地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟_甜梦文库
地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟
河海大学 博士学位论文 地铁隧道盾构法施工对周围环境影响的数值模拟 姓名：张海波 申请学位级别：博士 专业：岩土工程 指导教师：殷宗泽
摘要摘要盾构法已成为我国城市地铁施工中一种重要的施工方法，由施工引起的地面沉降及其对周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题。本文运用三维有限元法对盾构法施工过程中引起的地层位移和地面沉降规律以及对临近已建隧道的影响进行了全面的研究，得到了一些有意义的结论。本文的主要研究工作包括： （１）分析了盾构法施工的主要环节和导致土层位移的主要原因以及已有盾构施工有限元模拟方法的优点和不足，对现有方法在模拟盾构淹工荷载方面存在的不足之处进行了改进，建立了能够更加全面合理地模拟盾构施工过程的三维有限元模型。（２）编制盾构法施工三维非线性有限元程序，并运用编制的程序对盾构法施工引起的地层变位和地表位移情况进行了计算，分析了盾构施工引起的地层变形规律和地面 沉降规律。 （３）结合盾构施工三维有限元计算结果，对盾构隧道衬砌在施工期和竣工期的受 力情况进行分析，并对不同拼装型式衬砌的受力性能进行了比较。 （４）利用三维有限元对盾构施工过程中影响地面沉降的因素（隧道覆土厚度、隧 道外径、开挖面应力释放量、地基模量、盾尾空隙填充率等）进行研究，提出了反映施工中各种因素的地面沉降预测公式。结合实测地面沉阶资料，对常用的地面沉降预测公式的适用性进行分析，并提出修『Ｅ的建议。 （５）运用三维有限元程序模拟了近距离叠交情况Ｆ新建隧道刘’已建隧道的影响， 研究了相对距离、相对位置、盾尾注浆压力对隧道阍村Ｉ臣作用的影响规律。关键词：盾构隧道，有限元法，地层位移，数值模拟，地面沉降，拼装衬砌。ｌＩＡＢＳＴＲＡ（了ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆｏｕｒ ｏｎｅｏｆ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｅｔｒｏｃｏｕｎｔｒｙ．Ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅａｒｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｈｉｇｌｌｌｙ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄｐａｐｅｒｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｉｓｕｓｉｎｇ ３ＤｏｎＦＦＭｔｏｓｔｕｄｙ ｔｈｅｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅ ｎｅａｒｌｙ ｓｐａｃｅｄ ｔｕｎｎｅｌ ｄｕｒｉｎｇｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｕｓｅｆｕｌ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐａｐｅｒ ａｒｅ ｌｉｓｔｅｄａｓｇａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎ ｗｏｒｋｓ ｏｆ ｔｈｉｓｆｏｌｌｏｗｓ：（１）Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｓｐｅｃｔｓ，ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｃａｕｓｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｍｅｒｉｔｓａｎｄｓｈｏｒｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｈａｖｅ ｂｅｅｎｔＯａｎａｌｙｚｅｄ，Ａ ｓｅｒｉａｌ ｏｆ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ａ ｎｅｗ ３Ｄ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｔｈｅ ｓｈｏｒｔａｇｅｓ ｏｆｃａｎＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈｐｒｏｐｏｓｅｄ．ｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒ ｔｈｅａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ ｗａｓ（２）Ａ ３Ｄ ＦＥＭ ｐｒｏｇｒａｍ Ｗａｓ ｃｏｍｐｉｌｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ Ｗａｓ ｕｓｅｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｓｏｉｌａｎｄｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．（３）Ｔｈｅｂｅａｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ｂｏｔｈ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ａｎｄ ｉｎｏｎｔｈｅ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｇｅ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂａｓｅｄｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ３ＤＦＥＭ ａｎａｌｙｓｉｓｏｆ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ．Ｔｈｅｂｅａｒｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆｌｉｎｉｎｇｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．（４）Ｔｈｅｔｈｅｏｕｔｅｒｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ嬲ｔｈｅ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ｓｏｉｌ． ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｓｔｒｅｓｓ ａｔ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｆａｃｅ，ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｔｈｅ ｓｏｉｌｔｈｅ ｆｉｌｌ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔａｉｌ ｖｏｉｄ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＦＥＭ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａ ｗｈｉｃｈ ｃｏｎｓｉｄｅｒｓ ｍｏｓｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｆａｃｔｏｒｓ Ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｏｎａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｔｈｅ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎｌｙ ｕｓｅｄ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇｆｏｒｍｕｌａａｔｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂａｓｅｄｄａｔａ，Ｔｈｅ ｍｏｄｉｔｉｃａｔｉｏｎ ａｄｖｉｃｅＷｎｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄｏｎｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．（５）Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｎｅｗ ｔｕｎｎｅｌｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｕｎｎｅｌｓ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｏｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｖｅｒｌａｐｐｅｄ ｏｌｄ ｔｕｎｎｅｌ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄｎｅｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎＦＥＭ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆｔｈｅｔｈｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅｇｒｏｕｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ Ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｏｏ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ－ｄｒｉｖｅｎｔｕｎｎｅｌ，３Ｄ ＦＥＭ，ｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｕｒｆａｃｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ，ｓｅｇｍｅｎｔａｌ ｌｉｎｉｎｇ．