（工程力学专业论文）黄土盾构施工地层形变影响的数值模拟及其控制研究.pdf

黄土盾构施工地层形变影响的数值模拟及其控制研究 学科：工程力学 研究生签字： 指导教师签字： v 罂 彳弋p 亳 ， 摘要 随着城市人口的不断增加，许多大城市都存在交通拥挤问题，而修建地铁又 是非常有效的解决方法。国内外学者对地铁施工中引起的地表移动与变形预测方 面，已经做了许多工作，采用的方法也从二维到三维，从理论分析到有限元模拟， 都取得了一定的成果。 本文采用三维有限元模型，模拟分析了在黄土地区修建地铁，并且地铁与建 筑物近距离穿越时，地铁结构与周围土层的变形特征。着重探讨了在无邻近建筑 与邻近建筑差异荷载下，地铁结构上方土体沉降特征和对邻近建筑物的影响。所 得计算结果和结论不仅有助于解决黄土地区修建地铁时，地铁如何从邻近建筑物 下穿越，以及穿越后如何维持地铁结构稳定以及如何保护好已有建筑等问题，为 黄土地区地铁的兴建、设计与施工提供依据，而且可在一定程度上，对现有特殊 性质土中地铁结构稳定性的理论研究作有益的补充。 关键词：黄土地区；盾构；建筑物；土层：变形特征 t h ed e f o r m a t i o ns i m u l a t i o na n di t sc o n t r o la n a l y s i so f ；u r r o u n d i n j zs o i i 。n o e s ss h i e l dt u n n e l i n g s u r r o u n d ns o ! i nl o e s ssl e i ot u n n e l m gl d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ：hel “ ab s t r a c t t h ec o n g e s t e dt r a f f i ch a sb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mf o rm a n yc i t i e sw i t ht h e i r s t e a d i l yi n c r e a s i n gp o p u l a t i o n , a n dt h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a y si s v i e w e da sa l l e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h ep r o b l e m b o t ht h ed o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t sh a v ed o n ea l o tw o r kc o n c e r n i n gt h ed i s p l a c e m e n ta n dd e f o r mo ft h ee a r t h 。ss u r f a c ec a u s e db y t u n n e l s t h e ya d o p t e dp l a n ea n dt h r e ed i m e n s i o nm e t h o d s ，a n dh a v em a d es o m e a c h i e v e m e n ti nt h e o r e t i ca n a l y s i sa n df e ms i m u l a t i o n t h ea u t h o ru s e st h et h r e ed i m e n s i o nt oa n a l y z eh o wt oc o n s t r u c tas u b w a yi nt h e l o e s sa r e aa n dt h ed e f o r m a b l ef e a t u r e so ft h es u b w a y 。ss t r u c t u r et h es u r r o u n d i n g l o e s s0 1 1t h es u b w a y ss t r u c t u r ew h e ni tg o e su n d e ra d j a c e n ts t r u c t u r e t h ea u t h o r a t t a c h e sg r e a ti m p o r t a n c et ot h er e l a t i v ed i s p l a c e m e n ta n dt h ec r o s sa d j a c e n ts t r u c t u r e b e t w e e nt h es t r u c t u r eo fs u b w a y sa n dt h es u r r o u n d i n gs o i l si nt h ec o n d i t i o no fe q u a l l d a da n dd i f f e r e n t i a ie q u a ll o a