 0 0 6 ) 1 6 6 】用三维数值分析模型模拟了盾构隧道开挖引起的地表沉降发展过 程，分析了地表横向和纵向沉降的动态变化规律，得出了模拟盾构开挖过程的数值模型， 并基于p e c k 公式对地表沉降模拟值和工程实测资料的沉降槽参数进行了对比分析。结果表 明f 1 a c3 d 模型能有效地模拟盾构掘进过程中的地层沉降规律。 石杰红等( 2 0 0 6 ) 【6 7 埽0 用f l a c3 d 数值模拟软件模拟分析了双线盾构地铁隧道区间的 】3 浙江大学硕上学位论文粉砂土地基盾构施工开挖面稳定性及环境影响研究 地表沉降，发现了在双隧道中间弧形段