（岩土工程专业论文）成都地铁隧道施工引起的地表沉降研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 盾构法施工作为成都地铁施工中一种主要的施工方法，其施工过程中不可 避免的会对周围岩土体产生扰动，引起的地表沉降可能影响地面建筑物和既有 管线设施，当地表沉降达到一定程度时将影响地面建筑物的安全和地下管线的 正常使用。为了减少由于施工引起的地表沉降对地面建筑物和地下设施的损害， 有必要对施工引起地表沉降进行研究。本文以成都地铁一号线桐梓林站至火车 南站区间段为背景，采用f l a c 3 d 数值模拟的手段，对成都市特有地质条件下盾 构隧道施工引起的地表沉降进行研究。重点研究了隧道埋深、盾尾注浆、掘进 压力、双孔隧道中线间距以及双孔隧道不同开挖方案对地表沉降的影响，并运 用灰色理论建立灰色模型，对地表一点不同时刻的地表沉降值进行预测。 研究表明，在该盾构区间，在相同的开挖条件下，地表沉降随覆土厚度的 增加而增大；盾构掘进压力的大小对地表沉降的影响比较大；注浆层弹性模量 对地表沉降影响很大；在相同的开挖条件下，中线间距越小，地表沉降越大， 当中线间距大于1 6 m 时，该区间隧道中线间距的增加对地表沉降的影响趋于稳 定；在双孔盾构隧道施工时，左右两洞同时掘进的方案在控制地表沉降方面比 先开挖完一线再开挖另一线的方案有利；运用灰色理论建模对地表一点不同时 刻的沉降值进行预测是可行的。 关键词：成都地铁；盾构法施工；地表沉降；数值模拟；灰色模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t s h i e l dt u n n e l i n gi sc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o d si nt h e t u n n e lc o n s t r u c t i o no fc h e n g d u ，w h i c hw i l ld i s t u r ba m b i e n tr o c km a s si n e v i t a b l y , a n dt h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n ti sl i k e l yt oi n f l u e n c et h eb u i l d i n g sa n dt h ee x i s t i n g p i p e l i n e s w h e nt h es e t t l e m e n tg e t st os o m ee x t e n t ，i tw i l la f f e c tt h es a f e t yo f b u i l d i n g so v e r g r o u n da n dt h en o r m a lu t i l i z a t i o no fp i p e l i n e su n d e r g r o u n d t or e d u c e t h ed a m a g e st ot h eb u i l d i n g so v e r g r o u n da n df a c i l i t i e su n d e r g r o u n d ，w h i c ha r e i n d u c e db yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，i ti se s s e n t i a lt os t u d yt h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t b ya p p l y i n gf l a c 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h eg r o u n d s e t t l e m e n tc a u s e db ys h i e l dt u n n e l i n gi nt e r m so ft h ep a r t i c u l a rg e o l o g i c a lc o n d i t i o n i nc h e n g d u ，w h i l et a k i n gt h eb l o c k sb e t w e e nt o n gz i l i ns t o pa n ds o u t h e r nt r a i n s t a t i o na sb a c k g r o t m d a n di n f l u e n c e so nt h eg r o u n ds e t t l e m e n td u et ob u r i e dd e p t h o ft u n n e l ，g r o u t i n ga tt h et a i lo ft h es h i e l d ，t u n n e l i n gp r e s s u r e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e n d o u b l et r a c kt u n n e l sa n dt w o - l a n et u n n e ld i f f e r e n