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。     

天津软土地区盾构掘进对上方建筑物影响分析

以天津地铁2号线下穿多层建筑物的盾构隧道为例,建立了盾构下穿空旷场地以及下穿建筑物的有限元模型,计算结果与现场实测数据进行了对比验证。在此基础上分析了在天津软土地区盾构隧道施工对地表沉降及多层砌体结构建筑物差异沉降的影响,并对采用小应变土体本构模型与硬化土本构模型的计算结果进行比较。结果表明,采用小应变本构模型的地表最大沉降和横向沉降槽宽度与实测数据吻合良好。盾构斜下穿砌体结构房屋时,建筑物有偏向隧道轴线方向的倾斜,采用小应变土体本构模型的计算结果可以更好地反映建筑物的倾斜斜率的变化。因此,研究软土地区盾构掘进对上方建筑物沉降影响的精细化分析时应考虑土体小应变的影响。     

砂土中隧道开挖对邻近桩基竖向影响的简化计算方法

基于砂土中隧道开挖引起的土体竖向位移经验公式,分析隧道开挖对邻近桩基础的竖向影响。采用两阶段计算方法,将邻近桩基础视为竖向被动桩,依据砂土中隧道开挖引起地表及地表以下土体产生的沉降槽,考虑桩土相互作用的非线性,得到砂土中隧道开挖对邻近桩基础轴力影响的简化计算方法,并与土工离心试验结果进行对比,验证了该方法的合理性。在研究过程中,分析了隧道覆盖层厚度、隧道直径、隧道与桩之间的距离、隧道土体损失率、桩长、桩径等因素。研究结果表明,桩身轴力随着覆盖层厚度的增加而减小,随隧道直径和土体损失率的增大而增加;隧道与桩之间距离为2.5倍隧道直径时对轴力的影响最大;随着桩长、桩径的增加,桩身轴力逐渐增加。     

Prediction of settlement trough induced by tunneling in cohesive ground

Surface settlements of soil due to tunneling are caused by stress relief and subsidence due to movement of support by excavation. There are significant discrepancies between empirical solutions to predict surface settlement trough because of different interpretations and database collection by different authors. In this paper, the shape of settlement trough caused by tunneling in cohesive ground is investigated by different approaches, namely analytical solutions, empirical solutions, and numerical solutions by the finite element method. The width of settlement trough was obtained by the finite element method through establishing the change in the slope of the computed settlement profile. The finite element elastic-plastic analysis gives better predictions than the linear elastic model with satisfactory estimate for the displacement magnitude and slightly overestimated width of the surface settlement trough. The finite element method overpredicted the settlement trough width i compared with the results of Peck for soft and stiff clay, but there is an excellent agreement with Rankin’s estimation. The results show that there is a good agreement between the complex variable analysis for Z/D = 1.5, while using Z/D = 2 and 3, the curve diverges in the region faraway from the center of the tunnel.     

盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征细宏观分析

以成都砂卵石地层中地铁1号线的土压平衡盾构掘进施工为研究背景,采用室内试验、PFC2D二维颗粒流程序和 Plaxis 3D有限元软件对盾构穿越砂卵石地层地表沉降特征进行了细宏观数值模拟,揭示了土压盾构穿越砂卵石地层的失稳机制和沉降规律,并结合实际施工参数和实测地表沉降数据进行了对比分析,获得了土压盾构在砂卵石地层中掘进引起的地表横向沉降槽和纵向沉降槽曲线,分析了不同大小的开挖面土仓压力和盾尾注浆压力对地表沉降的影响,给出了砂卵石地层开挖面土仓压力的建议值和盾尾注浆压力参数的合理取值范围。细宏观分析表明,与注浆压力相比较,土仓压力对地表最大沉降曲线的形状影响较小;但必须关注土仓压力的变化,在砂卵石地层中由于土拱效应对开挖面稳定性影响较大,甚至发生突然坍塌破坏。     

盾构隧道施工引起地表下土体变位的分析评估

目前对盾构隧道施工引起的地表下土体变位进行预测分析的研究还相对较少,尤其是缺乏简单实用的工程估算方法。在深埋隧道周围土体弹性位移计算方法及盾构间隙参数研究成果的基础上,通过相应的分析和假设提出了一种预测盾构隧道施工引起地表下土体水平变位的简便估算方法。另外,在已有研究成果基础上,提出了一种新的盾构隧道沉降槽的描述方法,并结合Mair等提出的计算公式对盾构隧道施工引起的地表下土体沉降变位进行预测。通过与有限元计算结果及一些典型盾构隧道监测数据的对比分析,证明提出的估算方法能够较好地预测实际工程中盾构隧道施工引起的地表下土体的变位情况。     