ＩＩＩ舢目前言盾构法作为修建隧道的一种施工方法，相对其它施工方法具有比较明显的优越性，在地铁隧道工程中得到了广泛应用。盾构法施工过程中仍不可避免会引起周围地层位移及引起地表沉降，进而对临近地下结构及地面建筑物产７Ｅ不利的影响，引发一系列环境 土工问题。研究盾构旌工过程中引起的地层位移、地面沉降、衬砌应力以及对周围临近 地下结构的影晌，对盾构隧道的合理设计和施工采取必要的防护措施都有很大的指导作 用，具有童要的现实意义。 本文以上海地铁４号线浦东南路站～南浦大桥站区怕Ｊ盾构隧道长距离叠交施工工程为背景，结合有限元法对盾构法隧道施工引起的地层位移、地面沉降睛况以及对』临近平行隧道的影响进行了比较系统的研究。得到了一些有意义的成果和结论。本文的主要创新之处有： （１）在对盾构法隧道施工的周围环境影响机理以及对现有盾构施工有限元模拟方法进行全面分析的基础上，对现有方法在模拟盾构施工荷载方面存在的不足之处进行了改进，建立了能够更加全面合理地模拟盾构施工过程的三维有限元模型，鳊制了盾构法施工三维非线性有限元程序．（２）在隧道与地层整体分析的基础上分析了盾构隧道衬砌的受力变形情况，比较 了不同拼装型式衬砌结构在受力性能上的差异． （３）利用鳊制的盾构施工三雏有限元模拟程序对盾构施工引起的地面沉降影响因素（隧道覆土厚度、隧道外径、开挖面应力释放量、地基模量、盾尾空隙填充率等）进行了研究，提出能够反映施工中各种因素的地面沉降预测公式．通过对实测沉降的分析， 提出适合上海地区应用的盾构隧道地面沉降分布公式。 （４）详细分析了近距离叠交情况下新建隧道盾构施工引起的已建隧道的应力和变 形情况，研究了相对距离、相对位置、盾尾注浆压力对隧道间相互作用的影响规律．学位论文独创性声明： 本人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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事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谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者（签名）：猛渔遮２００５年３月１０日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布（包括刊登）授权河海大学研究生院办理。论文作者（签名）：私沿玻２００５年３月１０日第一章绪论第一章绪论１．１引言随着我国国民经济的高速发展，城市化进程不断加快，人Ｅｌ越来越向大城市集 中，从而要求城市必须不断扩大其规模以适应城市人口的急剧增加。城市的扩展必 将占用大量的耕地，而我国人口众多，人均耕地面积占有量相对匮乏，无限制地占 用耕地资源来扩展城市空间是我国地土地资源无法承受的。另一方面，经济与社会 的发展对城市集约化程度和提高效率的要求也越来越高，要求城市的平面布局不能无限制地扩大。这些因素迫使城市建设不断向高空发展和占用城市绿地，从而引发了交通阻塞、环境污染、建筑空间拥挤、基础设施落后、城市防灾能力薄弱等“城市综合症”。给城市生活带来了很大的影响，也严重制约了经济和社会的进一步发展， 成为现代城市可持续发展的障碍…。 发达国家的大城市发展的经验教训说明地面空间、地下空间与上部空间协调发展的城市立体化再开发，是城市中心区改造的唯一现实的途径，充分利用地下空间是城市立体化开发的主要组成部分。当今发达国家已把地下空间开发利用作为解决城 市入口、环境、资源三大危机的重要措施和医治“城市综合症”、实施可持续发展的 重要途径ｆ”。我国～些发达地区已经进入了大规模开发利用地下空间的时代。地下空间的利 用包括建设地下交通系统（如地下铁道、地下道路系统、地下停车场），地下公用设 施系统（如地下供水管道、合流污水管道、地下供电和通信电缆通道、地下煤气管 道），地下防灾系统，地下商业街等。其中，地铁的建设将是我国２１世纪城市地下 空间开发的重点…。北京、上海、广州地铁已通车运营且正在建设新的线路，南京 地铁、深圳地铁一号线都已经全线贯通即将投入使用，全国还有二十余个城市向国 务院申请建造地铁。区间隧道的施工方法主要有：盾构法、矿山法、盖挖逆作法、明挖顺作法。当 今城市中各种建筑、公用设施和交通日益繁杂，市区明挖隧道施工对城市生活的干 扰问题日益严重，特别是市区中心遇到隧道埋深较大，地质复杂的情况，若用明挖法建造隧道则很难实现。在这种条件下采用盾构法对输水隧道、城市地下铁道、电 力通讯、市政公用设施等的建设具有明显的优点［２】。此外在建造穿越水域、沼泽和 山地的公路和铁路隧道或水工隧道中，盾构法也往往因为在特定条件下的经济合理 性而得到采用【３】ｏ盾构法相比其它方法有以下特点【２】：１）大部分施工作业竣工均在地下进行，对环境影响小，不影响地面交通，减少 对附近居民的噪音和震动影响；２）不对地面建筑物、地下埋设物、地下结构物产生不良影响；河海大学申请博士学位论文３）盾构推进、出土、拼装衬砌等主要工序循环进行，施工易于管理，施工人员较少，土方量较少，施工不受气候的影响，施工速度快；４）适应软弱地质条件，在土质差、水位高的地方建设埋深较大的隧道，盾构法 有较高的技术经济优越性；５１施工精度高。用盾构法修建地下隧道至今已有近１８０年的历史，经历了从手掘式盾构、挤压 式盾构、网格式盾构、半机械式盾构、机械式盾构（局部气压盾构、泥水加压式盾 构、士压平衡式盾构）的发展，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好。 虽然盾构法施工技术有了很大的发展，但仍不可避免会引起地层的扰动，导致隧道周围地层变形及引起地表沉降，这种现象在软土地层中尤为显著。当地层运动超过一定限度时，会危及周边建筑物、构筑物、道路、管线和文物等的安全与正常 使用，从而引发环境土工问题。尤其对于城市地铁，盾构法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、交通繁忙、施工条件受到限制，对环境的控制要求更为严格。 区间隧道盾构掘进施工的环境土工问题十分复杂，仍有一些情况尚未得到很好解决【４～６】：（１）同一地铁区间内，上、下行线盾构同向或对向掘进施工； （２）上、下行线地铁，上下位近距离交叠盾构掘进施工； （３）盾构紧贴城市高架（立交）或紧邻深大基坑掘进旌工； （４）盾构在地下管网交叉、密集区段掘进施工；（５）盾构穿越大楼桩群：（６）盾构在浅覆土下进、出洞施工；（７）浅埋、大直径盾构沿弯道呈曲线形掘进，而曲率半径较小；因此必须深入研究盾构法施工引起地层移动的规律，尽可能准确地预测盾构施 工引起的地面沉降和对附近地下结构设施的影响程度，以求在设计和施工中采取能够减少地层移动的措施，选择最佳的施工技术，制定一套完善的措施，确保施工地 区楼房、建筑物与地下管线等重要设施的安全。第一章绪论１．２盾构隧道施工对环境影响的研究现状与评述１．２．１国内外研究现状１．２．１．１地表变形的理论及经验预测对于盾构施工引起地面变形的预估，主要采用基于对实际工程观测数据的整理 得到的经验预估法，也有基于解析或数值计算的半经验公式方法。 一横断面地表沉降分布１Ｐｅｃｋ公式目前工程实践中应用比较普遍的是Ｐｅｃｋ公式和一系列修正的Ｐｅｃｋ公式。Ｒ．Ｂ．Ｐｅｃｋ（１９６９［７１１通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后认为，紧接着隧道开挖后引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，所以沉槽的体积应等于地层损失的体积。此法假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布似Ｊ下态分布曲线如图１．１所示。英国的现场观测结果，剑桥大学７０年代及８０年代初期的工作结果都和Ｐｅｃｋ的假定一致。ｉ离中心线距离ｘ沉降横向分布地面沉降估算公式为［７】：％，铽ａｘｅ坤（一爿（１．１）式中：Ｓ。ｘ）一地层损失引起的地面沉降（ｍ）：卢积‰ｘ～二“＋‘２赢（１．２）（Ｌ ３）厄秘Ｉ ４５。一罢１河海大学申请博士学位论文ｘ一距隧道中心线的距离（ｍ）；Ｓ。。一隧道中心线处地层损失引起的最大沉降量（ｍ）；卜沉降槽宽度（ｍ）：ｚ０一隧道轴线埋深（ｍ）；‘ｐ一土的内摩擦角（ｏ）Ｐｅｃｋ公式有两个重要参数：沉降槽宽度系数ｉ和地层损失Ｖ。。这两个参数的正 确选取对最终的预测结果起决定性作用，在这方面已经有大量的研究：（１）沉降槽宽度系数ｉ的确定Ｃｌｏｕｇｈ＆Ｓｃｈｍｉｄｔ（１９７４１２］）建议，对于饱和含水塑性粘土中的地面沉降槽宽度系数，按如下公式求取：去＝附８式中：Ｒ一隧道半径（ｍ）；ｉ、Ｚｏ同（Ｉ．３）。和隧道半径，给出了估算地表沉降的经验公式：㈧。，Ａｔｔｗｅ］１等（１９７８［８１，１９８１（９’）也假定沉降槽曲线为正态分布，对沉降槽宽度系数 ｉ进行了修正，提出横向沉降槽宽度系数ｉ取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深二：七ｆ三１Ｒ（１．５）ｋ２Ｒ１ｋＲ一隧道半径（ｒｎ）：２赢ｎ－６’式中：ｚ一隧道开挖面中心深度（ｍ）；ｋ、ｎ一与土体性质和施工因素有关的系数（可查表）：Ａ＿一隧道开挖断面面积（ｍ２）；ｖ一沉降槽的断面面积（ｍ２）； ６。。一隧道中心线的最大地面沉降（ｍ）。