城市地铁隧道盾构法施工地表沉降分析.doc

日城市地铁隧道盾构法施工地表沉降分析Cities metro shield tunneling surface subsidence analysis 学生姓名 指导教师 摘 要浅埋暗挖隧道上覆地层己无自承载能力，荷载应全部由隧道支护结构来承担，但实际上，不但是土层，即使是干砂，地层仍能形成自然载拱。大量资料表明，随着地基土层压缩模量的增加，地面沉降逐渐减小。在土层压缩模量较小时，地面沉降和水平位移受模量的变化影响很大，随着盾构外径的增大，则由盾构施工引起的单位长度的地层损失就随着增大，在相同地面沉降槽宽度的情况下，最大地面沉降也随着增大；而隧道覆土厚度越大，则最大地面沉降值就会越小，但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度与盾构外径的比值即HD的增大而减小。土压舱压力过大，则地面隆起，压力过小，则地面产生沉降。盾构推进过程中，盾构纠偏、叩头、抬头、曲线推进等造成的超挖都会使得实际开挖面大于设计开挖面，从而引起多余的地层损失。在盾构暂停推进时，千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。由于盾构壳具有一定的厚度，为了便于管片的拼装及盾构的纠偏而在盾构壳与衬砌之间保留有一定的空隙。千斤顶推动盾构机前行时，在盾尾衬砌管片外围形成了建筑空隙，使得周围土层要填充建筑空隙而发生涌向隧道的位移而引起地面沉降。关键词：盾构; 沉降; 有限元AbstractShallow Tunnels overlying strata had no self-load capacity, the load should all by tunnel supporting structure to bear, but in fact, not only the soil, even dry sand, formation can still form a natural arch out. Large amounts of data showed that with the foundation soil compression modulus increases, land subsidence decreases. In the soil compression modulus is small, ground subsidence and horizontal displacement modulus changes by a great impact, with the shield diameter increases, caused by shield construction unit length increases as ground loss on in the same slot width of land subsidence in the case, along with the maximum ground subsidence increases; while the tunnel Futuhoudu larger, the smaller the maximum value of ground subsidence, but the ground subsidence trough width is greater. Maximum ground subsidence with Futuhoudu shield diameter ratio with that of H / D increases. Earth pressure tank pressure is too large, ground uplift, the pressure is too small, ground settlement produced. Shield forward process, shield correction, kowtow, rise, curve propulsion caused overbreak will make more than the actual design of the excavation face excavation face, causing excess ground loss. Shield pause in advance, the jack may cause retraction spill shield back, so that the excavation face slump or loose soil, causing formation damage. The shield casing has a certain thickness, in order to facilitate the assembly and the shield tube sheet corrective shield case and the lining in a certain gap between the retention. Jack push shield before the row, the shield tail lining segments forming the building perimeter gap, making