d t h er e s u l ta n dt h ec o n c l u s i o no ft h i sa r t i c l ec a nb e v e r yh e l p f u lf o ru si nt w oa s p e c t s f i r s to fa l l ，t h e yh e l pu st os o l v et h ep r o b l e mo f c o n s t r u c t i n gas u b w a yi nt h el o e s sa r e a , s u c ha sh o wt om a k eas u b w a yg ou n d e r a d j a c e n ts t r u c t u r ea n dh o w t om a i n t a i nt h es t r u c t u r eo fs u b w a y ss t a b l ea f t e r w a r d sa n d h o wt om a i n t a i nt h ee x i t e db u l i d i n g s ；i na d d i t i o n , t h e ya l s om a k es o m eh e l p f u l a d d i t i o n st ot h et h e o r i e sr e g a r d i n gt h em a i n t e n a n c eo fs u b w a y s s t r u c t u r ei ns o m e s p e c i a ls o i l s k e y w o r d s ：l o e s sa r e a ；s h i e l dt u n n e l i n g ；b u i l d i n g ；s o i l ；d e f o r m a b l ef e a t u r e s 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 御 丐气p 专 5 7 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位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，学位论文中不包括其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：h 狂 躲个专 日期： 硼8 r f 妒 5 8 1 绪论 1 1 概述 1 绪论 人口的增加和生活需求的增长与城市用地的短缺，已成为矛盾的焦点。为实现可持续 发展战略，除了向高空发展，人们把目光投向对地下空间的开发和利用。向地下要土地、 要空间己成为城市发展的历史必然。中国工程院院士王梦恕从“可持续发展 的高度，提 出了“2 l 世纪是隧道及地下空间大发展的年代刀的观点。 1 1 1 盾构的发展 盾构是一种钢制的活动防护装置或活动支撑。在它的掩护下，头部可以安全地开挖地 层，尾部可以装配预制管片、砌块或现浇钢筋混凝土，迅速、安全地形成隧道的永久衬砌。 它借助于支撑在已拼装衬砌上的千斤顶不断前进。如果采用装配式衬砌，当盾构推进时， 要及时将衬砌与土层之间的空隙用浆液填实，防止周围地层继续变形和围岩压力增长n 1 。 采用盾构法修建隧道始于1 8 1 8 年，至今己有1 7 0 多年的历史，当时由法国工程师布 鲁诺尔研究，并取得了发明隧道盾构的专利。1 8 2 5 年在英国泰晤士河下首次采用矩形盾 构建造隧道，实际上它是一个活动的施工防护装置。1 8 6 9 年英国人格雷脱海特工程师成 功应用了e w b a r l o w 式盾构修建英国伦敦泰晤士河下的t o w e r 水底隧道后，才使盾构得 到普遍的承认。1 8 7 4 年在英国伦敦城南线的修建v y r n w y 隧道时，格雷脱海特创造了比较 完整的用压缩空气来防水的气压盾构施工工艺，使水底隧道技术有了惊人的发展，并为现 代化盾构奠定了基础。二十世纪初，盾构施工法己在美、英、底、苏、法等国开始推广。 3 0 一4 0 年代在这些国家已成功地使用盾构建成了内径3 0 - - 9 0 m 的多条地下铁道及水底隧 道。从2 0 世纪6 0 年中期至8 0 年代盾构工法继续发展，其特点是完善圆形断面的各种平 衡方式的盾构工法一压气盾构、挤压盾构( 网格盾构) 、土压盾构、泥土加压盾构、泥水 盾构等，但以泥水盾构和土压盾构工法为主h 1 。 盾构法在我国起步较晚，特别是解放前还是空白，但近年来取得了迅猛发展。在我国 的第一个五年计划期间，东北阜新煤矿就采用直径为2 6 m 的盾构以及小型混凝土预制块 修建输水巷道。1 9 5 7 年，在北京下水道工程中也曾用过2 6 m 的盾构。1 9 6 3 年后，在上海 第四纪软弱含水层中，先后采用外径为4 2 m ，5 8 m ，1 0 m ，3 6 m ，4 3 m ，3 m 等不同直径的八 台盾构修建包括江河排水、取水、水底公路等多种形式的隧道。近年来，南水北调隧道、 武汉越江隧道，尤其是地铁隧道的建设，使盾构法技术在全国范围内得到飞快的发展n 引。 