０’Ｒｅｉｌｌｙ＆Ｎｅｗ（１９８２１１０】）整理英国粘性土地层的１１处１９例及砂性土和回填土地层６处１６例隧道工程的最大沉降量、沉降槽断面积和反弯点距离的实测值后建 议，对于在单一土层中隧道掘进引起的近地表沉陷， 隧道施工方法、隧道直径没有关系，公式如下：ｉ＝ｋｚｏｉ是Ｚｏ的近似线性函数，且和（１．７）式中：ｋ一沉降槽宽度系数。 厂Ｏ．４－－０．７ 硬至软粘土ｋ＝Ｊｆ ｏ．２～ｏ．３砂性土限于ｚｏ在６－ｌｏｍ的浅隧道第一章绪论№ 酞 ｆｌ ｎ （ ｌ ％ ８ 效的。） 验 汪 了 公式（７）对于全世界多种隧道和大多数土类型都是有Ｆｕｊｉｔａ（１９８１１１２１）分析了日本大量用不同盾构施工得到的观测数据．发现粘土 中取ｉ＝０．５ｚ。和实际结果一致，并和施工方法无关。 Ｍａｉｒ和Ｔａｙｌｏｒ［１３ｌ总结了大量掘进中（包括传统方法的盾构掘进）观测到的现场数 据后得出结论，不管隧道尺寸和掘进方法，为实用目的，ｋ的值在粘土中平均取为 ０．５，在砂或砾石中平均取为０．３５。Ｓｕｇ／ｙａｍａ（１９９９ｆ¨１）等人在现场监测数据和离心模型试验结果的基础上认为当 隧道埋深较浅尤其是隧道直径较大时，对反弯点的影响可用下面的公式来考虑：（爿＝口（笥式中：Ｃ一地面至隧道顶部深度（ｍ）； Ｄ一隧道直径（ｍ）；ｆ粘土 Ｉ砂、砾土Ⅱ＝１．５ Ｑ＝１．０ Ｂ＝０．８㈦ｓ，Ｂ＝０．７Ｎｅｗ＆０’ＲｅｉｌｌＹ（１９９１［１５１）建议对于由粘土和砂土组成的分层地基，沉降槽宽度可以用下式来考虑分层土的影响：ｉ＝Ｋｊｚｔ＋Ｋ２２２＋…＋ＫｎＺｎ （１．９）式中：Ｋ．，Ｚｉ一分别为第ｉ种土的沉降槽宽度系数和厚度（ｍ）。Ｍａｉｒ等（１９９３［¨１）分析了硬到软粘土中大量隧道工程地表以下平面的实测沉降数据，并结合软粘土中的离心模型试验数据，提出地表以下隧道上方平面沉降槽仍可以用正态分布曲线来描述，对于隧道轴线埋深为Ｚｏ，地表以下深度Ｚ的平面，沉降槽宽度ｉ可以表示为： ｉ＝Ｋ（ｚｏ－－ｚ）（１．１０）并提出地表以下平面的沉降槽宽度系数Ｋ随埋深而增加的表达式：Ｂｕｒｒｅｌｌ（１９８４Ｉ Ｌ６Ｉ）通过４个工程实例求出与时间相关的固结作用长期的最大沉降量的表达式：Ｓ．…＝２Ｓ。×ＯＦＳ×ＡＡ＝一世：！：！！！±！：翌塑二！鱼！１一Ｚ／Ｚｏ（１．１１）＼１．１ｊ，从中推导出（１．１２）初始超载系数ＯＦＳ＝［ｒ‰一ｚ）一吒】／Ｓ。式中：ｒ一原状土容重（Ｎ／ｍ３）； 盯．一隧道内部支撑应力（ｋＰａ）；河海大学申请博上学位论文Ｚ一至隧道参考表面的深度（ｍ）；下标ｔ为考虑时效（固结作用）。对于６ｍｍ≤Ｓ。。。≤６３ｍｍ的情况，Ａ＝ｏ．３９（１一ｏ．０１ｓ一）。 ０’Ｒｅｉｌｌｙ（１９９１㈣）对在Ｇｒｉｍｓｂｙ正常固结粉粘土中３ｍ直径隧道引起的沉降进行了１１年的观测，ｌＯ年后达到最终平衡时观测到更大的沉降，相应的横向表面 沉降断面随时间显著地变宽。Ｓｈｉｒｌａｗ（１９９５［１７１）对七处软粘土中隧道上方固结沉降现场观测数据后得出结论：长期沉降约占总沉降的３０％～９０％。Ｍａｉｒ＆Ｔａｙｌｏｒ（１９９８㈣）总结了３５篇关于钻孔隧道引起沉降的会议论文，得出结论：用ＥＰＢ或泥水盾构，可以很好地控制沉降，并指出衬砌相对于粘土的渗透能是否起到排水管作用，如果隧道衬砌相对于粘土来说具有渗透性，则隧道起到排水管作用，长期沉降槽比短期沉降槽宽得多。。Ｋ．Ｍ．Ｌｅｅ（１９９９㈣）等描述了用ＥＰＢ盾构施工的上海地铁二号线二处监测结果，认为注入盾尾空隙的浆体体积是限制地表长期沉降的关键参数。 同济大学候学渊等（１９８７【２１），采用修正剑桥模型及比奥固结的分析和现场测 试研究，进行了考虑固结问题的有限元分析计算，得到的固结沉降槽形状范围及反 弯点与Ｐｅｃｋ法估算出的差异很小，考虑施工因素（地层损失）和固结因素的沉降量 计算公式为：５蚺［警Ｈ一蔷Ｊ㈣好ｒ：篁竺ｉＥＫ。㈦㈦式中：Ｔ一超孔隙水压力完全消散所需时间； Ｋ。一隧道顶部土体加权平衡的渗透系数；ＪＤ一隧道顶部超孔隙水压力的平均值：Ｅ一土骨架平均压缩模量；Ｈ一埋深（ｍ）（２）地层损失Ｖ。的确定单位长度地层损失ｖ。经常被表示为隧道理论开挖面积积２与体积损失率Ｖ１的乘积，即【２１：眨＝＿?７０Ｒ２６（１．１４）第一章绪论在采用适当技术和良好操作的正常施工条件下，可查表适当选取由于各种因素而引起的地层损失率。在粘性土层中可根据稳定系数Ｎｔ来估计地层损失【２ Ｊ：Ⅳ．：翌［堡‘（１．１５）Ｓ。式中：Ｐｚ＿开挖面中心处土体垂直压力（ｋＰａ）； Ｐ一用气压或其它加压方法施加于开挖面的侧向压力（ｋＰａ）； ｓ。一不排水抗剪强度（ｋＰａ）。ＣＩｏｕｇｈ＆Ｓｃｈｍｉｄｔ［２１推导了在塑性粘土层中Ｎ。和Ｖ。的关系：一：２ＶｏＳ。半ｅｘｐ（Ⅳ，一１）ＣＪ，（１．１６）式中：ｖ１一体积损失率（％）；ｖ。一盾构理论排土体积（ｍ３）；Ｅ。一土层弹性模量（ｋＰａ）： “一土的泊松比。 Ｐａｌｍｅｒ＆Ｂｅｌｓｈａｗ（１９８０［２０１）描述了Ｔｈｕｎｄｅｒ Ｂａｙ隧道一处的监测结果，得 到的横向沉降槽和Ｐｅｃｋ报告的硬粘土中隧道掘进形成的沉降槽相似，沉降槽的体积约为隧道开挖体积的５．Ｏ～７．５％。Ａｒｔｗｅｌｌ（１９８９ｉ２ｑ）建议可通过参考盾构的掘进速度和所选择的掘进方法以及推 导的土体应力松弛速率，对地层损失进行估算，或参照相类似的隧道工程实例来选择一个合理的正面面积的百分比，粘土一般取正面面积的０．ｊ～２．５％。Ｍａｉｒ（１９９６Ｎｓ］）总结了３５篇关于钻孔隧道引起沉降的会议论文后得出：对硬粘土中用开胸开挖方法修建的隧道，其地层损失率在１％～２％之间：对用闭胸开挖 方法（土压平衡式或泥水加压式盾构）修建的隧道，砂土地基中地层损失率小于ｏ．５ ％，在软粘土中地层损失率在ｌ％～２％之间。２其它公式Ｔ．Ｂ．Ｃｅｌｅｓｔｉｎｏ等（２０００㈤）根据实测数据和有限元计算结果ｔ分析了２参数（ｉ和Ｖ。）Ｐｅｃｋ公式的局限性，指出当隧道掘进引起较大面积土体进入塑性区时，横断面沉降槽不再是正态分布曲线形式，而是类似“塞子”形，用Ｐｅｃｋ公式预测得 到的地面扭曲变形比实测值小得多，难以正确预计隧道施工对地面建筑物的损坏。并提出了更灵活的三参数（Ｓ。。、ａ和ｂ）屈服密度形曲线公式：河海大学申请博＝Ｅ学位论文砸卜前最大地面扭曲变形，。。发生在ｉ＝ａ?Ｂ处，表达式为：（１．１７）‰。≮筹舯口＝（等］－（１．ｔ８）弘菊ｂｓｉｎ硬粘土 多孔陶土（１．１９）ｌ二Ｉ五ａ＝ｏ．３９（ｚ／Ｄ）＋ｏ?３１：ｂ＝２?ｏ～２，８百ａ＝ｏ．４６（ｚ／Ｄ）＋ｏ．３７：ｂ＝２?ｏ～３．ｏＳａｇｇＳｅｔａ（１９８７［２３１，１９８８［２４１，１９８９［２５１）在通过地面沉降的解析解给出了横向和 纵向地面沉降计算公式：ｔ（ｘ）＝≥南（１ ２０）瓣刍ｌｈ赢Ｊ式中：巧，《ｘ）一横向地面沉降分布（ｍ）； ｘ一离隧道轴线的距离（ｍ）；㈠２¨占：（ｙ）一横向地面沉降分布（ｆ【１）；ｖ一离隧道开挖面的距离（ｍ）；ｖｓ一盾构隧道单位长度地层损失（ｍ３／ｍ）；Ｈ一隧道轴线埋深（ｍ）。Ｖｅｒｒｕｉｊｔ＆Ｂｏｏｋｅｒ（１９９６１２６１）给出了Ｓａｇａｓｅｔａ公式的一般化形式第一章绪论㈣叫觯㈣晦。群搿拈丽ｊ丽式中：Ⅳ一泊松比；矿∽ｚｚ，Ｊ一椭圆度；占一径向应变；对于不排水情况：占＝０，ｖ＝０．５，式（１．２２）转化为（１．２０）。李桂花（１９８４ｔ２７１）根据上海隧道公司实测的地面沉降横向槽剖面图，以有限元 的计算结果总结出了反映隧道埋深、隧道直径和地层间隙系数的上海地铁沉陷的实用估算公式：扣丽罢翻．ｅｘｐ［研翻】扣丽硒雨面蒜习噌冲ｌ五瓦西而刁ＪＤ一隧道直径（ｍ）；Ｈ一埋深（ｍ）：ｕ－孙’ ㈦ｚｓ，式中：６一地面沉降量（ｍ）；旷地层间隙系数（ｍ）；Ｘ一离隧道轴线的距离（１１１）。二横断面地表水平位移分布 Ａｔｔｅｗｅｌｌ（１９７８Ｉｓ］）．Ｏ，Ｒｅｉｌｌｖ＆Ｎｅｗ（１９８２［１０１）建议对于粘土中的隧道，可以假 定地层位移矢量指向隧道轴线，从而导出下面的关系式：Ｓｈ＝三Ｓ，＝０（１．２４）由此假定并结合Ｐｅｃｋ公式，推导出横向地表水平位移分布为：忐“ｓｓ享ｅｘｐｃ剥式中：Ｓｈ一横断面地表水乎位移（神；Ｓ。～横断面地表沉降（ｍ）；㈦ｚｓ，ｘ一地面点距离隧道中心线的水平距离（ｍ）： ｚｏ一隧道轴线埋深（ｍ）；Ｓｈ。。。一横断面最大地表水平位移（ｍ）；ｉ－－横断面沉降槽宽度（ｍ），同（１．１）式。隧道轴线正上方地表水平位移为０，最大地表水平位移Ｓ。。。发生在地表沉降曲线反弯点处，这与Ｃｏｒｄｉ ｎｇ＆Ｈａｎｓｍｉｒｅ（１９７５ｔ２８Ｉ），Ａｔｔｅｗｅｌｌ（１９７８［８１）的现场观测数 据相一致。河海大学申请博士学位论文三纵断面地表沉降分布刘建航院士（１９７５［２１）在总结延安东路隧道沉降分布规律基础上， 提出了“负地 层损失”的概念，并修正了Ｐｅｃｋ公式预测地表纵向沉降计算式如下：啪＝尚｛中（半Ｈ半］｝＋箍Ｈ半Ｈ半））式中：ｖｓｌ，ｖｓ２一分别为盾构开挖面和盾尾间隙引起的地层损失（ｍ３／ｍ）；Ｙ。，Ｙ广－盾构推进起始点和盾构开挖面到坐标原点的距离（１１１）； Ｉ’＝ｒ一三（１．２６）一＝■一ＬＬ一盾构长度（ｍ）。Ａｔｔｗｅｌｌ＆Ｗｏｏｄｍａｎ（１９８２Ｌ２９１）检查了大量在粘土中修建隧道的案例，发现用累积概率曲线来描述开挖面无支撑时的纵向沉降曲线是有效的，当开挖面有支撑压力时，可用累积概率曲线的转换形式来描述。假定变形在体积不变情况下发生，给出 了任一点的三个方向的位移表达式，其中沉降表达式如下：划吨唧㈢｛Ｇ（半］＿Ｇ［半］｝㈤＝去￡唧［等ｐ式中：ｙ一隧道掘进方向的地表面坐标（ｍ）：ｙ，一隧道开挖面推进起始点（ｍ）；ｙｆ．～隧道开挖面的位置（ｍ）。㈦ｚ，，Ａｔｔｗｅｌｌ＆Ｗｏｏｄｍａｎ（１９８２［２９１）发现对于硬粘土中建造的开挖面无支撑的隧道，开挖面正上方的地面沉降约等于０．５Ｓ一；而对于软粘土中建造的开挖面有支撑的隧 道开挖面正上方的地面沉降则远小于０．５ Ｓ―ａ Ａｔａ（１９９６ｔ３０１）通过对Ｃａｉｒｏ的一条直径９．４８ｍ，埋深１６ｍ，用泥水加压式盾构建造的隧道的纵向地面沉降分布进行分析后指出，盾构开挖面正上方地面沉降在０．２５～０．３０Ｓ一的范围内。此时，需要用平移后的累积概率曲线才能正确预计地面沉降 沿纵向的分布。Ｙ．ｓ．Ｆａｎｇ（１９９３［３１１）提出ＥＰＢ盾构在粘土中掘进引起的隧道中心线上方地表纵 向沉降随时间的变化曲线是双益线型：ｓ一＝而ｔ式中：ｓ。ｘ＿一隧道中心线最大地表沉降（ｍ）：ａ，ｂ一参数；ｔ一时间（天）。