the soil around the building to fill the gap occurred flock tunnel caused the displacement of ground subsidence.Keywords: Finite Element; Shield ; Settlement目 录第1章 绪论11.1 课题的目的、意义11.2 国内外研究现状21.2.1北京地铁十号线21.2.2天津地铁三号线31.2.3重庆轻轨新线一期31.2.4杭州地铁2号线31.3 课题的主要研究内容3第2章 盾构法施工地表沉降分析方法52.1 影响地表沉降的因素52.1.1地基土体特性的影响52.1.2覆土厚度H和盾构外径D的影响52.1.3土压舱压力的设定及盾构推进方向的改变52.1.4盾构后退52.1.5盾尾注浆填充率52.1.6土体挤入盾尾空隙62.1.7盾构推进速度的影响62.1.8地下水的影响62.1.9在土压力的影响62.2施工的主客观因素进行分析72.2.1客观因素72.2.2主观因素72.3 盾构法施工地表沉降分析方法82.3.1经验公式法82.3.2室内模拟试验法112.3.3理论法预测12第3章 盾构法施工地表沉降的数值模拟与分析173.1 数值模拟软件介绍173.1.1 FLAC3d简介173.1.2 ANSYS简介183.2工程概况253.2数值模拟分析273.2.1计算模型建立273.2.2材料参数及材料本构关系283.2.3计算结果及分析29第4章 各种因素对地表沉降的影响分析334.1考虑不同深度的的沉降分析334.1.1计算模型建立334.1.2计算结果及分析33第5章 结论375.1.本次分析存在的不足与局限375.2结论37参考文献39致谢41第1章 绪论1.1 课题的目的、意义近年来，世界范围内的城市化水平一直呈现出不断上升的趋势，即城市数目和规模都不断增加和扩大。随着中国经济的加快发展，中国的城市化进程己大大加快，预计到21世纪中期，我国的大中城市将增加到1000多个，城市化水平将达到50以上。但是，交通拥挤已成为制约我国城市发展的突出问题，如北京市干道平均车速已比lO年前降低50以上，而且时速正以每年2km的递减速度继续下降，据统计，市区183个路口中，严重阻塞的达60。如今，发达国家己把对城市地下空间的开发利用作为解决城市人口、资源、坏境三大危机的重要措施和医治“城市综合症、实施城市可持续发展的重要途径。实践表明：开发利用地下空间是提高土地利用率与节省土地资源，缓解中心城市人口密度、人车立体分流、疏导交通、扩充基础设施容量、增加城市绿地，保持城市历史文化景观，减少环境污染，改善城市生态的最有效途径【1】。发达国家解决城市“交通难”的主要措施是发展高效率的地下有轨交通，形成四通八达的地下交通网。根据预测和分析，我国特大城市的主要干道在21世纪初将达到巨大的高峰单向客流量，靠一般的公共电、汽车是不能解决的，只能选用高流量的有轨交通系统方案才行。高架道路对城市景观的影响将是很难接受的，高架线的建设往往使沿线地价贬值，而地铁沿线的地价很快增值。因此，地铁的建设将是我国21世纪城市地下空间开发的重点。除己开通北京、上海、天津、广州、深圳的地铁外，正在兴建的有北京地铁、上海地铁、广州地铁、深圳地铁、南京地铁、杭州地铁、重庆地铁、长沙地铁等，此外己经国家批准和正在筹建地铁的城市有20多座，预计21世纪初至中叶将是我国大规模建设地铁的年代地铁施工是在岩土体内部进行，无论其埋深大小，施工不可避免对岩土体产生扰动，使其失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化，这一过程引起的岩土体变形可能影响地表建筑和已有的管线、桩基、桥墩等地下设施。隧道施工引起的地表移动与变形，尤其是在地面建筑设施密集的城市中进行隧道施工，一直是人们十分关心的问题，过大的地表沉降与变形将会严重危害地面建筑物的安全和地下管线等设施的正常使用，这就要对隧道施工所引起的地表沉降提出较为可靠的预测与控制方法。过大的地表沉陷给地表房屋建筑、路面、防洪大堤等硕士学位论文为了能合理地评价由隧道施工引起的地表沉降及变形对地面建筑物、地下设施的危害以及周围环境的不良影响，国内外学者对此进行了大量的研究，也提出了许多预测方法。本文运用现有的分析方法对武汉轨道交通3号线盾构法施工模拟地表沉降分析，用于解决实际的施工问题【2】。1.2 国内外研究现状隧道施工引起地表沉降的因素很多，地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸、施工方法、支护形式等有关，而且还受到地层条件的影响。在城市中修建地铁时，准确预测隧道开挖引起地表沉降和变形非常重要，国内外学者经过大量研究，提出了一系列预测方法，主要包括经验公式法、解析法、数值模拟法以及模型试验法等。近些年来，对于浅埋暗挖地铁隧道工程，国内已建和在建的工程较多，但是对于较大跨度地铁隧道则相对较少【3】。现列举几例如下：1.2.1北京地铁十号线北京地铁十号线安定路站-：1E土城东站区间在靠近安定路站处，由于区间穿越安定路，安定路车流量比较大，并且路下管线密布，隧道穿越的土层为粉质粘土层和粉土2层，因此该段区间采用矿山法施工，设计为双连拱绀构。隧道埋深大约9m，跨度为llm，北京地铁5号线和平西桥站一北土城东路站区阃位于朝阳区樱花园西街下方，起讫里程K14+5290K15+4011，全长8721m，为双线，双线间距为148188m，洞顶埋深105m。