ts h i e l de x c a v a t i o np r o g r a ma r ea l s o s t u d i e d b e s i d e s ，t h ea p p l i c a t i o no fg r e yt h e o r yi nf o r e c a s t i n gt h eg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n to fac e r t a i ns p o ti nd i f f e r e n tm o m e n t si si n t r o d u c e d t h er e s e a r c hs h o w st h a tu n d e rt h es a m es h i e l de x c a v a t i n gs i t u a t i o n ，t h eg r o u n d s e t t l e m e n to ft h i ss h i e l d i n gs e c t i o ni n c r e a s e sa st h et h ec o v e r i n ge a r t ht h i c k e n s ；t h e s t r e n g t ho ft u n n e l i n gp r e s s u r eb e a r sr e l a t i v e l yb i gi m p a c t so nt h eg r o u n ds e t t l e m e n t ； t h ee l a s t i cm o d u l u so fi n j e c t e dl a y e ri n f l u e n c e st h eg r o u n ds e t t l e m e n tal o t ；u n d e rt h es a m e e x c a v a t i n gc o n d i t i o n ，t h es h o r t e r t h em i d l i n ed i s t a n c e ，t h e b i g g e r t h eg r o u n d s e t t l e m e n t ；a n dw h e nt h ef o r m e ri sl o n g e rt h a n16 m ，i t se f f e c t so nt h el a t t e rl e v e lo f f ； u s i n gt h et w o - h o l es h i e l dt u n n e l i n g ，t h ep l a nw h e nh o l e so nt h eb o t hs i d e st u n n e l i n g i nt h em e a nt i m eb e n e f i t sm o r ei nc o n t r o l l i n gt h eg r o u n ds e t t l e m e n tt h a nt h a to f d o i n gi to n eb yo n e ；a n dt h ea p p l i c a t i o no fg r e yt h e o r yi nf o r e c a s t i n gt h eg r o u n d s u r f a c es e t t l e m e n ti nac e r t a i ns p o ta td i f f e r e n tt i m ei sf e a s i b l e k e y w o r d s ：c h e n g d um e t r o ，s h i e l dt u n n e l ，g r o u n ds e t t l e m e n t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， g r e ym o d e l 西南交通大学四南父逦大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酉使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：支r i 扛 日期：加。凡6 节 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 采用有限差分程序f l a c 3 d 模拟盾构隧道分步开挖的过程，对成都市 特有地质条件下盾构隧道施工引起的地表沉降进行研究。 ( 2 ) 采用不多的地面沉降实测数据，建立灰色模型g m ( 1 ，1 ) ，预测地表 某一点不同时刻的沉降值。 学位论文作者签名：支，耳二 日期： 巧年多月7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会经济的迅速发展和城市建设步伐的加快，我国的地铁建设进入快速 发展时期。地铁隧道在施工过程中由于地层物质被挖出，自洞室临空面向地层深 处一定范围内地层应力将发生调整，会引起地层移动而导致不同程度的沉降和水 平位移。由于施工技术质量及周围和岩土介质的复杂性，即使采用较先进的盾构 法，其施工引起的地层移动也不可能完全消除。