（１－２８）第一章绪论四地表沉降的智能预测由于岩土结构的复杂性以及盾构隧道地层沉降影响因素的不确定性和相关性，难 以用确定性的数学模型加以描述，经验公式的应用受到诸如土性特征，施工参数， 施工工艺，施工质量，外部荷载，边界条件等众多不确定因素的限制。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盾构隧道地表沉降预测，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，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，从而可摒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。专家系统、模糊理论和人工神经网络给我们提供了一个解决问题的新思路。 同济大学（１９９０ｆ３２１）在总结二十多年来研究成果的基础上，提出了把专家系统用于隧道沉陷预估的设想，１９９１年将其应用于上海地铁一号线的施工监测，在应用中取得了较为满意的结果。李建华（１９９５［３３１）采用模糊一随机理论预测盾构施工引起的地层移动，基于随机场理论、随机有限元、模糊概率测度和数理统计方法，对软土隧道工程中的不确定性问题进行了较深入的探讨。李文秀（１９９１ｔ３４１）根据岩土工程中大量观测资料的统计分析，利用模糊概率测 度理论，建立了具有普遍意义的岩（土）体移动模糊数学模型，并用于分析地下开挖引起的地表移动。Ｙｅｈ，Ｉ―Ｃｈｅｎｇ（１９９７［３５１）研究了神经网络在盾构隧道自动土压平衡控制中的应 用，研制了盾构施工土压力平衡控制的神经网络软件系统，并在台北市一个隧道工 程中加以应用检验，取得了很好的效果。Ｊｉｎｇｓｈｅｎｇ Ｓｈｉ（［９９８［３６’）等利用ＢＰ网络对巴西利亚６．５ｋｍ盾构隧道的地表沉降进行了预测，分析了该隧道施工的特点后，总结出ｌｌ款主要的地层移动影响因素。 孙钧，袁金荣（２００１［”１）采用了人工智能神经网络技术，考虑了盾构施工参数、盾构物理参数、地质环境条件对地层移动的综合影响，对上海铁道２号线盾构施工引 起的地表沉降进行了预测。研究结果表明，根据监测资料并利用神经网络对盾构隧道施工过程中的地层移动进行动态实时预测是行之有效的方法。河海大学申请博士学位论文１．２．１．２地层位移的数值模拟和模型试验研究 一解析、半解析数值方法 隧道掘进引起地层位移的解析解大多是基于圆孔和球孔扩张理论。 Ｃｌｏｕｇｈ＆Ｓｃｈｍｉｄｔ（１９８１［３８】）和描述了利用线性弹性一理想塑性介质中轴对称 情况下圆形孔卸荷的解析解预测隧道掘进引起的地层位移。 Ｍａｉｒ＆Ｔａｙｌｏｒ（１９９３［３９１）提出了利用线性弹性一理想塑性介质中球形孑Ｌ卸荷的 解析解来描述开挖面卸荷引起的地面沉降的简单方法。由于它们都有轴对称假设，对浅埋隧道并不实用。 Ｓａｇａｓｅｔａ（１９８７［４０１）基于不可压缩液体流动的解析解（应变路径法Ｂａｌｉｇｈ，１９８５ ｒ４２１）研究了平面应变条件下隧道开挖引起的地层位移，该方法需要给出地层损失的假定值。 Ｖｅｒｒｕｉｊｔ＆Ｂｏｏｋｅｒ（１９９６［２６１）认为隧道变形机理主要是隧道表面的均匀径向位移 和隧道的椭圆化，采用半弹性平面假定，得到解析解为： 地层垂直沉降为：蜘捌ｂ纠埘［≤掣＋≤掣］十Ｌ‘ ｔ／ Ｌ‘ 屯＋等降＋掣卜４等＋焘孝掣］（ｉ．ｚ。， ”捌ｂ卦卟掣＋掣＋地层水平位移为：ｊ一２￡Ｒ吨Ｚｘ［１ｒ２ｍ‘ｚ。ｚ２２．］一等眵唑掣］式中：占一隧道表面相对均匀径向位移参数； Ｊ一隧道表面相对椭圆形位移参数；ｚ１＝三一Ｈ：ｚ２＝ｚ＋Ⅳ：１２＝工２＋毛２；ｒ２ ２＝ｘ２＋ｚ２２；ｍ＝ｉ／ｉ一２０；㈦。。，ｋ＝ｕ（Ｉ－－０Ｊ：“一泊松比。Ｎ．Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ ａｎｄＨ．Ｇ．Ｐｏｕｌｏｓ（１９９８１４１】）利用Ｌｅｅ等提出的地层损失间隙参数Ｇ，采用椭ＮＮ＋体移动平面，对Ｖｅｒｒｕｉｊｔ＆Ｂｏｏｋｅｒ［２６］提出的计算地层位移的方法进 行了改进，提出了改进后的预测地层垂直沉降和水平位移的解析解。第一章绪论方从启（１９９８”“）采用轴向离散而在环向和径向引八解析函数的半解析元法，建立了模拟和计算软土地层中顶管施工引起的地面位移和浅地层的运动随时间变化的方法。曾小清，张庆贺（１９９５［４３１）将解析与数值方法相结合，对双孔平行隧道施工过 程这样一个单连通体与多连通体共存与转化的相互作用问题构造合理的半解析函数，使隧道施工的三维结构一介质相互作用时空问题在微机上的模拟得以实现。易宏伟（１９９９ｔ４４】）采用沿隧道纵向、垂向离散，横向引入解析函数的半解析元 法．将盾构旋工过程中三维问题简化为二维问题处理，实现了盾构施工过程中的土 体扰动与地层移动的模拟计算与分析。施建勇，张静等（２００２ｔ４５１）采用沿轴向和横向解析、竖向离散的半解析方法求解隧道施工引起的土体变形问题；将轴向解析函数取为梁振型函数，横向解析函数 取为形状类似于高斯曲线的负指数函数，建立了土体和衬砌的半解析函数。虽对衬 砌和盾构都进行了模拟，但未考虑超挖和回填注浆等问题，实际测试数据与计算有一定的差距。 二有限元法１平面应变分析Ｒｏｗｅ，Ｌｏ＆Ｋａｃｋ（１９８３ Ｅ４６１），Ｒｏｗｅ＆Ｋａｃｋ（１９８３ｆ４７１）引入间隙参数来描述盾构隧道施工引起的地层损失，先允许隧道周围土体向丌挖区自由变形，当土体径向收 敛值达到预定的总间隙参数值时，盾构／衬砌单元被激活并假定土体与盾构／衬砌充 分接触，并考虑了土与衬砌的相互作用。用他们的平面应变弹塑性有限元程序对预 测软粘土中有衬砌隧道施工引起的表面沉降进行了排水状态下的研究，分析了隧道 下覆土层的弹模和厚度、土体静止侧压力系数Ｋ。注浆压力、土体自重、各向异性 等因素对平面分析结果的影响。Ｌｅｅ等（１９９２［４８１）、Ｒｏｗｅ＆Ｌｅｅ（１９９２１４９１）基于三维弹塑性分析结果，改进了一个在软粘土中不排水条件下施工隧道时评估间隙参数Ｇ的简单计算方法，在软粘土中，不 排水条件下隧道开挖的间隙参数Ｇ，表示为Ｇ＝Ｇ。＋Ｕ＋３ｄ＋ｗ，其中Ｇ。＝２Ａ＋８，为隧道衬 砌冠部和开挖孔洞冠部之间的垂直距离。△为盾尾的厚度，８为衬砌的抬升所需要的 净空，隧道直径和所用盾构选定后此值即能得出。Ｕ＋３ｄ为开挖面处等效３Ｄ弹塑性变形。Ｗ为由于盾构操作者水平引起的超挖。通过对１４个工程的实际应用，指出：只要获得可靠的土性参数，用文中所提出的数值方法和经验方法就可以合理的求出间 隙参数和预测地面沉降。同时间隙参数与复杂的数值计算方法结合还可以对隧道工 程中关键断面土体位移在水平和竖向的分布加以预测。１ ３河海大学申请博士学位论文Ｃｌｏｕｇｈ等（１９８５［５０１）运用横剖面平面应变模型研究盾构隧道引起的地基应力及变形，将盾构施工过程分为盾构到达前的挤压扩张、盾尾脱空卸荷、衬砌安装和固结四个阶段来模拟，分别施加相应的荷载，计算结果表明采用非均匀分布的盾尾脱空荷载计算得到的地层水平和竖向位移更为合理。Ｎｇ，Ｒ．Ｍ．Ｃ．，ａｎｄ Ｌｏ，Ｋ．Ｙ（１９８６垆ｌ】）对Ｔｈｕｎｄｅｒ Ｂａｙ隧道各处土样进行了一系列的室内试验（常规三轴试验、确定各向异性参数的特殊试验、直剪试验、应力路径 试验），模拟位于隧道不同部位土体的应力路径，讨论了平面应变模型模拟盾构施工引起土层位移时土体参数的选取方法。 Ｌｅｅ＆Ｒｏｗｅ（１９８９ｔ５２，５３１），Ｒｏｗｅ＆Ｌｅｅ（１９８９１５４１）指出利用各向同性弹性一理想塑性土体本构模型计算得到的地面沉降槽宽度比实测数据宽的多，而利用各向异性弹性本构模型可以很好的改善预测结果。指出当剪切模量Ｇ。ｈ与竖向弹模Ｅ。的比值在 Ｏ．２～Ｏ．２５之间时，预测结果与实测数据非常吻合。 丁文其等（１９９９［５５１）针对盾构隧道的施工阶段、注浆材料、管片接头的特性提出了模拟方法，采用梁．接头不连续模型模拟盾构衬砌接头的转动效应，采用注浆材料的变刚度等效法模拟注浆材料的凝固过程，将盾构施工过程分为下面４个阶段：挖土阶段、盾尾注浆阶段、盾尾脱开阶段和固结沉降阶段进行模拟。苏海东（２０００ｉ５６ｉ）采用６节点接缝单元模拟外层衬砌管片问及内、外衬砌之间的接触问题，用０００ｄｍａｎ单元模拟衬砌与土之间的接触问题，在土与隧道整体进行 分析中考虑衬砌接缝的影响，模拟了盾构施工过程中的开挖，外层衬砌装配、支护和内、外层衬砌共同承担水压力的整个过程。季亚平（２００４［５７１）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．Ｄｉｎｇ等（２００４１５８１）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（２００４ｔ５９ １）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。刘元雪，施建勇等（２００４ｔ”１）分别采用可以考虑土体小应变特性的本构模型和１４第一章绪论修正剑桥模型对盾构施工进行平面应变分析，用张云等【６１］提出的等代层的概念来描 述盾构施工过程中盾尾空隙大小、注浆充填密实程度、隧道周围土体的扰动程度和 范围。计算结果表明，采用土体小应变本构模型计算结果对盾构施工质量很敏感， 计算得到盾构开挖过程中土体有代表性的应力路径都为卸荷。Ｆｉｎｎｏ和Ｃｌｏｕｇｈ（１９８５［６２１）提出了基于纵剖面与横剖面相结合的分析方法，将隧道的开挖过程分为五个阶段。采用修正剑桥模型，模拟５个施工阶段孑Ｌ隙水压力的 产生、消散以及隧道的横向位移。其中，纵剖面分析是为横剖面分析提供模拟膨胀 过程所需的压力分布。该方法的最大特点式能够直接确定扰动带的范围和模拟这部分土体的固结沉降。 Ａｂｕ―Ｆａｒｓａｋｈ和Ｖｏｙｉａｄｊｉｓ（１９９９［６３１）对这种分析方法做了改进，使“纵剖面”能够模拟盾构连续驱进，为横剖面分析提供所需的信息如地表初始隆起／沉降和隧道丌挖面周围的超孔隙水压力分布，横剖面分析是继纵剖面分析之后。 Ｒｏｗｅ和Ｌｅｅ（１９９２ｔ“１）对用于估算软土中浅埋隧道施工引起的土体三维应力变化和地层位移的各种简化方法（如横向平面应变分析、轴向平面应变分析、经验的累 积概率分布方法等）进行了评价。采用了二维横向平面应变分析来估算所需参数值，并指出用纵向平面应变分析不能提供合理的计算结果。 ２三维分析 Ｌｅｅ＆Ｒｏｗｅ（１９９０［６５，６６］）开发了一种３Ｄ弹塑性有限元分析技术，在超级计算机上实现了模拟软粘土中盾构掘进和掘进过程导致的地层损失，给出了非线性问题的求解步骤和适用于三维隧道分析的弹塑性土体本构模型。对无衬砌（允许土体塑性变形完全发展）和完全衬砌（开挖面处应力释放是土体移动的唯一来源）浅隧道这两种 极限状况下隧道周围土体不排水情况下的应力场和位移场进行了有限元计算，得出： 盾构后土体位移满足平面应变条件所需的距离受隧道开挖面周围土体弹塑性区大小的控制。Ｋｏｍｉｙａ等（１９９９［６７１）为模拟盾构在一个千斤顶行程上的连续推进，把盾构推进面 前方即将被挖除的单元定义为开挖单元（ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔｓ），假定该单元为弹性材 料。分析中，盾构在一个千斤顶行程上的推进量取决于开挖单元的体积变形和剪切 畸变，根据盾构推进量与现场实际推进量保持一致的原则，通过试算确定开挖单元 的（杨氏）模量。分析了引起地层位移的因素和周围土压力的变化。 况龙川（２０００［６８１）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河海大学申请博士学位论文之间的接触等因素。刘洪洲，孙钧（２００１ｔ６９’）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，计 算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。孙钧，刘洪洲（２００２ｔ７０１）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（２００２ｔ７１】）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±体的单元的刚度条件以“活化减退”来模拟。Ｄ．ＧＬｉｎ等（２００２ｔ７２１）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．Ｍｅｌｉｓ等（２００２［７３１）提出一个基于有限差分软件ＦＬＡｃＭ的模拟盾构开挖过程 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（２００２１７４１）用刚度迁移法模拟盾构推进，采用权刚度修正Ｇｏｏｄｍａｎ 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、盾构内部土体丌挖卸荷和千斤顶推力的影响。三模型试验研究模型试验作为科学研究的一个重要手段，在与隧道开挖有关的地层位移研究中 发挥了重要作用。由于土体自重是影响隧道稳定和地层位移的主要因素，因此利用 离心模型试验对于研究隧道掘进引起的地层位移是适合的，特别是浅埋隧道【１”。Ｍａｉｒ等（１９８１［７５］）以超固结的粘土模拟介质，对无支护隧道的变形与破坏做了试验。结果表明：隧道的稳定性随着无支护长度的缩短而提高，随着埋深对直径的１６第一章绪论比值增大而提高；若认为介质无体积改变，则地表沉降槽体积应等于土层损失的体 积。利用软土中模型隧道的离心模型试验研究了二维模型隧道与三维掘进隧道之间的关系。二维模型试验与塑性理论推出的隧道稳定理论解答一致，而三维试验则揭 示了隧道稳定性极大的受隧道几何特征的影响。Ｍａｉｒ＆Ｇｕｎｎ（１９８ｌ【７卅）用有限元和离心模型试验相结合的方法，分析了浅埋隧道的地表沉陷。认为地表沉陷在很大程度上取决于靠近隧道的粘土的特性，浅埋隧道的坍塌稳定率Ｎ。随埋深而变化，因此，在不同深度上具有相同稳定率的两条隧道的地面沉陷相差很大。Ｋｕｗａｈａｒａ，Ｈ．等（１９９７ Ｔ７７１）利用离心模型试验对对盾尾空隙引起的地层位移进行了研究，得到了与工程实测数据相一致的试验结果，并讨论了盾尾空隙导致地层位 移的机理。Ｔ．Ｎｏｍｏｔｏ，Ｓ．ｈｎａｍｕｒａ，Ｔ，Ｈａｇｉｗａｒａ，ｅｔａ１（１９９７㈣）研制了一个新式的１００毫米直径微型盾构隧道模型，在２５倍重力加速度条件下对干砂中盾构隧道掘进进行了大量 的模拟试验（埋管试验、盾尾脱空试验、盾构施工过程试验），记录了试验过程中的 衬砌应力，纵横剖面地面沉降和隧道周围土压力的变化，提出了用盾尾空隙厚度和隧道埋深与直径的比值ｚ／ｄ描述的地面沉降经验公式。１．２．１．３盾构施工土体扰动理论研究 土的扰动或扰动土多是针对原状土而言．大体是指由于外界机械作用造成的土 的应力释放，体积、含水量或孔隙水压力的变化，特别是土体结构或组构的破坏和变化。盾构旌工对土体的扰动则表现为盾构对土体的挤压和松动、加载与卸载、孔隙水压上升与下降所引起土性的变异、地表隆起与下沉等‘７９１。盾构法施工引起周围 地层变形的内在原因是土体的初始应力状态发生了变化，使得原状土经历了挤压、剪切、扭曲等复杂的应力路径㈣。扰动的影响范围和程度取决于很多因素，包括：盾构型式、施工参数（土压舱压力，刀盘扭矩，推进力，出土量，注浆量，注浆压 力，盾尾间隙等）、土体性质及隧道所处环境、隧道上部荷载的影响、隧道几何尺寸等。 Ｎｇ．Ｒ．Ｍ．Ｃ．。ａｎｄ Ｌｏ，Ｋ．Ｙ（１９８６ Ｅ５１１）经过理论分析和实际观测认为隧道上方土体应力状态接近于三轴拉伸试验，隧道起拱线和反拱下侧则处于三轴压缩状态；并建 议了有限元分析软土隧道丌挖引起变形时所需土性参数的试验方法。易宏伟，孙钧（２０００ Ｅ７９１）分析了盾构施工过程中相对于盾构不同位置处土体经１７河海大学申请博士学位论文历的应力路径，对盾构隧道周围扰动土体分为４个区，如图１．２所示。建议将士体 比贯入阻力和孔隙水压力变化作为评价土体扰动的范围与程度的指标，数值计算中 参数选择应考虑到应力路径这一因素的影响。／７撼■刁酊■孤■汤Ｆ■蕊孤、，：’：二：２挤压扰动区①、＼卸荷扰动区③４５。＋巾／，７７卸荷扰动区④剪切扰动区②Ａ一―Ａ（ａ）（ｂ）图１．２盾构施工扰动分区（引自文献７９）张庆贺，朱忠隆等（１９９９［８０】）对盾构推进引起的周围土体扰动破坏机理进行了 理论分析，采用静力触探试验研究了盾构推进施工对地层扰动的影响，总结了盾构法 施工对周围地层扰动的一般影响规律，认将盾构机推进过程中前方士体应力状态可 以分为４个区域，并利用摩尔应力圆描述了不同区域的加载、卸载路径。 蒋洪胜，侯学渊（２００３［８１１）对盾构施工对地层扰动的一般性状的分析认为，地 层的移动在盾构隧道周围呈现区域性的不同特征，而且随工作面压力的不同，各扰 动区域间的分界面发生变化。研究了盾构法隧道穿越地下污水管道时盾构推进与地层移动的相关性。Ｂ．Ｓｃｈｍｉｄｔ（１９８９［ｓ２］）对软土隧道的固结沉降进行了研究，认为隧道开挖引起的 地表沉陷部分来自于开挖面和盾尾间隙的地层损失，而更大部分则是来自于士体的 固结，分析和实测表明，士体非弹性径向位移、开挖面过大的支护压力和隧道发生 的应变是引起超静孔隙水压力的原因，给出了预测超静孔隙水压力的方法。 张云等（２００２ｔ６ｌ】）在分析盾构法隧道引起地表变形的原因的基础上，将盾尾空 隙的大小、注浆充填的程度、隧道壁面土体受扰动的程度和范围等因素，概化为～ 均质、等厚的等代层，分析了地表变形对等代层参数的敏感性。在有实测位移的情 况下，可运用位移反分析法较准确地获取等代层的参数。 徐永福等（２００３Ｅ８３】）通过盾构施工的现场观测，分析了盾构掘进对周围土体的 影响程度，根据土体应力状态变化分析了土体的扰动程度并提出了应力扰动度的定 义，估算了土体孔隙水压力引起土体不排水强度的降低。第一章绪论１．２．１．３盾构施工对邻近建筑物影响研究 在市区环境中研究地下隧道施工对建筑物的影响具有非常重要的意义。Ｂｕｒｌａｎｄ＆Ｗｏｒｔｈ（１９７４１８４】）和Ｂｕｒｌａｎｄ等（１９７７１８５ ３）提出了基于极限拉应变概念的砌体结构破坏级别的分类标准。Ｂｏｓｃａｒｄｉｎ＆Ｃｏｒｄｉｎｇ（１９８９ｆｓ６１）在分析实际工程观测数据后指出，ｇｕｒｌａｎｄ等（１９７７｛”】）提出的破坏级别分类方法是基于假定的拉应变，重新确定了不同破坏级别下拉应变的变化范围。并进一步提出由角度扭曲Ｂ和水平应变来定义破坏级别的方法。Ｂｕｒｌａｎｄ（１９９５［８７１）和Ｍａｉｒ等（１９９６［８８１）提出由水平应变和挠度比△几定义破坏级别的方法。由于实际使用时△／Ｌ比Ｂ更容易确定，因而得到比较广泛的使用。Ｂｒｅｔｈ＆ＣｈａｍｂＯＳＳｅ（１９７４１８９Ｉ）和Ｆｒｉ ｓｃｈｍａｎｎ等（１９９４［９０１）分析了隧道在框架结构和砌体结构建筑物下掘进时引起的地面沉降，发现实测的地面沉降槽宽度比不 考虑建筑物刚度时的预测结果宽得多，地面沉降则小得多。指出在预计隧道掘进对 建筑物影响时必须考虑建筑物刚度的贡献。 王占生，王梦恕（２００２［”】）讨论了盾构施工对周围建筑物的安全影响，分析了 盾构通过建筑物时的组织方法，论述了盾构施工影响区域的划分和对建筑物影响进行预测的手段，提出了盾构通过建筑物时的施工控制参数和常见的工程处理措施。Ｆｏｒｔｈ＆Ｔｈｏｒｌｅｙ（１９９６”】）观测了一座建在直径２ｍ的挖孔桩基础上的３１层高楼当两条直径９．７ｍ隧道从旁掘进时引起的建筑物沉降，靠近隧道处的基础沉降达到１２ｍｍ，认为沉降的主要原因是地层发生指向隧道的竖向位移导致桩侧摩阻力减小。 Ｖｅｒｍｅｅｒ＆Ｂｏｎｎｉｅｒ（１９９１［１８１）用有限元法分析了桩端位于隧道『Ｆ上方或隧道轴 线附近情况下隧道开挖引起的桩基沉降，结果表明隧道开挖引起桩端阻力的减小， 桩基会随下卧土层一起下沉。 Ｈｅｒｇａｒｄｅｎ等（１９９６［９３１）利用离心模型试验对类似情况进行了研究，结果表明距 离隧道边缘两倍隧道直径以外的桩基基本不受影响，０．２５～ｌ倍隧道直径距离范围内的桩基沉降与地层损失成正比，０．２５倍隧道直径距离范围内桩基发生严重沉降。 Ｌ．Ｔ．Ｃｈｃｎ等（１９９９｛”Ｊ）利用隧道开挖引起地层位移的解析解和简化边界元法相 结合的方法研究了桩基在临近隧道施工时的水平和竖向反应。通过参变量分析认为隧道开挖对Ｉ临近桩基的影响与隧道形状、地层损失率、土体强度、桩径、桩长与隧 道覆土厚度的比值有关，并提出了评价桩体最大反应的简化表。Ｈ．Ｍｒｏｕｅｈ ａｎｄ Ｉ．Ｓｈａｈｒｏｕｒ（２００２［”Ｉ）利用三维弹塑性有限元分析了盾构隧道施工ｌ ０河海大学申请博士学位论文对近邻桩基的影响，计算结果表明桩体的内力分布主要取决于桩端相对隧道轴线的 位置及桩体轴线与隧道中心的距离，并指出群桩效应可以显著减小后部桩体的内力。