洞身穿越粉土层、粉细砂层，地下水丰富。在渡线段内隧道断面有单洞单线、单洞双线、单洞大跨及双连拱隧道等多种型式。隧道采用浅埋暗挖法施工，地表设大口井降水，单洞最大开挖尺寸14m94m(宽高)，复合式衬砌结构，初期支护与二次衬砌间设全包防水层。北京地铁五号线东单站位于建国门内大街与东单北大街、崇文门内大街相交的十字路口东侧，南北向布置。下穿交通繁忙的建国门内大街，上跨一号线王(府井)一东(单)区间，车站总长2044m，车站中心里程K7+78151。车站两端是明挖框架结构，地下一层为站厅层，地下二层为站台层，两端部明挖长度分别约为692m和714m，开挖宽度为2308m，覆土厚度23m。车站中部为单拱两柱三跨暗挖隧道结构，单层站台层，暗挖段长度为638m，开挖宽度为239m，最小覆土厚度55m【4】。1.2.2天津地铁三号线天津地区位于海河下游，其土质为软土。软十的特性为：天然孔隙比大或等丁二10，且天然含水量人-丁液限的细粒土应判定为软上，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等，其压缩系数大于05MPa：不排水抗剪强度小于30KPa。天津地铁某车站1号风机房位于城市8车道交通线的下面，该风机房为矩形大跨结构，开挖宽度1474m，开挖高度64m，最小埋深为18m2Om，分5跨10部【5】。1.2.3重庆轻轨新线一期重庆轻轨新线一期工程是重庆市西部大开发十大重点工程之一，较场口车站及折返线为该工程的起点，全长395m(折返线长224m，车站长17lm)。该工程位于重庆市最繁华的商业闹市区，为保证施工时地面交通不中断，折返线0K0+135175段采用暗挖法进行施工。该段设计开挖高度1010m，开挖跨度118加，开挖断面积108302，隧道拱顶埋深28m47m，属超浅埋隧道。洞顶覆盖层从上到下分别为松散杂填土约430m，砂粘土约030m，下伏基岩为弱一中风化砂岩，岩体裂隙不发育，地下水主要为基岩裂隙水。1.2.4杭州地铁2号线此工程暗挖隧道段影响范围内共有挂牌古树6株，另外还有虽未挂牌但树龄约100年的香樟2株，树径分别为504cm和653cm，这些古树主要分布在解放路口环岛区域和清泰永厂内。其中，环岛区域内共计有古树7株，挂牌古树5株，树种分别为古樟和银杏；而位于清泰水厂内的一株700年的香樟树，属杭州市重点保护文物。过古树区段隧道结构为近距离双洞双车道城市道路隧道，考虑对古树的保护及其它因素设计上采用浅埋暗挖法通过。隧道单洞开挖跨度达126m，双洞隧道开挖宽度最大264，由于受路面坡度影响隧道覆土厚度从265m不等。根据平面位置关系，部分古树刚好位于隧道开挖线正上方如136号香樟位于隧道北开挖线内侧04m处，137号银杏位于隧道开挖线北侧03m处香樟1号位于隧道南开挖线内侧44m处【6】。1.3 课题的主要研究内容本文通过现场试验!理论研究及数值模拟计算,对盾构法隧道施工引起的地表沉降及地层位移进行了深入的研究,主要内容如下:(l)在阅读大量文献的基础上,总结了盾构法隧道施工引起的地表沉降及地层位移的研究方法及现状,阐明了研究意义;(2)研究了盾构法隧道施工产生的几何效应和力学效应,分析了地表沉降的机理;(3)结合隧道埋深!地层条件!掘进参数设置等因素对武汉轨道交通3号线王家湾站宗关站区间盾构法隧道施工过程中土体变形特性进行了分析,研究了地表沉降过程及分布规律;(4)结合实测地表沉降数据!掘进工况!施工实例等分析了盾构施工参数设置对地表沉降的影响;(5)采用ANSYS对王家湾站宗关站区间盾构法隧道施工开挖全过程严格按照施工工序进行了二维维数值模拟,考虑了隧道埋深!地下水位!盾构机械!地层损失率!土舱压力!注浆压力等因素对地表沉降的影响。【7】 第2章 盾构法施工地表沉降分析方法2.1 影响地表沉降的因素2.1.1地基土体特性的影响浅埋暗挖隧道上覆地层己无自承载能力，荷载应全部由隧道支护结构来承担，但实际上，不但是土层，即使是干砂，地层仍能形成自然载拱。大量资料表明，随着地基土层压缩模量的增加，地面沉降逐渐减小。在土层压缩模量较小时，地面沉降和水平位移受模量的变化影响很大【8】。2.1.2覆土厚度H和盾构外径D的影响随着盾构外径的增大，则由盾构施工引起的单位长度的地层损失就随着增大，在相同地面沉降槽宽度的情况下，最大地面沉降也随着增大；而隧道覆土厚度越大，则最大地面沉降值就会越小，但地面沉降槽宽度会越大。最大地面沉降随覆土厚度与盾构外径的比值即HD的增大而减小。2.1.3土压舱压力的设定及盾构推进方向的改变土压舱压力过大，则地面隆起，压力过小，则地面产生沉降。盾构推进过程中，盾构纠偏、叩头、抬头、曲线推进等造成的超挖都会使得实际开挖面大于设计开挖面，从而引起多余的地层损失。2.1.4盾构后退在盾构暂停推进时，千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失【9】。2.1.5盾尾注浆填充率由于盾构壳具有一定的厚度，为了便于管片的拼装及盾构的纠偏而在盾构壳与衬砌之间保留有一定的空隙。千斤顶推动盾构机前行时，在盾尾衬砌管片外围形成了建筑空隙，使得周围土层要填充建筑空隙而发生涌向隧道的位移而引起地面沉降。工程中普遍采用同步注浆或二次注浆的方法来减小由盾尾空隙引起的地层损失，从而减小地面沉降。在注浆时，地层所能承受的灌浆压力称为地层劈裂压力【10】。