当地表移动和变形超过一定的限 度就会影响到隧道和地表建筑物的正常使用和安全，尤其对城市地铁，区间隧道 一般都穿越城市中心地带，因建筑物密集、施工场地狭小、地质情况复杂、地下 管网密布、地面交通繁忙、施工条件受到限制，对环境的控制要求更为严格。 为减少由于隧道施工引起的地表移动和变形所造成的对地表建筑物和地下 设施的损害以及对周围建筑环境的不良影响，必须对可能发生的地表移动和变 形做出正确的估计，从而可以选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施以确 保施工地区地表建筑物与地下管线等重要设施的安全。 地表移动可以分为两部分，即地表沉降和水平位移；地表沉降主要指竖直 方向的位移。隧道施工地表移动与变形的发生主要是由施工引起的地层损失和 施工过程中隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结所造成。一方面， 隧道周围土体在弥补地层损失中发生地层移动，引起地表沉降。所谓地层损失， 是指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工隧道体积之差，竣工隧道体积还 包括隧道周边包裹的压入浆体体积。地层损失是多种因素作用的结果，开挖面 土体向隧道内移动，隧道断面产生收敛，可以引起地层损失。另一方面，在含 水地层中进行隧道施工时，可能引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使地层 发生排水固结引起地表沉降。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 影响地表移动和变形的因素很多，地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋 深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且受地层条件的影响。在隧道施 工中引起的地表移动和变形中，地表沉降的大小和分布是最受关注的。 为解决成都市的地面交通问题，成都市首次规划了七条快速轨道交通线网， 线路总长度2 7 4 1 5 k m ，其中地下线长度1 4 4 2 4 k m ，地上线1 2 9 9 1k m 。其中，成 都地铁一号线、二号线正在紧张的建设中。在成都市繁华地区进行隧道施工， 盾构技术具有强大的生命力，它可以最大限度的减少对地面交通及周围环境的 干扰。同时，对地下水资源的保护也十分有益。因此目前成都地铁的建设，大 多采用盾构法施工。同时由于成都市特有的地层特征、施工条件及其它的差异， 使得成都市盾构开挖隧道引发的沉降以及对周围环境的影响问题尤为突出。本 文将针对这一问题进行深入的研究和探讨，并对地表沉降的发展、变化做出预 测。 1 2 国内外地表沉降研究现状 近年来地表沉降的研究主要可以分为两类：地表沉降曲线和地表沉降控制 标准。 1 2 。1 地表沉降曲线预测模型 地表沉降曲线的研究方法，可将其分为理论计算法、基于实测数据的实测 数据分析法和模型试验法。 一、理论计算法 理论计算法主要有以p e c k 理论为代表而不断发展、完善、改进的经验理论 法，以及以有限元法为主的数值预测法等。 1 经验法 ( 1 ) 地表横向沉降预测 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 9 6 9 年，在当时大量隧道开挖施工引起的地表沉降实测资料的基础上，p e c k 在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上系统地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n3 ，即p e c k 公式。p e c k 认为，在不排水的条件 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。他假定地层损 失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工产生的地表沉降横向分布近似为一正 态分布曲线。 英国是世界上最早修建地下铁道的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降 的问题研究较多。它们的工作大部分是由英国t r r l ( t r a n s p o r ta n dr o a d r e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 所进行的。0r e i f l y ，n e w 等针对不同的地层，研究了采 用不同施工方法所引起的地表沉降问题。在大量实测资料的基础上，提出了实 际沉降槽宽度、地层损失和地表沉降的预计公式。根据单孔隧道地表沉降结果， 按照叠加原理，得出开挖双孔隧道引起地表沉降计算公式乜引。 a t t e w e l l 和p e c k 一样也假定沉降槽呈正态分布，于1 9 8 1 年提出下列最大 地表沉降预测量3 ，即式( 1 ) 中的s 一预测公式： 去= k ( 去) ” ， s 。喜( 1 - 2 ) 一赢 式中，r 一隧道开挖半径； z 一从地表到隧道中心的深度； s 衄。一地表最大沉降量； i 一地表沉降槽宽度系数，即隧道中心线至沉降曲线反弯点的距离； 矿一施工引起的隧道单位长度地层损失； k ，n 一常数； a 一隧道开挖面积。 