地铁隧道多建在较软弱的第四纪沉( 冲) 积上层中，由于地铁线路通常穿越城市交通相 对繁忙地带和经济繁荣的闹市区，明挖法隧道施工将对城市生活造成很大干扰，甚至是完 全不可能的。为了减少隧道施工对城市地面环境的影响，盾构掘进、预制钢筋混凝土管片 1 西安- 丁业大学硕十学位论 拼状衬砌成为了地铁隧道的首选施工方法，对于城市饱和淤泥质软土中的隧道甚至是唯一 可有效控制对周围环境影响的施工方法。因此，盾构隧道在全国范围的城市隧道建设中获 得了广泛的应用嘲6 1 。 1 1 2 问题的提出 为了加快地下的发展，也为了更加节省资源，人们对地下投入了了越来越多的关注， 国内外的学者对地下工程中存在的问题也进行了广泛的研究。西安地铁的建设也就成为一 种趋势应运而生，西安作为西部大开发的中心城市，客运需求将会持续增长。随着经济文 化水平的提高，在可持续发展的指导思想下，资源与环境问题越来越得到大家的重视，在 处理城市交通问题是，必须发展少用地、低能耗、少污染的轨道交通系统。科学技术的发 展，也将进一步的改善轨道交通系统的性能，增加其对各类城市的实用性。而如今，轨道 交通也成为西安发展的首选。大家不免也就对地铁2 。线投入着比较大的关注。再此，陕西 的各大院校以及各部门的科技工作者也希望为本地区地铁的发展尽些绵薄之力。 虽然盾构法施工技术有了很大的发展，但仍然不可避免的会引起地层的扰动，导致隧 道周围地层变形及引起地表沉降，特别是当地层运动到一定的界限后，将会危及周边的建 筑物、构筑物、道路、管线和文物等的安全与正常使用。( 特别对于西安这座具有古老文 化的地区，文物的安全与保护措施是乎成了首要考虑的问题，也给施工带来了极大的不便) 从而引发对既有结构物的影响问题，也就是说如何把对这种影响降低到最低限度。我们现 在要处理的问题就是看看地层的形变是否在建筑物沉降范围内，在沉降范围内我们就无需 考虑对建筑物的保护问题。在范围外我们则需考虑建筑物的维护问题。尤其是对于咱们 2 4 线来说，线路经过铁路北客站、行政中心、经济开发区、钟楼、小寨商业文化中心、高 新开发区、曲江新区、西安国际展览中心、长安区等大型客流集散点，连接了将在2 0 1 0 年 建成的郑西铁路客运专线北客站、市行政中心和三个开发区。几乎都穿越了整个西安市中 心地带，而且建筑物比较密集、施工场地比较狭小、地质情况比较复杂、地下管网还比较 密集，交通繁忙、施工条件受到限制，对环境的控制要求更为严格。 所以我们应对于地层形变将预先进行模拟以达到预测的目的，如果地层形变在建筑物 沉降范围外，我们就不得不将地铁沿途将穿越的一些建筑物特别是古迹进行预先的加固或 着必要的其他措施进行保护。这已经成为一个无法避免的问题，也是一个首当其冲的问题， 在这里我们将地层的形变以及对临近结构影响作为一个课题来研究。 1 2 国内外研究现状 隧道施工引起的地表沉降、建筑物损害等环境问题早已引起了各国学者的注意，尤其 是在地面建筑设施密集的城区中进行隧道施工，一直是人们十分关注的课题。 2 两安工业大学硕+ 学位论文 1 2 1 隧道开挖对地层影响的研究 隧道施工引起的地表沉降问题的研究，起源于因煤矿等矿山开采所引起的地表塌陷现 象的分析嫡1 。地下矿物被开采后会在采场上覆地层中形成一个沉降槽带。在对沉降槽的趋 向形态的观察基础上，逐步对最大沉降量进行理论上和经验上的推断，众多学者将其形状 用数学形式表现，其典型公式有： 波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 运用随机介质理论，给出地表单元下沉盆地的表 达式： 式中 睨( x ，z ) 一单元开采引起( x ，z ) 点的下沉值： z 一开采深度： r 一影响半径 目前国内一些矿区，地表移动盆地的最大下沉值常用以下方法预计，在充分采动的情 况下，对于水平煤层或近水平煤层开采，最大下沉值 h o = q m ( 1 2 ) 对于倾斜煤层开采，最大下沉值 h o = q m c o s a ( 1 3 ) 式中：q 一下沉系数，是指充分采动条件下的下沉系数，重复采动条件下此系数与 初次采动应有所区别： 1 1 1 一煤层法向开采厚度： a 煤层倾角。 对隧道开挖引起的地层沉降槽的范围、沉降量大小等问题一直是国内外的研究重点。 有限单元法，数值方法求解工程中所遇到的各种问题的最有效的通用方法，其应用范 围已从固体的应用分析扩展到求解声学和流体力学的问题。实际上，目前有限单元已成为 求解具有已知边界和初始条件，或这两个边界条件之一的偏微分方程组的一种通用的数值 解法。伴随有限元法和计算机的发展，盾构法隧道施工变形的计算也主要集中在这种方法 的应用上。 f i n n o r j & c l o u g h gw ( 1 9 8 5 ) 阳1 经现场实测表明，土压平衡盾构开挖隧道的土体反 应是三维空间和历时变化的，他们认为为保持合理的计算费用，可采用纵、横向二个方向 的二维平面有限元模拟土压平衡盾构开挖隧道的过程及地表移动。 李桂花( 1 9 8 6 ) 口1 用弹性有限元法模拟施土间隙参数，并总结出如下经验公式： 鼬) = 丽葡0 刁6 2 7 俩d ge x p 丽吾高两】 ( 1 4 ) 式中，d 为隧道直径，h 为中心埋深，g 为施工间隙，该公式可以用于估算不同埋深、 o 叶 p 一乞 = 力k，l睨 西安t 业大学硕十学位论文 不同直径、不同间隙参数下，距隧道轴线小于水平距离的地面沉陷。