李永盛，黄海鹰（１９９７ｔ”Ｉ）利用弹性力学开尔文解及弹性地基梁理论推导出盾 构推进对相邻桩体内力及挠曲影响的计算公式。为预估桩体因盾构推进产生的挠曲 于弯矩，确定盾构与桩体的最小允许间距提供了定量化分析依据。 曾小清，张庆贺等（１９９７ｆ９ ７】）基于半解析数值方法．运用时变力学、粘弹性理论对地铁双线盾构隧道的施工问题提出半解析位移函数的构造方法，给出平行隧道 盾构推进的数值模拟过程，得出两隧道开挖面相距越近，盾构间相互影响越大，地面沉降也越大的结论。认为同向推进的两盾构隧道开挖面距离最好在５０ｍ以上。 李强、曾德顺（２００１１９８１）采用三维弹塑性有限元，在真实模拟施工情况的基础 上，研究了新隧道从老隧道下面垂直穿过时，对老隧道的变形影响情况。研究表明， 推进力和稳定比Ｎ是影响老隧道变形的主要因素。 陈先国、高波（２００２［９９Ｊ）利用有限元程序ＡＮＳＹＳ对近距离平行隧道施工过程中，丌挖顺序、围岩类别、隧道间的帕Ｊ距、开挖和支护方式等因素对隧道间相互作用的影响进行分析，分析结果表明：后建隧道旖工对已建隧道有较大影响，分析结果既 不同于单孔隧道，也不同于交错重叠隧道。１．２．１．５盾构隧道衬砌受力性能研究盾构法隧道装配式衬砌结构是由若干弧形的管片拼装成环，然后每环之间逐一 连接而成的，管片与管片、环与环之间通过螺栓或其他方式连接。管片的拼装方式 有通缝拼装和错缝拼装两种。由于管片间接缝的存在，使得盾构隧道衬砌受力变形 性能与连续衬砌相比有很大的差异。目前在盾构隧道衬砌受力分析中，主要采用两 种计算方法：一种是将周围土层对衬砌的作用转化为衬砌的结点力施加于隧道周围， 即荷载一结构法；另一种是将一定计算范围内的土层与隧道看作一个整体，形成土 体一盾构衬砌有限元模型，即地层一结构法。 朱合华等（２０００／ｍｏ】）提出一种新的结构设计模型：梁一接头不连续模型。在此 基础上，利用管片内力的现场实测值，来反演确定作用在衬砌结构上的压力荷载的 分布模式与大小，结果发现二次抛物函数较线性函数更适合实际情况。同时，运用反 演分析技术对局部和全周地层弹簧作用模型进行了比较，发现全周地层弹簧作用模型较局部弹簧作用模型合理，考虑接头效应的结构设计模型比不考虑接头效应的结构设计模型更合理。黄仲晖（２００ｌ【”ｌ】）根据对错缝拼装衬砌环糊剪切力传递的主要途径的分析建立第一章绪论了错缝拼装衬砌二维计算模型，用三种剪切弹簧来分别模拟环间剪切力的三种传递 途径。在此基础上用壳单元模拟管片体，用多种弹簧分别模拟接头效应，建立了三 维骨架模型，对错缝隧道衬砌的纵向变形进行了分析。Ｋ．Ｍ．Ｌｅｅ ８Ｌｘ．ｗ．Ｇｅ（２００ｌ【…２】）在对软土地基中浅埋隧道周围土压力长期监测根据结果的基础上，提出了一种土压力分布模式。根据力法方程推导出一种新的确定 盾构隧道衬砌等效刚度折减系数的方法，该方法可以考虑接头刚度、土体抗力、接头分布、接头数量和隧道几何形状的影响。并提出不同情况下隧道变形匹配标准。 王慎堂（２００２［１０３１）将边值法应用于盾构隧道衬砌的内力和位移计算，推导出边值法计算隧道衬砌的内力和位移计算的统一公式。结合南京地铁南北线一期工程， 对盾构隧道衬砌通、错缝拼装形式下的内力和位移进行了对比分析。 黄宏伟，臧小龙（２００２ｆ…４】）以盾构法隧道为基础，结合工程实例，对软土盾构隧道 纵向变形和结构性态进行讨论，介绍了盾构隧道纵向变形的影响因素，重点分析了土 性不均匀与荷载变化两大主要因素对隧道纵向变形的影响，最后给出了具有一定指导意义的结论。何英杰，周晓雁（２００２［”５’）通过南水北调穿黄盾构隧道管片接头１：１仿真模型 试验，对管片连接螺栓变形的影响因素进行了系统的研究分析，获取了不同偏心距、不同弯矩荷载、不同管片接头间的垫层厚度、不同螺栓预紧力、不同螺栓位置条件下的螺栓受力状态和变形特征资料。 钟小春等（２００３［”６１）采用可以考虑接头效应的粱一弹簧结构计算方法，对常用 荷载模式下通缝与错缝在结构受力、衬砌变形、隧道防水等方面的差异进行分析。 采用旋转弹簧和剪切弹簧分别模拟管片阳ｊ和管片环间螺栓的实际效应，同时将地层与管片之间的相互作用用地基弹簧单元来模拟。结果表明由于错缝的存在，使得管片环之间的螺栓可以发挥纵向加强作用，使得管片间接头处的薄弱部位得到加强从而增加了管片环整体的刚度，通、错缝衬砌之间差异与管片间接头螺栓刚度和地层软硬密切相关。胡如军等（２００３［”７１）采用折减剐度法对盾构隧道管片设计中的关键参数包括： 围岩强度参数、地下水位、土体重度、管片厚度和管片刚度折减系数进行了灵敏度 分析，明确了围岩条件、结构条件对设计计算结果的影响，提出了设计取值的一些原则。黄昌富（２００３［１０８］）采用梁一非线性弹簧模型，对盾构隧道通用装配式管片衬砌 在基本拼装方案下各典型计算点进行最大截面内力及变形计算，确定管片设计控制 荷载点；并在通用管片衬砌环布置时可能出现通缝及错缝拼装情况下进行多种方案 组合计算，进而确定控制管片设计的拼装组合．发现错缝拼装和通缝拼装相比，管片截面内力增加，变形减小；错缝拼装时，随着每组环数增加，截面内力呈减少趋势，螺栓剪力成增大趋势，变形呈增大趋势。河海大学申请博士学位论文官林星等（２００４［…９】）采用提出了考虑荷载工况组合的衬砌受力分析。建立了盾 构隧道衬砌的结构分析模型，根据施工过程对荷载进行分类，依据规范对不同的工况进行荷载组合，得到衬砌内力包络图。肖明（１９９７１”０】）采用三维非线性有限元分析盾构隧洞装配式衬砌与地基共同作用情况下的受力特征和变形规律。用各向异性材料接缝单元模拟管片接缝，用Ｇｏｏｄｍａｎ摩擦单元模拟土体和管片之间的注浆层，用隐式杆单元模拟预应力螺栓。分 析认为土体的侧压力系数变化，对装配式衬砌的变形、应力分布有较大影响。侧压力系数越大，其稳定和受力特性越好。正确选择土体的侧压力系数对衬砌设计是十分重 要的。其在分析隧洞与地基共同作用时，只考虑了重力影响，而没有考虑盾构施工荷载。章青，卓家寿（１９９９［…】）基于不连续介质变形体的界面应力元理论和方法，建立 了盾构式输水隧洞的计算模型。该模型放松了离散单元交界面上的位移连续条件，可以较好地反映内衬与外衬接触面、外衬管片之间缝面、外衬与土体交界面上的不 连续变形特征。 Ｃ．Ｂ．Ｍ．Ｂ１０ｍ等（１９９９［“２】）利用ＡＮＳＹＳ有限元软件，建立了盾构法隧道错缝拼装衬砌施工阶段受力分析的三维有限元模型。考虑了盾构隧道衬砌的拼装荷载、主动土压力、注浆压力、千斤顶推力的作用。在衬砌周围设置弹簧单元模拟地基抗力， 通过接触面单元模拟接缝的影响。假设地基抗力和注浆压力沿隧道纵向为线性分布。 刘文燕（２００２［“３）通过建立二维和三维有限元模型．分析了盾构法隧道衬砌（通 缝和错缝两种拼装方式）在施工阶段受注浆压力和千斤顶推力作用下的力学性能。 将纵缝和环缝处的接头处理按具体分析目的简化为平面接触单元、弹簧单元和拉压杆单元的组合。计算结果表明纵向作用力的大小明显影响到施工阶段隧道的纵向变形情况。 谢小玲，苏海东（２００２［“４】）针对穿黄隧道盾构双衬砌结构特点，采用ＭＡＲＣ软件 基于直接约束的接触迭代算法进行考虑接触问题的平面非线性有限元法计算分析。计算中模拟了３重接触：外衬与地基抗力单元之间的接触；外衬管片间的接触；内衬和外衬之间的接触。同时模拟了内、外衬施工过程和荷载施加过程，得出了衬砌 结构变形的基本规律和结构细部应力特征。指出实际的盾构掘进过程是三维空间问 题，沿程土体的坍塌、隆起现象以及衬砌结构沿纵向的不均匀变形等空间特征，需 要用三维有限元计算分析，才能更真实的反映其结构的三维空间受力特点。 黄钟晖等（２００４［１１５】）建立三维有限元模型对盾构法隧道错缝拼装衬砌进行了分析；并在此基础上建立了坏缝处的纵向螺栓剪切模型．通过与三维计算结果的对比，认为螺栓剪切模型可以较好地模拟错缝隧道三维工作状态中纵向螺栓的剪切作用。 分析中采用与常规试验相同的４点加载方式，没有模拟衬砌与土层的相互作用。第一章绪论１．２．２研究现状评价纵观研究文献，国内外对于盾构隧道施工环境影响的研究方法主要有：经验公式方法、模型试验方法、现场实测方法、数值计算方法等。这些方法各有优缺点，更 多场合则是将这些手段结合起来应用。这些方法在研究盾构隧道施工环境影响方面已经取得许多有价值的研究成果，但还存在下列问题：１、经验公式方法概念简单，只要确定了公式的参数就可以很方便地得到地面沉降槽曲线。这种方法可以在一定程度上反映了土的性质、隧道的特点对沉陷的影响，对于一些土质较好，施工技术、施工设备较完善，且已有类似工程实测资料地情况，现场量测结果与计算结果比较接近，这种方法有很大的优越性。不足之处在于： （１）经验公式方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奁取有关参数，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，它们的应用将更受到限制；（２）经验公式方法大都需要通过估算地层损失率来确定地表最大沉降，具有较大的随意性，难以较好反映隧道工程条件（隧道埋深、隧道直径、土层性质）和施 工参数（开挖面卸荷量、盾尾空隙填充率）的影响：认为沉降是在不排水情况下发 生的，仅出于地层损失而引起，而在沉降的后期，扰动土的固结沉降是主要因素， 这是地层损失的概念所无法反映的； （３）经验公式方法给出的沉降槽公式仅是地面的沉降曲线，对于地面以下至隧 道之间土层的沉降曲线，从许多实测资料可知是不符合高斯分布的。 ２、离心模型试验对于了解盾构隧道施工引起地层位移的机理，揭示各个施工因 素对地面沉降的影响具有重要意义。但其试验方法复杂、费用昂贵，模型难以精确 模拟实际工程地质条件和施工参数，且得到的信息有限。３、解析解得到的是理论解，精度高，计算量小，但解题范围有限，只有少数简单边界条件下可以得到解析解。 ４、半解析数值方法在处理三维问题时可通过在一个或两个方向使用解析函数来达到降低离散方向维数的目的，和有限元法相比减少了计算工作量。半解析数值方法在不同程度上保留了纯解析与纯数值两者的优点，避免了两法的缺点，对求解问题适应性较强。