欧洲其他许多国家和美国等在大量城市隧道建设中，对于施工引起的地表 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 沉降问题进行了许多研究，积累了丰富的实测资料，他们大都采用p e c k 公式或 者基于英国学者所提出的以经验共识为主的方法进行预测。 日本在长期的城市隧道施工中积累了丰富的经验，尤其是在软土地层中进 行隧道建设，因而对于隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注，许多学者对 此课题进行过深入研究。f u j i t a h 3 3 提出了盾构隧道地表沉降预测方法；半谷根 据实测资料，给出了地表最大沉降量的预计方法，并于1 9 7 7 年根据地层条件和 围岩种类给出了地表最大沉降量范围。藤田进行了软土地层中不同盾构施工方 法对地层的影响方面的研究，于1 9 8 2 年根据围岩的种类、盾构型式及辅助施工 法的不同给出了地表最大沉降量的预测值及其误差。森氏、岛田等亦提出过实 用的计算公式。 随着我国大量的城市隧道施工的进行，我国对隧道施工引起的地表沉降问 题也进行了研究。同济大学自2 0 世纪7 0 年代起，便开始了隧道施工地表沉降 的实测和理论研究工作，在对上海饱和软土和软粘土层中地铁盾构隧道试验段 进行计算分析，并与现场测试结果对比后，提出了考虑到固结因素的p e c k 修正 公式： = 等e x p ( 一争 ( 1 _ 3 ) 式中，8 ( x ，t ) 一在任一固结时间t 内，距隧道中心线x 处的施工沉降量和固 结沉降量之和； i 一地表沉降槽宽度系数； ”一施工引起的隧道单位长度地层损失； | j ，一隧道顶部土体加权平均的渗透系数，m d ； h 一埋深。 经验法只是粗略给出了预测地表沉降的计算公式或范围，有的甚至有附加 条件并需从各自统计表中查取有关参数，计算出的结果与实测值偏差一般较大。 当衬砌形式、刚度不同，以及施工条件和地层条件等复杂时，它们的应用将更 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 受到限制喳3 。 ( 2 ) 地表纵向沉降预测 刘建航等在p e c k 法的基础上，总结了上海地铁隧道纵向沉降分布的一般规 律，提出了负地层损失的公式，得出了地面沉降量的纵向分布估算公式口3 ： 吣，= 击卜半m c 半， + 击 矽c 学m c 学， ( 1 - 4 ， 式中：s ( y ) 一纵向地表沉降量； y 一沉降点至坐标轴原点的距离； 乃一盾构推进起始点处盾构开挖面至坐标轴原点的距离； y ，一盾构开挖面至坐标轴原点的距离； y f = y i 一，y r = y ，一，z 为盾构机的长度； 一盾构开挖面引起的地层损失( 欠挖时为负值) ； 1 ，一开挖面以后因盾层空隙压浆不足及盾构改变推进方向为主的所有 其它施工因素而引起的地层损失j 矽( s ) 函数可由标准正态分布函数表查得。 2 数值法 计算机的出现为数值分析提供了强有力的工具。借助于计算机，可以较全 面的考虑影响地表移动和变形的各主要因素，较为准确的预计隧道施工引起的 地表移动和变形，常用的数值模拟方法有有限单元法和有限差分法等。 采用有限单元法计算隧道施工引起的沉降时，将沉降视为力学过程。据地 层条件，可将地层假定为弹性、弹塑性、粘弹性等不同类型的介质。日本大阪 地区曾采用弹性有限元法对隧道开挖引起的地表沉降进行了估算，得到较为满 意的效果；日本学者总结弹性有限元计算结果，据实测资料加以修正，提出估 算地表沉降的实用公式。 l e e k m & r o w e r k ( 1 9 9 0 a ，1 9 9 0 b ) 嘲阳1 发展了一种用于模拟施工工序、后 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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。 l e e k m r o w e r k ( 1 9 9 1 ) 们在桑德贝输水隧道工程中，使用了一种三维 弹塑性有限元分析来计算开挖产生的位移，该分析可以模拟隧道盾构的推进和 因隧道施土引起的土体损失。总间隙参数g 定义为： g = u 3 d + 国+ 2 a + 万 ( 卜5 ) 式中，u3 0 一开挖面推进引起的等效三维径向位移； 一盾构壁厚； 倒一施工质量有关参数； 万一拼装衬砌的空间。 他们认为隧道周边土体自由地向已开挖区内变形，一旦土体的径向收敛达 到总间隙参数，环状衬砌单元就开始起作用，且假定土体与衬砌完全接触，并 达到平面应变状态。 r o w e r k l e e k m ( 1 9 9 2 a ，1 9 9 2 b ) 1 认为间隙参数反映了隧道项部的垂 直位移和软土隧道施工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，正确估算它并用二维有限元或 经验关系可对地层位移规律加以预测。 孙钧采用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n 2 。 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n3 1 。 阮林旺( 1 9 9 7 ) 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n 引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 易宏伟( 1 9 9 9 ) 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n 刳。 