工学硕士学位论文盾构法隧道施工引起地表沉降研究张雄河北工程大学２０１２年６月１日分类号：巡ＵＤＣ：．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．——密级：公Ⅱ！ＱＱ２鱼单位代码：工学硕士学位论文盾构法隧道施工引起地表沉降研究作指学所者导科在姓教专单名：张雄师：杨万斌教授业：岩土工程位：土木工程学院申请学位级别：工学硕士授予学位单位：河北工程大学ＡＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎＳｕｂｍｉｔｔｅｄｔｏＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＦｏｒｔｈｅＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅｏｆＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＧｒｏｕｎｄＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔＩｎｄｕｃｅｄｂｙＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣａｎｄｉｄａｔｅＳｕｐｅｒｖｉｓｏｒＡｃａｄｅｍｉｃＤｅｇｒｅｅＡｐｐｌｉｅｄｆｏｒＳｐｅｃｉａｌｔｙＣｏｌｌｅｇｅ／ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔＺｈａｎｇＸｉｏｎｇＰｒｏｆ．ＹａｎｇＷａｎｂｉｎＭａｓｔｅｒｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａⅥ２０１２．，／独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究丁作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位敝储虢棒呻签字隰扣ｙ年厂月≯日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解塑皇垦墨猩态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权塑ｉ垦墨猩盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）…一始传叩驯程孙如歹ｃｉｉ砘矧珊≯肿ｊｔ－一日签字嗍：泓年箩肌蹄摘要盾构法是我国地铁工程中一种重要的施工方法。盾构法隧道以其施工技术的安全性和先进性等特点，在城市地铁隧道施工中得到越来越广泛的应用。但是，盾构法施工一定程度上会引起地表沉降，当地表沉降过大时可能危及周围建筑物和地下管线等建（构）筑物的安全，造成严重的经济损失和社会影响。通过对大量的实际工程现场监测资料进行分析，研究盾构掘进过程中地表沉降的发展规律和影响范围；提出Ｌ．ｖ模型和Ｖ－Ｇ模型，将其应用到盾构施工引起地表沉降的预测中；利用ＡＢＡＱＵＳ软件数值模拟盾构隧道掘进过程中地表沉降，研究了黏性土层盾构掘进时，掘进面支护压力的变化对土层沉降的影响规律；同时讨论隧道埋深、直径和土层参数对掘进面稳定性的影响，得到以下主要结论：（１）当盾构未达到某一指定断面，该断面地表略有沉降，当盾构通过该指定断面后地表产生明显的下沉；地表横向沉降槽发展规律符合Ｐｅｃｋ公式。（２）Ｌ．Ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型发挥了很好的预测效果，其预测精度要远远高于单一的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型，尺２达到了０．９９８６。（３）随着支护应力的减小，掘进面前方土体的水平位移和地表沉降明显增加；掘进面支护应力不足引起的深层土体的位移在隧道顶部最大，从隧道顶部到地表逐渐减小；随着隧道埋深和隧道直径的增大，掘进面极限支护应力和横向沉降槽系数不断增大；内摩擦角对掘进面支护应力的影响比黏聚力显著。关键词：盾构法；地表沉降；沉降预测；数值模拟一————————————————————————————————————————————————————————一ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＳｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｕｒｂａｎｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌＭｅｔｒｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎＣｈｉｎａ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｄｕｅｔｏｉｔｓｉｓｐｒｏｎｅｔｏｓｅｃｕｒｉｔｙａｎｄａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ．Ｔｏｓｏｍｅｅｘｔｅｎｔ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇａｒｏｕｓｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｗｉｌｌｈａｖｅｓｅｖｅｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓｏｃｉａｌｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｔｈｅｅｘｃｅｓｓｉｖｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｗｉｌｌｅｎｄａｎｇｅｒｔｈｅｓａｆｅｔｙｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｂｕｉｌｄｉｎｇｓａｎｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｔｕｂｅｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐｒａｃｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｒｕｌｅｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｂａｓｉｎｉｎｔｈｅｓｈｉｅｌｄＶ－Ｇｍｏｄｅｌｗｅｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅＬ．Ｖｍｏｄｅｌａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＵｓｉｎｇＡＢＡＱＵＳｓｏｆｔｓｉｍｕｌａｔｅｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｈｅａｄｉｎｇ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｒｕｌｅｏｆｓｏｉｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｈａｎｇｅｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｗｈｅｎｓｈｉｅｌｄｗａｓｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｃｌａｙｓｏｉｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈａｔｄｅｐｔｈｏｆｔｕｎｎｅｌ，ｔｕｎｎｅｌｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｓｏｉｌｐａｒａｍｅｔｅｒｗｅｒｅｅｆｆｅｃｔｆｏｌｌｏｗｉｎｇｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：ｏｎｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅ，ｔｈｅｎ（１）Ｗｈｅｎｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｓｎｏｔｕｐｔｏａｄｅｓｉｇｎａｔｅｄｓｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｓｅｃｔｉｏｎｓｌｉｇｈｔｌｙｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄｗｈｅｎｔｈｅｓｈｉｅｌｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｔｅｄｓｅｃｔｉｏｎｇｒｏｕｎｄｐｒｏｄｕｃｅｄｃｌｅａｒｓｉｎｋｉｎｇ．ＴｈｅｇｒｏｕｎｄｃｒｏｓｓｗｉｓｅｓｅｔｔｉｎｇｔａｎｋｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒｕｌｅｃｏｍｐｌｉｅｓｗｉｔｈＰｅｃｋｆｏｒｍｕｌａ．（２）Ｌ．ＶｍｏｄｅｌａｎｄＶ－Ｇｍｏｄｅｌｈａｓｐｌａｙｅｄａｖｅｒｙｇｏｏｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔ，ｔｈｅａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆａｒｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｓｉｎｇｌｅＬｏｇｉｓｔｉｃｍｏｄｅｌＶｏｎ—ＢｅｒｔａｌａｎｆｆｙｍｏｄｅｌＧｏｍｐｅｒｔｚｍｏｄｅｌ，Ｒ２ｒｅａｃｈｅｄ０．９９８６．（３）Ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｏｉｌａｈｅａｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｗｉｔｈｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｏｆｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｓｓ．Ｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｉｎａｄｅｑｕａｔｅｃａｕｓｅｄｔｈｅｌａｒｇｅｓｔｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｎｔｈｅｔｏｐｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌｉｎｔｈｅｄｅｅｐｏｆｓｏｉｌ，ｒｅｄｕｃｅｄｇｒａｄｕａｌｌｙｆｒｏｍｔｈｅｔｕｎｎｅｌｔｏｐｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅａｎｄｃｒｏｓｓｗｉｓｅｓｅｔｔｉｎｇｔａｎｋｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｐｔｈａｎｄｏｎｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｔｕｎｎｅｌｉｎｃｒｅａｓｅｄ．Ｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｈａｄｍｏｒｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｅｆｆｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｔｈａｎｃｏｈｅｓｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｅｌｄｍｅｔｈｏｄ；Ｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ目录目录摘要……………………………………………………………………………………ＩＡｂｓｔｒａｃｔ…………………………………………………………………………………………………………・・ＩＩ第１章绪论………一…………………………………………・・……－…．．…………．１１．１研究背景及意义………………………………………………………………１１．２隧道施工地表沉降研究现状…………………………………………………・１１．２．１理论法预测……………………………………………………………．．１１．２．２模型法预测……………………………………………………………一５１．２．３经验法预测……………………………………………………………”６１．２．４其他预测法……………………………………………………………一７１．３本文主要研究内容……………………………………………………………８第２章盾构法隧道基本原理…………………………………………………………９２．１盾构施工原理…………………………………………………………………９２．２盾构的分类和特征……………………………………………………………９２．２．１盾构的分类………………………………………………………………９２．２．２盾构的特征……………………………………………………………１０２．３密闭式盾构掘进面的稳定性………………………………………………．．１１２．３．１泥水平衡式盾构掘进面的稳定性……………………………………１１２．３．２土压平衡式盾构掘进面的稳定性……………………………………１１２．３．３掘进面的管理压力……………………………………………………１１２．４掘进面支护应力形式及表示………………………………………………一１３２．５本章小结……………………………………………………………………一１５第３章地表沉降理论分析…………………………………………………………．．１６３．１地表沉降的原因……………………………………………………………．．１６３．２地表沉降的发展过程………………………………………………………．．１８３．３实测纵向地表沉降分析……………………………………………………～２０３．４地表横向沉降分析方法……………………………………………………一２２３．５实测横向地表沉降分析……………………………………………………一２４３．６影响地表沉降的因素………………………………………………………一２７３．７本章小结……………………………………………………………………一２８目录第４章盾构掘进地表最大沉降预测………………………………………………一２９４．１预测模型的建立……………………………………………………………一２９４．１．１基本模型………………………………………………………………２９４．１．２４．１．３Ｌ．Ｖ模型建立…………………………………………………………．．３０Ｖ－Ｇ模型建立…………………………………………………………一３０４．２预测效果评价体系…………………………………………………………．．３１４．３预测模型应用分析…………………………………………………………・・３２４．３．１４．３．２４．３．３４．３．４４．３．５Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型……………………………………………………………３２Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型……………………………………………………３３Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型…………………………………………………………３３Ｌ．Ｖ模垂！……………………………………………・………………………………………・３４Ｖ－Ｇ模型………………………………………………………………・・３５４．３．６预测模型比较分析……………………………………………………３７４．４本章小结……………………………………………………………………一３８第５章盾构隧道掘进面稳定性分析………………………………………………”３９５．１ＡＢＡＱＵＳ软件介绍…………………………………………………………“３９５．２计算模型……………………………………………………………………・・３９５．２．１分析模型尺寸与网格确定……………………………………………３９５．２．２模型参数确定…………………………………………………………・４０５．３掘进面支护应力对地层影响规律…………………………………………”４０５．４掘进面稳定性的影响因素分析……………………………………………“４４５．４．１隧道埋深的影响………………………………………………………４４５．４．２隧道直径的影响………………………………………………………４７５．４．３土层材料的影响………………………………………………………５０５．５本章小结……………………………………………………………………一５３结论与展望……………………………………………………………………………５４参考文献………………………………………………………………………………５６致谢………………………………………………………………………………………………………………６０作者简介………………………………………………………………………………６１攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目…………………………………６１ＩＶ第１章绪论第１章绪论１．１研究背景及意义随着经济的快速增长，城市建设步伐不断加快，现阶段已经进入了高速城市化的起飞线上。城市化的高速发展、城市人口数量的增加、建筑物的越来越密集使得城市地面以上能够利用的建筑面积逐渐减少，形成了城市交通拥堵、建筑面积狭窄、城市防灾减灾能力弱化等“城市综合症”…。尤其，作为城市功能最活跃的因素，交通已成为制约城市可持续发展的最突出问题。如北京主干道近１０年平均车速减慢５０％，而且时速正在以每年２ｋｍ的速度递减。为了减少地面交通流量，缓解城市发展和土地资源紧张的矛盾，人们已经把目光转向了地面以下，合理开发和利用地下空间已成为２１世纪城市岩土工程的重要课题【２】。在西方发达国家，解决“交通难’’的主要措施是发展高效率的城市轨道交通。其中，地铁已成为主要客流交通线，过江隧道、地下道路、地下停车场等设施也在不断建设，地下空间的开发和利用已经形成了“地下街”和“地下综合体”的结构系统。地下交通系统以其巨大的运输能力、速度快等特点在人们的日常出行中发挥着越来越重要的作用，特别在人口密度集中的大城市，对于缓解地面交通压力，发挥着不可估量的作用【３Ｊ。１．２隧道施工地表沉降研究现状盾构法隧道施工将会引起地表沉降，目自订集中在探讨地表沉降和地层沉降对邻近建筑物和地下管线的影响。隧道开挖过程中，盾构经过的上部地表形成一个凹槽【４１，如图１．１。在该凹槽范围内的建筑物将会不同程度地受到影响，造成建筑物基础沉降。１．２．１理论法预测（１）解析法随着对地层沉降的研究不断深入，国内外学者借鉴相关学科的研究成果，将其应用到隧道地层沉降的研究中，分别将地层土体视作弹性体、弹塑性体、粘弹性体来考虑。Ｃｌｏｕｇｈ和Ｓｃｈｉｍｄｔ【５】提出了在线弹性、理想弹塑性土层中，采用圆心孔卸荷的河北．Ｉ：程人学硕＋学位论文解析法来预测隧道掘进时地层土体的沉降。图ｌ－１Ｆｉｇ．１—１隧道开挖引起的地表沉降三维效果图Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｄｉａｇｒａｍｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｃａｕｓｅｄｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎ陶履彬、侯学渊等【６１利用轴对称的平面应变弹性原理分析了隧道围岩的应力场和位移场。Ｓａｇａｓｅｔａ［７１在考虑了地表地层损失的情形下，得到了初试各向同性、均匀、不可压缩图体重应变场闭合解。将此看作应变控制问题，利用虚拟镜像法得到了顶层自由边界的弹性半空间解答。后来Ｓａｇａｓｅｔａ和Ｕｒｉｅｌ等对该法进行了推广，其公式如下：葭Ｇ）＝≥南、（１－１）厂式中，ｒ距隧道轴线的距离；．）一距隧道轴线的距离；珞——土体损失体积；啪）－嘉Ｉ１＋赢Ｉ］ｍ２）瓯ｂ）——与隧道走向轴线正交的平面内土层的竖直位移；瓯◇）——与隧道轴线平行的平面内土层的竖直位移；仔一隧道的埋深。孙均、侯学渊【８】利用粘弹性理论，对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹性分析。ＦＩ本久保胜保【９】将地层土体视作弹塑性和粘弹性材料，研究了圆形隧道的非线性弹塑性的理论解，讨论了土体的非弹性性质，同时考虑了地层位移与时间的相关性。第１章绪论曾小清、张庆贺¨ｕ’¨Ｊ通过构造合理的半解析函数来反映单连通体隧道与多连通体隧道共存与转化的施工过程，利用计算机模拟实现隧道施工的三维结构与介质相互作用的空『白Ｊ问题。ＶｅｒｕｒｉｊｔＡ．与ＢｒｏｏｋｅｒＪ．Ｒ．［１２１在Ｓａｇａｓｅｔａ考虑地层损失引起地层沉降的理论下，提出了半空间均质弹性体隧道引起的地层沉降的解析解，该理论不仅考虑了不可压缩土体的情况，同时在任何孔隙比的情况都适用。其不足之处在于运用该理论预测的沉降槽宽度均比实际观测值要－Ｘ。其地层沉降和横向沉降的解析公式为：驴划刖叫掣＋学阁学＋掣］驴划睁办积２（掣＋掣］＿．２￡Ｒ２ｘ［１ｒ一丁２ｍｚｚ２］一等ｍｍ＝——：尼：—生：１—２∥１—２∥１＋一２叫孚＋焘掣掣ｌ１陪譬一Ｉｌ＾。ｍ３，ｍ４，一式中，占——卵形位移情况的隧道表面相对位移参数；￡——均匀释向付移情况的隧道表面相对俯移参数：∥——土的泊松比。方从启，王承德【１３】利用轴对称原理，将解析函数的半解析元法应用到隧道施工中，建立计算模型，研究了软土地层中顶管法施工隧道引起的地表沉降和地层随时间的运动形式。Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ和Ｐｏｕｌｏｕｓ［１４】在Ｖｅｒｒｕｉｊｔ理论的基础上，忽略隧道掘进过程中土体固结沉降的影响，建立了适用于粘性和砂性土层的等效损失模型，地层土体的水平、垂直位移公式如下：“。＝Ｒ２ｘ｛一ｆｌ■面ｊ万＋４Ｒ２×警唧｛－［—（Ｒ＋Ｈ—ｔａｎｆｌ）２。。孚］｝３．１２ｘ２１万面可一『丽，３＋４ｕ４ｙ（ｙ＋Ｈ）Ｉｍ５，’、，．ｊ’、，．ｊ河北Ｉ：科火学硕＋学位论文律，计算出盾构隧道的等效刚度。１．２．３经验法预测经验法是根据隧道丌挖后地表沉降槽的形状，采用相似形状的曲线来表示，然后在现场实测资料和既有资料的基础上，确定曲线的具体特征参数［３０－３３】。１９６９年，Ｐｅｃｋ［３４１在总结２０多例隧道工程地表沉降实测资料的基础上，提出地层损失的概念，认为地层移动由土体损失引起，地表横向沉降槽分柿近似倒置正态分布曲线。假定土体不排水、体积不可压缩，采用高斯分布函数及Ｐｅｃｋ预测公式来描述隧道开挖所引的地表沉降规律，其预测公式如下：ｍ＝Ｓｍａｘ．ｅｘｐ（一蔷】墨ｎａｘ（１－９）江—＿ｋｓ（ｘ）——距离隧道轴线为ｘ处地表沉降量；２赢（１－１０）（１．１１）风（４５。一引式中，Ｓ。。——隧道轴线处地层损失引起的最大沉降量；ｆ——沉降槽宽度系数；Ｈ——隧道轴线埋深；矽——隧道单位长度地层损失量；够——土的内摩擦角。Ａｔｔｅｗｅｌｌ等‘３５１通过采用累计概率曲线公式来求解隧道轴线上方的纵向地表沉降，其公式为：广离隧道轴线的距离；ｓ（Ｙ）＝Ｓｍａｘｌ①（半Ｈ半）］式中，ｓ◇）——沿盾构隧道掘进方向，距离坐标原点为Ｙ处的地表沉降；Ｙ——沿盾构隧道掘进方向的距离；ｙ；——盾构掘进起始点到坐标原点的距离；ｙ，——盾构开挖面到坐标原点的距离；①——由标准正态分稚函数表可查得。ｍ㈦６第１章绪论刘建耐３６１将地层损失分成盾构掘进面损失和盾尾间隙损失两部分，提出负地层损失概念，同时对纵向沉降的Ｐｅｃｋ公式进行了修正，其公式如下：驯＝去Ｍ半Ｈ半］）＋去Ｈ孚）一文学））（１都，式中，Ｋ．——盾构开挖面损失；坎，——盾尾间隙损失；Ｙｊ——盾构掘进起始点到坐标原点的距离；ｙ，——盾构开挖面到坐标原点的距离；Ｙ；＝Ｙ，一，，ｙ：．＝Ｙ，一，，——盾构机长度；①——由标准正态分布函数表可查得。姜忻良等［３７３假定地表沉降槽体积等于土体损失体积，通过回归分析得到了不同隧道埋深下沉降槽宽度系数的公式：蔓Ｇ）＿置ｎａ七）ｅ冲卜者ｊＳｍａｘ（ｚ）＝ｓ。。。（１一ｚ／ｈ）。０’３ｆ（ｚ）＝ｉ（１一ｚ／ｈ）ｎ３式中，Ｓｍ．ｘ（ｚ）——隧道轴线距地面ｚ深度处地层损失引起的最大沉降量；ｆ（ｚ）——距离地面深度ｚ处土体沉降槽宽度系数。１．２．４其他预测法（１）人工神经网络及专家系统法（１－，４）（１．１５）（１．１６）１９８２年华中理工大学学者首先提出灰色系统，随后该法在自然科学领域得到较广泛的应用【３８】。ＪｉｎｇｓｈｅｎｇＳｈｉ等㈣在盾构隧道地表沉降实测数据基础上，采用ＢＰ网络算法盾构施工后期地表沉降进行预测，总结出影响地层移动的主要因素。王穗辉［４０】采用改进的ＢＰ网络算法，针对上海地铁２号线实测数据，进行了地表沉降预测，取得了一定的预测效果。（２）随机介质理论随机介质理论是以概率统计为基础，将岩土体视作随机介质的一种理论，随机理论法和理论公式法相似【４¨。国内学者最初将随机介质理论应用在北京、深圳的地铁工程中，计算隧道地表垂直及水平位移，以及倾斜、曲率、水平应变等。’、，．ｊ’、，．ｊ河北Ｔ程人！学硕＋学位论文密闭式盾构分为泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构。这种盾构采用旋转刀盘切削掘进面土体，然后让土体进入刀盘与盾尾见的土舱内，采用出土器或出泥管输出，盾构掘进中采用泥水压力和土压力来保持掘进面的稳定。图２．１盾构分类Ｆｉｇ．２—１Ｓｈｉｅｌｄｓｏｒｔ２．２．２盾构的特征不同种类盾构特征见表２．１。表２．１盾构特征。Ｔａｂｌｅ２．１Ｓｈｉｅｌｄｆｅａｔｕｒｅ密ｃｊｊ式分类十压平衡式泥水平衡式手掘式使用尖镐、十字镐及铁锹等人工开挖利用ｉ１１作面千斤顶、？卜月形千斤顶、移动式护罩千斤顶、上承式千斤顶等挡士装置进行挡士。很多场合下都是利用气压』ｌ＿＝法、药液注入法及降低地下水’ｌ：法等的辅助１：法来保持掘进面的稳定。开放式？Ｆ机械式利用单斗挖十机、反铲及伸臂凿岩机等挖掘装置进行部分开挖挡十方式与手拥式相同，但与手掘式相比，Ｔ作面更火一些，挖掘过程中的挡十不像手掘式那么方便。很多场合卜．都是利川气压。Ｉ：法、约液注入法及降低地’卜．水Ｉ：法等的辅助ｌ：法来保持掘进面的稳定。全机械式利用安装在旋盘处的刀具进行全断面开挖通常是川在白稳性比较好的十体中，而对白稳性比较差的十体则辅助使川面板进行挡十。与手掘式一样，很多场合’卜．都是采川辅助Ｉ：法来保持掘进面的稳定。开挖方法利刚安装在刀盘上的刀具进行全断面开挖拥进面的稳定及挡十在盾构与掘进面之间没十仓室，利Ｊ＝｝ｊ盾构千厅顶对十仓室及螺旋输送机内滞留的挖掘十砂进行挤压，使之产生与掘进面的十水压力相平衡的十水压力，以此挡十。原则上不适州辅助Ｉ：法。在盾构与掘进面之间设十仓室，对输入到十仓室的泥水施加压力，以此进行挡十。原则上不使川辅助卜法。可视程度不能川肉眼直接观察到掘进面可以直接用肉眼观察到掘进面１０第２章盾构法隧道基本原理２．３密闭式盾构掘进面的稳定性泥水平衡式盾构及土压平衡式盾构，是利用泥水压力或土压力保持掘进面稳定，积极防止掘进面坍塌的同时，有效控制掘进面的沉降，从而防止地层被扰动。２．３．１泥水平衡式盾构掘进面的稳定性泥水式盾构的掘进面稳定机理有如下几点：（１）在掘进面处形成二层难透水的泥膜，让泥浆压力有效地作用在掘进面。（２）随着泥浆向土体渗透，泥浆中的颗粒成分进入土体的空隙中，增加了土体的强度。（３）调节流体输送泵的转数，给土仓室的泥浆施加压力。可控制掘进面的土压力及水压等。因此，为了确保掘进面的稳定，就必须基于土质调查结果设定合适的掘进面的泥水压力，与此同时，为了使该压：勾产生有效作用，还必须确切地管理泥浆的品质。泥浆的品质管理项目有泥浆相对密度、黏度、ｐＨ值、过滤性、含砂量等。２．３．２土压平衡式盾构掘进面的稳定性土压平衡式盾构的掘进面稳定机理的特征［４４】如下：（１）在已开挖的土砂中加入添加剂，通过刀盘及搅拌叶片强制搅拌，改良成有塑性流动性及止水性的泥土（土压式盾构中只搅拌不适用添加剂）。（２）将泥土充满土仓室及螺旋输送机内，利用盾构千斤顶的推力对泥土施压。保持掘进面的土压及水压平衡。所以，为了使土压稳定地作用在掘进面上，可在确保掘进面稳定的状态下顺利地排出挖掘土砂。同时为确保泥土的塑性流动性及止水性，必须认真进行管理。当在丌挖土砂中，含有３０％左右的细微颗粒且颗粒级配良好时只搅拌，就可以确保泥土的塑性流动性。但是，当砂子及砾石含量较多时且级配不好时，就必须在开挖土砂中注入膨润土或黏土等添加剂进行混拌，调整颗粒级配改良成良好的泥土。有时也添加泡沫或高分子材料来改良泥土的特性进行开挖。特别当颗粒级配不好，只添加泡沫及高分子材料得不到理想的改良效果时，有时也并用添加膨润土及黏土等造泥材料。２．３．３掘进面的管理压力掘进面的管理压力考虑并设定地下水（孔隙水压力）、土压及预备压力。在自稳河北、Ｉ：程人学硕十学位论文性比较好的土体中，虽有时可忽略不计土压来设定泥水压，但是，若考虑到掘进面的沉降及防止地层沉降时也希望一并考虑土压【４５１。由钻探资料是可以准确地把握住地下水压力的，但是，当季节变动或位于河流附近时，有时要受到河流水位变动的影响，所以，也要考虑这些因素来设定地下水压力。土压力分为静止土压力、主动土压力、被动土压力及松动土压力几种，视开挖对象地层不同要分开选用。静止土压力是因掘进面被释放的压力，所以，用该土压力进行压力设定时，掘进面在没有变形的情况下是最理想值，但是，掘进面的管理压力相当大，故装备的设备也大，主动土压力是掘进面产生破坏之前的压力，是管理值中的最小值。另外，当土体良好且覆盖土层较厚时（盾构外径的１～２倍以上１，可以考虑利用土的成拱效应，因此，就用松动土压力进行评价。预备压力就是弥补施工中损失的压力，通常取值为１０～２０ｋＮ／ｍ２（Ｏ．１～０．２ｋｇｆ／ｃｍ２）左右。掘进面的管理压力是对适当间距（例如２０ｍ间距）的开挖断面的土质，计算管理上限值，考虑施工条件的同时，设定这一范围内的管理值。当土体的自稳性比较好时取较小的压力，当必须将地层的变形控制在很小范围，就取较大的压力。（上限值）Ｒ。。＝地下水压力＋静止土压力＋预备压力（下限值）Ｒ；。＝地下水压力＋（主动土压力或松动土压力）＋预备压力下面将给出主要的土压力或土压力系数的计算公式：（１）静止土压力Ｊａｋｅｙ公式（砂土中）Ｋ。＝１一ｓｉｎＯＢｒｏｏｋｅｒ公式（黏土中）（２－１）Ｋｎ＝０．９５一ｓｉｎＯ（２－２）式中，‰一静止土压力系数；痧，矽’——内摩擦角。（２）主动土压力当考虑全部覆盖土压力，郎肯公式：Ｋ。＝ｔａｎ２（４５。一矽／２）（２—３）式中，心——主动土压力系数；矽——内摩擦角。