同时，利用不同参数 又可以模拟不同的沉陷因素的影响，从而可以对地表沉陷进行预估。 l e e k m & r o w e r k ( 1 9 9 0 ) 陋1 发展了一种用于模拟施工工序、后续地层位移、隧道 开挖面周围及地表的应力状态对地面沉陷影响的三维弹塑性有限元方法，给出了非线性问 题的求解步骤和适合于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型。 r o w e r k & l e e k m ( 1 9 9 2 ) 阳1 认为间隙参数反映了隧道顶部的垂直位移和软土隧道 施土中的地层损失的大小，它是掌子面三维弹塑性变形、盾构机性能、衬砌的几何形状和 施工工艺的函数，正确估算它并用一维有限元或经验关系可对地层位移规律加以预测。 徐方京( 1 9 9 2 ) n 阳应用弹塑性力学方法求解土压平衡式盾构在到达前、到达时、通过及 脱开、注浆、长期沉降阶段的地表沉降，并得到沉降计算的经验公式。 陈久照( 1 9 9 3 ) 通过从施工现场取回原样土，在实验室模拟盾构施土中的四种工况中土 体历经的应力路径，测定土体的应力应变关系，求出切线模量，并分析它的变化情况， 从而使有限元法的分析结果能更好地反映盾构施土的实际状况。 孙钧( 1 9 9 5 ) 采用延迟型粘弹性流变计算方法，按照施工，对上海地区软土盾构隧道施 工过程中不同受力阶段的土中应力以及接触面上的土压力，以及盾构开挖施工的地表沉降 次固结问题，进行了有限元数值分析。 曾晓清( 1 9 9 5 ) 应用时变力学、弹塑性理论，采用半解析数值法对双线盾构隧道施工过 程的地层移动、隧道受力进行了数值模拟分析。 阮林旺( 1 9 9 7 ) n 用三维有限元分析软件( s u p e r - s a p ) 对盾构法隧道施工进行了弹性 有限元模拟，探讨了土层性能、隧道埋深等因素相互影响和共同作用。 易宏伟( 1 9 9 9 ) n 羽采用沿隧道纵向、竖向离散，横向引入解析函数的半解析元法，将盾 构施工过程中三维问题简化为二维问题处理，减少了计算工作量，详细推导了半解析元数 值模拟的有关公式，结合弹塑性模型，编制相应计算程序，实现了盾构施工过程中土体扰 动与地层的模拟计算分析。 朱合华( 1 9 9 9 ) n 3 1 针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料及管片接头的特性提出了有限元 模拟方法，将建立的施工模拟有限元软件应用于大阪地铁7 。线盾构隧道施工的力学分析 中，并对在均布和非均布条件注浆压力下，土压力及衬砌内力的计算值与实测值用了比较 分析，发现非均布注浆压力下的计算值接近于实测值。 况龙川( 2 0 0 0 ) n 们用盾构推进和停止推进两个方面来模拟盾构的推进过程，只考虑了开 挖面卸荷、盾构千斤顶推力、盾尾脱空卸荷、盾尾注浆压力、盾构衬砌重力等因素，没 有考虑盾构刀盘超挖、隧道内部土体挖除引起的竖向卸荷、结构与土之间的接触等因素。 刘洪洲，孙钧( 2 0 0 1 ) 采用三维有限元方法对影响地面沉降的各个因素如注浆量、盾体 长度、推进步长、开挖面推进力、盾尾建筑空隙等分别进行了讨论，讨论了各因素影响的 地层沉降大小，并总结了地层沉降的规律，但对于建筑空隙等参数的大小讨论过于简单， 只是凭经验加以确定。 4 西安工业大学硕士学位论文 孙钧，刘洪洲( 2 0 0 2 ) 用三维弹塑性有限元分析了上海地铁交叠盾构隧道施工变形问 题，根据上海地铁二号线的实测资料对受已建隧道施工扰动范围内土体各参数进行不同程 度的折减，考虑了注浆初期长度和盾尾空隙来综合反映盾构推进所产生的地层损失。 李强，曾德顺( 2 0 0 2 ) n 5 3 假定在不排水的条件下利用弹塑性三维有限元分析了盾构千斤 顶推力变化时对盾构隧道地面沉降的影响。在盾构工作面上施加压力p 以模拟支护压力。 在盾构机单元的周围施加力f ，模拟盾构机的工作状态。开挖过程是用代表开挖一步( 推 进工作面) 所挖土体的单元的刚度条件以“活化减退来模拟。 d g l i n 等( 2 0 0 2 ) n 6 1 提出一个考虑土压仓压力、盾构开挖掘进、衬砌拼装和填充注浆 影响的有限差分模拟方法，通过去除前方开挖单元来反映盾构的连续推进。分析了纵向边 界、单元纵向长度、注浆材料强度对计算结果的影响，提出单元纵向长度应1 2 盾构机 长度：通过对二维和三维计算结果的比较，指出对于离开挖面很远处，二维和三维计算结 果非常接近，可以用二维分析代替三维分析。 m m e1is 等( 2 0 0 2 ) n 7 1 提出一个基于有限差分软件f l a c 川的模拟后构开挖过程的数 值模型，只考虑了开挖面卸荷、盾尾脱空、填充注浆、衬砌变形和衬砌重力的影响。没有 考虑刀盘超挖、注浆凝固、千斤顶推力、竖向重力卸荷等因素，并且对每种荷载的具体模 拟方法的介绍也不清楚。 王敏强，陈胜宏( 2 0 0 2 ) n 8 3 用刚度迁移法模拟盾构推进，采用权刚度修正g o o d m a n 单 元处理存在两种材料的混合接触刚度，提出分3 步模拟盾构前行一个单元距离的模拟步 骤，只考虑了盾构前方土体开挖、盾构内部土体开挖卸荷和千斤顶推力的影响。 