朱合华( 2 0 0 0 ) 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 号线盾构 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比较分析，发现非均布注浆压力下的计算值接近于实测 值1 副。 由于数值方法能够考虑复杂的边界条件，能够模拟复杂的岩土介质的特性， 能够动态模拟工程的实际建造过程，能够求解复杂的隧道结构问题，因此，随 着地下工程的大量修建，数值方法在地下工程中的运用也得到空前的发展，毫 无疑问，其应用前景是非常广阔的。在众多的数值模拟计算方法中，以有限元 法的应用更为普及和成熟，但是有限元法数值模拟在解决特殊地质条件下( 比 如软弱围岩等) 的隧道开挖问题时不如有限差分更能适用。因此，本论文采用 有限差分程序f l a c 3 d ，利用数值模拟的方法，对成都地铁建设过程中可能产生 的地表沉降问题进行研究。 3 随机介质理论模型预测 随机介质理论是波兰学者李特威尼申( j l i t w i n i s z y n ) 为研究采煤岩层与 地表移动问题所提出的。他基于砂箱模型实验研究，提出了五大公理，应用严 密的数学方法，建立了随机介质理论。随机介质法是以概率统计为基础，将岩 土体视为随机介质，将开挖岩土体引起的地表下沉视为一随机过程，并用柯莫 哥洛夫方程表示。随机介质自提出以来，经过我国学者刘宝琛、廖国华、阳军 生等的发展，其理论己逐步完善，应用领域从最初的煤矿地下开采地表移动预 计，发展到露天开采，金属矿地下开采、近地表开挖及地层疏水所引起的地表 移动预计问题n6 j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 此外，随机介质法以单元开挖引起的地表沉降及变形为基础，通过积分和微 分可以方便实现任意洞形隧道，大断面分部开挖隧道、多孔隧道等引起的地表 沉降及变形进行预测。 二、实测数据分析法 隧道开挖后，周边围岩及支护随之发生位移，该位移是围岩和支护力学行 为变化的最直接反映。不管其作用机理如何复杂，其效果均通过位移表现出来。 1 统计分析法 统计分析法( 回归分析) 是目前广泛应用的变形成因分析法。它是以实测 数据为基础，利用所测量的影响因素和变形值，用回归分析建立两者之间的函 数关系，有了这种函数关系后就能够预报变形，还可进行变形的物理解释。观 测资料愈丰富、质量愈高，其结果愈可靠。但由于回归分析中，选用何种因子 系用何种表达式有时只是一种推测，而且影响变形因子的多样性和某些因子的 不可测性，使得回归分析在某些情况下受到限制。同时，此方法用平均曲线进 行拟合、预报，不足以准确地反映观测值的离散性和随机波动性。回归模型是 一种静态模型，它只是反映了变形值相对于自变量之间在同一时刻的相关性， 而没有体现变形观测序列的时序性、相互依赖性以及变形的继续性。 如果以单变量时间为自变量来建立变形预测模型，即进行趋势分析，通常 是定量预测的首要一步，可发现主要的变化趋势，预测最终的沉降量。 2 时间序列分析法 随着变形分析研究的全面开展，人们认识到变形体的变形是在各种荷载 ( 力) 作用下的动态连续过程，变形体是具有惯性、记忆和时序的动态系统， 其变形值，即系统输出( 结果) 变量不仅依赖于同时刻的，而且还依赖过去输 入的变量的值。变形体还不断受到外界环境的影响，在各种荷载的作用下发生 着能量的转移和变化。当变形的成因分析不可能把一切因子都赋予清晰的物理 概念而始终离不开一个经验性的参数的时候，在许多因子的关系方面普遍存在 得到的信息不充分，很难建立清晰函数关系的情况下，利用时间序列分析和灰 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 色系统理论等建立数学模型来逼近、模拟和揭示变形体的变形规律和动态特性 成为新的研究方向，在动态变形分析的研究方面己取得不少成果。由于根据地 表沉降的实测观测数据可组成一个离散的随机时间序列，因此，可采用基于实 测数据的时间序列分析理论与方法来分析、趋势预测地表的沉降规律。 对于小数据量的时间序列，可采用灰色系统理论建模，通过对原始数据列 采用累加生成法生成数列，可以减弱随机性，增加规律性。最典型的时间序列 模型是p 阶自回归q 阶滑动a r m a ( p ，q ) 模型。若采用动态数据处理系统或趋势 函数模型加a r m a ( p ，q ) 自回归滑动平均模型预测效果较好n 羽。 3 人工神经网络智能预测法 传统的用于位移序列演化特征的建模方法主要是利用时间序列分析法，如 a r 法、a r m a 法和a r i m a 法等，其本质上仍属于回归分析，都是利用一确定的模 型函数来表达变量间的关系，由于岩体结构的复杂性，它所涉及的工程地质条 件及岩土特性参数通常是不完全定量的，甚至是随机的、模糊的，故难以用确 定性的数学模型加以描述，或者说，影响岩土体系统特性的各要素之间存在着 非常复杂的关系，所以岩体力学参数和岩体位移之间有时难以甚至不能用一个 简单的代数方程或数学表达式来描述。神经网络由于具有自适应性、非线性及 容错性强等特点，特别适合处理各种非线性问题，利用神经网络模型预测盾构 隧道地表位移将不失为一种有效的方法。