当考虑松动土压力时，太沙基公式：Ｂ＝Ｒ・ｃｏｔ［Ｑｒ／４＋＃／２）／２Ｊ（２－４）第２章盾构法隧道基本原理ｃｒ。：：：！紫（１＿ｅ－Ｋ．ｔａｎＣＪ．Ｈ。、Ｋ．ａｎ彩ｔ占，，，・≯ｎａｔ．Ｋ—ｅ。，ｊ＋））Ｂ‘ｕ’（２－５）Ｏ－Ｈ＝Ｋ，。Ｇ。（２－６）式中，曰——－松动宽度；仃．，——垂直土压力；仃Ⅳ——水平土压力；艮一经验土压力系数（＝１．０）尺——丌挖半径；屠一覆盖土层厚度；Ｐｏ——上部荷载；≯——内摩擦角；ＣＬ一黏聚力；凰——主动土压力系数。（３）村山公式村山公式是通过改变原点０及松动宽度Ｂ，求解掘进面稳定时所需要的最大水平力Ｐ的公式。其计算式如下：ｒ＝ｒｏ・矿咖１９（２—７）ｇ：—ａＢ（７－—２ｃＩａＢ）（１一ｅ一百２ＫＨｔａｌ、９）２—瑟百（１一ｅ州）ｇ（２—８）肚１式中，ｇ——松动土压力；ｃ而（肛向Ｊ（２－９）卜黏聚力；口——试验常数（＝１．８）；矽——内摩擦角；肛一经验土压力系数（＝１．０）仔一覆盖土层厚度；Ｍ一滑移线所包围的土体的重量。２．４掘进面支护应力形式及表示根据土力学中关于初始应力场的计算可知，均质土层中土体任意深度处的初河北．ｒ程人学硕士学位论文使应力状态为：仃：＝ｙｚ，盯。＝口，，＝Ｋ。仃ｚ，即盾构掘进面支护应力呈梯形分布㈤，如图２．２所示。图２—２梯形支护廊力不意图Ｆｉｇ．２・２Ｓｃｈｅｍｅｓｏｆｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓ掘进面原始静止侧压力为：仃ｏ＝ＫｏｙＨ（２・１０）式中，Ｋ。ｙ——随高度的变化梯度；阡一掘进面中心到地表垂直距离。本文第五章所提到的掘进面支护应力指的是掘进面中心处的应力大小。将掘进面支护应力用盯。表示，为了研究掘进面支护应力大小的变化对土体变形的影响，并和土体原始侧压力比较，引入应力支护比：旯旦口０（２．１１）式中，旯——应力支护比；盯。——掘进面支护应力；仃。——原始侧压力。实际模拟时，确定掘进面支护应力可分为以下两种情况：（１）当掘进面支护压力小于原始静止侧压力时，支护压力大小为：Ｆｅ＝Ｆ＋÷・五・ｚ，Ｏ（２－１２）式中，卜掘进面中心支护压力；Ｅ——中心前方土体静止侧压力；ｒ掘进面支护压力作用点至地表垂直距离。Ｆ＝Ｆ＋厄五——静止土压力状态下土层水平向重力产生的应力梯度值；（２）当掘进面支护压力大于原始静止侧压力时，支护压力大小为：（２－１３）基于上述关于支护压力的假设，是考虑在盾构掘进过程中，支护压力的施加１４第２章盾构法隧道基本原理由于手动舱内土体不断搅拌的作用，使得其在不满舱的情况下仍然可以在整个掘进面上产生压力，当掘进面支护压力远大于静止侧压力时，支护压力的作用受到土体自身重量产生的梯度值越小，当支护压力远大于前方土体的静止侧压力时，应力支护比取１．０。２．５本章小结本章介绍了盾构法隧道施工原理。按掘进面与作业室之间的密闭情况，盾构可分为开方式盾构与密闭式盾构，分别介绍了泥水平衡式盾构掘进面的稳定性土压平衡式盾构掘进面的稳定性，以及掘进面的管理压力。在介绍掘进面支护应力形式及表示时引入应力支护比便于第五章的相关研究。河北ｒ科人学硕士学位论文第３章地表沉降理论分析３．１地表沉降的原因在软土地区土层中丌挖隧道，不论采取何种施工技术都将引起地层运动，产生地表沉降或隆起。盾构施工引起地表沉降或隆起的实质是施工引起地层扰动所产生的后果。地表隆起主要是因为掘进界面支护力过大，地表沉降是由于盾构隧道施工造成隧道周围土体松动和沉陷。受此影响，隧道相邻地区的建筑物基础将会产生变沉降、变位或变形，致使建（构）筑物本身机能受到破坏或破损【４７＇４８１。地表沉降的另一个主要因素是盾构法施工引起地层损失和经扰动后土体的再固结沉降。１．地层损失盾构隧道开挖土体时通常会导致隧道周围土体与衬砌之间产生间隙，这主要是由于盾尾与衬砌之间存在施工空间、或超挖使得实际出土量比隧道断面设计的出土量大得多。在软黏土地层中空隙会被隧道周围土体及时填充，引起地层移动，产生地表瞬时沉降。地层移动将导致土体的应力状态发生改变，从而形成应变一变形～位移一地面沉降。所谓地层损失是指盾构隧道掘进过程中实际丌挖出的土体体积与理论设计的排土体积之差。地层损失率用地层损失体积与盾构隧道理论设计排土体积的百分比来表示。地层损失一般可以分为三种情形【４９＿５３１。（１）正常地层损失。忽略各种主观因素的影响，认为施工中操作过程是仔细、认真的，完全符合预定的操作规程，不出现任何错误。地层损失的原因都归结于盾构通过地区的客观条件，如盾构通过地区的地质条件或盾构隧道施工参数的选取等。一般来说，这种沉降在～定程度上可以控制。此时的地表沉降槽体积与地层损失土体体积是相等的。在土质均匀的地层中，由正常地层损失导致的地表沉降变化差异不明显。（２）非正常地层损失。这部分地层损失的产生主要由盾构隧道施工过程中因操作不当而引起。如操作过程中各类施工参数设置不合理、注浆不及时、超挖等。非『Ｆ常地层损失引起的地表沉降呈现局部特征，通常情况下，认为这种沉降是无法避免的。（３）灾害性地层损失。这部分地层损失属于偶然因素造成，盾构推进过程中产１６第３章地表沉隆理论分析生突发性急剧流动，甚至造成迅速的崩塌，从而引起灾害性的地表沉降。这种情况通常出现在施工过程中遇到地层中水压大的贮水和透水性较强的颗粒状土等不良地质条件。２．固结沉降在含水地层中进行盾构施工时，由于盾构掘进过程中对前方土体的挤压、超挖和盾尾的注浆等作用，使地层产生扰动，导致隧道周围土体产生正、负超孔隙水压力，从而引发地表沉降称之为固结沉降。固结沉降又分为两种形式，主固结沉降和次压缩沉降（又称次固结沉降）。主固结沉降是因为超孔隙水压力消散、有效应力增加而引起的土层压密；次压缩沉降为土有效应力已基本不变，土层骨架蠕动引起剪切变形，土体体积仍随时间增长而发生压缩垆４Ｉ。主固结沉降与隧道埋深有着密切的关系。埋深越大，主固结沉降在总沉降中占据的比例越大。因此，在盾构埋深较大的隧道工程中，施工引起的沉降可能很小，但主固结沉降的影响决不可忽视，这是因为含水层内地下水位下降，土的有效应力增加。假设地表以下深度ｚ处，土体的总应力为仃，孔隙水压力为ｕ，有效应力为盯’，由太沙基有效应力原理盯＝ｕ＋仃（３－１）可知，随着水位的下降，孔隙水压力也不断减小。假定土体总应力不变，于是减小的孔隙水压力则转化为有效应力增量（图３．１），如下式仃＝（ｕ—Ａ，ｕ）＋（仃’＋雏）（３－２）孔隙水压力减小，有效应增加可以理解为两种作用机理：第一，地下水位的下降使得土体所受浮力减小；第二，地下水位的下降，必然引起水头位置的改变，从而使渗流路径发生改变，导致渗透压发生变化。在灵敏度和孔隙比较大的软塑性和流塑性土层中，次压缩沉降往往持续几个月，有的甚至在几年以上。次压缩沉降在固结沉降中占的ｔｔ＇，Ｎ有时高达３５％以上。盾构法隧道施工引起的地表沉降主要指主固结沉降、次压缩沉降及施工沉降三者之和。如果不考虑次固结沉降，总沉降应等于地层损失造成的施工沉降加上由于地层扰动产生的主固结沉降。这时，盾构隧道上方各土层的相对沉降值是相等的。这是因为随着超孔隙水压力的消散，有效应力的增加，土颗粒有向着它原来的相对位置移动的趋势，当超孔隙水压力消散完毕，土颗粒重新回到与原来的相对位置，如果在总沉降中考虑次固结沉降的影响，那么还应该考虑因地层土体初始结构破坏产生的蠕变沉降。河北ｌ：科人学硕士学位论文３．２地表沉降的发展过程盾构掘进引起地表沉降的实质是施工过程中对周围土层的扰动。盾构掘进过程中引起的地表沉降可分为：先期沉降、掘进面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降、后续沉降等五个阶段㈣，见图３．１。隆起０下沉面图３．１Ｆｉｇ．３・１盾构掘进引起的地表沉降图Ｔｈｅｃｈａｒｔｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｓｈｉｅｌｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎ１．先期沉降先期沉降是指在盾构掘进面到达某一指定断面之前，早已产生的沉降，因先期沉降量较小，并不是所有的盾构隧道施工时都会发生，所以不易察觉。根据部分实测资料分析断定，先期沉降与覆盖土层厚度有关，但是，作为在开挖面隧道轴向的滑移范围之前就产生影响的原因，其多半是由于地下水的变化所致。这是因为有效覆盖土的增加导致的固结沉降。根据半无限平面介质在均布荷载作用下简化的三维分析模型，盾构掘进中心的线变形可表示为：ｕ＝４０一∥２岫。ｋ＠）一（１一藤／．０２）ｐ（ｋ）ｌ／．Ｅ（３－１）式中，耳妨、足妨——积分常数，与介质常数有关，Ｅ（足）＝ｒ√１一是２ｓｉｎ２ｐａｐ，Ｆ（尼）＝【”√（１一尼２∥——泊松比；尺ｏ——盾构半径；ｓｉｎ２ｐ）叫咖：Ａｐ＝Ｐ。一Ｐｏ，Ｐ。为刀盘压力，Ｐｏ为中心线处静止水平土压力；凰——盾构中心埋深；Ｅ——弹性模量。第３章地表沉隆理论分析２．掘进面沉隆掘进面沉降（或隆起）是指掘进面到达某一测量位置时，在它正前方的那部分地面沉降。不同盾构类型构成不同的隧道开挖方式，由于各种推进参数（如盾构推进速度、最大推力等）的差异，使掘进面的土体应力状态截然不同，这便形成了覆盖层的土压力增加或应力释放。国际上一般采用超载系数ＯＦＳ（隧道开挖在其轴线上的覆盖压力与隧道支护的差值，同黏土在不排水情况下的抗剪强度之比，简写为ＯＦＳ）来衡量掘进面土体的稳定性。当超载系数小于１时，掘进面为弹性变形，土体损失小于１％；当超载系数大于１、小于４是，掘进面为弹塑性变形，土体损失在２％～４％之问；当超载系数大于５时，掘进面为塑形变形，土体损失大于４％。当掘进面的垂直应力小于掘进面的支撑力，超载系数值为负数，掘进面土体向着盾构相反方向移动，导致地表出现隆起现象。３．尾部沉降尾部沉降是指盾构通过指定断面时引起的地表沉降。在盾构掘进过程中，盾构受到三个力的作用：总推力、表面摩擦阻力及正面土压力。按理论计算，总推力的表达式为：只＝Ｐｏ＋Ｒ／（３—２）式中，Ｐ——盾构总推力；ＪＲ卜表面摩阻力。只——正面土压力；由于盾壳与隧道周围土体之问存在摩擦阻力作用，势必会产生一个滑动面。邻近滑动面的土体中就会产生剪应力作用，当盾构通过受剪切破坏的土体区时，因受剪切作用而产生的拉应力将导致土体立刻向盾尾的空隙移动。要保持盾构掘进过程中能与隧道轴线一致，盾构所经之处必将导致一部分土体受到压缩，另一部分土体松散。压缩的土体抵消了盾构的偏离，而松散的土体则引起了地表沉降。４．盾尾空隙沉降盾尾空隙沉降在盾构通过后立即发生。引起沉降的原因是由于盾构尾部产生空隙及隧道周围土体被扰动。土力学上表现为土的应力释放或附加土压力的弹塑性变形，密实度下降。通常盾构的外径要比盾构衬砌的外径大２％。这主要是因为：首先盾壳材料有一定厚度；其次为了便于施工，使盾壳内壁与衬砌间必须留有一定的空隙。这些“建筑空隙”如不及时填充，就会被周围土体填充，最终导致较河－ＩＬ；Ｉ：科人学硕＋！学位论文大的地面沉降１５６】。如果通过实际的测量事例及模型试验来考察，会发现尾部空隙产生的土体变形的影响已在隧道轴向扩展了，盾构通过时有影响，在盾尾通过之前其影响就已经出现了。同时由于壁后注浆及可塑性注入材料的采用，尾部空隙沉降有变小的倾向。如果因过度地壁后注浆引起地表隆起，则土体有可能被扰动，最终沉降也有可能变大。５．后续沉降后续沉降是指盾构通过后在相当长一段时间内仍在延续的沉降。该阶段的沉降通常都认为是由于盾构的掘进，土体在隧道施工过程中受到扰动而产生了固结沉降的缘故。土体的松动、扰动等是由于抗剪变形及平均主应力的增加所产生的超孔隙水压力起作用产生的。作为产生超孔隙水压力的主要原因，可认为是开挖面之前至尾部空隙问的盾构与地基的作用、反作用，壁后注浆与地基的作用及反作用。后续沉降的滞后时间与盾构的种类、地质条件、施工参数等因素有关。在软弱黏土层中，有时可以发现后续沉降，但在砂土层及超固结的硬质黏性土层中基本上没发现这种趋势。６．地层变形的影响区域盾构掘进所引起的地层扰动会在一定的范围内受到影响，这是因为盾构开挖过程中，刀盘向开挖面地基挤压以及盾壳与周围土体在掘进过程中产生摩擦，盾构开挖面前方与盾构侧向的地基整体上在盾构的掘进方向与外围方向上产生变形，见图３．２。盾尾通过后由于盾尾间隙所产生的应力释放，使周围土体填入尾部空隙处，引起地表产生沉降。等高境—广一＝墨驾簪…墨进行方向＼ｌ，：爿多ｔ弋Ｎ变位范圈＼、二｜图３．２地层扰动空间分布图Ｆｉｇ．３—２Ｓｐａｃｅ—ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｇｒａｐｈｏｆｓｔｒａｔｕｍｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ３．３实测纵向地表沉降分析２０第３章地表沉隆理论分析以北京地铁五号线盾构试验段实测数据为例【５７１，分析盾构掘进过程中地表纵向隆沉规律。盾构掘进到１８０环、２０８环、２１６环、２９８环、４２６环时地表隆沉见图３．３～图３．７。０５０１００１５０２００２５０２０ｊｊ吃厂？。、／咱—＼＼／Ｖ厂、ＵＧＰ盾托ｌ图３．３盾构掘进到１８０环时地表沉降Ｆｉｇ．３・３Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｎｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｔｏ１８０ｔｉｎｇｓ２０５０ｍ。埔。之２００／２ｔＯｑ。／嵋＼＼么／．｛一。Ｐ盾构图３．４盾构掘进到２０８环时地表沉降Ｆｉｇ．３－４Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｎｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｔｏ２０８ｔｉｎｇｓ２Ｏ，５０１００１５０屯２００／２ｉＯｑ咱ｃ；。＼＼７／旷Ｈ加图３．５盾构掘进到２１６环时地表沉降Ｆｉｇ．３・５Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｎｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｔｏ２１６ｔｉｎｇｓ２ｌ河北Ｉ：科人学硕十学位论文２０５０１００１５０呓ｑ咱ｃ；。加。、、＼．／Ｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｎ／２００／２／／１聚图３－６盾构掘进到２９８环时地表沉降Ｆｉｇ．３—６ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｔｏ２９８ｔｉｎｇｓ从图３．３、图３．４、图３．５可以看出，当盾构未到达某一指定断面，该断面地表略有沉降，当盾构通过该指定断面后地表产生明显的下沉。在盾尾通过后的同步注浆阶段，地表沉降趋势减小，表明同步注浆有效地控制了地表进一步沉降。图３－６可以看到，当盾构通过２２８环后，该断面仍然存在隆起，说明隆起不仅仅发生在盾构为到达之前，也有可能发生在盾构通过之后。可以理解为，盾构通过后，地表所产生的不可恢复变形，盾壳与土体之间的摩擦是引起隆起的重要因素。３．４地表横向沉降分析方法损失的概念，认为地层移动由土体损失引起，地表横向沉降槽分布近似正态分布曲线（图３—７）。假定土体不排水、体积不可压缩，采用高斯分布函数及Ｐｅｃｋ预测公式来描述隧道开挖所引的地表沉降规律，其预测公式如下：ｓＸ）：Ｓｍａｘｅｘｐ（一手］ｐ３，Ｓｍ．ｘ２煮毳（３－４）（３－５）江两碉Ｈ厄穗ｆ４５０＿罢Ｉ式中，ｓＧ）——距离隧道中心线为ｘ处地表沉降量；Ｓ。。。——隧道中心线处地层损失引起的最大沉降量；第３章地表沉隆理论分析．ｒ离隧道中心线的距离：ｉ——沉降槽宽度系数；Ｋ——隧道单位长度地层损失量；Ｈ——隧道轴线埋深；ｐ——土的内摩擦角。