季亚平( 2 0 0 4 ) 采用平面有限元对盾构施工过程中的地层位移和土压力进行研究时通 过单元“生死”来模拟盾构开挖、盾尾注浆和衬砌管片支护过程。在对注浆材料不同硬化 阶段受力性质进行室内试验的基础上，采用变刚度体模拟浆液的固化过程。分析了注浆体 厚度、土质条件、衬砌刚度、隧道相对埋深对地层位移和衬砌压力分布的影响。 w q d i n g 等( 2 0 0 4 ) 提出将盾构隧道施工分为：刀盘开挖与衬砌支护、盾尾填充注浆、 注浆材料初凝和注浆材料终凝4 个阶段的平面有限元模拟方法。用曲梁单元和接缝单元模 拟衬砌，对注浆材料的不同固化阶段采用不同的应力释放系数。 于宁，朱合华( 2 0 0 4 ) n 钔采用适应性较强的有限元法，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，利用同 济曙光软件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。 孙钧等( 2 0 0 4 ) 嘲讨论了城市市区进行的各种工程活动中，因盾构施工扰动引起的环 境土工损伤问题及其施下变形的智能预测与控制方法。分别对土体受施下扰动的诸因素均 作了系统研究。进而抓此从理论上和实验室测试两方面探讨了就软土工程性质的上述变化 对施下过程中土体强度、变形、稳定性和承载力的影响。 张海波( 2 0 0 4 ) 比妇在分析现有部分细节仿真中存在问题基础上提出在盾构开挖面前方 设置开挖卸荷单元，来模拟开挖面土体的三维移动，改进了千斤顶推力的施加方法。通过 5 两安丁业人学硕士学位论文 施加已知结点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引起的土体损失，并通过设置横向和纵向三维 g o o d m a n 接触面来模拟盾构前行、盾尾脱空及注浆作用下土体与结构间的接触。利用推荐 的方法对一算例进行分析。 毕继红( 2 0 0 5 ) 瞳2 1 等以深圳城市轨道交通二期1 。线续建工程为例，运用通用有限元分析 软件a b a q u s 进行数值模拟分析。建立二维及三维的模型，充分考虑土体与衬砌的摩擦接 触，及地下超孔隙水的变化，土的硬化，采用准静态的方法，研究隧道开挖对既有隧道及 地表建筑、基础、地下管线的影响。 张志强等( 2 0 0 5 ) 瞳3 1 依托南京地铁区间盾构隧道工程，建立了模拟盾构机( 包括刚度、 自重、推力) 前行掘进隧道的三维有限元力学模型，在此基础上，研究了随盾构顶进引起 的地表沉隆变形以及隧道围岩、管片变形，研究结果为南京地铁区间盾构隧道工程的施工 及监控量测提供了参考。 李曙光等( 2 0 0 6 ) 口们以南京地铁l 。线许府巷一南京站区间隧道为背景，结合现场监测数 据及各项掘进参数设置，对土压平衡盾构在富水饱和粉上、粉砂夹细砂、粉细砂地层中掘 进引起的地表变形过程和分布规律进行分析，并使用有限差分法程序f l a c 3 d 考虑盾构施 工工序、地下水位、土仓压力和注浆等因素的地表变形进行模拟计算分析。 1 2 2 隧道开挖对建筑物影响的研究 目前关于隧道开挖对建筑物的影响的分析方法主要有两大类，第一类是整体分析法， 即在模拟开挖过程的同时，将周围土体、建筑物及其基础作为一个整体分析，一般需用有 限元等数值方法进行计算分析。盾构施工对建筑物的影响是一个动态发展的过程。盾构的 位置不同地层的变形情况也不相同，故用三维模型进行分析比较合适。但为了简化分析， 也可采用平面分析。采用平面分析时，一般选择盾尾脱出建筑物时为模拟工况。 第二类为两阶段分析方法，即把隧道开挖对建筑物的影响分成两个阶段来分析：第一 阶段分析隧道开挖引起的土体变形；第二阶段将土的变形施加到建筑物及其基础上，分析 建筑物及其基础的变形和内力变化。 m r o u e h 掣2 5 】采用三维有限元方法对隧道与地表建筑物进行了数值模拟，在隧道施 工中考虑了建筑物的存在，并与另一种在计算隧道开挖引起的土体变形时忽略了建筑物存 在的简化方法进行了比较。结果表明，忽略了建筑物的自重会导致隧道开挖所引起的沉降 计算结果明显变小，但其并没有模拟隧道施工引起建筑物地基反力变化的规律，同时也没 有考虑建筑物底板的存在，使得地表沉降在独立基础处产生明显突变。 j e n c k 等【2 6 】运用三维有限差分软件f l a c 3 d 对盾构施工和建筑物进行了数值模拟，在 模拟过程中对盾构施工进行了简化，考虑了地层损失，并研究了建筑物刚度对地表位移的 影响。结果表明，在建筑物存在的区域，地表沉降有着明显的变化，有必要对这一区域进 行防护措施。 国内学者如于宁1 27 】运用有限元方法对平行隧道施工进行了数值模拟，结果表明，隧 6 西安工业大学硕十学位论文 道开挖后，对于建造在隧道上方的天然地基上的建筑物有较大影响，并且右边隧道由于建 筑物的作用而产生较大的内力，需要采取一定的加固措施。但其在模拟分析中并没有考虑 基础的存在，使得建筑物的内力变化明显过大，与实际情况不太相符。 