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。     

Elastic analysis of ground movements around a tunnel considering a buoyant lining moving upwards

A complex variable solution is derived for the ground movements around a tunnel considering the lining at different positions in the drilled hole in a linear elastic half-plane. The soil displacements for three different convergence patterns are presented and compared. It is shown that the surface settlement trough will become flatter and wider when the lining moves upwards; the horizontal displacements are more concentrated in the region below the lining; and the region influenced by displacements is wider. Most calculated settlement troughs can be well represented by Gaussian curves with simple parameters, but the obtained width parameters are larger than the traditional empirical values. The rigorous solution can be used as a simple tool to understand the fundamental mechanism of the lining buoyancy problem and as a benchmark for numerical procedures based on more sophisticated models. The importance of buoyancy effect on the displacement field should be taken into account.     

隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响

在分析隧道开挖对邻近单桩竖向受力特性影响时,基于荷载传递法和Winkler地基模型,利用两阶段分析法通过迭代求解给出隧道开挖与邻近单桩相互作用的弹塑性解答。通过与离心机试验的短期和长期试验结果的对比,分析了隧道开挖对邻近单桩的竖向影响,从而验证该方法的合理性和适用性。讨论了隧道开挖情况下隧道中心线距地表的距离、隧道中心线与桩轴线的距离、平均地层损失比、桩长、桩径、桩身强度6种因素对邻近单桩竖向受力特性的影响,提出隧道开挖对邻近单桩的竖向受力特性的影响规律。结果表明：随着隧道中心线距地表距离的增加,桩身沉降和桩身轴力先增大然后逐渐减小;随着隧道轴线与桩轴线距离的增加,桩身沉降逐渐减小,桩身轴力增大到一定值后逐渐减小;随着平均地层损失比的增加桩身沉降不断增大,桩身轴力逐渐增大到稳定值。     

砂土层中盾构掘进实测数据及数值模拟分析

相对于其他土层,盾构在富水砂层中掘进的风险更大,但目前盾构掘进引起砂层变形的机制并不清楚。依托广州某电力隧道项目,选取一典型富水砂性地层断面对盾构隧道施工引起的地层变形进行高频率、近距离的监测,得到以下几点认识可供类似的工程参考：（1）富水环境下,相对于均质砂层,隧道处于粉砂+粗砂地层组合更容易发生渗透破坏。此情况下,粉砂层在承受更大渗透力同时,又受粗砂层强烈补给供水,非常容易被侵蚀甚至掏空。（2）地层均匀损失与局部集中损失引起地层扰动规律有较大的不同。地层均匀损失时由于拱效应没集中局部损失的强,其扰动范围、地表沉降及水平位移均更大。水平位移最大值的位置与地层损失的非均匀化也密切相关。地层均匀损失时,隧道两边最大水平位移发生在隧道高程范围内;但地层非均匀损失（隧道顶部局部塌落）时,发生最大的水平位移的位置会明显上移。（3）渗透力的作用使得地层扰动范围扩大。（4）地层损失率受注浆影响严重,隧道附近大,地表最小,隧道上方土体呈松散化趋势。     

盾构隧道掘进引起上方已建隧道的纵向变形研究

城市地铁隧道施工中经常遇到新建隧道下穿上方已建隧道的例子,如何提前预测已建隧道的纵向变形是目前工程界普遍关心的问题。基于能够考虑土体变形连续性的Kerr地基梁理论,分别将已建隧道简化为欧拉伯努利梁和铁木辛柯梁,将新建隧道对已建隧道的作用简化为高斯分布荷载,建立了新建隧道施工对上方已建隧道影响的解析分析方法;并利用离心机试验结果进行了验证。分析了地层损失率、荷载形状参数和隧道与土体相对抗弯刚度对已建隧道纵向变形的影响。探讨了隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。研究发现,当隧道剪切刚度趋于无穷大时,Kerr地基上的铁木辛柯梁退化为欧拉伯努利梁;对于抗弯刚度较大的隧道（如抗弯刚度大于7.54×106 kN?m2）,Kerr地基梁具有较好的适用性;已建隧道的剪切刚度对其纵向变形何纵向曲率产生显著影响;当隧道等效剪切刚度有效系数≤1/4时,必须考虑隧道剪切刚度对隧道纵向变形的影响。将所提分析方法应用于上海盾构隧道穿越工程中,并与现场实测结果进行对比,验证了方法的合理性。     