图３．７Ｆｉｇ．３—７隧道上部沉降槽断面形状ｏｎＳｅｃｔｉｏｎｓｈａｐｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｔｈｅｔｏｐｏｆｔｕｎｎｅｌ１９７６年，Ｃｏｒｄｉｎｇ将沉陷体的界面简化成斜直线，于是就导出沉降槽宽度估算公式：Ｗ＝２．５ｉ（３－６）式中，驴一沉降槽半宽。１９８７年，英国Ａｔｔｅｗｅｌｌ假定沉降槽的曲线形式为正态分布曲线，提出下列公式计算地表沉降量：丢＝可三２Ｒ）“尺ＩＪＢ７，……（３．８）式中，卜常数，黏土中取Ｏ．５～１．０，沙土中取Ｏ．２５～０．５：玎——常数，黏土中取１．０，沙二Ｅ中取Ｏ．３６～０．９７：Ｋ＝４２ｉ¨．ｉ成。。ＺＬ一隧道中心的埋深；露——隧道半径；瓯。。。——地表最大沉降量。１９８２年，Ｏ’Ｒｅｉｌｌｙ—Ｎｅｗ对英国地区黏土地层的１１处１９例现场实测数据，回填土地层的６处１６例现场实测数据进行分析，提出了沉降槽宽度与隧道埋深的表河北，ｌ：程人学硕十学位论文达式。黏土地层中：ｆ＿０．４３Ｚ＋１．１（／＝ｏ．９６）（３—９）沙土地层中：江０．２８Ｚ＋１．１（ｒＺ＝０．７８）（３—１０）Ｏ’Ｒｅｉｌｌｙ－Ｎｅｗ在给出表达式的同时也给出（３．９）、（３．１０）的适用条件：（１）隧道直径为１－５ｍ；（２）覆盖土层厚不小于隧道直径；（３）颗粒土地层隧道最大埋深不超过１０ｍ；（４）黏性土地层隧道最大埋深不超过３０ｍ。马达君利用Ｓａｇａｓｅｔａ提出的镜像法，对软土地区盾构隧道地表沉降槽进行修『Ｆ，得到以下表达式：州㈨）（２９ｄ＋９２）赤ｅ一半。（３－１１）式中，ｕ——土体泊松比；卜隧道外径；广间隙参数；阡～隧道埋深；ａ——常数，ａ＝２ｉ２；卜常数，６：竺一１；一撇ｃ＝等等；ｉ——沉降槽宽度系数。３．５实测横向地表沉降分析以广州地铁３号线北延段龙归～人和区间第一段盾构区间实测工程数据为例，分析盾构掘进过程中地表横向沉降规律。（１）全断面砂层据地质勘查报告，左线隧道罩程ＺＤＫ．１９６４０～ＺＤＫ．１９５００段隧道处于全断面砂层中，隧道埋深约１０ｍ。隧道拱顶从下而上依次为砂层、粘土层以及人工填土。砂层含水丰富，扰动后极易液化。在该施工段左线平均沉降量约５５ｍｍ，最大沉降２４第３章地表沉隆理论分析量为８３ｍｍ：右线最大沉降量约１０００ｍｍ，平均沉降量７８ｍｍ。左线隧道此段埋深约ｌＯｍ，隧道上方地层分布情况从上至下依次为：人工填土、粘土层、砂层。其沉降槽（横断面）影响如图３．８：２００—１０▲、一１５—１０—５Ｏ５１０１５２０鑫．２０遨一３０蟋一４０—５０＼＼＼／▲／／’Ｖｏｎ／距隧道・Ｉ－心线距离／ｍ图３—８左线监测点１９６０７沉降槽变化曲线Ｆｉｇ．３－８Ｃｈａｎｇｅｄｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｌｅｆｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１９６０７右线隧道此段埋深约ｌＯｍ，隧道上方地层分布情况从上至下依次为：人工填土、粘土层、砂层。其沉降槽（横断面）影，ｉ６ｊ女Ｈ３－９图：２０Ｏ一４０—１５盍燎．８０＼‘＼—１０一５０５１０遨一１２０一１６０－２００＼＼＼．／距隧道中心线距离／ｍ／图３－９右线监测点１９５５２沉降槽变化曲线Ｆｉｇ．３—９Ｃｈａｎｇｅｄｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｏｎｆｉｇｈｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１９５５２根据左右线隧道横断沉降测量，沉降槽辐射范围在以隧道中线为中心，左右各２０ｍ范围内。其沉降量（累计沉降大于１０ｍｍ）主要分布在隧道中线两侧各１５ｍ范围内。（２）隧道上部、中部砂层，底部风化岩左线隧道旱程ＺＤＫ．１９２００～ＺＤＫ．１９０５０段隧道处于上、中部为砂层，下部为风化岩。此段隧道埋深１０．５～１ｌｍ，地层分布情况从上而下依次为：人工填土层、粘土层、砂层。施工后地面沉降量平均约４５ｍｍ，最大沉降量为７８ｍｍ。其横断面沉降槽影响范围见图３．１０和３．１１。河北Ｉ：科人学硕十学位论文＼对跏甚Ｅ遂悠－、．／／／／／距隧道中心距离／ｍ图３．１０左线监测点１９５０７沉降槽分布Ｆｉｇ．３—１０Ｃｈａｎｇｅｄｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｏｎｌｅｆｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１９５０７＼吕吕删篷蟋／图３．１１Ｃｈａｎｇｅｄｃｕｒｖｅ／／ｌｅｆｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１９０３７距隧道中心线距离／ｍ左线监测点１９０３７沉降槽分布ｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｏｎＦｉｇ。３－１１（３）全断面全风化岩、强风化岩、中等风化岩左线隧道里程ＺＤＫ．１８８５０～ＺＤＫ．１８６００段隧道处于全断面岩层，隧道穿越地层主要为强风化岩、中等风化岩，局部有全分化岩和微分化岩。隧道埋深约１１～１２ｍ，隧道拱顶至地面地层依次为：粘土层、砂层、砂层、人工填土。地层自稳性良好，地下水主要赋存在砂层中。此阶段施工平均沉降量２０ｍｍ，最大沉降量３６．５ｍｍ。其横断面沉降槽影响见图３．１２和３．１３。第３章地表沉隆理论分析１００—０—５０５１０１５２０宣一１０／删Ⅲ｛｛一１５粪一２０—２５——３０、／＼．／／／距隧道中心线距离／ｍ图３—１２左线监测点１８８５７沉降槽分布Ｆｉｇ＇３—１２Ｃｈａｎｇｅｄｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｏｎｌｅｆｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１８８５７１００－３—５０５１０１５２０痞逝＃≥－６一９一１２—１５／／●———，／／／距离隧道中心线距离／ｍ图３．１３左线监测点１８８３７沉降分布曲线Ｆｉｇ．３—１３Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｃｕｒｖｅｏｆｓｕｂｓｉｄｅｒｏｎｌｅｆｔｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｏｉｎｔ１８８３７根据施工沉降监测数据分析，在不同的地层中，无论累计沉降有多大，沉降槽基本都分布在隧道中线两侧各２０ｍ范围内，主要沉降量（沉降量大于１０ｍｍ）在隧道中心两侧１０ｍ范围内。其分布形式以隧道中线为中心成正态分布曲线。３．６影响地表沉降的因素施工操作原因是引起地表沉降的主要因素，其具体表现为以下方面【５８击０１。（１）盾构严重超挖引起地表沉降。（２）盾构掘进过程中，盾构纠偏、抬头、磕头、曲线推进造成的超挖等都使得实际开挖面形状大于设计开挖面，使土体受到扰动，从而引起地表沉降。（３）土体挤入盾尾空隙。注浆量不足或注浆不及时，或注浆压力不适当，使盾尾周围土体原始平衡遭到破坏，土体向盾尾间隙移动，产生地层损失，从而引起地表沉降。河北．１：程人学硕十学位论文（４）使用自动化程度较高的盾构机进行掘进时，施工参数设置不合理，如正面土压力（土压平衡盾构等）、推进速度、盾构总推力和注浆压力等参数设定不合理，导致隧道周围土体扰动，引起地表沉降。（５）设计阶段的盾构选择，特别是盾构外径、盾尾空隙等尺寸的选定，将直接影响“建筑空隙”的大小。（６）施工中盾构后退。盾构较长时间停止掘进，千斤项会因漏油而缩回，从而导致盾构在前方土压力作用下后退，势必造成掘进面土体失稳，土体的粘聚力减小。（７）由于注浆材料本身的体积收缩，使填充孔隙的材料在一段时间后出现萎缩。（８）盾壳移动对地层的摩擦和剪切，造成对邻近土体的扰动。（９）在土压力的作用下，隧道衬砌的变形会引起少量的地层损失。（１０）施工结束后，隧道本身由于重力的作用而产生的沉降，也会引起地面沉降。３．７本章小结盾构施工引起地表沉降或隆起的实质是施工引起地层扰动所产生的后果，主要包括地层损失和固结沉降两部分。地层损失又可分为：正常地层损失、非正常地层损失和灾害性地层损失三类。盾构掘进过程中引起的地表沉降可分为：先期沉降、掘进面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降、后续沉降等五个阶段。根据实测资料分析，当盾构未到达某一指定断面，该断面地表略有沉降，当盾构通过该指定断面后地表产生明显的下沉。在盾尾通过后的同步注浆阶段，地表沉降趋势减小，表明同步注浆有效地控制了地表进一步沉降。利用Ｐｅｃｋ公式，结合现场实测资料，计算地表横向沉降槽发展规律。分别介绍了不同情况下地表沉降槽宽度系数的求解方法。在Ｐｅｃｋ公式基础上介绍了修『Ｆ的Ｐｅｃｋ沉降槽公式。根据实测资料分析，当盾构未到达某一指定断面，地表横向沉降规律符合Ｐｅｃｋ公式。最后总结了施工操作影响地表沉降的诸多表现形式。第４章盾构掘进地表最大沉降分析第４章盾构掘进地表最大沉降预测盾构施工引起地表沉降的因素很多，如盾构直径、形式、覆土厚度、土层性质、施工参数等因素。地表沉降量及影响范围的预测可以分为设计阶段预测和施工阶段预测。根据纵向沉降历时曲线，施工阶段的沉降可分为：先期沉降、掘进面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降、后续沉降等五个阶段。每个阶段地表沉降的预测通常可以结合前一施工阶段地表沉降的实测数据进行反馈推求。事物的发生、发展、成熟然后达到一定极限的过程和因盾构施工引起地表产生沉降，然后趋于稳定的过程十分相似。Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型为非线性生长模型，在预测生物界成长规律中应用较为成熟。把这３种模型应用到地表最大沉降的预测中来，能够较好地反映全过程的沉降量与时间的关系，然而在预测沉降时还是存在一定的误差，预测精度不够高。本章以统计法为主，在上述３种模型的基础上介绍２种组合模型，并利用Ｏｒｉｇｉｎ软件求解模型参数，来预测盾构隧道施工引起的地表最大沉降品叫，研究其在实际工程的中的应用效果…。４．１预测模型的建立４．１．１基本模型（１）Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型简介Ｌｏｇｉｓｔｉｃ曲线是由德国生物学家Ｐ．Ｆ．Ｖｅｒｈｕｓｔ在１８３７年研究人口增长时发现的一种生长曲线，该曲线被广泛应用于生态学、人口学等领域。Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型又称泊松曲线模型，其表达式为：Ｙ＝Ａ（１＋Ｂｅ“‘）叫（４－１）式中，１一沉降量；ｒ时间；彳——最终沉降量；曰——待求参数。（２）Ｖｏｎ－Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型简介卜瞬时沉降速率；Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型表达式为：河北ｒ程人学硕十！学位论文ｙ＝Ａｄ—Ｂｅ一‘‘、３（４－２）式中参数意义同Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型。（３）Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型简介Ｇｏｍｐｅｒｔｚ曲线是由美国数学家Ｇｏｍｐｅｒｔｚ提出的一种生长曲线，早期用于商品寿命周期中市场容量或普及率的预测。Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型表达式为：Ｙ：Ａｅ－∥”（４—３）式中参数意义同Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型。Ｇｏｍｐｅｒｔｚ曲线在图形上呈现反Ｓ形分布特征，并有着与Ｌｏｇｉｓｔｉｃ曲线相似的特征。４．１．２Ｌ—Ｖ模型建立为了进一步提高沉降预测精度，将Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型和Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型进行叠加，提出含有６个参数的Ｌ．ｖ模型，其表达式为：Ｙ＝Ａ（１＋Ｂｅ—ｎ）。１＋Ｄ（１一Ｆｅ—ｏ）３（４－４）式中，彳、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、ｐ一待求参数。在Ｏｒｉｇｉｎ软件中定义函数表达式、参数、变量，将观测数据导入软件中进行拟合，可以得到拟合曲线，以及回归方程的参数值。（１）当ｔ＝－０时胪南＋Ｄ（１廿）３由于彳、Ｂ、Ｄ、Ｆ不同时为零，所以ｙ０：≠０，即曲线不过原点。对于饱和土，在荷载作用下地基发生瞬时沉降，在体积不变的情况下由剪应变引起沉降；对于非饱和土，施加荷载后，孔隙中气体被排除，土骨架发生变形，产生瞬时沉降。（２）当ｆ一。。时Ｙ。＝Ａ＋Ｄ彳＋Ｄ为地基的最终沉降量，由彳、Ｄ共同来反映，随着时间的增长沉降量必然趋近于一稳定值。４．１．３Ｖ－Ｇ模型建立将Ｖｏｎ－Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型进行叠加，提出含有６个参数的Ｖ－Ｇ模型，其表达式为：３０第４章盾构掘进地表最大沉降分析Ｙ＝Ａ（１一Ｂｅ—ｎ）３＋Ｄｅ—心“‘（４—５）式中，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ－一待求参数。当ｔ＝０时，胪南＋防尸由于Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｆ不同时为零，所以Ｙ０≠０，即曲线不过原点。当ｚ一。。时Ｙ。＝Ａ＋ＤＡ＋Ｄ为地基的最终沉降量。４．２预测效果评价体系如何评价预测结果的精度和可靠性是预测分析的重要组成部分，一般采用多项误差形式来对预测结果进行评价，以此来判定各种预测方法优劣或者某一预测方法的可行性，本文拟采用绝对误差平方和ＳＳＥ、均方根误差ＲＭＳＥ、相关系数平方Ｒ２等３个指标进行评价，公式如下：（１）绝对误差平方和，ＳＳＥ（ＳｕｍｏｆＳｑｕａｒｅｓｆｏｒＥｒｒｏｒ）即误差项平方和。反映每个样本各观测值的离散状况，又称为组内平方和或残差平方和。其公式为ＳＳＥ＝∑（Ｊ，ｔ－－Ｙ『）２（２）均方根误差，ＲＭＳＥ（ＲｏｏｔＭｅａｎＳｑｕａｒｅ（４—６）Ｅｒｒｏｒ），亦称标准误差，其公式为（４－７）臌２坛善＠，叫，）２（３）相关系数平方尺２，其公式为斤—Ｆ■■—一ＲＭＳＥ能够很好地衡量不同模型预测误差的细微差别，由于其放大了误差，因此对误差的微小变动更敏感，在实际应用中，总是希望ＲＭＳＥ越小越好。∑（ｙ，一Ｙｔ）２Ｚ－一、ｏ｛Ｒ２＝１一生Ｌ———一∑◇，－ｙ）２（４．８）相关系数平方的大小决定了相关的密切程度，当Ｒ２越接近１时，表示相关的方程式参考价值越高；相反，月２越接近０时，表示参考价值越低。河北ｒ科人学硕十学位论文４．３预测模型应用分析本文采用文献［６２］数据进行分析，数据为上海地铁盾构施工引起地表沉降的实测数据。利用拟合软件得出观测点沉降预测值，并绘出沉降量与时间关系曲线。４．３．１Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型０，Ｂ＝Ｉ．９０９２，ｋ＝０．０２０利用拟合软件，采用Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型，经计算：彳一７２．