隧道施工诱发地表沉降估算方法及其规律分析

通过搜集大量文献,系统地总结了地表沉降槽特性参数的取值方法,并以中国20多个城市的地铁工程地表沉降实测资料为背景,基于Peck公式反演分析法,获取了隧道在不同相对埋深 、不同地层条件和不同施工方法下的地表最大沉降量 、沉降槽宽度k、地层损失率 等参数的变化规律。研究结果表明,（1）采用Peck法估算地表沉降需要基于大量实测资料和结合地域特性和具体施工方法才能得到比较合理的预测结果,不同地区地铁隧道的相对埋深 为0.55～4.43,其地表最大沉降量 为 1.5～ 146.0 mm,沉降槽宽度系数 为0.13～1.60,地层损失率 为0.06%～6.90%,其中 和k与 呈反相关, 受施工工艺和地层条件影响较大;（2）砂性土地层中浅埋暗挖法及其辅助工法的灵活性优于盾构法,黏性土及其互层地层中的盾构法施工在控制地层损失上较浅埋暗挖法要好。     

基于黄土隧道洞口浅埋段的Peck公式修正

黄土隧道洞口施工地表沉降开裂影响施工安全,以往采用Peck公式进行研究,存在预测精度等问题。为更准确地预测黄土隧道洞口浅埋段地表沉降,以临夏-大河家高速公路胡林家隧道为例,基于进口段实测数据,采用线性回归法对Peck公式进行优化。引入最大沉降量S_max修正系数α、降槽宽度i的修正系数β和隧道开挖进尺对最大沉降量影响的系数α₁,确定修正系数得出Peck修正公式。基于洞口浅埋段开挖进尺与最大沉降间的影响关系,发现埋深对S_max修正系数与沉降槽宽度的作用规律,构建黄土隧道洞口浅埋段施工参数对地表沉降关系模型。实测数据样本点分布在修正后的Peck公式上下限之间,修正后的Peck公式误差减少,对临夏等地区黄土隧道洞口浅埋段的适用性较好。     

铁路隧道下穿公路引起的路面沉降规律和控制基准研究

目前,铁路隧道下穿公路引起的施工沉降规律和控制基准研究都是以某具体工程为背景制定的,缺乏统一的控制基准。从公路纵坡、横坡、平整度及工程结构稳定本身的需要出发,通过比较分析,提出了采用平整度要求控制施工路面不均匀沉降;在考虑路基高度、隧道尺寸、埋深、地质和施工方法影响条件下,通过FLAC数值计算软件对单双线铁路隧道下穿公路的数值模拟,分析路面沉降规律,得到了沉降槽宽度系数和最大沉降量的预测模型;结合平整度要求及沉降槽宽度系数预测模型制定了铁路隧道下穿公路引起的路面沉降控制基准。通过大量工程实例来验证了提出的沉降控制基准的合理性,其结果可为铁路隧道下穿其他建筑物引起的地表沉降控制基准的制定提供参考。     

西安地铁隧道穿越饱和软黄土地段的地表沉降监测

以西安地铁一号线朝阳门站一康复路站区段饱和软黄土地铁隧道为研究对象,通过施工期现场地表沉降变形监测,分析了在饱和软黄土特殊地层条件下隧道浅埋暗挖法施工引起的该区段地表沉降变形规律以及地表沉降槽分布特征。结果表明：在饱和软黄土隧道开挖时,随着掌子面的推进,隧道顶地表沉降可分为沉降微小阶段、沉降显著发展阶段、沉降缓慢阶段和沉降稳定阶段;单线隧道开挖后的最大地表沉降量为18．89mm,双线隧道开挖后的最大地表沉降量为36．4mm;已开挖隧道对围岩土体的扰动作用使得后开挖隧道的地表沉降发展较大;双线隧道的地表沉降槽宽度接近单线隧道沉降槽宽度的2倍,因此可以将其近似为单线隧道地表沉降槽宽度与双线隧道轴线中点距离之和;单线隧道开挖后地表沉降槽宽度为8．4～9．3m,双线隧道开挖后地表沉降槽宽度为16．2～17．5m;隧道开挖施工的沉降槽宽度参数为0．435～0．467,单线隧道开挖后的地层损失率为0．765％～1．324％,双线隧道开挖后的地层损失率为1．231％～2．200％。     