缺点在于：（１）半解析数值方法对几何形状的适应性及程序的统一性不如有限元法灵活： （２）半解析数值方法中解析函数的选择直接关系到结果精度和方法成功与否，河海大学申请博士学位论文且半解析元的单元劲度矩阵随着解析函数的项数增加而急剧增大，而取的项数越多，越趋向于收敛值，这对解析函数的选取提出了较高的要求，且边界条件仍有过多假设，有一定局限性。５、二维有限元分析计算量小，可以在一定程度上反映土体性质，施工参数对地层位移的影响。但却存在下列局限性：（１）横剖面模型只能对一个个独立的剖平面进行分析，在每一个剖平面上需根 据经验判断采取相应的加载方式，同时还要引入反映土体三维损失和工艺等经验参 数，增加了分析中的人为臆断性；（２）纵剖面模型的本质是利用长距离水平槽模拟隧道，这种方法更适用于长距 离矿山巷道； （３）纵一横剖面模型则利用两个平面应变问题的分析结果互相补充分析中所需 的信息，而这种相互依存的补充信息也不可能直接被利用，还是需要经过分析者的 经验处理，否则就是理论上的自相矛盾。导致这些局限性的根本原因在于，盾构隧 道问题是一个完全真实的三维动态发展过程，利用平面解硬套这个三维解，必然存 在局限性。因此，建立盾构隧道的三维有限元分析模型是研究的发展趋势【６”。 ６、三维有限元分析能够反映盾构隧道施工引起地层位移的三维性状，能够综合 反映隧道的施工过程。已有盾构隧道施工三维有限元模拟方法中仍存在下列问题：（１）现有方法在模拟盾构施工时考虑的因素不够全面：大多只考虑了开挖面卸 荷、盾尾脱空、千斤顶推力、盾尾注浆的影响，而对盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、挖除隧道内部土体引起的竖向卸荷和结构与土之间的接触问题涉及较少。（２）现有方法对开挖面卸荷、千斤顶推力、盾尾空隙填充、注浆材料凝圆等具 体因素的模拟方法还存在不合理的地方。（３）现有方法对盾构连续推进过程模拟方法的描述还不够清楚。７、对盾构隧道衬砌受力分析中，主要采用两种计算方法：一种是将周围土层对衬砌的作用转化为衬砌的结点力施加于隧道周围，即荷载一结构法；另一种是将一 定计算范围内的土层与隧道看作一个整体，形成土体一盾构衬砌有限元模型，即地 层一结构法。前人在对盾构隧道衬砌受力性能方面的研究已经获得很大的进展，但还存在下面的问题：（１）前人在利用荷载一结构法分析衬砌受力性能时，不论是利用有限元法还是 结构力学方法，均采用在理论分析或实测数据基础上假设的荷载模式，这种荷载模 式仍具有较大的近似性；（２）前人在利用地层一结构法分析衬砌受力性能时，大都集中在平面应变状态， 对于施工期盾构衬砌的三维受力性能的分析较少，且大都没有考虑接缝的影响。２４第一帝绪论１．３本文主要工作及创新盾构法已成为我国城市地铁旖工中一种重要的施工方法，由旋工引起的地面沉 降及其对周围环境的影响是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题。从前面对已有 研究文献的评述可知，由于问题的复杂性，所取的研究成果距工程实践的要求尚有 一定的差距。本文在研究盾构隧道旋工对周围环境影响时，将盾构施工过程中引起 的地面沉降规律和对周围临近已建隧道的影响作为研究的重点。 本文拟通过三维有限元数值方法柬研究盾构隧道施工对周围坏境影响，如前所述，现有的盾构施工三维有限元模拟方法考虑的因素还不够全面，对盾构施工中各种影响因素的具体模拟方法还存在不尽合理的地方，ｊ席要进一步发展完善。 本文将要进行的主要工作包括： （１）全面分析盾构法隧道施工环境影响机理，对现有方法在模拟盾构施工荷载 方面存在的不足之处进行改进，建立能够更加全面合理地模拟盾构施工过程中各种影响因素（包括：开挖面卸荷、刀盘超挖间隙、千斤顶推力、盾尾脱空侧隙、盾尾注浆及其凝固、挖除隧道内部土体引起的竖向卸衙、结构与土之间的接触等）影响的三维有限元模型。（２）编制程序将本文提出的盾构施工三维模拟力法在ＭＳＣ．ＶＩＡＲＣ中实现，并利 用它对实际工程进行模拟，分析盾构隧道施工引起的匕体应力变形规律。 （３）在隧道与土整体分析的基础上对盾构隧道拼装衬砌的受力性能进行研究。 （４）利用编制的盾构施工三维有限元模拟程序刘盾构隧道地面沉降影响因素进 行分析，提出能够反映施工中多种圜素（隧道埋深、隧道直径、土层压缩模量、开 挖面压力卸荷量、盾尾空隙填充率等）的地面最大移ｉ降预测公式。结合实测地面沉 降资料，对常用的地面沉降预测公式的适用性进行分¨ｉ，并提出修『Ｆ的建议。 （５）模拟盾构隧道施工对临近结构（近距离平行隧道）的影响，研究盾构施工 对临近隧道的影响规律，为今后工程实践提供参考。预期达到以下创新：（１）改进现有方法在模拟盾构施工荷裁方面存在的不足之处，建立能够更加全面合理地模拟盾构施工过程中各种影响因素（包括：开挖面卸荷、刀盘超挖间隙、千斤顶推力、盾尾脱空间隙、盾尾注浆及其凝固、挖除隧道内部土体引起的竖向卸荷、结构与土之间的接触等）影响的三雏有限元模型．（２）在隧道与土整体分析的基础上分析盾构隧道衬砌的受力变形情况．（３）提出够反映盾构施工中多种因素影响的地面最大沉降预测公式．（４）研究盾构施工对临近平行已建的影响规律．河海大学申请博士学位论文第二章盾构法施工的三维非线性有限元模拟方法２．１引言如前所述，盾构法隧道施工过程非常复杂，单纯依靠经验公式和试验研究难以全面 准确的反映盾构施工对周围环境的影响机理。数值模拟技术是盾构隧道旅工影响环境土 体性状研究的重要手段。特别是有限单元法，由于具有：能够适应复杂边界，非均质、 非线性材料本构模型，分析结果全面详细等优点，被公认为是目前求解各种工程问题的最有效的数值计算方法。有限单元法已经被广泛地应用于盾构隧道施工环境影响模拟中［４““ｌ。理论与实测研 究表明：盾构掘进引起的应力变化及相应的土体变形是一个真实的三维问题，在隧道达 到平面应变条件之前地层已经经历了三维的位移和应变变化过程，建立盾构隧道的三维 有限元分析模型是研究的发展趋势ｆ６８】。已有许多研究者在发展预测隧道施工引起地层变 形的三维数值模型方面投入研究【６５．７４１。从研究现状看，已有盾构隧道施工三维有限元模拟中仍存在下列问题：①在模拟盾构施工时考虑的因素不够全面：大多只考虑了丌挖面卸荷、盾尾脱空、 千斤顶推力、盾尾注浆的影响，而对盾构刀盘超挖、注浆材料的凝固、挖除隧道内部土体引起的竖向卸荷和结构与土之间的接触问题涉及较少； ②对开挖面卸荷、千斤项推力、盾尾空隙填充、注浆材料凝固等具体因素的模拟方法还存在不合理的地方；本文拟通过三维有限元数值方法来研究盾构施工对周围环境的影响问题，因此，建 立能够较全面反映盾构法施工主要因素的三维有限元模型，是研究盾构施工对周围环境影响问题的重要前提。有限单元法经过几十年的发展已经相当完善，盾构法隧道施工三 维有限元模拟的研究重点不应放在有限单元方法本身，而应放在如何选择合适的有限元模拟技术对盾构法隧道施工的具体细节进行模拟及对盾构推进过程的正确模拟。 本章的主要目的是发展一个基于盾构主要工艺特点的三维有限元模型，来模拟盾构分步连续推进施工：１）根据盾构隧道的工艺特点，提出一套针对盾构施工过程中各个 主要环节的有限元模拟方法；２）结合对ＭＳＣ．ＭＡＲＣ有限元软件的二次开发，将本文提出的盾构施工三维有限元模拟方法在ＭＳＣ．ＭＡＲＣ中实现。２．２盾构法施工原理简介盾构隧道施工法是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进 行隧道掘进、出渣，并在机内拼装管片形成衬砌、实旄壁后注浆，从而不扰动围岩而修筑隧道的方法。盾构机的所谓盾是指保持开挖面稳定性的刀盘和压力舱、支护围岩的盾 构钢壳，所谓构是指构成隧道衬砌的管片和壁后注浆体【１㈨１１”。―――――――――――――――』坚塑塑鲨堕！塑三生！！垡堡壹堡！！堡垫塑生２．２．１盾构法的主要技术环节盾构法施工是～个非常复杂的工程过程，它对周围环境的影响与施工的主要技术环 节密切相关。早在１９６９年Ｐｅｃｋ就指出盾构法施工引起的地层损失以及对相邻结构的影 响与旖工的具体细节是分不丌的ｆ７）。因此，理论分所时只有准确把握盾构施工的主要吲 袭４能得出符合实际情况的结果。盾构施工阶段主要包括以下几个主要的技术环节： （Ｉ）土体门１挖与丌挖面支护。土压平衡式盾构旌工过程中，通过切削刀盘的切削前方土体。挖七量的多少由刀盘 的转速、切削扭矩以及千斤顶推力决定，排±量的多少则是通过螺旋排上器的转速柬调 １ｉ。因为ｔ压平衡式盾构机是借助上压舱内土体压力束平衡开挖面上水压力的，为使土 Ｊｈ舱压力波动较小，施工中要经常调节螺旋排土器的转速和千斤顶的推进速度，术保持 挖上量和排士量保持平衡。 （２）盾构推进与利’砌拼装 盾构依靠干斤顺推力作用向自口推进。盾构推进过程中需要克服丌挖面土体压力、删 嘶ｒ体摩擦阻力羽１内部机械设备阻力，盾掏的总推力必须根掘各种阻力的总和及其所需 螫的富裕量决定，摊／Ｊ过大会使正面十体『上】挤压丽前移和隆起，而推／』过小辽影响推进 述度。干斤顺推动盾构胁进后，依次收缩千斤Ｔ日存盾构内部拼装衬俐。（：ｊ）盾尾脱空Ｌｊ璧后注浆千斤顶推动屑构机向ｄＵ推进时，使得本来缸于盾构壳内部的拼装对砌睨出眉壳的保 护，在讨砌外围产‘Ｅ建筑空隙（其体积等于盾壳对应圆筒体积与盾尾操作空删体积之 和）ｔ引起较大地层损失，如图７．１（ａ∥”７所示。如不采取补救措施会引起艰人的地层伯移和地面沉降，二）∞）国步与成时汀浆 肚叫汁浆幽２．１盾尾空隙ＬＪ肇席注浆（引白文献ｌＬ７）壁后注浆是对盾尾形成的施工空隙进行填充往浆，以减小出于盾尾空隙而产生的地２７河海大学申请博士学位论文基应力释放和地层变形，是盾构施工的重要环节之一。如图２．１（ｂ）所示，壁后注浆有通 过在盾构壳上设置注浆管，在空隙生成的同时进行注浆的同步注浆方式和通过管片上预 留的注浆孔进行注浆的及时注浆方式两种，其中同步注浆更有利于地基沉降的控制。注 浆压力一般取１．卜１．２倍的静止土压力，通常采用０．３－０．４ＭＰａ，略大于隧道拱底的土压 力，为拱顶土压力的２倍以上。压浆量一般为理论注浆量（盾尾空隙）的１４０～１８０％。２．２．２盾构掘进导致地层位移的主要因素国内外众多学者【２，１８，３７Ａ８，４９，６５’６６，¨８１研究指出，盾构法修建隧道引起地层位移的主要原 因是施工过程中的地层损失、地层原始应力状态的改变、衬砌结构的变形，土体的固结 和次固结作用等，如图２．２所示。