７２４具体的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型表达式为：Ｙ＝一７２．７２４０（１＋１．９０９２ｅ加∞２０３丁１将得出的沉降预测值和观测值绘图，见图４．２。时间／ｄ００—１０（４－９）５０１００１５０２００－２０÷３０銎４０＂－烁－５０－６０—７０—８０－９０图４－２Ｆｉｇ．４—１Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型预测值与观测值比较ＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＬｏｇｉｓｔｉｃｍｏｄｅｌ从图４—１可以看出Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型预测曲线和观测值曲线有一定程度的吻合。在盾构施工初期，地表沉降速率大，中期逐渐减缓，随着时间的增长，最终曲线趋近于水平直线。表４．１Ｔａｂｌｅ４－１Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型预测效果ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＬｏｇｉｓｔｉｃｍｏｄｅｌｓ表４．１可以看出Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型的月３较高，达到０．９３８９。第４章盾构掘进地表最人沉降分析４．３．２Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型７，Ｂ＝０．３４８５，利用拟合软件，采用Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型，经计算：彳一７３．４８０扣０．０１５６。具体的Ｖｏｎ－Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型表达式为：Ｙ＝一７３．４８０７（１—０．３４８５ｅ加。０１５６）３将得出的沉降预测值和观测值绘图，见图４。２。时间／ｄ０５０１００１５０２００２５０（４．１Ｏ）３００３５０４００～～～～～星＼嘲进螺一～一～图４－２Ｆｉｇ．４—２Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｌｙ模型预测值与观测值比较ＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＶｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙｍｏｄｅｌ从图４—２可以看出Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型预测曲线和观测值曲线有～定程度的吻合。其曲线发展趋势和Ｌｏｇｉｓｔｉｃ曲线相似。表４－２Ｔａｂｌｅ４・・２Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型预测效果ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆＶｏｎ・・Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙｍｏｄｅｌ表４－２可以看出Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型的尺。较高，达到Ｏ．９５７４．３．３３。Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型７，ｋ＝－０．０１６利用拟合软件，采用Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型，经计算：彳一７３．２４６４，Ｂ＝０．４０３具体的Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型表达式为：Ｙ＝一７３．２４６４ｅ—ｏ０１∽‘’…７（４—１１）３３河北ｌ：群人学硕十学位论文将得出的沉降预测值和观测值绘图，见图４．３。时问／ｄ０Ｏ一１０—２０一一３０５０１００１５０２００２５０３００３５０４００ｔｚ模犁蠢叫。遨一５０蜉一６０—７０—８０一９０图４－３Ｆｉｇ．４—３Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型预测值与观测值比较ＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＧｏｍｐｅｒｔｚｍｏｄｅｌ从图４－３可以看出Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型预测曲线和观测值曲线有一定程度的吻合。其曲线发展趋势和Ｌｏｇｉｓｔｉｃ曲线、Ｖｏｎ－Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ曲线相似。表４－３Ｔａｂｌｅ４－３Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型预测效果ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＧｏｍｐｅｒｔｚｍｏｄｅｌｓ表４－３可以看出Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型的尺。较高，达到０．９５２４．３．４４。Ｌ—Ｖ模型０，Ｂ＝０．７４４２，Ｃ＝０．００３５，利用拟合软件，采用Ｌ．Ｖ模型，经计算：彳一１０７．９０７Ｄ＝１０．７４０８，户．０．８４５６，Ｇ＝０．０２８９。具体的Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型表达式为：少＝一１０７．９０７０（１＋０．７４４２ｅ—ｏ・００３５７）一１＋１０．７４０８（１＋Ｏ．８４５６ｅ—ｏ・０２８９‘）３将得出的沉降预测值和观测值绘图，见图４．４。（４．１２）３４第４章盾构掘进地表最人沉降分析时间／ｄ０５０１００１５０２００２５０３００３５０４０００一一一一一重＼唾遨器一一一一加∞如∞∞加∞∞图４—４Ｌ．Ｖ模型预测值与观测值比较Ｆｉｇ．４—４ＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＬ－Ｖｍｏｄｅｌ从图４．４可以看出Ｌ．Ｖ模型预测曲线和观测值曲线有吻合程度很高。其曲线发展趋势和Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型曲线、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型曲线、Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型曲线相似。表４．４Ｌ—Ｖ模型模型预测效果乃６ｌｅ４．４ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＬ．Ｖｍｏｄｅｌｓ表４．４可以看出Ｌ．Ｖ模型的∥很高，达到Ｏ．９９８６。４．３．５Ｖ－Ｇ模型利用拟合软件，采用Ｖ－Ｇ模型，经计算：彳一１２６．１４２０，Ｂ＝０．６２１１，Ｃ＝０．００２１，Ｄ＝１５．８２９７，Ｆ＝．１．５５７９，Ｇ＝Ｏ．０２５８。具体的Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型表达式为：Ｙ：＝一１２６．１４２０（１＋０．６２１ｌｅ一。ｏ。２‘’）一１＋１５．８２９７ｅ一１・５５７９Ｐ一”。２５８‘（４．１３）将得出的沉降预测值和观测值绘图，见图４—５。３５河北．１：科人学硕十学位论文Ｏ０—１０－２０一一３０５０１００１５０时翱铲２５０３００３５０４００委１０逝一５０蜉～６０～７０－８０～９０图４－５Ｆｉｇ．４—５Ｖ－Ｇ模型预测值与观测值比较ＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＶ－Ｇｍｏｄｅｌ从图４．５可以看出Ｖ－Ｇ模型预测曲线和观测值曲线有吻合程度很高。其曲线发展趋势和Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型曲线、Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型曲线相似。表４－５Ｔａｂｌｅ４—５Ｖ－Ｇ模型模型预测效果ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆＶ－Ｇｍｏｄｅｌ表４－５可以看出Ｖ－Ｇ模型的∥很高，也达到０．９９８时间／ｄＯ５０６。１００１５０２００２５０３００３５０４０００—１０—２０呈－３０＼拯－４０篓一５０－６０—７０－８０－９０图４－６Ｆｉｇ．４—６Ｌ—Ｖ模艰、Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型预测值与观测值比较ｍｏｄｅｌｓＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＬ—Ｖ、ＬｏｇｉｓｔｉｃａｎｄＶｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ３６第４章盾构掘进地表最大沉降分析４．３．６预测模型比较分析（１）Ｌ．Ｖ模型、Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型比较从图４－６可以看出，相比Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型和Ｖｏｎ－Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型，Ｌ—Ｖ模型预测曲线和观测值曲线的吻合程度最高。表４－６Ｔａｂｌｅ４．６３种模型预测效果Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆ３ｍｏｄｅｌｓ从表４－６可以看出软土地区盾构施工引起地表沉降全过程预测的Ｌ．Ｖ模型相关系数平方尺２最高，达到Ｏ．９９８６，反映了Ｌ．Ｖ模型拟合程度最高；Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型的ＳＳＥ和ＲＭＳＥ最大，Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型的ＳＳＥ和ＲＭＳＥ次之，Ｌ．Ｖ模型的ＳＳＥ和ＲＭＳＥ最小，表明Ｌ．Ｖ模型的精度较Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型和Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型要高。（２）Ｖ－Ｇ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型、Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型比较时问／ｄｎ５０１００１５０２００２５０３００３５０４００Ｏ一１０－２０｛一３０塑－４０－６０－７０蟪一５０－８０—９０图４．７Ｆｉｇ．４－７Ｖ－Ｇ模型、Ｖｏｎ—Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型、Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型预测值与观测值比较ｃｕｒｖｅＣｏｍｐａｒｅｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｄｉｃｔｅｄａｎｄｏｂｓｅｒｖｅｄｖａｌｕｅｏｆＶ－Ｇ、Ｖｏｎ－ＢｅｒｔａｌａｎｆｆｙａｎｄＧｅｏｍｐｅｒｔｚｍｏｄｅｌｓ从图４．７可以看出，相比Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型，Ｖ－Ｇ模型预测曲线和观测值曲线的吻合程度最高。河北ｌ：程人学硕十学位论文从表４．７可以看出软土地区盾构施：工引起地表沉降全过程预测的Ｖ－Ｇ模型相关系数平方一最高，达到０．９９８６，反映了Ｖ－Ｇ模型拟合程度最高；Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型的ＳＳＥ和ＲＭＳＥ最大，Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型的ＳＳＥ和脚次之，Ｖ－Ｇ模型的ＳＳＥ和ＲＡＩＳＥ最小，表明Ｖ－Ｇ模型的精度较Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型和Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型要古同。４．４本章小结本章将软土地基沉降模型成功运用到盾构施工引起地表沉降预测中，Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型均能发挥其预测作用，然而单一在预测精度上有一定的误差，本文将３个模型两两组合，提出Ｌ．Ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型。经过工程实例验证，Ｌ．ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型发挥了很好的预测效果，其预测精度要远远高于单一的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型，Ｌ．Ｖ模型和Ｖ－Ｇ模型预测精度都达到了０．９９８６。然而，对于Ｌ．Ｖ模型和Ｖ－Ｇ模型其参数所代表的具体意义，还需要进一步研究探讨，以为其具有高精度预测效果提供更好的理论支持。第５章盾构隧道掘进面稳定性分析第５章盾构隧道掘进面稳定性分析５．１ＡＢＡＱＵＳ软件介绍ＡＢＡＱＵＳ是由美国达索ＳＩＭＵＬＩＡ公司（原ＡＢＡＱＵＳ公司）１９７８年推出并进行开发、维护及售后的有限元计算分析软件，是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一得到学术界广泛接受和认可，已被公认为是一套解题能力最强、分析结构最可靠的软件。ＡＢＡＱＵＳ拥有丰富的课模拟任意形状的单元库和与之对应的各种类型的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，保证在隧道工程数值模拟计算中，具有很大的优势【６３｜。５．２计算模型ＡＢＡＱＵＳ作为大型非线性有限元软件，其分析问题时主要包括三方面内容：前处理模块ＡＢＡＱＵＳ／ＣＡＥ，确定模型尺及网格划分；主求解器模块ＡＢＡＱＵＳ／ｓｔａｎｄａｒｄ和ＡＢＡＱＵＳ／Ｅｘｐｌｉｃｉｔ，给定初始应力状态和加载条件；后处理模块，分析和输出计算结果【６４１。５．２．１分析模型尺寸与网格确定建立分析模型时，首先根据隧道直径来确定整个模型的尺寸。通常分析模型尺寸是隧道直径的３至５倍。为减少模型计算时间，分析模型取半边结构进行分析。设定ｘ方向为模型宽度方向，ｙ方向为竖直深度方向，ｚ方向为盾构掘进方向。边界条件为：模型关于ｙｚ面对称，给对称面施加ｘ方向的水平约束，模型右边界也施加ｘ方向的水平约束；沿Ｙ轴盾构掘进方向，前后边界都施加Ｙ方向位移约束；模型地面节点施加在方向竖向约束【６５｜。