实际灌浆压力大于地层劈裂压力时，浆液可浸入地层，扰动地层，而加大了地面沉降；小于地层劈裂压力时，地层结构基本完好，浆液可全部进入原有的空隙。实践表明，为了减小地表沉降，应使注浆压力小于或等于地层辟裂压力。当注浆量较小时，可以抵消围岩土体的部分沉降，当注浆量很大时反而可能会引起地面隆起。定义单位长度注浆体积与盾尾建筑空隙体积(盾构壳的体积与盾构衬砌间空隙体积之和)之比为盾尾注浆填充率。考虑到浆液固结时，会有一定量的水份析出并渗入到周围土层，则实际充填浆液的体积会小于实际注浆量，故在注浆时，其实际注浆量应略大于盾尾建筑空隙体积。2.1.6土体挤入盾尾空隙因注浆量不足、注浆不及时、注浆压力不适当，使盾尾后部隧道周边的土体失去原来的平衡，向盾尾空隙移动，引起地层损失，致使地层沉降。2.1.7盾构推进速度的影响沉降具有时间效应，盾构推进速度快，则意味各施工工序时间缩短，减少了隧道开挖面的裸露时间，利于控制地层沉降。当然盾构推进速度应该由地层条件和盾构出土设备的出土能力共同确定。2.1.8地下水的影响地铁隧道施工一般处在地下水位以下，开挖排水后地下水不断渗出，如注浆封闭不及时或不理想，地下水则不断渗出，土层空隙固结收缩，引起地面超前超大范围沉降【11】。2.1.9在土压力的影响隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失；隧道渗水、涌水等携带泥砂、坍方等引起地层损失。除了上述因素外，还有其它一些因素，总之，地铁隧道施工时，地表下沉是很多因素的综合作用。合理的设计和巧妙的施工是控制地表沉降的关键手段。一般需要严格执行“严注浆、强支护、快封闭、勤量测”等方针。2.2施工的主客观因素进行分析根据上述分析，致使地层移动的9个因素中，有些是主观原因造成的，有些是客观造成的。因此盾构推进引起的地层移动因素有盾构直径、埋深、土质、盾构施工情况等，可划分为客观因素和主观因素。其中隧道线形、盾构外径、埋深等设计条件和土的强度、变性特性、地下水位分布等属于客观因素；而盾构的形式、辅助施工方法、衬砌壁后注浆、施工管理等，则属于主观因素。2.2.1客观因素客观因素是非施工人员原因而引起的地层移动，它与规划、设计和当地的地质情况等因素有直接关系，这类原因引起的地层移动通常发生在整个盾构施工过程中，并延续到施工结束后的较长一段时间。其具体表现为：(1)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。这一切将直接影响“建筑空隙”的大小。(2)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。(3)盾壳移动对地层的摩擦和剪切，造成对临近土体的扰动。(4)在土压力作用下，隧道衬砌的变形会引起少量的地层损失。(5)施工结束后，隧道本身的沉降，也会引起地面沉降。2.2.2主观因素主观因素是引起地层移动比较主要的因素，它同施工人员的工作态度、技术水平等主观因素有密切联系，这类原因引起的地层移动通常发生在盾构施工阶段。其具体表现为：(1)盾构严重超挖(欠挖)引起的地层移动。(2)在用一些自动化程度较高的盾构机具进行推进时，推进参数匹配不合理，如推进速度、正面土压力、注浆压力和盾构总推力等参数的设定不合理。(3)注浆量不足或注浆不及时，是引起地层移动较主要的原因之一，直接影响“建筑空隙”的充填。(4)在推进过程中，盾构“姿态”的纠偏对地层移动的影响是不容忽视的。(5)盾构后退。较长时间的盾构停止推进，千斤顶会因漏油而缩回，从而引起盾构后退，这样势必造成开挖面土体稳定失去平衡，土的内聚力减小【12】。总之，盾构隧道施工过程中引起地层移动的影响因素很多，其表现形式是综合性的，在研究盾构隧道施工对周围环境影响时，只有比较全面地考虑各主要影响因素的影响才能得到合理的分析结果。2.3 盾构法施工地表沉降分析方法2.3.1经验公式法主要通过对地表沉降数据进行统计处理后用数学形式对沉陷规律加以表现,进而对地表最大沉陷量和沉陷分布进行理论上和经验上的推断,以Peek公式法为代表:PeckR.B.(1969)通过对大量地表沉陷数据及工程资料分析后,首先提出地表沉降槽呈似正态分布的概念并认为地层位移由地层损失引起,且施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的,所以沉降槽体积等于地层损失的体积,由此提出横向地表沉降及最大地表沉降的估算公式 （2.1）式中最为距开挖隧道中心线横向距离x处的地表沉降值(m)；瓯戤为隧道中线处地表的最大沉降值(m)；i为沉降槽宽度系数(m)。Peck公式在实践中用得最广，很多学者在此基础上对不同地层条件的i值进行了进一步的研究，发现沉降槽宽度系数i取决于接近地表的地层的强度、隧道埋深和隧道径。Clough和Schmidt(1951)161提出饱和含水塑性粘土中，地表沉降槽宽度i=R(z2R)o。8式中：z为地面至隧道中心深度，R为隧道半径。OReilly和NEW(1982)在现场观察的基础上，认为对粘性土：i=043z+11；而对粒状土：i=028z11。Mair(1993)基于全球范围内的现场观测和离心试验数据，提出更为简单的公式：i=kz，对于粘性土k均值为05；对于砂性土或砾石k均值取025【13】。Attewell等(1982)提出了如下的估算公式： （2.2）其中，y为沉降槽的横断面面积，取值根据土类而变；k、行为与土体性质和施工因素相关的系数。