由实测沉降数据、土体参数和施工参 数等影u 向因素资料数据作为样本，对网络进行训练完后，即可对待估的变量经 训练好的网络进行预测预报。 神经网络具有自适应和学习能力，但它是典型的“黑箱型的学习模式， 模糊系统适合表达那些模糊或不确定的知识，其推理方式比较类似于人类的思 维方式，是处理不确定性、非线性和其它不确定问题的有利工具，有较强的解 释推理功能。由于隧道地层沉降影响因素的不确定性( 模糊性、随机性、非确 知性) 及相关性，将模糊技术与神经网络相结合所建立的模糊神经网络用于隧 道地表沉降预测，可以克服影响地表沉降各因素与变形量无确定表达式的缺点， 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 通过许多简单的关系来实现复杂的、非线性、非确定性的动力系统，无须知道 变形与力学参数、施工参数之间的确切物理关系，从而可据弃传统上必须依赖 的精确数学模型以及土的本构关系，以满足及时、准确地预测盾构隧道地表沉 降的要求。但目前神经网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导， 网络往往存在很大的冗余性，对一些复杂的问题，网络训练时间较长，预测结 果精度不高，因此智能神经网络预测模型需进一步研究n 引。 三、模型试验法预测 n i m u r a 和m a i r ( 1 9 8 1 ) n 铂等通过离心机模型试验对伦敦几种地层中隧道施 工所产生的地表沉降预计参数进行了探讨，按照体积不变的假定，得出了地表 水平位移的计算公式。a t k i n s o n 和p o t t s ，c o r d i n g 等通过常规小比尺隧洞的物 理模型试验表明，当l ( 0 = 1 0 时，即使隧道内支护压力小得多，而地表沉陷却比 l ( 0 = 0 5 时小得多，这种差别是因为土体发挥拱效应有助于减少因隧洞支护压力 降低产生的沉降。g u t t l e r 和s t o f f e r s ( 1 9 8 8 ) 啪3 用离心模型试验对圆形隧洞变 形和破坏的形态进行了研究，试验发现：随着离心机加速度增加，衬砌呈椭圆状 变形，垂直向直径缩小而水平向直径增大，加速度增加到一定程度时，隧道上 部分土体塌落，且失效机制为以陡的剪切面向上部覆盖层内扩展，引起地基表 面的大幅沉降。i m a m u r a 等( 1 9 9 8 ) 口订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，研究在不同的隧洞埋深条件和有盾尾间隙情况下 衬砌拱顶土压力及地面的沉降情况，得到地表中心沉降与埋深比的关系符合指 数函数关系。横向断面地表沉降槽符合p e c k 提出的正态曲线。w u ，c h i o u ，l e e 和c h e n 等用离心模型试验研究了粘土地基中一条单行隧道和两条并行隧道情况 下周围土的位移和塌陷机理，试验结果表明，隧道的稳定性随着埋深的增加而 增加，两条隧道距离越近则其相互影响越大，并行隧道不如单行隧道稳定，并 行隧道的地表沉降槽曲线可以由两条隧道各自沉降槽的正态曲线叠加得到。 t o s h i ，t a k a o 等也通过模型试验对地表沉降预计进行了相关研究。 国内的周顺华乜列也对隧道的稳定性及地表的变形行态进行了离心模型试 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 验，试验表明，6 0 9 之前基本上未发生坍塌，当加到1 2 0 9 时己经全部坍塌，坍 塌的范围呈柱状，地表沉降范围约为4 倍洞径，并对联跨式和双洞式隧道采用 不同台阶长度施工时所引起的地表沉降进行了比较，结果表明，联跨式的地表 沉降大于双洞式。 该方法需要较长时间，造价高，重复性低，因此该法用的较少。 1 2 2 地表沉降控制标准 沉降控制标准包括两方面的内容：一是出于环境控制的需求，二是出于工 程结构稳定本身的需求。实施的控制标准必须两者兼顾。 一、按环境控制要求分析地表沉降的控制标准 沉降对城市环境造成的危害主要表现在地面建筑物的过量倾斜及地下管线 的变形、断裂而影响其正常使用。国内现有的一些城市地铁施工引起的地表沉 降允许值往往是专家们为控制地下工程开挖对地面环境的不利影响而根据经验 规定的，通常都采用3 0m m 的控制标准。但是由于地面建筑及地下管线种类繁多、 结构等级各异，线路穿越的地层不同，若均用同一基准值控制，难免产生某些 地段过于保守，造成经济损失；某些地段又出现危害性沉降的弊端。为了保证 给出的沉降控制基准既满足安全需要，又使建筑成本较为经济，应使基准值尽 可能符合工程实际。 1 地面建筑的沉降控制标准晗3 3 沉降对地面建筑的危害主要表现在地面的不均匀沉降引发的建筑物倾斜或 局部倾斜。在“建筑地基基础规范”中对各类建筑物的允许倾斜值已明确规定( 例 如砌体承重结构基础之局部倾斜在2 3 以内，多层及高层建筑基础随建筑 物高度控制在1 5 - - - 4 以内) 。因此，对建筑物而言，允许最大差异沉降( 不 均匀下沉) 作为地面沉降的控制条件。 ( 1 ) 建筑物相邻柱基l 小于或等于沉降槽拐点i 时 由图2 6 沉降槽曲线图可知，在拐点i 处，曲线斜率为最大。当建筑物处 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 于图1 1 ( a ) 位置时( l = i ) ，差异沉降达到最大值。