计算模型中，土体单元用六面体单元模拟，衬砌用ｓｈｅｌｌ单元来模拟，土体本构模型采用摩尔一库伦模型。根据不同部位的要求，确定网格的疏密和尺寸，隧道及其周围的网格应当划分稍密，距离隧道越远，网格尺寸加大。模型建立及网格划分如图５．１所示。３９河北一ｌ＿＿＝程火学硕士学位论文图５．１Ｆｉｇ．５—１模型建立及网格划分Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｍｅｓｈｉｎｇ５．２．２模型参数确定盾构法隧道一般适用于软土地区，根据软土地区地质条件确定土层参数，衬砌采用Ｃ５０钢筋混凝土弹性材料，厚度为３０ｍｍ，采用ＣＰＥ４Ｉ单元来模拟。土体及衬砌的材料属性如表５．１所示。表５．１Ｔａｂｌｅ５－ｌ士层及衬砌的材料属性Ｍａｔｅｒｉａｌａｔｔｒｉｂｕｔｅｏｆｓｏｉｌａｎｄｌｉｎｉｎｇ５．３掘进面支护应力对地层影响规律１．支护应力的变化对土体位移的影响盾构掘进必然使隧道围岩的初始应力状态发生改变，围岩的应力得到释放，从而导致周围土体原有位置发生改变，掘进面处土体向刀盘方向移动，通过检测支护应力不足引起的掘进面中点往压力舱方向的水平位移，可以得到支护应力与围岩位移关系曲线，如图５．２所示。随着掘进面支护应力的减小，掘进面中心水平位移不断增加，当支护应力减小到一定程度，支护力比变化较小时，土体位移急剧增大，该曲线接近竖直，结合掘进面前方土体的塑性区发展状况，可确定极限应力支护比约为０．０８。第５章盾构隧道掘进面稳定性分析应力支护比０．６巨０Ｏ．４Ｏ．２０＼浍一６邋睁一１２妥０一１８岳旧一２４划骧一３０图５．２掘进面中心位移与应力支护比关系曲线Ｆｉｇ．５—２Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｃｅｎｔｅｒｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｖｅｒｓｕｓｓｔｒｅｓｓｓｕｐｐｏｒｔｒａｔｉｏ从图５．２可以看出，盾构掘进面前方土体的变形随支护力的减小可以分为３个阶段：第１阶段，线性增长阶段，当应力支护比在Ｏ．２～１．０时，掘进面中心水平位移随应力支护比的减小而线性增长，此时掘进面支护应力满足掘进面极限支护应力的要求；第２阶段，非线性增长阶段，当应力支护比在０．０８～０．２之间，掘进面中心水平位移随应力支护比的减小呈非线性增长趋势，此时掘进面支护应力已接近极限支护应力；第３阶段，当应力支护比小于Ｏ．０８，此时掘进面支护应力已小于最小极限支护应力，掘进面发生失稳破坏。２．掘进面支护应力对周围土体位移的影响及塑性区发展规律经分析，随着掘进面支护应力的减小，掘进面前方土体的位移量不断增加，掘进面前方土体的塑性区不断增大，并有从掘进面处向地表不断发展的趋势。不同极限支护应力作用下塑性区的开展情况，如图５．３所示。（ａ）应力支护Ｌｔ＝ｏ．５（ｂ）应力支护ＬＬ＝０．１５４ｌ河北一ｆ！程人学硕士学位论文（ｃ）应力支护Ｌｔ＝０．０８（ｄ）应力支护比＜０．０８图５．３不同掘进面应力支护比下塑性区的发展过程Ｆｉｇ．５—３Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｐｌａｓｔｉｃｚｏｎｅｖｅｒｓｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｓｕｐｐｏｒｔｒａｔｉｏｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅ随着掘进面支护应力的减小，掘进面周围土体的位移不断增大，特别是当应力支护ＬＬｄ，于０．２时，土体变形受掘进面支护应力的影响已比较显著。对于塑性区的发展，由于黏聚力的存在，即便在掘进面失稳破坏后，塑性区并没有发展到地面，而仅在掘进面前方的小范围内。３．掘进面失稳破坏模式掘进面失稳时，掘进面前方土体仍为楔形体，掘进面破坏区域也明显变宽。掘进面失稳后掘进面附近土体的水平位移明显大于竖直位移。从而使掘进面前方土体的总位移主要表现为往刀盘方向的位移，可以将黏土失稳破坏是掘进面处土体的状态描述为“膨胀形”。另外，在掘进面失稳破坏时，在上部土体沉降的同时，盾构机下部土体表现为明显的隆起。上部土体沉降最大为１．０ｍ时，下部土体最大隆起量己到达０．４ｍ，所以，在研究黏土土层时，在关注盾构上部土体沉降的同时，不要忽视下部土体的隆起，这对滑动体的倾角也有一定的影响。４．掘进面支护应力大小对地表沉降的影响从图５．４可知，盾构掘进过程中地表最大沉降和掘进面前方土体水平位移随应力支护比变化表现相互如同图５．２的发展规律，其相关曲线也可分为三个阶段。另外，从掘进面失稳破坏后地表最大沉降数值来看，黏土地层掘进面皮坏主要表现为掘进面前方土体向压力舱方向的水平位移，而沙土地层主要表现为掘进面前上方土体的沉降。４２第５章盾构隧道掘进面稳定性分析虑力支护比０．８０Ｏ．６０．４０．２０逾一２０逝蟋一４０Ｋ蕖一６０舞一８０图５４地表最人沉降鼙与应力支护比关系曲线Ｆｉｇ．５．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｖｅｒｓｕｓｓｔｒｅｓｓｓｕｐｐｏｒｔｒａｔｉｏ图５．５为不同应力支护比下地表横向沉降曲线。由图可知，在掘进面支护力达到或小于极限支护力，地表沉降显著增加。同时，不同应力支护比下地表横向沉降曲线的沉降槽宽度变化不大。地表横向沉降曲线形似倒置的正态分布曲线。距隧道中心距离／ｍ００—１０宣一２０１０２０３０４０５０≯３０逝－－４０蛙５０—６０—７０图５．５Ｆｉｇ．５－５不同戍力支护比卜．地表横向沉降曲线ｃｕｒｖｅｖｅｒｓｕｓＳｕｒｆａｃｅｃｒｏｓｓｗｉｓｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｓｕｐｐｏｒｔｒａｔｉｏ地表纵向沉降也显示了与横向沉降相似的规律。当掘进面支护力接近极限最小支护力或者比极限最小支护力更小时，地表最大沉降点大约在掘进面前方一个隧道半径的距离处，随着支护力的增大，地表最大沉降点会离掘进面越来越远。由于土层黏聚力的存在，掘进面支护力不足时对围岩的影响范围更大。５．掘进面支护力大小对上部土层的变形影响研究掘进面支护力大小对上部土层的变形影响对实际工程中预测地表沉降有一定意义。通过所得的隧道上部土层的水平及竖直位移随掘进面支护力变化的曲线，来研究掘进面上方土体位移的变形规律。计算所得的在不同支护应力作用下深层土体的竖直和掘进面方向的水平位移如图５－６、图５．７所示。４３河北Ｔ程人学硕十学位论文艨她襄距离／ｍＯ０—１００ｓ－２００４８１２１６２０哥３００鳖－４００蛙５００－６００—７００图５－６深层十体沉降曲线Ｆｉｇ．５—６Ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｄｅｅｐｅｒｓｏｉｌ距地农距离／ｍ００—１０４８１２１６２０÷２０磬３０彗４０一５０—６０图５—７深层十体水平位移曲线Ｆｉｇ．５—７Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｄｅｅｐｅｒｓｏｉｌ从图可知，由掘进面支护压力不足引起的深层土体的位移隧道顶部最大，从隧道顶部到地表逐渐减小，位移与距离深度大致呈抛物线关系。隧道上方土体的位移主要变现为竖向位移。在掘进面失稳后，隧道上方土体水平位移出现了不规则状态。５．４掘进面稳定性的影响因素分析５．４．１隧道埋深的影响为研究方便，隧道直径Ｄ取８ｍ，改变隧道的埋深Ｈ，土体和衬砌参数保持不变。研究Ｈ／Ｄ在１～４之间变化，掘进面支护力及土体变形、破坏规律。１．不同埋深情况下掘进面极限支护力的确定计算不同埋深情况下，掘进面支护应力与掘进面中心点掘进方向水平位移的关系曲线，如图５．８所示，根据曲线突变点，来确定不同埋深时掘进面极限支护力。第５章盾构隧道掘进面稳定性分析在同样的支护力作用下，随着隧道埋深的增大，隧道掘进面土体位移也越来越大。结合模型塑性区发展情况，可以得到各埋深条件下掘进面极限支护力，如表５．２所示，由此得出的极限支护应力与埋深的关系曲线，如图５－９、５．１０所示。表５．２不同隧道埋深卜．掘进面极限支护应力Ｔａｂｌｅ５—２Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｖｅｒｓｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｐｔｈｏｆｔｕｎｎｅｌ支护应力／ｋＰａＯ１００２００３００４００５０００喝挖星＼泠牮｝螺丝ｄ］旧捌骧∞图５—８掘进面中心水平位移与掘进面支护应力比、支护应力曲线Ｆｉｇ．５－８Ｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｃｕｒｖｅｖｅｒｓｕｓｃｅｎｔｅｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ８０四ｏ＿卫＼６０Ｒ毯霸４０杈茁幺ｔ土２０鼙Ｏ０８１６２４３２４０４８埤深／ｍ图５－９螂深与极限支护应力关系曲线Ｆｉｇ．５—９Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｂｕｒｉｅｄｄｅｅｐｖｅｒｓｕｓｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓ４５河北一科人学硕＋学位论文丑Ｓ似Ｒ侄鹾鼙４８埋深／ｍ图５．１０埋深与极限应力支护比关系曲线Ｆｉｇ．５—１０Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｂｕｒｉｅｄｄｅｅｐｖｅｒｓｕｓｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏ从图５－９、５．１０可知，随着隧道埋深的增加，掘进面极限支护力及极限支护比都不断增大，在埋深比较ｔＪ、（Ｈ／Ｄ＜２．０）时，增长较缓，随着埋深的继续增加，掘进面极限支护力的增长幅度明显增大。实际工程中要充分考虑隧道埋深对土体变形的影响。实际工程中一般控制地表最大沉降在２０ｍｍ之内，此时掘进面极限支护应力如表５．３所示。表５．３地表最人沉降为２０ｍｍ时掘进面支护应力Ｔａｂｌｅ５－３Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｗｈｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒ２０ｒａｍ２．不同埋深下地表沉降规律研究图５．１１为不同埋深情况下，地表沉降随支护力变化的曲线。当隧道埋深较小时（Ｈ／Ｄ＜２．０），地表最大沉降与掘进面支护力的关系及它与掘进面中心水平位移关系曲线表现为相同的规律，所以此时用地表最大沉降确定掘进面极限支护力完全可行，前面以地表最大沉降为２０ｍｍ确定的极限支护力较位移曲线确定是偏于安全的。当埋深再增加，掘进面周围土体的位移很难反映到地表面时，不能仅靠地表沉降来判断掘进面处的稳定问题，要同时结合出土量做出判断。第５章盾构隧道掘进面稳定性分析支护应力／ｋＰａ０Ｏ＼１００２００３００４００５００—．－Ｈ＝４０ｍ６００誊一２０ｌＨ＝３２ｍ★Ｈ＝２４ｍＨ＝１６ｍ—一Ｈ＝８ｍ篷一４０－酶Ｋ一６０瑙一８０摧对１００—１２０图５—１Ｆｉｇ．５—１ｌＲｅｌａｔｉｏｎ１地表最人沉降与支护应力的关系曲线ｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍａｘｉｍｕｍｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｖｅｒｓｕｓｃｕｒｖｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓ对于掘进面处横向地表沉降规律的研究，通过研究不同隧道埋深时极限支护作用于掘进面时对应的掘进面处地表沉降曲线来实现，如图５．１２所示。由曲线可知，黏土层由于掘进面支护力不足引起的横向地表沉降槽的宽度系数ｉ受隧道埋深的影响较大，随着埋深的增大，地表沉降槽的宽度不断增大。横向测点位置／ｍ０１０２０３０４０５００｛一１０咧世一２０蜉－３０—４０图５．１２不同州深卜各极限支护应力时横向地表沉降曲线Ｆｉｇ．５－１２Ｔｈｅｌａｔｅｒａｌｓｕｒｆａｃｅｓｕｂｓｉｄｅ．ｎｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｕｒｉａｌｄｅｐｔｈａｎｄｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓ５．４．２隧道直径的影响为研究隧道直径对掘进面极限支护力及地表最大沉降的影响，假定隧道埋深为２４ｍ，分别研究隧道直径为８ｍ、１０ｍ、１２ｍ、１４ｍ、１６ｍ五种情况下掘进面失稳破坏和围岩变形规律。１．不同隧道直径下掘进面极限支护力的确定不同隧道直径下，掘进面中心水平位移随支护力的变化关系曲线如图５一１６所示。随着隧道直径的变化，掘进面中心点水平位移呈现相同的变化趋势，但掘进面处土体的位移值显著地变化。当在掘进面上加相同的支护力时，掘进面处土体的位移随着隧道直径的增大而增大。河北一科人学硕十学位论文有上述曲线，结合掘进面要发生掘进面失稳破坏时前方土体的塑性区发展情况，确定个隧道直径下的极限支护力，如表５．４所示，并得到掘进面极限支护应力计支护应力比随隧道直径变化的关系曲线，如图５．１３所示，极限支护应力及相应的应力支护比与隧道直径呈线性关系。乱，ｇ＼∞Ｒ毯霸．双工望ｔｉ晕隧道直径／ｍ（ａ）隧道直径与极限支护应力关系』．Ｌ▲Ｓ似Ｒ崔皿ｇ娶隧道：随径／ｍ（ｂ）隧道直径与极限支护应力比关系图５．１３隧道直径与掘进面极限支护应力及应力支护比关系曲线Ｆｉｇ．５—１３Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓａｎｄｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏｖｅｒｓｕｓｌｕｎｎｅｌｄｉａｍｅｔｅｒ表５．４不同直径。卜．掘进面极限支护应力Ｔａｂｌｅ５—４Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒ２．不同直径下地表沉降规律第５章盾构隧道掘进面稳定性分析研究掘进面支护应力对地表沉降的影响，依据实际工程中地表沉降允许限值，分析对应的掘进面临界支护应力。不同隧道直径下，掘进面支护力对地表最大沉降影响曲线如图５．１４所示。掘进面支护应力／ｋＰａＯ５０１００１５０２００２５０３０００｛一２０型刈蜉一６０斗＜蝠一８０娄圳。一１２０图５．１４不同直径下掘进面支护应力对地表最大沉降影响曲线Ｆｉｇ．５—１４Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｃｕｒｖｅｏｆｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｂｙｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒ从图５．１４可知，隧道直径大小对地表沉降的影响较为显著，隧道直径从８ｍ到１６ｍ得到变化过程中，在掘进面作用相同的支护力时，地表沉降越大，即直径越大，土体越易于产生变形。对于不同隧道直径下掘进面处地表沉降的研究规律，同样取不同隧道直径下掘进面施加极限支护力时的横向沉降曲线，如图５．１５所示。在埋深不变情况下，，地表沉降与隧道直径成正比。不同隧道直径下，掘进面处地表横向沉降曲线都符合Ｐｅｃｋ横向沉降槽曲线，沉降槽宽度系数ｆ随隧道直径的增大而增大。