elby(1988)和New与OReilly(1991)对由粘土层和砂土层组成的成层土中隧道的沉降槽宽度系数提出了简单合并的计算方法来考虑不同土层的厚度影响。如对于两土层的【14】。情况有： （2.3）其中，置、互分别为第i层土的沉降槽宽度系数的参数和厚度。(1)纵向地表沉降随着隧道的纵向开挖推进，在其纵向也会产生一定形式的沉降槽。当一个结构邻近或直接位于隧道中心线上，可能遭受更严重的破坏。纵向地表沉降的研究主要针对盾构法而展开。刘建航(1975)在总结上海延安东路隧道纵向沉降分布规律的基础上，提出了“负地层损失”的概念，并由大量的观测数据，得出了上海软土地层纵向沉降与施工引起的地层损失之间的统计公式。Attweell和Wodomna(1982)通过对粘土中大量隧道的检验，证明了累积概率曲线对于拟合粘土中隧道的纵向沉降槽是非常有效的。New和ORelily(1991)假定所有的地层变形满足常体积形式，按照横向沉降具有正态分布曲线形式的假定，提出纵向沉降应该具有累积概率曲线的形式【15】。Nopoto等(1995)、Moh等(1996)发现EPB盾构和泥水盾构隧道的沉降主要与盾尾空隙密切相关。Fang等(1993)提出土压平衡盾构纵向沉降随时间的变化曲线成双曲线型。(2)地表下土体的沉降由于新建隧道往往邻近既有隧道、管线、深基础等地下构筑物，这使得地表下土体的沉降研究同地表沉降研究同样重要。然而，这方面的现场测试数据却非常的少。Mari等(1993)对Peck公式进行了进一步的拓展，他们通过对伦敦硬粘土及软粘土中隧道施工引起的地表下土体沉降的大量实测资料和离心模型试验资料的分析，发现地表下土体沉降可以大致通过和地面沉降相同的高斯分布形式来描述。在地表下深度为z处，如果地表距隧道轴线的距离为磊，那么沉降槽的宽度系数f：可以表示为： （2.4）k值随深度的增加而增大，这表明地表下某一深度的沉降轮廓明显比假定k为常数时所预测的要宽得多。Mair等基于离心机试验同时提出了粘土地层七的计算公式： （2.5）将k、f。带入式即可求得对应的沉降值。Moh等(1996)和Dyer等(1996)分别在不同地质条件的隧道工程中，都观察到地表和地表下土体的沉降具有类似的轮廓，且k值随深度而增加。第3章 盾构法施工地表沉降的数值模拟与分析(3)土体水平移动结构和设施的破坏也可能由水平移动而引起，但实际工程中，对土和结构的水平移动进行观测的实例相对较少。Attewell(1975)和OReily与New(1982)针对粘土提出，土体位移矢量指向隧道轴线。这可简化为： （2.6）式中，S。：为地面下深度z处距隧道轴水平距离x处的沉降值；&为此处的水平位移值。这个假定可以得出地表水平位移分布为： （2.7）理论上的最大水平移动出现在沉降槽的反弯点，等于061经验公式法原理简单，易操作，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【16】。这种方法可以在一定程度上反映土的性质、隧道的特点对沉降的影响，对于一些土质较好、施工技术、施工设备较完善，且已有类似工程资料的情况，现场量测结果与计算结果比较接近，但是也不可避免的具有它的局限性：(1)经验公式的提出缺乏理论基础；(2)不能考虑特殊的隧道形状和施工工艺；(3)只能考虑单一地质条件：(4)经验公式法大都需要通过估算土体削减率来确定地表最大沉降，土体削减是一个经验参数，在施工前很难准确确定，只有通过反算和合理假设才能得到，这使其应用受到限制【17】。2.3.2室内模拟试验法室内模拟试验是指在实验室内针对某一工程具体条件，按照相似理论建立模型，进行模拟试验，然后得出地层运动规律的研究方法。1957年，Litwingszyn用大量大小相同的球体模拟地层，并对这种介质的应力、应变状态不作任何假定进行模拟试验。实验结果表明：沉降槽的横向分布曲线形式与概率形式相同。1969年，Hewer进行了二次加载的板状模型试验。结果表明：沉降曲线为S形。1974年，英国剑桥大学的Atkinson以砂和高岭土为介质，以橡皮膜敷于隧道内表明上进行模拟试验。试验结果表明：土的破坏面近似朗金主动破坏面，十分接近Peck曲线。1975年，Atldnson又以砂土为介质，使用了放射摄影法，并将铅丸埋置于砂中作为观察标点。结果表明：隧道的稳定程度随着埋深的增加而增大。1979年，梅尔做了松软土中隧道建造离心模拟试验。试验结果表明：土颗粒流动是指向隧道水平轴线附近。1980年，Takao Shimada等人以标准砂为介质，分别模拟松填土和密填土两种不同情况，研究土体的覆盖情况与横向下沉之间的关系。试验结果表明：地面沉降断面形状近似于正态概率密度曲线。并得出结论：隧道开挖的地表下沉量是由隧道的自身变形、地质条件、距隧道中心距离及地层覆盖厚度等四个因素控制。覆盖浅时，破坏面梯度变化大，曲线陡峭；覆盖厚时，破裂面梯度变化小，曲线平缓【18】。随着覆盖层厚度的增大，地面沉降量减小。1981年，Claudio Casarin矛IRobert Mair以超固结粘土为介质，对无支护隧道的变形与破坏进行试验。试验结果表明：隧道稳定性随着无支护长度的缩短而提高，随着埋深与直径的比值增大而提高。如果认为介质无土体变化，则地面沉降槽体积等于土坡损失体积。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【19】。2.3.3理论法预测理论法主要包括解析方法和数值方法。