r i c h a r d 2 s l 提出了碾压梁模型分析了深部开挖引起地面三维框架结构的变形，假定地 板可以限制墙体变形和抑制剪切变形，将挠度、剪切刚度与偏差比率相结合，提出一个对 建筑物系统作了简化的闭合解。r i c h a r d 认为b u r l a n d 和w r o t h 所采用的深梁法没有考虑 建筑物类型的不同，特别是不能考虑建筑物的特性，与实际结果相差较大；而碾压梁模型 可以对建筑物的破坏做一个完整的评估，同时考虑了建筑物的类型不同以及梁、柱和门窗 位置的不同。 张冬梅团】利用弹性力学的m i n d l i n 解求得盾构正面推力引起土体中附加应力的分布 形式，进而分析盾构推进时对周围环境的影响范围，为保护盾构推进影响范围内的构( 建) 筑物提供了依据。 蒲武) 1 1 t 3 0 】等人基于西安地区黄土地层模型，采用邓肯一张非线性弹性本构关系，在 改变隧道埋深及隧洞与邻近建筑物的距离的条件下，得出黄土地层中随着隧道深度的增加 以及隧洞与邻近建筑物的距离变大对建筑物的影响逐渐减弱，在埋深及距离达到一定值 时，对地表建筑物基本没有影响的结论。 陈学峰1 3 l 】等采用荷载一结构模型及连续介质模型对铁路框架地道桥受下穿隧道施工 影响所产生的沉降及内力变化进行了大量计算分析，分析认为，地铁隧道开挖对桥体结构 环向配筋设计影响不大，地铁区间开挖将引起桥体沉降，对铁路运营养护有较大影响，在 隧道埋深达到一定深度后，将会降低沉降值并能满足铁路对沉降的要求。 刘海燕【3 2 】等回顾了近十几年来隧道施下对地表及邻近建筑物影响的研究状况，对常 用以及新近的分析方法进行了归纳总结，指出了目前研究存在的一些问题，为今后的研究 与发展方向提出了建议。 葛卫娜【3 3 j 等分析了隧道开挖对周围建筑物的各种损害形式，并且提出了三种保护建 筑物的措施，对其治理措施的优缺点进行比较，使其适用于施工中，确实周围建筑物在隧 道开挖过程中能够正常使用。 1 3 本课题主要研究内容 本文以西安城市轨道交通二号线工程为例运用通用有限元分析软件f l a c 进行数值 模拟分析，也采用物理模型试验在实验室进行同步分析。建立三维的模型，充分考虑到现 场施工情况进行有效的模拟，得出一些比较有意义的结论和建议，为类似的工程提供借鉴 和参考。本文主要做了以下几个方面的工作： 1 ) 利用数值模拟方法模拟隧道开挖引起的地层形变，我们将隧道穿越工程分别按竖直 位移和水平位移形进行模拟。 2 ) 地层的形变以数值模拟的模型( 德鲁克一普拉格模型) 再可选用f l a c 程序中的 7 西安工业大学硕十学位论文 s t e a d 系统，输入勘查工程中所选用的岩土层及其他参数的确定，如，地下水参数、土层 条件，均可以逐层输入。第i 层岩土层参数，隧道参数，支护参数、荷载条件均可人为输 入。因此，数值模拟同施工参数取为同样的参数，这样可同施工后得到的结果相互验证。 3 ) 对黄土盾构施工地层形变影响进行了模拟分析。分析形变引起的底层位移值是否 在沉降范围内。否则就要对建筑物进行加固或其他处理。 4 ) 对有邻近建筑时盾构施工对地层形变影响进行了模拟，特别针对不同的埋深，不 同的外径，不同的高度，距建筑物的不同间距等方面都作了比较，找出规律。 5 ) 根据所得的不同模拟效果提出了其控制方法。 1 4 小结 地铁对于国家来说已经是比较成熟的交通工具了，特别是北京、深圳、山海，但对于 古城西安来说，修建地铁既是一次机遇，又是一次挑战，相对于西安地区的地质来说， 失陷性黄土无疑为第一大难题，而古城来说，如何将它本来的面貌展现在世人面前，地铁 沿途的建筑物无疑又成为了一道拦路虎。 本节就以上问题提出了研究课题，并分析了国内外的研究现状，并提出了所要研究的 课题及方法。 8 2 沉降理论分析的基本理论 2 沉降理论分析的基本理论 对于使用经典塑性理论来说，长期以来利用它们来分析和解决与土稳定有关的工程问 题，如地基承载力问题，土压力问题和边坡稳定问题等。他们的共同特点是只考虑处于极 限平衡( 塑性区) 条件下或土体处于破坏时的终极条件下的情况，而不计土体的变形和应 力变形过程。随着土的本构模型的发展，弹塑性理论模型在现代土力学中得到广泛的应用。 2 1 弹塑性理论：( 摩尔一库仑模型) 对于弹塑性理论来说，土的弹性阶段和塑性阶段不能截然分开；而土体的破坏只是这 种应力变形的最后阶段。 2 1 1 增量弹性法皿l i i 在f l a c 中，这种模型的实现用到了主应力仃- 、仃z 、c r 3 和平面应力仃z 。主应力和主 方向从张力分量计算( 压应力为负) 。 0 i 0 2 0 3 ( 2 1 ) 相应的主应变增量血，= 血；+ a e 7i = 1 ，3 ( 2 2 ) 这里的e 和1 9 分别指的是弹性和塑性部分，塑性分量只在塑性流动阶段不为零。胡克 定律的主应力和主应变的增量表达式是为： 盯l = 口l 血；+ 口2 ( a e ；+ a e ；) a o 2 = 口l a e ；+ 口2 ( 缸；+ 启；) a c r 3 i = a q a e ；+ 口2 ( 口? + p ；) ( 2 3 ) 其中：口l2k + ( 4 3 ) g 和2k 一( 2 3 ) g 。 屈服函数和势函数 按照式( 2 1 ) 的假定，在应力空间和( 仃t 、盯，) 平面的破坏准则如图2 1 可以表示 为以下形式。