横向测点位置／ｍ０１０２０３０４０５００善一１０谪一２０遨一３０暴枷舞一５０－６０图５．１５不同直径下各极限支护力作用时地表横向沉降曲线Ｆｉｇ．５－１５Ｓｕｒｆａｃｅｃｒｏｓｓｗｉｓｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉａｍｅｔｅｒ实际工程中一般控制地表最大沉降在２０ｍｍ之内，研究不同直径下，地表最大沉降为２０ｍｍ时掘进面的极限支护应力，如表５．５所示。４９河北．ｒ科火学硕＋学位论文表５．５地表最大沉降为２０ｍｍ时掘进面极限支护应力Ｔａｂｌｅ５—５Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｗｈｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒ２０ｍｍ从上表可以看出，隧道埋深比在Ｈ／Ｄ＜２．０时，掘进面周围土体的位移及破坏情况能够较充分地反映到地层表面，此时用工程中要求的地表最大极限值来确定保证掘进面不失稳破坏的极限支护力是完全可行的，而且其结果是偏于安全的。５．４．３土层材料的影响研究黏土材料参数对极限支护力大小、土体变形的影响时，取隧道直径Ｄ＝－８ｍ，隧道埋深Ｈ＝２０ｍ的计算模型，本章中土体的材料属性选择摩尔一库伦模型，主要研究对黏土性质影响最大的因素：黏聚力和内摩擦角的不同取值对掘进面性质的研究，并得出相关结论。１．黏聚力的影响为研究黏聚力的变化对土体极限支护应力大小、围岩变形及破坏状态的影响，计算时保持其他条件不变，黏聚力的大小分别取８ｋＰａ、１０ｋＰａ、１２ｋＰａ时，得出对应的各掘进面中心水平位移随支护应力变化的关系曲线，并得出各工况下的极限支护应力。从图５—１６所示的掘进面土体位移随掘进面支护应力变化关系曲线可知，在曲线的第一阶段，土体位移随支护应力的变化不明显，在不同黏聚力下，掘进面土体位移基本一样，可知，该阶段土体位于弹性变形阶段，土体位移大小与黏聚力无关，曲线第二、第三阶段，掘进面周围土体进入弹塑性阶段，在相同支护力作用下的土体会因黏聚力的不同而不同，随着黏聚力的增大，土体位移会有所减小。５０第５章盾构隧道掘进面稳定性分析支护虑力／ｋＰａ０５０１００１５０２００２５０３００重０＼辇一６＊一１２长０一１８恒一２４划簌一３０图５—１６不同黏聚力’卜．支护应力与掘进面水平位移关系曲线Ｆｉｇ．５－１６Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｖｅｒｓｕｓｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｈｅｓｉｏｎ掘进面处土体位移随支护应力变化关系曲线结合掘进面周围土体的塑性区开展情况，得出不同黏聚力下所对应的极限支护力，如表５－６所示。随着土体黏聚力的增大，掘进面极限支护力有所减小，但减小的幅度不显著。表５－６不同黏聚力‘卜掘进面极限支护应力Ｔａｂｌｅ５．６Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｈｅｓｉｏｎ由于不同土层黏聚力引起的地表沉降规律，主要通过不同黏聚力作用下地表最大沉降值随掘进面支护力的变化曲线来研究。不同黏聚力下地表最大沉降随支护力变化曲线如图５．１７所示。掘进面支护应力／ｋＰａ０５０１００１５０２００２５０３０００｛一１０塑一２０螺一３０－璃Ｋ一４０懈訇一５０嗣一６０图５—１７不同黏聚力卜－支护麻力与地表最人沉降关系曲线Ｆｉｇ．５．１７Ｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｗｉｔｈｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｈｅｓｉｏｎ河北ｌ：程人学硕＋学位论文研究地表最大沉降为２０ｍｍ时，不同黏聚力下对应的极限支护应力如表５．７所示。表５—７地表最火沉降为２０ｍｍ时极限支护应力Ｔａｂｌｅ５－７Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｗｈｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒ２０ｍｍ２．内摩擦角的影响为研究内摩擦角的变化对土体极限支护应力大小、围岩变形及破坏状态的影响，计算时保持其他条件不变，内摩擦角分别取１０。、２０。、３０。。不同内摩擦角下掘进面中心水平位移随支护力的变化曲线如图５．１８所示。从图中可以看出随支护力的增大，掘进面中心水平位移不断减小。由此所确定的掘进面极限支护力如表５．８所示。随着土体内摩擦角的增大，掘进面支护力不断减小。掘进面支护应力／ｋＰａ００一５０１００１５０２００２５０３００６一ｌ２ｌ８２４３０星＼羚一一一图５．１８不同内摩擦角下支护应力与掘进面中心水平位移关系曲线Ｆｉｇ．５—１８ＲｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｃｅｎｔｅｒｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅｖｅｒｓｕｓｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓＯｉｌ表５．８不同内摩擦角卜．极限支护应力Ｔａｂｌｅ５－８Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｔｅｒｎａｌｆｒｉｃｔｉｏｎａｎｇｌｅ内摩擦角对地表沉降的影响与对掘进面处土体位移的影响规律基本一致，内摩擦角越小，掘进面周围土体的位移越容易反映到地表。随着内摩擦角的减小，第５章盾构隧道掘进面稳定性分析掘进面极限支护力不断增大，而且内摩擦角越小，极限支护力的增大越显著。研究地表最大沉降为２０ｍｍ时，不同内摩擦角下对应的极限支护应力如表５．７所示。表５－９地表最人沉降为２０ｍｍ时极限支护应力Ｔａｂｌｅ５—９Ｌｉｍｉｔｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｓｓｗｈｅｎｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒ２０ｍｍ５．５本章小结通过建立数值模拟模型，研究掘进面支护应力大小对掘进面周围土体变形的影响，确定掘进面支护应力。研究了隧道埋深、隧道直径以及土层参数对掘进面极限支护力以及地表沉降的规律。河北Ｉ：程人学硕十学位论文结论与展望结论（１）盾构施工引起地表沉降或隆起的实质是施工引起地层扰动所产生的后果。地表隆起主要是因为掘进界面支护力过大，地表沉降是由于盾构隧道施工造成地层损失和经扰动后土体的再固结沉降。盾构掘进过程中引起的地表沉降可分为：先期沉降、掘进面沉降、尾部沉降、盾尾空隙沉降、后续沉降等五个阶段。根据实测资料分析，当盾构未到达某一指定断面，该断面地表略有沉降，当盾构通过该指定断面后地表产生明显的下沉。在盾尾通过后的同步注浆阶段，地表沉降趋势减小，表明同步注浆有效地控制了地表进一步沉降。结合现场实测资料，分析了地表横向沉降槽发展规律符合Ｐｅｃｋ公式。（２）将软土地基沉降模型成功运用到盾构施工引起地表沉降预测中，Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型均能发挥其预测作用，然而单一在预测精度上有一定的误差，本文提出Ｌ．Ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型。经过工程实例验证，Ｌ．Ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型发挥了很好的预测效果，其预测精度要远远高于单一的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ模型、Ｖｏｎ．Ｂｅｒｔａｌａｎｆｆｙ模型和Ｇｏｍｐｅｒｔｚ模型，Ｌ．ｖ模型和Ｖ－Ｇ模型预测精度都达到了０．９９８６。（３）通过建立数值分析模型，研究掘进面支护应力大小对掘进面周围土体变形的影响，确定掘进面支护应力。分析了隧道埋深、隧道直径以及土层参数对掘进面极限支护力影响以及地表沉降的规律得出结论如下：①盾构掘进面前方土体的变形随支护力的减小可以分为：线性增长阶段、非线性增长阶段、掘进面发生失稳破坏３个阶段；②随着掘进面支护应力的减小，掘进面前方土体的位移量不断增加，掘进面前方土体的塑性区不断增大，并有从掘进面处向地表不断发展的趋势；③掘进面支护力达到或小于极限支护力，地表沉降显著增加。同时，不同应力支护比下地表横向沉降曲线的沉降槽宽度变化不大。地表横向沉降曲线形似倒置的『Ｆ态分布曲线；④掘进面支护压力不足引起的深层土体的位移隧道顶部最大，从隧道顶部到地表逐渐减小，位移与距离深度大致呈抛物线关系；③随着隧道埋深的增大，掘进面极限支护应力不断增大，横向沉降槽宽度系数不断增大，地表最大沉降点离掘进面越来越远；结论与展望（蓟随着隧道直径的增大，掘进面极限支护应力不断增大，沉降槽宽度系数不断增大；⑦土层参数对掘进面极限支护应力均有影响，其中摩擦角影响比黏聚力大。展望盾构法隧道在软土地区地下工程中应用广泛，因施工引起的地表、地层变形而带来的影响越来越受到人们的注视。本文就该课题做出了部分研究，然而由于客观条件以及自身水平的不足，仍未触及到该课题更深的领域，主要包括：（１）盾构隧道施工引起地表沉降的机理在现有理论基础上仍需要进～步探讨。（２１地表沉降预测的Ｌ．ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型具有较高的精度，能够较好地应用在实际工程中，但Ｌ．Ｖ模型、Ｖ－Ｇ模型中参数所代表的涵义需要进一步探讨。（３）研究土层参数对掘进面支护应力的影响只局限于内摩擦角和黏聚力，其他土的物理力学性质如容重、含水量、孔隙率、压缩系数、土的流变需要进一步探讨。河北Ｉ：榉人学硕十学位论文参考文献［１】［２］钱七虎．迎接我国城市地下空问开发高潮．岩士Ｉ：群学报［Ｊ］，１９９８，２０（４）：１１２．１１３．Ｓｈａｏ－ＭｉｎｇＬｉａｏ，Ｊｉａｎ—ＨａｎｇＬｉｕ，Ｒｕ—ＬｕＷａｎｇ，Ｚｈｉ－ＭｉｎｇＬｉ．ＳｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｉｎＳｈａｎｇｈａｉｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ．ＴｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．２０ｆ２００９）２００—２１［３］［４］１．刘宝琛．急待深入研究的地铁建设中的岩十力学课题【Ｊ】．铁道建筑技术，２０００，（３）：１～３．日本隧道盾构新技术研究会编著．曰本隧道盾构新技术［Ｍ］．尹旅超，朱振宏，李玉珍，袁少，等译．华中理ｊＩ：火学出版社，１９９９：５４～７１．［５】ＳｃｈｍｉｄｔＢ．Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｕｅｔｏｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ７９７－８００．ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ［Ｊ］．１２ｔｈＩＣＳＭＦＥ，Ｂｒａｚｉｌ：【６】［７】陶履彬，侯学渊圆形隧道的应力场汞１位移场【Ｊ］．隧道及地。ｒＩ：程，１９８６，７（１）：９～１９．ＳａｇａｓｅｔａＣ．ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＵｎｔｒａｉｎｅｄＳｏｉｌＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＤｕｅｔｏＧｒｏｕｎｄＬｏｓｓ．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．１９８７，（３７）：３２９－３３３［８］［９】孙钧，侯学渊．地一卜．结构【Ｍ］．北京：科学出版社．１９８７．１．３１．久武胜保．软岩隧道的非线性弹塑性状态［Ｍ】．隧道泽从，１９９２（１）：１ｌ～１８．［１０］曾晓清．地铁：［ｊ翟双线隧道平行推进的相互作刚及施。【：力学的研究【Ｍ］．同济人学博士学位论文．１９９５［１１］［１２】张庆贺主编．地卜‘］：程【Ｍ］．上海：同济火学山版社，２００５ＶｅｒｒｕｉｊｔＡ，ＢｏｏｋｅｒＪＲ．ＳｕｒｆａｃｅＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｕｅｔｏＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＡＴｕｎｎｅｌｉｎＡｎＥｌａｓｔｉｃＨａｌｆＰｌａｎｅＧｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，１９９６．４６（４）：７５３－７５６．［１３］方从启，千承德．顶管施Ｉｊ中的地面沉降及其估算［Ｊ】．江苏理Ｔ人学！学报，１９９８，１９（４）：１０６－１１０．［１４】ＬｏｇａｎａｔｈｎａＮ．ＰｏｕｌｏｓＨＧＡｎａｌｙｔｉｃａｌＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｆｏｒｔｕｎｎｅｌｉｎｇ—ｉｎｄｕｃｅｄｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｉｎｃｌａｙｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ８４６－８５６．ｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＧｅｏｅｎｖｒｉｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，１２４（９）：【１５］Ｗｅｉ・Ｉ．Ｃｈｏｕ，ＡｎｔｏｎｉｏＢｏｂｅｔ，（２００１）Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓｏｆｇｒｏｕｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｉｎｓｈａｌｌｏｗｔｕｎｎｅｌｓｉｎｃｌａｙ．ＴｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ１７．２００２．３－１９．［１６］ＬｅｅＫＭ，ＲｏｗｅＲＫ，ＬｏＫＹ．ＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｗｉｎｇｔｏｔｕｎｎｅｌｉｎｇＩ：Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｔｈｅｇａｐｐａｒａｍｅｔｅｒ［Ｊ］．Ｃａｎａｄｉａｎ［１７】［１８】ＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ，１９９２，２９（６）：９２９－９４０．孙钧．岩士材料流变及其一程应用［Ｍ】．北京：中国建筑“ｌ：业出版社，１９９９．ｒ文其，杨林德，朱合华．盾构隧道施｛：中材料性态的模拟［Ｊ】．同济人学学报．１９９９，ｖ０１．２７（４），４６８—４７３．［１９】Ｔ．Ｂ．Ｃｅｌｅｓｔｉｎｏ．Ｒ．Ａ．Ｍ．Ｐ－ＧｏｍｅｓａｎｄＡ．Ａ．Ｂｏｒｔｏｌｕｃｃｉ．