(1) 解析方法经验法只是大致地给出地表沉降的计算方法，它无法考虑特殊的隧道几何尺寸和地层的详细条件，更无法考虑施工方法、加固和支护措施等。随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果引入到隧道软土地层变形研究中，考虑地基土层的变形特点，将地基土作为弹性、弹塑性和粘弹性体考虑。Clough与Schimdt(1981)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。陶履彬、侯学渊(1986)用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场和位移场。Sagaseta(1987)基于不可压缩液体流动的解析解(应变路径法)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。日本的久武胜保(1992)研究了圆形隧道的非线性弹塑性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体的非弹性性质，并考虑了地层位移与时间的相关性。Verurijt与Brooker(1996)在Sagaseta研究的基础上，提出了半空间均质弹性体中隧道引起的地层变形的解析解，它适用于任意孔隙比的情况，且包括了由于地层损失和隧道的椭圆变形两种因素。Loganathan、Poulos(1995、1999)提出了软土地层不排水条件下预测隧道开挖引起地层位移的解析方法。他们在Lee等提出的“间隙参数”的基础上，对不排水条件下地层损失进行了重新定义，提出了“等效地层损失”参数。由椭圆形间隙引起的非线性地层位移，则通过指数函数形式表达的不排水条件下的等效地层损失并辅以适当的边界条件来模拟，并将修正后的等效地层损失应用于Verruijt与Boroker提出的闭合形式的弹性解，从而得到了隧道开挖引起的地表沉降、地表下土体的沉降和侧向变形进行计算的闭合解析方法及相关计算公式。由于受计算条件的限制，解析方法只能对较简单的边界条件和初始条件求出解答，所以解析法几乎都将地层假定为均匀的、平面应变问题，且大部分假定为轴对称的平面应变问题，这使其应用受到极大限制，更无法考虑施工条件对地层位移的影响。(2) 数值方法弹性介质的有限元分析法在有限元分析中，假定隧道周围的土体为均质、各向同性的弹性介质，土的力学属性取决于土的弹性模量E和泊松比y。对于分层地层可按加权平均法得出等代弹性模量E，和等代泊松比y，从而将介质转化为匀质介质。 （2.8）式中：各层土的弹性模量； 各层土的泊松比； 各层土的厚度； 土层的总厚度。由于泊松比变化很小，一般取0304。日本学者竹山乔总结弹性介质有限元分析的成果，并根据实测资料加以修正，提出地表沉降的估算公式如下： （2.9）影响范围： （2.10）沉降面积： （2.11）式中：H隧道覆土厚度；D隧道直径。采用弹性介质的有限元分析时，必须考虑盾尾空隙量和管片的刚度。弹塑性介质有限元分析法由于盾构推进过程中，周围土体受到扰动，若采用弹性介质的有限元法分析计算，往往估计值偏小，因此将土体作为弹塑性介质来进行有限元分析计算更为接近实际情况【20】。在弹塑性分析中，必须根据不同的土质适当选用相应的本构模型。弹塑性介质有限元法估算盾构施工引起地表沉降，能更好地反映土体特征对地表沉降的影响，考虑了土体本身的压缩性、剪胀性等因素，并能反映出沉降前后土体的应力变化和土体位移情况等。但是，采用该方法时，确定合适的本构模型和测定土体各种参数较困难。三维数值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。但是盾构隧道施工三维有限元模拟方法中仍存在下列问题：i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。ii现有方法对开挖面卸荷、千斤顶推力、盾尾空隙填充、注浆材料凝固等具体因素的模拟方法还存在不合理的地方。iii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国内采用数值方法进行隧道开挖对地层变位的研究文献也非常之多，分别对具体的工程问题进行了影响预测。总之，数值方法能够较好地考虑复杂的边界条件，模拟复杂的岩土介质的特性，动态模拟工程的实际建造过程，求解较复杂的隧道结构问题。4其他预测方法前文介绍了隧道工程对岩土环境影响研究的三种主要方法，每种分析方法各有利弊，三种方法并不是完全割裂的，分析中往往是采用其中某两种甚至三种法的综合，从而可以得到合适的结果。近年来随着数值计算方法、模糊理论等发展，在传统方法之外又发展了如专家系统、人工神经网络等研究方法。由于隧道问题的复杂性，利用传统的方法和技术很难揭示其内在规律，近几年来发展起来的人工神经网络(ANN)N论，在处理信息复杂、背景知识不清推理规则不明确的问题时，显示出其独特的优越性【21】。Jinsheng Shi等(1998)乖1J用BP网络对巴西利亚65Km盾构隧道的地表沉进行了预测，分析了该隧道施工的特点后，总结出11种主要的地层移动影响因素。孙钧等(2001)结合上海市地铁2号线的工程实践，论证了神经网络预测可行性和适用性。王穗辉等(2001)采用改进的BP网络算法，对上海地铁2号线盾构推进中道上方的地表变形趋势作了预报，通过与其它预测方法的比较，表明将人工神网络用于地表预测效果优于其它方法。