基于Peck公式的双线盾构引起的土体沉降预测

基于Peck公式,对双线水平平行盾构隧道施工中土体损失引起的三维土体沉降计算方法进行研究。考虑先行隧道施工对后行隧道的影响和两条隧道开挖面的不同位置,建立修正的三维Peck公式;通过分别计算先行盾构隧道和后行盾构隧道施工引起的土体沉降,叠加得到双线水平平行盾构施工引起的总的三维土体沉降。算例分析结果表明：预测值与实测值比较吻合;随着两条隧道开挖面前后距离的逼近,地面最大沉降量会逐渐增大;随着土体深度z的增大,沉降略增大、沉降槽宽度则略减小;当两条隧道轴线水平距离L较小时,地面沉降量较大,符合正态分布规律;随着L的增大,最大地面沉降量会逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型。     

基于土压盾构的城市地铁隧道构筑过程地表沉降规律

通过经验、理论分析和数值模拟等预测方法,并结合实测数据研究分析土压盾构施工引起的地表沉降问题.分析结果表明:预测方法估算的最大沉降值总高于实测的沉降值;Oteo方法的曲线形态更优化;当隧道埋深较浅时,Loganathan-Poulos、Sagaseta、Peck和Verruijt-Booker方法均过高估算了最大沉降量,且Loganathan-Poulos、Sagaseta和Verruijt-Booker方法给出的沉降槽偏宽;数值模拟方法比分析和经验方法更有效,可以有效模拟施工过程.根据研究结果,经验、理论分析和数值模拟方法具有一定的安全储备空间,可用于软土地层中土压盾构施工引起的地面沉降预测.      

盾构法隧道施工对邻近摩擦单桩影响的研究

采用对隧道洞室周边及开挖面的土体施加由盾构机引起的各种荷载的方法模拟盾构施工,通过变化隧道埋深、隧道数量及开挖顺序研究盾构法开挖隧道对邻近摩擦单桩的影响。计算结果表明,隧道与桩的水平距离不变时,隧道埋深存在一个临界值,当隧道埋深为此临界值时隧道开挖引起的桩顶沉降、桩身侧移最大;隧道埋深较小时,隧道开挖会使桩产生较小的上移;隧道与桩的水平距离缩小相同值时,隧道埋深越小,开挖引起的桩顶沉降增加量越大;双隧道开挖引起的桩顶最终沉降量大于单隧道开挖引起的桩顶最终沉降量;双隧道同时开挖引起的桩顶沉降量、桩顶最大侧移大于双隧道先后开挖引起的桩顶沉降量、桩顶最大侧移;无论是同时开挖还是先后开挖,垂直双隧道引起的桩顶沉降量明显小于平行双隧道引起的桩顶沉降量。     

隧道开挖引起土层沉降槽曲线形态的分析与计算

假定由于隧道开挖在地表以下土层所形成的沉降槽的体积等于地层损失以及各土层沉降槽曲线仍可用正态分布函数表示。在此假定下,首次提出可以通过对隧道中心线以上土体的沉降值的分析,研究不同深度土层沉降槽曲线宽度系数,并且通过回归分析,提出用于计算不同深度土层沉降槽曲线宽度系数的公式,为计算隧道开挖引起的地表以下土体任一点的竖向沉降提供了一种有效方法,通过工程实例的计算证明了该方法的适用性。     