地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形

对地面出入式盾构法隧道施工引起的土体垂直变形计算方法进行研究。考虑盾构轴线与水平面的夹角 （即隧道埋深变化）,对林存刚公式进行修正,结合正面附加推力、盾壳摩擦力、附加注浆压力和土体损失的共同作用,提出全新的土体垂直变形计算公式。算例分析结果表明：在隧道埋深较浅工况下,新方法计算结果与林存刚公式的计算结果差异较大,新方法计算得到的开挖面前方地面隆起和后方地面沉降均较大;盾构上仰掘进时,随着 增大,由正面附加推力、盾壳摩擦力及土体损失引起的纵向土体垂直变形曲线呈上移趋势,由附加注浆压力引起的纵向土体垂直变形曲线则呈下移趋势;地面沉降最大值变小,但地面横向沉降槽范围逐渐变大。     

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。     

软土中盾构法隧道引起的土体移动计算研究

对盾构法隧道施工引起的土体扰动范围进行了分析,根据极限平衡原理,认为Loganathan公式中假定的土体损失边界条件存在误差。考虑到土体内摩擦角对土体移动的影响,认为垂直土体变形区域边界线的水平倾角应等于（45°+? /2）,而不是45°。给出了修正的Loganathan公式,该公式适用于软土地区不排水条件。提出了盾构剪切扰动区范围的计算公式。算例分析表明,与Loganathan公式的计算结果相比,修正公式使沉降槽宽度和土体水平位移有所减小,计算结果与实测数据更加吻合。     

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。     

盾构法隧道施工的精细模拟

在分析了现有的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.通过施加已知结点位移模拟刀盘超挖和盾尾脱空引起的地层损失,并通过设置横向和纵向三维Goodman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.结果证明了模拟方法的合理性.     

盾构施工引起的固结沉降分析

盾构在低渗透性土层中开挖,常常伴随着地表下沉,究其原因为超孔隙水压力消散引起固结沉降的结果。为对盾构施工引起土体的固结沉降进行研究,首先,根据隧道施工前后土体应力的变化值,应用Henkel超孔隙水压力理论,推导了隧道开挖引起的初始超孔隙水压力的计算公式,并采用数值分析方法,考虑了由于土体的固结引起的沉降变形。研究成果应用到上海地铁2号线,根据具体的地质条件进行理论计算分析。结果表明,隧道开挖引起的初始超孔隙水压力最大值位于隧道起拱线处,地表固结沉降预测值与实测值吻合较好。     

双线平行盾构隧道施工引起的三维土体变形研究

基于双线水平平行盾构施工中土体损失引起的土体变形二维解析解,建立土体变形三维解析解。取不同的纵向位置作为变量,建立土体损失率沿纵向的变化方程;考虑先行隧道施工对后行隧道的影响,分别计算两条盾构隧道施工引起的土体变形,叠加得到双线平行盾构施工引起的土体总变形。其方法能够计算土体深层沉降和水平位移,较精确地反映土体三维变形。算例分析结果表明：预测值与实测值较为吻合;土体沉降随着离开挖面距离的增加而不断增大,最终在x = -40 m左右时趋于稳定;随着先行隧道与后行隧道开挖距离的接近,最大土体总沉降量逐渐增大;土体沉降会随着深度z的增大而略微增加,但沉降槽宽度将略微减小;随着两条隧道轴线水平距离L的增大,最大土体沉降逐渐减小,沉降曲线形状慢慢由V型转变成W型,不再符合正态分布规律。     

盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法

盾构法隧道施工会引起隧道周围一定范围土体的位移,对土体位移进行较为准确地分析,对于控制隧道周围土体位移量和减小过大位移对既有建筑物及管线带来的危害十分重要。隧道周围土体的位移是由地层损失引起的,并且与注浆量有很大关系。根据地层损失与注浆量的空间分布规律,应用镜像方法原理,对盾构法隧道推进产生的土体位移与应力进行空间分析,得到隧道周围土体的位移与应力分布,计算结果与天津地铁施工过程的现场实测结果对比表明,该方法行之有效。     

盾构法施工过程的有限元模拟

在综合考虑了现有的有限元模拟方法的基础上,对部分仿真模拟细节进行了改进,改进了水平荷载的施加方法,用"等代层"来模拟盾尾建筑空隙,用预设单元的刚度迁移来模拟盾构的推进过程。通过对某地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中地表土体的位移与变形,计算得到的隧道横断面和隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据比较接近,结果证明了模拟方法是可行的。