罗筱波等(2003)采用多元线性回归分析方法建立了一个地面沉降和影响因素之问的回归模型，预测结果与实测数据较吻合【22】。，相对传统方法而言，人工神经网络方法可以同时考虑多种因素的影响，随着研究的深入，试验及实测数据逐渐增多，该法的预测精度会不断提高。但是采用人工神经网络技术的前提是输入数据的准确性、完备性和可靠性，而土的特性本身存在着不确定性，因此人工神经网络是一种仍需发展和完善的分析方法。多元回归分析采用平均曲线进行拟合、预测，不足以准确地反映预测值的离散性和随机波动性，且需要建立在一定的实测资料基础上，只能预测较短时间内的数据，因此带有很大的局限性。第3章 盾构法施工地表沉降的数值模拟与分析3.1 数值模拟软件介绍3.1.1 FLAC3d简介FLAC3d(Three DimensionalFast Lagranrian AnalysisofContinua)是美国ItascaConsulting GroupInc开发的三维快速拉格朗日分析程序。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，它可模拟岩土或其他材料的三维力学行为。拉格朗日元法的名词渊源于流体力学中研究流体质点运动的方法有两种，一种是定点观察的方法，为欧拉法，另一种是随流观察的方法，称为拉格朗日法。后者是研究每个流体质点随时间而变化的情况，即着眼于某一个流体质点，研究它在任意段时间内走出的轨迹、所具有的速度、压力等。将拉格朗日法移植到固体力学中，将所研究的区域划分成若干四面体单元网格，每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系，单元网格的结点就相当于流体质点，然后按时步用拉格朗日法来研究网格节点的运动，这种方法就称为格朗日元法。三维快速拉格朗日分析法采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形，尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点，这种方法在岩土力学中有重要的应用，它与离散单元法一样，系按时步采用动力松弛的方法来求解，不需要形成刚度矩阵，不用求解大型联立方程组，占用内存较少，便于用微机求解较大的工程问题。FLAC3D能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。它包含10种弹塑性材料本构模型，有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式，各种模式间可以互相祸合，可以模拟多种结构形式，如岩体、土体或其他材料实体，梁、锚杆、桩、壳以及人工结构如支护、衬砌、锚索、岩栓、土工织物、摩擦桩、板桩、界面单元等，可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。目前该软件在国外已被广泛应用于工程地质、岩土力学以及构造地质学和成矿学等研究领域。国内于20世纪90年代初才引进该软件，主要应用于工程地质和岩土力学分析，如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等，相对于国外，国内对FLAC3D在地质和岩土工程中的应用研究尚处于初级阶段，有相当大的开发潜能【23】。3.1.2 ANSYS简介ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。CAE的技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差分法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。ANSYS软件优势对于特定的物理学领域，ANSYS 的软件可让用户能更深入地钻研，从而解决更多种类的问题，处理更为复杂的情况。除了 ANSYS 外，没有哪家工程仿真软件供应商能提供如此深入的技术能力。ANSYS 的技术涵盖多个学科领域。不论是需要结构分析、流体、热力、电磁学、显式分析、系统仿真还是数据管理，ANSYS 的产品均能为各个行业的企业取得成功助一臂之力。ANSYS 在所提供的工程仿真工具的广度和数量上堪称绝无仅有。以真正耦合的方式使用 ANSYS 技术，开发工程师即可获得符合现实条件的解决方案。综合多物理场场产品组合能使用户利用集成环境中的多个耦合物理场进行仿真与分析。ANSYS 的成套产品极具灵活性。不论是为企业中新手还是能手使用；是单套部署还是企业级部署；是首次通过还是复杂分析；是桌面计算、并行计算还是多核计算，这一工程设计的高扩展性均能满足当前与未来的需求。ANSYS 是唯一一家能提供客户所需能力水平的仿真软件供应商，而且能随此类需求的发展无限扩展。工程设计与开发可使用多种 CAD 产品、内部开发代码、物料库、第三方求解器、产品数据管理流程等其他工具。与那些刻板、僵化的系统不同，ANSYS 的软件具有开放性和适应性特性，能实现高效的工作流程。此外，其产品数据管理可使知识和经验在工作组间与企业内的实现共享。ANSYS程序提供了两种实体建模方法：自顶向下与自底向上。自顶向下进行实体建模时，用户定义一个模型的最高级图元，如球 、棱柱，称为基元，程序则自动定义相关的面、线及关键点。用户利用这些高级图元直接构造几何模型，如二维的圆和矩形以及三维的块 、球、锥和柱。无论使用自顶向下还是自底向上方法建模，用户均能使用布尔运算来组合数据集，从而“雕塑出”一个实体模型。