基于透明土的隧道开挖面稳定性试验研究

针对地表下隧道周围土体变形的观测困难,用熔融石英和溴化钙溶液配置透明土,提出基于透明土的盾构开挖面失稳试验研究方案,获得隧道前方纵断面土体位移矢量、沉降槽曲线和破坏模式等。试验结果表明,隧道开挖面失稳后土体变形以垂直位移为主,浅埋时土体破坏呈现“楔”形,破坏面延伸至地表,埋深增加时扰动范围向开挖面变窄,深埋时出现压力拱,扰动体呈现为筒仓形;隧道纵断面内沉降槽呈现为Weibull分布,最大沉降发生在隧道开挖面前方约（0.3～0.5）D（D为隧道半径）的拱顶处,变形主要发生在隧道开挖面前方的拱顶以上,浅埋时沉降槽从地表往下向深而窄变化,深埋时沉降槽宽度接近相同,从地表往下逐渐变深。     

砂土中隧道施工对相邻垂直连续管线位移影响的模型试验研究

隧道施工会对邻近管线造成危害,但目前对土体位移与管线位移两者之间的关系还没有清晰的认识。针对这一问题,设计砂土中考虑不同管线管径、埋深及抗弯刚度的3组隧道施工模型试验,分析垂直下穿隧道施工过程中砂土和管线位移规律。研究结果表明,Vorster修正高斯公式能较好地拟合砂土沉降分布,其控制参数?值在0.2～1.0之间变化,且与地层埋深成正比;土体沉降槽宽度系数i对管线变形有较大影响,埋深相同的条件下管线抗弯刚度与沉降值成反比;深埋管线的变形主要受上拱效应支配,且管径越大上拱效应越明显,而下拉效应主要支配着浅埋管线的位移;Smax /i为影响管土相对位移一个关键参数,在此基础上提出了修正的管土相对刚度计算公式。     

盾构施工引起地表固结沉降问题的研究

将隧道周围土体视为均质连续各向同性的饱和弹性介质,采用保角变换的方法将含有隧道的半无限平面映射为同心圆环计算域。根据Terzaghi-Rendulic二维固结理论,建立隧道在不透水的情况下周围土体超孔隙水压力分布的控制方程。然后,采用分离变量法计算得到土体超孔隙水压力分布的解析解,最后,根据弹性理论计算得出隧道中线上方地表固结沉降的计算公式。结合算例,分析盾构施工扰动程度、土体渗透系数、土体弹性模量及隧道埋深等因素对隧道中心上方地表处固结沉降的影响。研究结果表明,地表固结沉降的增加值与隧道外侧初始超孔隙水压力值C0的变化量成正比例关系,施工扰动程度越大所引起的固结沉降越大;土体的渗透系数越大固结沉降速度越快,但土体的渗透系数与最终的地表固结沉降量无关;土体的弹性模量越大,最终的地表固结沉降量越小;隧道埋深越深,地表固结沉降所需时间越长,最终的地表固结沉降量也越大。     

地震作用下邻近地裂缝带地铁隧道工程场地地表沉降研究

为了探讨地震和地裂缝耦合作用下位于地裂缝上盘的地铁隧道顶部地表沉降规律及其对附近建筑物的影响,以邻近穿越地裂缝场地的西安地铁3号线为工程背景,利用FLAC3D有限差分软件,结合理论分析,对西安人工地震波、El Centro波和Kobe波三种不同地震波作用下邻近地裂缝带地铁隧道建设场地地表沉降问题进行了研究。结果表明:地震作用下,隧道顶部一定范围内的地层沉降量显著大于其周围地层,形成宽度约9~16 m的沉降凹槽;El Centro波作用下沉降凹槽的宽度最大,约15.9 m,超越概率为10%的西安人工合成地震波次之,约11.6 m,而Kobe波作用下沉降凹槽的宽度最小,约9.5 m;隧道上覆地层沉降凹槽的沉降规律符合peck公式;隧道顶部约20 m范围内场地地表受地震和地裂缝耦合作用影响最强烈,沉降最大。      