Ｅｒｒｏｒｓｉｎｇｒｏｕｎｄｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓｄｕｅｔｏ５６参考文献ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔｒｏｕｇｈａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ［Ｊ】．ＴｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ０１．（１５），Ｎｏ．１，２０００：９７－１００．［２０］Ａｔｔｅｗｅｌｌ，ＲＢ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｔｒａｃｔ，ｓｉｔｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎａｎｄｓｕｒｆａｃｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｉｎｔｕｎｎｅｌｉｎｇｗｏｒｋｓ，Ｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，Ａ．Ａ．Ｂａｌｋｅｍａｎ，１９８ｌ：５－１２．［２１］Ａｔｔｅｗｅｌｌ，Ｐ．Ｂ．ａｎｄＷｏｏｄｍａｎ，Ｊ．Ｐ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｇｒｏｕｎｄｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｉｔｓｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｕｎｎｅｌｉｎｇｉｎｓｏｉｌ．ＧｒｏｕｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８２，１５（８）：１３－２０．［２２】【２３］［２４］［２５】张海波．地铁隧道盾构法施．Ｉ：对环境影响的数值模拟【Ｄ］．河海人学博十论文，２００５．易宏伟．盾构施』１：对十体扰动与地层移动影响的研究［Ｄ］．同济人学博士论文，１９９９．李泽荣．地铁盾构施ｊＩ：引起地表出的数值模拟研究［Ｄ］．两安科技人学硕十论文，２００９．张庆贺．盾构隧道近距离共同作川机理及施＿：技术研究【Ｄ】．同济火学ｆ尊十论文，２００７．ＲＮ，ＢｕｒｌａｎｄＪ．Ｂ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｒｉｓｋ［２６】ＭａｉｒＲ．Ｊ．，Ｔａｙｌｏｒｂｕｉｌｄｉｎｇｄａｍａｇｅｄｕｅｔｏｂｏｒｅｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇ，ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＡｓｐｅｃｔｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｓｏｉｌＧｒｏｕｎｄ，Ｂａｉ—ｋｅｍａ，Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ，１９９６：７１３－７１８．［２７】ＴｏｓｈｉＮｏｍｏｔｏ，ＳｈｉｎｉｃｈｉｒｏＩｍａｍｕｒａＨａｇｉｗａｒａ，ｅｔａ１．ＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌＣｏｎｓｕｌｔａｔｉｏｎｉｎＣｅｎｔｒｉｆｕｇｅ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖ０１．１２５，Ｎｏ．４，Ａｐｒｉｌ，１９９９，２８９－３００．［２８］吴波．复杂条件１卜．城市地铁隧道施Ｔ地表沉降研究［Ｄ］．两南交通人学｜尊十论文，２００ｌ：１４９～１６５．［２９］［３０］何川，曾东洋．盾构隧道结构设计及施Ｉ：对环境的影响［Ｍ］．西南交通人学出版社，２００７．ＭａｒｔｏｓＥ，ｃｏｎｃｅｒｎｉｎｇａｎａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｏｆｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅｔｒｏｕｇｈａｎｄｉｔｓｔｉｍｅｆａｃｔｏｒｓ，Ｐｒｏｃ．ｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｔｒａｔａＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｇｒｅｓｓ，Ｌｅｉｐｚｉｇ，１９５８．［３１］刚军生，刘宝深．城市隧道施ｊｌ：引起的地表移动与变形［Ｍ］．中国铁道出版社，２００２：８９－１００．［３２］曾小清，张庆贺．隧道施ｌ：过科的解析与数值结合方法【Ｊ］．岩十Ｔ程学报，１９９８，２０（１）：１４－１７．［３３］易宏伟，孙钧．盾构施』１：对软粘十的扰动机理分析［Ｊ］．同济人学学报．２０００．Ｖ０１．２８，Ｎｏ．３・２７７－２Ｒ１［３４］ＰｅｃｋＲ．Ｂ．Ｄｅｅｐｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓａｎｄｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｇｒｏｕｎｄ．Ｉｎ：ＰｅｔｒａｓｏｖｉｔｓＧＭｅｃｓｉｏｎＪ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ７ｔｈｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｏｉｌＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］，Ｍｅｘｉｃｏ，Ｓｔａｔｅ［３５］ｏｆｔｈｅＡｒｔＶｏｌｕｍｅ，ＭｅｘｉｃｏＣｉｔｙ１９６９：２２５－２９０．Ａｔｔｅｗｅｌｌ．Ｐ．Ｂ．Ｇｒｏｕｎｄｍｏｖｅｍｅｎｔｃａｕｓｅｄｂｙｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｉｎｓｏｉｌ．ＩｎＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｉｎＬａｒｇｅＧｒｏｕｎｄＭｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９７８：８１２－９４８．［３６】［３７］刘建航，侯学渊．盾构法隧道［Ｍ］．中国铁道出版社，１９９１．姜忻良，赵忐【屯，李圆．隧道开挖引起十层沉降槽曲线形态的分析与计算［Ｊ］．岩十力学，２００４，２５（１０）：１５４２－１５４４．［３８］尹旅超，朱振宏，李玉珍，等编泽．日本隧道盾构新技术．华中理一：火学出版ｊ叶：．１９９９．５７河北．Ｉ：群人学硕十学位论文［３９］ＳｈｉＪｉｎｓｈｅｎｇ．ＯｒｔｉｇａｏＪ．Ａ．Ｒ．＆ＢａｉＪｕｎｌｉ．ＭｏｄｕｌａｒＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋｓｆｏｒＰｒｅｄｉｃｔｉｎｇＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓｄｕｒｉｎｇＴｕｎｎｅｌｉｎｇ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄＧｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９８，Ｖ０１．１２４（５）：３８９－３９５．Ｍ叫千穗辉，潘国荣．人ｌ：神经网络在隧道地表变形预测中的应川．同济人学学报，２００１，２９（１０）：１ＨＵ１４７－１１５２．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］．岩十力学，２００４，２５（２）：３２０－３２３．ＭＭＭ刁纠卅周文波．盾构法隧道施］：技术及应川［Ｍ］．，Ｉｔ京：中国建筑Ｔ业出版社．２００４．张风祥。盾构隧道施Ｉ：技术手册［Ｍ］．北京：人【心交通出版社．２００５．【日］地盘１：学会著．盾构法的调查・设计・施Ｉ：［Ｍ］．牛青山，陈风英，徐华译．北京：中国建筑～１：业出版社．２００８．ＨＭＭ习ｑ刀关宝树．隧道力学概论［Ｍ］．成都：碍南交通入学出版社．１９９３．许春彦．盾构隧道开挖面稳定性的数值模拟研究［Ｄ］．大津人学硕十论文，２００８．ＳＩＬＶＡＳ，ＣＯＳＴＡＥ．Ｄｙｎａｍｉｃｌｉｍｉｔｓｆｏｒｂｌｏａｔｃｏｎｔｒｏｌ－ｖａｒｉａｔｉｏｎｓＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＧＥＣＣＯ．２００４：６６６－６６７．ｏｎｓｉｚｅａｎｄｄｅｐｔｈ［Ｃ］．Ｈ踟ＳＩＬＶＡＳ，ＳＩＬＶＡＰＪＮ，ＣＯＳＴＡＥ．Ｒｅｓｏｕｒｃｅ—ｌｉｍｉｔｅｄｇｅｎｅｔｉｃｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ：ｒｅｐｌａｃｉｎｇｔｒｅｅｄｅｐｔｈｌｉｍｉｔｓ［Ｃ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓＭ叼ｏｆＩＣＡＮＮＧＡ．２００５：２４３－２４６．张云军，宰金珉，王旭东．隧道开挖对周闱十体的影响分析［Ｊ］．建筑结构．２００６．６，４０－４２．西伽＿Ｊ．锐，范鹏，焦苍，等．不同开挖步骤引起浅理隧道地表沉降的数值分析［Ｊ】．铁道。Ｉｊ程学报．２００５．１０，（８９），６２－６５．芦ＵＡ．Ｌ．ＧＡ．Ｃｏｕｔｉｎｈｏ，Ｍ．Ａ．Ｄ．Ｍａｒｔｉｎｓ，Ｒ．Ｍ．Ｓｙｄｅｎｓｔｒｉｃｋｅｒ，Ｊ．Ｌ．Ｄ．ＡｌｖｅｓＬ．ａｎｄａｕ．Ｓｉｍｐｌｅｚｅｒｏｔｈｉｃｋｎｅｓｓｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｉｎｔｅｒｆａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓ．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓａｎｄＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃｓ３０．２００３，Ｎｏ．３０：３４７～３７４．≯列盂伶俐，孙宾，邓凡．地铁火断面隧道开挖方法选取三维模拟计算分析【Ｊ】．两部探矿ｌ：程，２００６，１８（１）：１５２－１５３．芦纠夏国ｊ基，宋ｐ东，千森．地铁车站站后折返Ｉ又：间浅蝉暗挖开挖过科的模拟研究［Ｊ】．铁道建筑。２００７（７）：３２～３４．钱家欢，殷宗泽．土：ｒ原理与计算［Ｍ】．北京：中国水利水电出版社．１９９６．陋眵郇习赵宝华．繁华城区大直径泥水盾构掘进沉降控制及周罔环境影响分析【Ｊ】．隧道建设．２０１０．３０（６）．睁ｑ张义同，高健，乔金丽，齐德瑞．隧道盾构掘进十力学【Ｍ】．天津：天泮人学出版社，２０１０．陋刀丛恩伟．北京地铁盾构法施＿：引起地表沉降的分析与预测研究［Ｄ］．大津人学硕十论文．２００４［５８】ＬｉｒａＰＣ，Ｏ．ＡｎｅｓｔｉｍａｔｅｏｆｓｕｂｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｔｒｏｕｇｈｗｉｄｔｈＰａｒａｍｅｔｅｒｆｏｒＧ４ｍａｔｅｒｉａｌ５８参考文献ＴｕｎｎｅｌｓａｎｄＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｂａｌｋｅｍａ，Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ，２０００．５０７～５ｌ３．趵张成平，张顶立，千梦恕．浅埋暗挖隧道施ｊｌ：引起的地表塌陷分析及其控制［Ｊ］．岩彳ｉ力学与Ｔ程学报，２００７（５２）．∞矾张海波，地铁隧道盾构法施＿：对周闱环境影ｕ向的数值模拟［Ｄ］。河海人学ｌ尊十论文．２００４．砚：张雄，干金忠，赵风岐，等。Ｌ．Ｖ模型在软十地基沉降预测中的应川［Ｊ］．河北Ｔ程大学学报：自然科学版，２０１ｌ，２８（４）：４８．５０．璩继立．软十地区盾构施ｌ：引起的十体变形研究［Ｄ］．上海交通人学博＋后论文，２００５．费康，张建伟．ＡＢＡＱＵＳ在岩十工程中的虑川［Ｍ］．北京：中国水利水电山版社，２０１０．彳ｉ亦平，周玉蓉．ＡＢＡＱＵＳ有限元分析实例详解［Ｍ】．北京：机械一：业出版社，２０１０．陈卫忠，伍国军，贾善坡．ＡＢＡＱＵＳ在隧道及地卜小拌中的应用［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１０．∞１Ｊ甜１Ｊ砸１Ｊ［６６］朱源．渗流条件下盾构隧道开挖面的稳定性分析［Ｄ］．天津人学硕士论文，２００９．５９河北Ｉ：程人学硕十学位论文致谢本文是在导师杨万斌教授悉心指导下完成的。在学习、生活和科研中，导师不仅教书，而且育人。在科研选题、实践调研及论文撰写的各个环节中，不辞辛苦，精，ＩＬｑ日‘导，倾注了大量心血和汗水。在生活上给了我无微不至的关怀和爱护，让我终生难忘。导师的学术思想、科研方法以及严谨认真的工作态度深深影响了我，使我在学习和工作中受益匪浅。在此论文完成之际，谨向导师表示最诚挚的谢意！衷心地感谢师母葛顺心阿姨把我们像亲生儿女一样对待，在生活上给予我们无微不至的关怀，教我们为人处事的道理，您的谆谆教诲我们终身铭记！感谢土木工程学院周书敬教授、史三元教授、胡启平教授、吴雄志教授、叶洪东教授、谭燕秋教授、曲志明副教授、郭延华副教授、刘历波老师在研究生阶段给予的教育与关怀。感谢研究生部丁建萍教授、陈建涛教授、廖薇教授的指导和帮助，感谢他们付出的辛勤劳动。感谢师兄王春波博士、彭戢放硕士、李帅硕士，师姐王克红硕士、刘茉莉硕士，师弟王宝石、苗建辉、南伟平、力．冲、刘玉平、申国元，师妹马程、胡静、吴妍瑾在学业及生活中的帮助与支持。感谢研究生白会剑、陈志杰、杜海洋、李尚飞、李欣刚、李然、王伟胜、杨贝贝、尧红、赵凤岐、张苒等同学三年的陪伴，给我带来了众多的欢乐与帮助。感谢我的家人对我的关爱、理解与支持。感谢所有关心和帮助我的人。感谢各位专家、教授及答辩组委员在百忙之中对我论文的评阅和批评指正。作者简介作者简介张雄，男，１９８７年５月生，安徽桐城人。２００９年９月进入河北工程大学攻读岩土工程专业硕士研究生。在研究生阶段，本人态度认真、学习刻苦，顺利完成了各门专业课程及选修课程的学习，并取得了优良的成绩。主修岩体稳定与控制，学习课程１５门，累计修学分３０分。在英语学习方面，查阅和阅读了大量的英文资料，掌握了英文学术论文的撰写技巧。在硕士学位攻读期间，根据自己的研究方向和要求，认真研读有关核心课程，为自己的科研工作打下扎实的基础。同时，在工作闲余时间阅读大量的科技论文，以掌握当前专业的最新动态。攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目发表的论文１．张雄，王金忠，赵凤岐，等．Ｌ．Ｖ模型在软土地基沉降预测中的应用【Ｊ］．河北工程大学学报：自然科学版，２０１１，２８（４）：４８－５０．２．赵凤岐，张雄，王伟胜．软土地基沉降曲线拟合的Ｌｏｇｉｓｔｉｃ．Ｇｏｍｐｅｒｔｚ叠加曲线模型应用研究［Ｊ］．岩土工程技术，２０１１，２５（６）：２９５－２９９．参加的科研项目１．参加大型钢箱梁桥施工监控技术研究２．参加纳米材料提高混凝土耐久性应用与研究３．参加建下巷采煤柱留设优化技术研究４．参加无顺槽采煤方法综合技术研究５．参加冀中能源邯郸矿业集团有限公司十二五发展规划项目盾构法隧道施工引起地表沉降研究
作者：
学位授予单位：
张雄
河北工程大学
引用本文格式：张雄 盾构法隧道施工引起地表沉降研究[学位论文]硕士 2012