ANS YS程序提供了完整的布尔运算，诸如相加、相减、相交、分割、粘结和重叠。在创建复杂实体模型时，对线、面、体、基元的布尔操作 能减少相当可观的建模工作量。ANSYS程序还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能。附加的功能还包括 圆弧构造、切线构造、通过拖拉与旋转生成面和体、线与面的自动相交运算、自动倒角生成、用于网格划分的硬点的建立、移动、拷贝和 删除。自底向上进行实体建模时，用户从最低级的图元向上构造模型，即：用户首先定义关键点，然后依次是相关的线、面、体。ANSYS程序提供了使用便捷、高质量的对CAD模型进行网格划分的功能。包括四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、自由 划分和自适应划分。延伸网格划分可将一个二维网格延伸成一个三维网格。映像网格划分允许用户将几何模型分解成简单的几部分，然后 选择合适的单元属性和网格控制，生成映像网格。ANSYS程序的自由网格划分器功能是十分强大的，可对复杂模型直接划分，避免了 用户对各个部分分别划分然后进行组装时各部分网格不匹配带来的麻烦。自适应网格划分是在生成了具有边界条件的实体模型以后，用户 指示程序自动地生成有限元网格，分析、估计网格的离散误差，然后重新定义网格大小，再次分析计算、估计网格的离散误差，直至误差 低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数。在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作应力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。1、自由度约束（DOF Constraints）:将给定的自由度用已知量表示。例如在结构分析中约束是指位移和对称边界条件，而在热力学分析中则指的是温度和热通量平行的边界条件。2、力（集中载荷）（Force）：是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。例如结构分析中的力和力矩，热力分析中的热流速度，磁场分析中的电流段。3、面载荷（Surface Load）:是指施加于某个面上的分布载荷。例如结构分析中的压力，热力学分析中的对流和热通量。4、体载荷（Body Load）:是指体积或场载荷。例如需要考虑的重力，热力分析中的热生成速度。5、惯性载荷（Inertia Loads）:是指由物体的惯性而引起的载荷。例如重力加速度、角速度、角加速度引起的惯性力。6、耦合场载荷（Coupled-field Loads）:是一种特殊的载荷，是考虑到一种分析的结果，并将该结果作为另外一个分析的载荷。例如将磁场分析中计算得到的磁力作为结构分析中的力载荷。ANSYS基本原理 线弹性理论中应力-应变关系： （3.1）其中： ：应力分量，即在ANSYS软件里以S代替形式出现。 D：弹性矩阵或弹性刚度矩阵或应力-应变矩阵。利用(14)(19)给出了其具体表达式。(4)给出了其逆矩阵的表达式。通过给出完整的D可以定义少数的各向异性单元。在ANSYS中利用命令：TB,ANEL来输入具体数值。 ：弹性应变矢量。在ANSY中以EPEL形式输出。 ：总的应变矢量，即 th：热应变矢量，(3)给出了其定义式，在ANSYS中以EPTH形式给出。注意： el：是由应力引起的应变。 软件中的剪切应变( xy、yz和xz)是工程应变，他们是拉伸应变的两倍。通常用来表示拉伸应变，但为了简化输出而采用此表示。将在材料的非线性分析中说明总应变的分量，以EPTO形式输出。图1 单元的应力矢量图 如图1给出了单元应力矢量图。ANSYS程序中规定正应力和正应变拉伸是为正，压缩时为负。 (1)式还可以被写作以下形式： （3.2） 三维情况下，热应变矢量为： （3.3）其中： ：方向的正割热膨胀系数。 T=T-Tref T：问题中节点当前温度。 Tref：参考温度也就是应变自由时的温度。用TREF或MP命令输入。柔度矩阵的定义： （3.4）其中： Ex: 方向上的杨氏模量，在MP命令中用EX输入。 vxy:主泊松比，在MP命令中用PRXY输入。 vyx:次泊松比，在MP命令中用NUXY输入。 Gxy: 平面上的剪切模量，在MP命令中用GXY输入。 此外，D-1是对称矩阵，因此 （3.5） （3.6） （3.7） 由(5)(7)，可知xy、yz、xz、yx、zy和zx是不独立的，因此程序中必须输入xy、yz和xz(以PRXY, PRYZ, and PRXZ标记输入)或yx、zy和zx(以NUXY, NUYZ, and NUXZ标记输入)。对于正交各向异性材料，泊松比的使用有时会发生混淆，为此应该输入所有的泊松比。假定Ex大于Ey，xy大于yx。因此xy通常被称作主泊松比，yx通常被称作次泊松比。对于正交各向异性材料，使用者应该查明材料属性的来源，以便正确恰当的输入和使用。实际中，正交个向异向材料通常支持主泊松比形式。对于各向同性材料，各方向上的泊松比和弹性模量相同，因此在数据输入中没有区别。 利用(3)(7)，可把(2)展开成以下形式： （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12） （3.13）其中： x：x方向上的垂直应变。 x