矩形沟埋涵洞顶部垂直土压力试验和理论研究

针对无黏性填土,通过模型试验和理论分析的方法研究矩形沟埋刚性涵洞顶部的垂直土压力。考虑胸腔土体的作用,建立了沟埋涵洞土压力的计算模型和计算公式,结果表明,计算值与试验值相吻合。沟槽宽度等于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈单调减小的变化规律;沟槽宽度大于涵洞外径时,洞顶土压力系数随填土高度的增大呈先增后减的变化规律;洞顶填土厚度等于初始等沉面高度时,土压力系数最大。槽洞宽比加大时,土压力系数、等沉面高度按双曲线规律增大,7倍洞径的沟槽宽度近似为沟埋式涵洞和上埋式涵洞的临界槽宽。填土内摩角增大时,土压力系数增大。洞顶填土厚度增大,等沉面高度减小。     

软土地区双线区间盾构隧道施工对周边地表以及建筑物沉降的影响

研究盾构隧道施工对周围地面以及建筑物沉降造成的影响,是软土地区盾构隧道安全施工和正常运营的基础课题。为了分析宁波轨道交通5号线同德路站—石碶站区间双线盾构隧道施工对周边地表和建筑物的影响,本文在建立盾构隧道动态施工过程三维有限元模型的基础上,基于地表以及建筑物沉降数值模拟结果与现场监测值的对比,分析了隧道开挖对隧道周围地表沉降与建筑物沉降的影响。结果表明,掘进完成时,开挖方向沉降槽往上行线隧道方向偏移、呈现倒梯形形态,横断面影响区域为距离双线隧道轴线中心小于3倍隧道直径;上行线在下行线开挖后并不会增加地表沉降,但增大了沉降槽宽度;下行线到达前产生的沉降占最终累计沉降的67%;当盾构掘进面刚到达建筑物时、建筑物的倾斜方向与盾构掘进方向一致,当盾构掘进面离开建筑物时、建筑物将沿着盾构掘进的反方向倾斜;建筑物两侧沉降值较中部沉降值降低了83%;双线贯通后建筑物沉降呈“U”形分布,最大沉降量发生在远离隧道一侧距建筑物中心0.5 m处。     

隧道施工时地表沉降监测控制标准探讨

地表沉降是判断浅埋隧道地层稳定的一个重要指标。在分析地表沉降监测重要性和隧道埋深的关系基础上,阐述了地表沉降控制标准确定的原则;针对隧道无邻近结构物段,从地层围岩稳定、经验公式和相关规范的角度探讨地表沉降控制标准,并以武广客运专线浏阳河隧道为例子进行验证。结果表明,城市隧道变形控制标准要比山岭隧道更严格,浅埋隧道要比深埋隧道控制标准更严格;围岩越坚硬、跨度越小、边墙高度越小,则允许的位移越小,反之则越大;允许的变形控制标准主要影响因素是围岩自身条件,其次是隧道的跨度     

Mechanized tunneling induced ground movement and its dependency on the tunnel volume loss and soil properties

This study investigates the ground movements due to mechanized tunnel excavation by applying two-dimensional finite element analyses. To assess the contribution of the compressibility and plasticity of the soil on the ground movements, different constitutive models are employed to describe the soil behavior. The influence of volume loss around the tunnel on the surface volume loss is investigated, and a quadratic correlation between them is proposed. Consequently, the empirical Gaussian distribution curve, which is generally used to determine the tunneling induced settlement trough, is improved by applying the proposed quadratic correlation between surface volume loss and tunnel volume loss. Furthermore, the settlement trough width parameter has been derived by a linear function of tunnel volume loss as well. The proposed equations are validated via a case study of centrifuge tests from the literature. The results show that the proposed modification enhances the empirical solution by having better knowledge on the model parameters. Additionally, tunnel overburden and coefficient of lateral earth pressure at rest (K₀) are taken into account to study their influence on the tunneling induced surface settlements. Finally, global sensitivity analysis is applied to evaluate the relative importance of corresponding model parameters in terms of their influence on the ground movements.