由摩尔一库仑屈服函数定义的从a 点到b 点的破坏包络线为： 厂3 = 仃- 一仃，m + 2 c 何 ( 2 4 ) 9 西安工业大学硕十学位论文 a ) 主应力空间中的摩尔库仑屈服面与t r e a s c a 屈服面比较b ) 摩尔库仑破坏准则 由b 点到c 点拉应力屈服函数定义为： f 。= 仃。- - o 3 上两式中：摩擦角；r 粘聚力：仃。抗拉强度。 以= 五l + s 面i n 4 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 1 岩土材料的摩尔一库仑模型及破坏准则 c 仃二，= 材料的强度不能超过如下定义的 切n 矿 ( 2 7 ) 剪切势函数g 。对应于非关联的流动法则，其表达式如下： 9 5 = 盯l 一0 - 3 以 ( 2 8 ) 势函数g 。对应于非关联的流动法则，其表达式如下： g 。2 一c r 3 ( 2 9 ) 对于剪切一拉应力处于边界的情况，摩尔库仑模型的流动法则由如下所示方法，通 过定义三维应力空间中边界附近的混合屈服函数。定义函数办( q 、0 - 3 ) = o 用以表示 ( q 、仃，) 平面中f 5 = o h x l f 。= 0 所代表曲线的对角线，此函数的表达式为： l o 西安下业大学硕士学位论文 h = 吒一仃。+ 口p ( q 一仃，) 这里口，和仃，是两个常量，定义如下： 仅p = 、i - i ；瓦+ n 6 p = o t n 。一2 c 再。 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 弹性假设和破坏准则不一致，分别由( q 、0 3 ) 平面中位于l 区或2 区( 分别对应于h = 0 区域内一或+ 区域) 如图：如果位于1 区，说明是剪切破坏，应应用由势函数g “确定的流 动法则，应力点回归到厂5 = 0 的曲线上。如果位于2 区，说明是拉应力破坏，应用势函数 g 确定的，应力点回归到厂= 0 的曲线上。 塑性修正： 首先考虑剪切破坏，流动法则如下： 血尸：；co g 一 d q 户l ，3 ( 2 1 2 ) 这里是待定的参数，用式( 2 8 ) 中的9 3 ，通过偏微分法以后，由此式变为： a e ；= 刀 2 = 0 血f = 一岔以 ( 2 1 3 ) 弹性应变增量可以从式( 2 2 ) 表示的总增量减去塑形增量，进一步利用上式的流动法则， 式( 2 3 ) 中的弹性法则变为： a o l = 口1 血；+ 口2 ( a e ；+ p ；) 一( 口l 一口2 m ) a o 2 = 口i e ；+ 口2 ( a e ；+ 口；) 一2 o r 2 ( 1 一川) r 一 吒，2 口l 血；+ 口2 ( p ；+ 血；) 一刀( 一以+ c r y ) ( 2 1 4 ) 让新旧的应力状态分别由上标n 和0 来表示，然后通过定义 盯：= 仃：) + 口l a e l + 口2 ( e 2 + a e 3 ) o r ：= 仃2 0 + 口l a e 2 + 口2 ( e l + a e 3 ) 吒i = 仃；+ c g l f 3 + 口2 ( p l + 口2 ) ( 2 1 5 ) 对于拉应力破坏的情况，流动法则为： e p ：；l ! o g _ 2 。 a qi = 1 , 3 ( 2 1 6 ) 这里z 是待定参数，用式( 2 9 ) 中的g 通过偏微分以后，此式变成为： 两安工业大学硕士学位论文 p f ，= 0 p f = 0 & = 一笼 重复上面相似推理，可得到 仃，= o r ：+ 刃口2 盯= 仃! + 名口2 仃y = 仃；+ 名口2 ( 2 1 8 ) 名：盐当 其中： 口i ( 2 1 9 ) 理论分析法：盾构挖掘的过程可以看成是柱孔扩张过程 如图2 2 所示。图中为隧道半径，r 为塑性区外半径，p 为 扩张压力。盾构周围的土体可分为两个变形区，及塑性变形 区缉和弹性变形区见，塑性区的大小( 及外半径r ) 取决 于扩张力p 和隧道半径。 2 1 2 盾构掘进的力学模型 盾构掘进的力学模型满足以下基本方程： 1 ) 平衡方程 2 ) 几何方程 堕+ o r - - 0 0 ：o d ， r 8 t ：车岛：生 2 i岛2 寸 一d e o + 鱼二生：o 3 ) 协调方程d r ， 4 ) 弹性本构方程 铲半c 旷南铲半c c r o 一南 5 ) 边界条件：q l 2 p q l ，一= k o y z ( 2 1 7 ) 图2 2 盾构挖掘的过程 6 ) 屈服准则：岩土类材料的破坏服从摩尔库仑破坏准则，即 l f i = c + 吒切n 式中c 为粘聚力，为内摩擦角，f ，为抗剪强度，o n 为剪切面上的正应力。 1 2 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 两安t 业大学硕士学位论文 原状土具有。厘燹软化蚬象，达剑峰值强度后，逐渐趋同残余强度。征达剑峰值强发乙 前，土体看成弹性体；峰值强度以后，随着应变增加，应力减小，即应变软化，最终趋于 残余强度。