故以此极限条件下的坡度值 一极限坡度小于相应建筑物允许倾斜值作为限制条件。即： 出协 ( 卜6 ) 式中，s 一允许差异沉降； f 一建筑物容许倾斜值； i 一沉降槽拐点距离隧道中线距离。 ( 2 ) 建筑物相邻柱基l 大于或等于沉降槽拐点2 i 时 此时，沉降对建筑物的影响除倾斜外还含有基础的受弯。图卜1 ( b ) 示出了 建筑物基础受弯的最不利位置，当沉降过大时，有可能导致建筑物基础的断裂 及上部结构压性裂缝的产生。故以建筑基础的允许应变作为计算控制标准的极 限条件： s = ( 【 + f ) 2 一i 2 ( 卜7 ) 式中， = d e ： f 一允许应变； 口 一基础的极限抗拉强度；e 一基础弹性模量。 p _ - j j tm 十k 图卜1 建筑物受沉降影响的两种情况( ab ) 2 地下管线的控制标准 地下管线通常为供( 排) 水管、煤( 暖) 气管、工业管道及各种电线等。 过量的地表沉降会导致管线断裂，影响内其正常使用甚至引发灾难性事故，其 通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 后果是极其严重的。由于各种管线对沉降影响的敏感性和耐受力因其材质、连 接方式、接口材料、使用上对变形的允许指标、施工质量、使用年限等不同而 有较大差异。从安全角度出发，选择对沉降耐受力量低的砂浆接缝混凝土污水 管作为控制条件。 沉降槽上方的管线变形情况类似于建筑物地基梁l 2 i 的情况，随着地层 的沉降其受力条件发生转化，这时可视为受垂直均布荷载的弹性梁考虑。 根据结构在正常使用时其承受的应力应小于或等于其允许设计应力这一标 准，管道在地层沉降时产生的变形应小于或等于其允许应力的相应变形范围。 即： s = ( p 朋+ 聊) 2 一聊2 ( 1 8 ) 式中，n r 管道计算长度； 掰一管道极限伸长量( a m = 【 m ) 。 当管道走向垂直隧道走向时m = i ，此时s 值最小。故有： s = ( 【 f + f ) 2 一i 2 ( 1 9 ) 可见与( 卜7 ) 公式相同。 二、按地层及结构稳定的需求对沉降控制标准的分析 当仅考虑地层的稳定性时，允许地表下沉量s 为地层处于力学平衡临界状态 时的最大沉降值。这里的临界状态，指地层发生整体失稳的情况，不包括局部失 稳。 1 地层失稳的形式及条件 分两种情况分析，以导出考虑地层稳定的地表沉降允许值。 ( 1 ) 软弱围岩( i 、i i 类围岩) 这类围岩可作为连续介质加以分析。由软弱围岩中发生坍塌失稳的工程实 例可知，坍塌形式大致有两种： 第一种情况( 图1 - 2 a ) ，坍塌体呈“漏斗形”。这可用破裂面a b ( a b ) 上 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 的剪应力达到或超过地层的极限剪应力时的地层破坏结果加以解释，以库仑准 则为破坏判据，破裂面与水平面夹角为1 3 。 第二种情况( 图1 - 2 b ) ，坍塌体为以洞周为边界的垂直柱体，破裂面与水平 面呈9 0 。夹角。这可用地层破裂面上的剪应力达到或超过其极限拉应力时的破 坏结果加以解释，破坏准则为格里菲斯判据。在进行下沉量控制基准值计算时， 为便于计算，可作为第一种情况的特例1 3 - 9 0 。处理。 图卜2 软弱围岩地层失稳的两种形式( a ，b ) ( 2 ) 坚硬围岩( i i i 、i v 类围岩) 这类围岩属弱面体围岩，岩体强度由岩石强度和弱面体强度两部分组成。因 此，岩体的破坏形式有三种：一为岩石部分出现受拉破坏或压剪破坏；二为弱 面出现拉破坏或压剪破坏；三为前两种的混合类型。很显然，第二种形式岩体 强度最低。当弱面强度远低于岩石强度时( 如浅埋隧道多见的中、弱风化带) ， 从安全角度出发，在推导地层沉降控制基准经验式时，选择弱面破坏形式作为 地层稳定的控制条件。 由弱面体力学的分析可知，当 弱面进入塑性状态时，弱面上的应 力及弱面强度均是弱面方向函数。 即：仃- - f ，( 1 3 ) ，t = f ：( b ) b 为弱面走向与水平面夹角。 图1 - 3 仃与1 3 的关系曲线 口与b 的关系曲线如图1 - 3 所示。当角b 在b 咖b 。之间时，岩体的破坏 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 为沿弱面破坏，否则为岩石的破坏。当1 3 - 4 5 。+ 巾，2 ，为弱面的最不利位置， 其中巾，为弱面内摩擦角。 2 地层允许沉降量 由地层位移的实测结果一洞内拱项下沉及地表下沉量测结果知，地层的位 移是自洞室临空面向地表逐渐延伸的，这意味着破裂面的形成也是由洞室周围 向地表延伸。最大允许沉降值公式乜4 j ： 汴斋k t g 13(1-10) 式中，k 一经验系数； 在软岩中，k = ( 1 3 1 1 ) 1 0 ，1 3 - - 4 5 。+ 由2 ； i 一沉降槽拐点距离隧道中线距离； 在硬岩中，k = 1 1 0 3 ，b - - 4 5 。+ 巾2 。 最后，经计算比较地面建筑、地下管线和地层允许沉降量三种计算值的大 小，取最小值作为沉降控制标准的参考值。 1 3 本文的研究内容 尽管国内外对盾构法隧道施工引起的地表沉降作了较深入的研究，并取得 了较为满意的成果，但目前盾构法施工在成都砂卵石地层中引起地表沉降规律 的研究较少，因此有必要对盾构法施工在成都市砂卵石地层中引起地表沉降规 律展开相关研究。 