主要表现在：图２．２盾构掘进导致地层位移的主要原因（引自文献１１８）（１）歼挖面土体的三维移动。当开挖面的支护压力小于原始侧向应力时，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层沉降；反之，当开挖面的支护压力 大于原始侧向应力时，则正面土体向前移动，引起负地层损失而导致盾构上方土体隆起。 （２）盾构对土体的挤压和剪切摩擦。盾构掘进时都不同程度对土层产生挤压扰动和 剪切摩擦。另外，盾构掘进遇到弯道以及进行水平或垂直纠偏时，也会使周围的土体受 到挤压扰动，从而引起地表变形，其变形大小与地层的土质及隧道的埋深有关。 （３）盾构刀盘的超挖。为了使盾构能够顺利前行减小盾构壳上的摩擦阻力，通常盾 构的刀盘外径要大于盾构壳的外径，从而在盾构壳外围产生一定厚度的间隙，盾构机由 于自重发生下沉到底部，在横断面上形成超挖间隙，随后周围土体由于填充超挖ｆＢＪ隙而 产生指向盾构内部的径向位移。 （４）改变推进方向引起的超挖。盾构在曲线推进，纠偏，抬头推进或叩头推进过程 中，实际开挖断面不是圆形而是椭圆，超挖后引起地层移动。 （５）土体挤入盾尾空隙。由于注浆不及时．使盾尾后部隧道周围土体向盾尾空隙移 动，产生地层损失，导致地层沉降。在含水不稳定地层中，这往往是引起地层移动的主 要因素。 （６）盾尾同步注浆与及时注浆。地层位移与盾尾填充注浆量密切相关，注浆量不足 时周围土体填充盾尾空隙引起地层沉降；相反注浆量过大时甚至会导致地层隆起变形。２Ｒ第二章盾掏法施工的三维非线性有限元模拟方法∽管片环的变形。隧道衬砌脱出盾尾之后，在土压力作用下管片环产生的变形也会引起少量的地层移动。（８）土体固结和次固结作用。扰动土因超静孔隙水压力的消教而产生的地面沉降为 主固结沉降；这之后，土体骨架还发生持续很长时间的压缩变形，在此土体蠕变过程中 产生的地面沉降为次固结沉降。在灵敏度和孔隙比较大的软塑和流塑性粘土中，次固结 沉降往往要持续几年以上，它所占总沉降量比例可高达３５％以上。另外，注入盾尾孔隙的浆体也会产生固结沉降。 除了以上各种导致地层位移的原因外，盾构隧道掘进引起的地层位移还受到下列一 些因素的影响：（１）隧道埋深； （２）上部荷载； （３）土体性质；（４）后构机性能和操作水平。综上所述，影响盾构旖工过程中引起地层位移的因素很多，其表现形式是综合性的， 在研究盾构施工对周围环境影响时，只有比较全面的考虑各主要因素的影响才能得到合理的分析结果。２．３盾构法施工的三维非线性有限元模型隧道盾构施工中盾构机渐进向前，周围土体则是相对静止的。有限元法难以做到完全模拟盾构的连续推进过程，必须作一定的简化。通常将盾构推进作为一个非连续的过程来研究。假设盾构一步一步跳跃式向前推进，每次向前推进的长度（纵向）恰好为一个衬砌单元宽度，用改变革元材料的方法（冈Ｈ度迁移法）来反映盾构的向前。这与在模拟基坑开挖时每一级开挖掉一层网格以及模拟土石坝、路堤填筑时每一级荷载增加一层 网格的处理方法是相似的。盾构向前推进过程中周围土体的边界条件（位移边界、荷载 边界）发生变化，导致土体应力状态发生改变，将这种变化转化为相应的节点荷载作用 于节点，进行有限元计算，对边界条件的合理模拟直接影响计算结果。２．３．１材料性态的模拟本文在模拟盾构施工时，不同位置单元材料示意图如图２．３所示。通过变换相应位置单元的材料反映盾构向前推进。 盾构推进时与周围土体之间发生错动，因此需要在盾构壳单元与外围土单元之间设置接触面单元，用接触点对间的相对位移来模拟盾构与土体间的错动；同时周围土体填充盾尾空隙以及盾尾注浆作用下土体向外扩张，土体都要与盾构壳和后方凝固浆液发生 错动，所以需要在横断面上设置接触面来模拟它们之间的错动。本文采用无厚度Ｇｏｏｄｍａｎ接触面单元，放大后接触面单元的设置示意图如图２．４所示。第二章后构法施工的三维非线性有限元模拟方法土体单元 硬化浆液笛片单元∥ ∥钐 么∥ 钐 钐 肜 钐 ∥ 定 滋鼹 瞬圈 强懿 黼 豳黧 ＼ ∥夕―－●Ｉ。，，Ｊ。。７，。， ，。７７’盾｛ ｉ铜壳ｊ Ｌ元Ｌ＋＋｝＋＋＋＋Ｉ－＋＋＋＇■土体单元＾ ＋‘缓夕∥夕／’．卸｛ ｉ单元疆氍 秘驻户Ｌ，Ｕ勰 疆搿 聪繇操千Ｉ岁隙革兀－ｔｆＬ＋‘＋‘＋ ＋ ＋＿Ｐ＋，，， ’／７／’／∥ 钐 ∥∥ ∥ ∥ ∥ ∥ ∥∥――――――◆ 盾构推进方向图２．３不同位置处单元材料示意图土体单元 横向接触面 纵向接触面 盾构钢壳单元 操作间隙单元 管片单元图２．４盾尾空隙处接触面单元设置示意图本文对各种材料的具体模拟方法为： １土体材料 目前，在土工计算中广泛采用的各向同性模型有两大类，一类是弹性非线性模型， 另一类是弹塑性模型，两者都反映了土的非线性应力一应变关系特性。弹性非线性模型 比较简单，易于考虑土体的初始应力状态，计算参数容易确定，在实际应用中比较普遍。 本文采用邓肯一张提出的弹性非线性模型。 邓肯一张模型中，切线弹性模量和泊松比分别表示为【¨９】：１Ｅ＝［?一业２ｃ ｏｓ篱２０＂３Ｌ＋ｓ缸妒ｊ２叫詈）“１。Ｌｐ。Ｊ晓?，第二章盾构法施工的三维非线性有限元模拟方法Ｇ弛（％）（１―４）２（２．２）其中爿２ｉ叫新一篆器岽］ 再征（ｏｒＩ巫－０＂３）季ＤＥ。＝Ｋ…Ｐ Ｉ∑Ｉ ＼Ｐａ／（２．３）（２．４）式中：ｃ一土体粘聚力（ｋＰａ），妒一土体内摩擦角（。），Ｐ。一大气压力（ｋＰａ），Ｒｒ，Ｋ、１＂１、Ｇ、Ｆ、Ｄ、磁，为模型参数。卸荷的判别准则为：当盯。一口，＜（盯．一吒）。，且Ｓ＜ｓ。时。这里，（ｑ一吒）。为历史上曾经达到的最大偏应力，ｓ。为历史上的最大应力水平。 ２盾壳和衬砌的处理 盾壳和衬砌管片视为弹性材料，根据钢和混凝土的弹性模量和泊松比计算单元刚 度。管片采用Ｃ５０混凝土，弹模为３４５００ＭＰａ，钢壳的弹模为２１００００ＭＰａ。３间隙单元间隙单元包括：刀盘超挖间隙单元、盾尾操作间隙单元和盾尾脱空间隙单元。本文 用低模量的软材料来模拟，弹性模量一般取为１０ＫＰａ。４挖去单元的处理对被挖掉土体单元的处理，有两种方法：一种是把挖掉单元视为“空气单元”，将其模量取为极低值。另一种方法是直接将挖掉单元从整体网格中去除，使其刚度不参加整体刚度的集成，作用在被挖掉单元上的荷载也不参加整体荷载的集成，即将单元“杀死”。本文采用第一种方法。５开挖面卸荷单元本文为了模拟盾构开挖面卸荷引起的土体位移，在盾构开挖面前方设置卸荷单元 （开挖荷载的具体模拟方法见第２．３．２．２节），并认为卸荷单元由于刀盘的扰动破坏，其弹模有较大程度的降低，近似认为弹模变为原来的１／２，６浆液单元和硬化浆液单元 注浆材料的强度会随着时间的增加而增加，为了模拟注浆材料不同阶段的力学性质，文献［５７］对注浆材料不同凝固阶段的试样进行无侧限抗压强度试验，得到注浆材料不同龄期的抗压强度和弹模。本文借鉴文献［５７］的研究成果，对于盾尾同步注浆材料的模拟，根据其实际的凝固河海大学申请博士学位论文刚专训封耻饥㈢”［－一箍］二 铲叫斯一箍］２眨ｓ，式中：ｆ，、‰为接触面上两个方向的剪应力，盯。为接触面法向应力。０３，、国，和ＯＪ。分㈦ｓ，眩，，Ｏ＇ｙ＝∑一?ｈｉ吒＝吒＝Ｋ。Ｏ＇ｙ（２．８）第二章盾构法旌工的三维非线性有限／Ｌ模拟方法力，附加应力的计算可以根据超载的类型利用附加应力计算公式或根据数值计算得到。２．３．２．２盾构施工荷载的模拟如前所述。盾构法隧道施工工艺复杂，旌工过程中对周围环境产生影响的因素很多．只有较全面地反映各种施工因素的影响才能真实地模拟盾构施工对周围环境的影响。本文在利用三维有限元模拟盾构施工过程中对周围环境的影响时，不考虑土体的后期固结 和流变，本文在模拟盾构施工时对不同位置单元节点施加的主要荷载如图２．５所示。ｗ’＿‘ ‘ｗｌｌ ｔ⑤ｔ‘．＾≤阿‘Ｉ一一ｊ．‘●㈣ 豳麓 蕊蕊 涵滋 戮藤 ’②●一ｌｌ－Ｔ｝ｒ＿．●十＋｝ ＋ ＋‘ｌ Ｉｌ Ｉ ｌ３，．ｔ ｔ１ｆ黧麟麟 懑隧 隧 缀懑产ＬＰＵｔＴ．＋‘４Ｌｒ－＠ ■＝＋?＋ ＋ ＋ ｌ一一．。－‘日Ｔ帚Ｔ霉愈阿海大学申请博士学位论文得到的开挖面前方土体主要发生水平方向的位移，如图２．６所示（假设支护压力小于 开挖前土体侧向土压力）。而实际上由于开挖面卸荷引起的前方土体移动是三维的 【７１，因此这种处理方法并不合理。 ２）该方法会使推进同样距离的情况下，开挖面总荷载随着每一级推进距离的减 小，总推进步数的增加而增加，违背了有限元计算分级加荷时总荷载保持一致的原则。。 有限元是通过分级加荷的方式来模拟盾构的连续施工，而分级加荷需要遵循的首要原则 就是总的荷载与荷载增量步数无关，如：模拟基坑开挖及土石坝、路堤填筑时，不论分 多少级进行计算，挖掉（填筑）的总荷载保持不变。：，．１，．．：．二雾：：｛｛｜一，． ¨ｒ― Ｐ―ＰＰ一一～－ｌｊ１； ｜｛ ；｜！ 喜≤一ｔ．－Ｉ幽２．６按方法一计算得到的开挖面十体位移矢量图方法二：［文献６８】利用新挖去土体单元在上一级荷载下的应力，根据～ｌａｎａ法计 算等效释放荷载，作用在新的盾壳单元和开挖面单元节点上。Ｍａｎａ法ｆ”１】的表达式为：ＨＥ｛Ｆ｝＝∑『【口】７｛盯）咖一扛Ⅳ］７，咖百：；（２．９）式中：ＮＥ一该级被挖去的单元总数；［日卜一单元应变矩阵：｛盯｝一单元总应力矢量；｛ｙ）一体力：［Ｎ】一单元位移形函数。这种方法的缺点在于：运用Ｍａｎａ法计算等效释放荷载时，单元应力也不应该是开挖前单元的总应力。因为，盾构施工中开挖面土压仓内土体始终提供支护压力， 开挖面前方土体应力没有完全释放，因而其歼挖释放应力不像模拟基坑开挖那样直 接等于上一步计算得到的单元应力，而应该等于用开挖面单元应力改变量△ｏ。本文认为由于刀盘的搅动，开挖面前方土体受到很大的扰动，可以通过ｆｊ｛『方土体单元的变形来反映开挖卸荷效应。在开挖面前方设置开挖卸荷单元（如图２，３所示）， 施加开挖荷载的同时将开挖卸荷单元的模量降低。本文采用基于Ｍａｎａ法的等效释放荷载法模拟歼挖面土体的应力释放或增加。 如前所述，盾构施工中歼挖面释放应力应为开挖面单元应力改变量△ｏ可近似认为土体由原来的应力状态变为各向等压状态并且压力等于土压舱支护压力Ｐ。，±体单元应力第二章盾构法旌工的三维非线性有限元模拟方法改变量｛△ｑ，Ａａ，，Ａｃｔ：）＝｛ｐ。一ｑ，风一仃，，风一盯：）。盾构法施工区别于一般基坑开挖还在于开挖土体进入土压仓，土体自重并没有卸除，因此开挖释放荷载应该去掉 （２．９}