原状土的应力达到初始屈服面f b ) = o 和b ，) = o 可以表示为： f p 扩) = 互1p - 一盯，) + 互1p - + 仃，) s i i l 砟一c pc o s 九= 。 ( 2 2 6 ) 厂b 盯) = 互1p - 一q ) + 三b + 矿s ) s i n 以一c ，c o s ，= 。 ( 2 2 7 ) 上两式中，c p 和办为土体的峰值粘聚力和峰值内摩擦角；c r 和，为土体的残余粘聚 力和残余内摩擦角。 应力场与位移场 满足于上述l 5 个条件的盾构的弹性应力场和位移场为： q 2 0 一弦) 笋+ k o 芦 ( 2 2 8 ) 2 - ( r 锱。声) 笋+ k o 芦 ( 2 2 9 ) 将上式代入屈服准则式时就得到盾构周围土体进入塑性状态的最小内压力p c ； p 。= c pc o s 砟+ k o 芦( 1 + s i n 砟) ( 2 3 0 ) 随着内压p 的增加，塑性区增加，设塑性区的外半径为r 则可以满足条件1 - 5 及初始应 力p 。+ k 。弦的应力场和位移场： 1 ) 塑性区 d p ( 口，r ) 2 s i n f 3 r ，= 0 + c ，c t a n ，) ( 旦) 而一c r c t f l l l r ， ( 2 3 1 ) 旷1 - s i n 0 , i 叩吲c 争面2 s i n _ c 协叫 包3 2 ， 旷掣卜c 垆2 s i n _ 州喝司眩3 3 ， 2 ) 弹性区 见( r ，) 盯，= r ，：2 ( 圹n * 。一，a ，：2 + k 。弦 1 3 ( 2 3 4 ) 两安工业大学硕士学位论文 吁一等心声) 等+ 归 由于应力分布是连续的，可以得到p 的公式为： 2s i n ， p = 0 + c ，c t a n ，) ( 竺) 而一c , c t a n # , ， 2 1 3 模型条件意义 ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) 垂直地层压力：根据埋置深度为浅埋隧道，垂直压力及为其上覆盖层的重度。及第k g 。：y 9 8 y h i 层土层地压力为 - i = l 。 ，其中k 为模型的最大土层数。 底层水平向侧压力为垂直压力乘以侧压力系数。陕西地区土层泊松比旯0 3 0 ，估 ， 七 一一。，k o = _ 2 了 吒= g k = i f j 9 8 2 h j 测压系数”1 一名= 0 4 3 ，则侧压力 问 。 该模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动；底部限制垂直移动。模型上面为 地表，取为自由边界。强度准则采用摩尔一库仑准则，变形模式采用大应变变形模式。 2 2 地表变形引起的基本规律 采用盾构法施工，一般在隧道上面的地表均会有变形，如图2 3 所示。这种现象在松 软含水地层或其它不稳定地层中尤为显著。地表变形的程度与隧道的埋深和直径、地层特 征、盾构的施工方法、衬砌背面的压浆工艺、地面建筑物基础的形式等都有密切关系。1 3 4 1 2 2 1 表现形式1 3 5 i 图2 3 地面变形的一般规律 1 ) 横向沉降：1 9 6 9 年，在当时大量隧道开挖施i - + 弓l 起的地表沉降实测资料的基础上， p e c k 系统的提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法【3 2 1 。认为在不排 水情况下，隧道开挖所形成的地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积。假定地层损失在 整个隧道长度上均匀分布，隧道旋工所产生的地表沉降横向分布近似为正态分布，并借鉴 采矿学中由矿产开采引起地面沉降位移的一种估算方法，提出如下预计横向沉降的公式： 1 4 两安工业大学硕士学位论文 驴s 咄e x p ( 争 ( 2 3 7 ) s 衄= 击嘉 眩3 8 ， 式中：& 一隧道两侧横向上距隧道中心x 处的地面沉降量( m ) ； x 一隧道两侧横向上距隧道中心的距离( 聊) ； k 一盾构隧道单位长度的底层损失( 掰3 m ) s 一一隧道中心处的最大沉降量( 伪) ； i 一曲线反弯点离隧道中心的距离( 臃) ，亦称沉降槽宽度系数。由式 j -丝墨：( 2 3 9 )l = lz 压_ f g ( 4 5 。一等) 求得。 以方程形式表示所产生的沉降在横向上表现为正态分布，亦称p e c k 曲线( 如图2 4 ) 。 点 图2 4p e c k 曲线示意图 其中定义：h 为覆土厚度( m ) ，r 是盾构隧道半径( m ) ，是土层内摩擦角。 2 ) 纵向沉斛3 6 1 隧道施工引起的纵向沉降分别用下列经验公式描述： 既。= s ，三 ( 2 4 0 ) 5 0 s h ，= s ，l ( 2 4 1 ) j o s 式中：瓯o 瓯。一分别为纵向地表沉降和纵向地层沉降( m ) ； z 0 ，z 一分别为盾构隧道中心深度和地层深度( m ) 。 隧道开挖后的纵向沉降都不是瞬间达到最终值的，而是随着时间推移逐渐积累终止， 因此，其不仅具有“空间效应 还表现有“时间效应( 如图2 5 ) ，并且是伴随着盾构机 所处的位置、经历的时间、地层与盾构