本文以成都地铁一号线桐梓林站至火车南站区间段为背景，在综合考虑盾 构法施工过程中多种因素的基础上，根据成都地铁工程实际建立盾构隧道开挖 三维模型，利用限差分程序f l a c 3 d 进行开挖模拟计算，对成都市特有地质条件 下盾构隧道施工引起的地表沉降进行研究。通过对盾构隧道施工土体扰动和沉 降机理、沉降发生规律的分析研究，并利用数值模拟的方法模拟盾构的施工开 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 挖，预测盾构施工引起的地表沉降。本论文主要从以下几个方面进行研究： 1 盾构掘进引起的地表沉降分析 ( 1 ) 不同埋深条件下盾构开挖对地表沉降的影响 ( 2 ) 不同掘进压力条件下盾构开挖对地表沉降的影响 ( 3 ) 盾尾注浆对地表沉降的影响 ( 4 ) 双线隧道中线间距对地表沉降的影响 ( 5 ) 双线隧道不同开挖方式对地表沉降的影响 2 根据地表沉降实测数据建立灰色模型，对地表沉降发展规律进行预测。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第2 章盾构法施工引起地表沉降的理论研究 2 1 地层沉降的原因 地层沉降主要分为地层损失和受扰动土层的固结，地层损失是施工的原因 引起的。而地层固结沉降是因为有效应力的增加引起的。 2 1 1 地层损失 地层损失是盾构施工中实际开挖土体体积和竣工隧道体积之差，竣工隧道 体积包括隧道外围包裹的压入浆体体积。地层损失率用占盾构理论排土体积的 百分比表示。圆形盾构理论排土体积为万絮三( 为盾构外径，l 为推进长度) ， 周围土体在弥补地层损失中，发生地层移动，引起地表沉降1 。引起地层损失 的施工及其他因素是： 1 当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向应力时， 则开挖面土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地表沉降：当盾构 推进时如作用在正面土体的推应力大于原始侧向应力，则正面土体向上向前移 动，引起地层损失( 欠挖) 而导致盾构前上方土隆起。 2 在盾构暂停推进时，由于盾构推进千斤顶漏油回缩，可能引起盾构后退， 使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。 3 由于向盾尾后面、隧道外围建筑空隙中压浆不及时、压浆量不足、压力 不适当，使盾尾后坑道周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动， 引起地层损失，在含水不稳定地层中这往往是引起地层损失的主要因素。 4 盾构在曲线中推进、纠偏、抬头或叩头推进，实际开挖断面不是圆形而 是椭圆，因此易引起地层损失。盾构轴线与隧道轴线的偏角越大则对土体扰动 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 超挖程度及引起的地层损失也越大口。 2 1 2 受扰动土体的重新固结 盾构推进中孔隙水压变化、土体扰动后重新固结、管片渗漏水、压浆材料 凝固收缩等引起土体固结沉降。 由于盾构推进中的挤压作用和盾尾压浆作用等因素，使周围地层形成正值 的超孔隙水压区，其超孔隙水压在盾构隧道施工后的一段时间内消散复原，在 此过程中地层发生排水固结变形，引起地表沉降。地层因有效应力的增加而引 起的地表沉降，称之为主固结沉降。 土体受到扰动后，土体骨架还会发生持续很长时间的压缩变形。在此土体 蠕变过程中产生的地表沉降为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流 塑性土层中，次固结沉降往往要持续几年以上，所占总沉降量的比例可高达3 5 以上【2 6 1 。 2 2 地层移动的时空效应特征 地层移动是随着时间增长逐渐完成的，按时间的先后可将地层移动分为施 工阶段沉降和后期固结沉降，沉降稳定时间、沉降槽形状以及影响的范围是地 层移动空间效应的特征。另外地层移动在空间上具有三维性，随着盾构机的推 进，地层移动不断向前发展，表现出空间效应。 2 2 1 地层移动的时间效应理论2 5 1 盾构施工引起地层的移动，表现出强烈的时空效应，地层移动随盾构所处 位置、经历的时间、地层与盾构的相对位置的不同而变化，反映了盾构施工地 表移动的发展规律和特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 地层移动的一般规律通过对盾构施工地表移动的观测，所得到的地表变形 的规律如图2 - i 所示。结果表明沿隧道纵向地层沉降可以分为3 个阶段，即盾 构前部变形阶段、施工沉降阶段、土体固结沉降阶段。在盾构机前方，通常土 体因受土舱压力作用，有向前向上的移动趋势，导致地表有微量的隆起。如支 护力不足，盾构前方的土体向后向下移动，地表出现下沉。在施工阶段，盾构 通过时盾构两侧的土体受到挤压向外移动。在盾尾脱离隧道衬砌时，由于隧道 衬砌与土壁之间间隙的存在，隧道周围的土体向隧道中线移动，地表同时出现 较大的沉降，这一阶段的地表沉降通常在1 2 个月完成。紧接下来的是固结沉 降阶段，可再分为主固结与次固结两个阶段，前者是施工过程中孔隙水压力消 散而引起的沉降，后者是土体骨架蠕变引起的，实际上这部分沉降反映了地层 移动的时间效应。地表沉降速率、范围、最大沉降量、沉降槽的几何形状、沉 降稳定时间等是沉降的特征。 2 2 2 地层移动的空间效应 盾构施工引起地层移动在空间上具有三维性，