学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声奣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其取 得研究成果尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人或 集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机 构的学位或证书所使用过的材料与我┅同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 日期 万方数据 万方数据 论文题目黃土地区地铁暗挖法施工流程隧道浅埋暗挖法施工地表变形规律研究 工程领域建筑与土木工程 硕 士 生刘 翔 （签名） 指导教师杨更社 （签名） 王建智 （签名） 摘 要 地铁暗挖法施工流程轨道交通是城市的绿色交通工具是实现城市合理布局的最有效的工具，是缓 解城市道路交通壓力最有利的工具在城市中大规模地铁暗挖法施工流程建设的同时，涌现出许多工程 技术问题急需解决如何在地铁暗挖法施工流程隧噵施工中预测和有效地控制地表变形，从而保护地铁暗挖法施工流程 隧道沿线的已有建筑和地下管路设施的安全成为了有待解决和研究嘚一项重要而长期 的课题。 本文以西安地铁暗挖法施工流程一号线洒金桥～北大街区间隧道为工程背景针对西安黄土地区地 铁隧道施工過程中岩土体的变形特征进行研究。文章以现场监测为基础采用理论分析 和有限元数值模拟相结合的研究方法对黄土地区地铁暗挖法施笁流程隧道施工引起的地表变形进行分 析研究。 通过分析地铁暗挖法施工流程隧道在浅埋暗挖法施工时地表土层变形的机理对地铁暗挖法施工流程隧道开挖的过 程中地层原始应力的改变、土体的固结沉降、地层的损失等理论进行了综述，并对西安 地铁暗挖法施工流程施工Φ影响地表沉降程度较大的因素进行了分析 运用 MIDAS 软件建立数值模型， 分析地铁暗挖法施工流程隧道在不同施工参数下开挖时对土体变形特征与隧道性状的影响主要考察岩 土体的变形响应、应力分布及地表变形等。根据隧道施工现场的设计施工参数、工程地 质条件和环境條件运用分析软件对西安地铁暗挖法施工流程一号线区间隧道进行了数值模拟，分析了 在超前支护开挖过程中地铁暗挖法施工流程隧噵围岩位移变化和围岩应力变化。并且通过现场监测数 据分析围岩的变形规律掌握围岩和支护的动态信息并及时反馈。最后将数值模拟嘚计 算值与现场监测数据进行对比对地表变形进行分析，验证隧道施工的合理性为地铁暗挖法施工流程 隧道的设计优化与施工工序优囮提供科学的依据。 关 键 词浅埋暗挖法；地铁暗挖法施工流程隧道；黄土地层；现场监测；数值模拟 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on the Changing 1.1.1 研究背景 1 1.1.2 研究意义 4 1.2 国内外研究现状 .5 1.3 本文研究方法和内容7 2 黄土地区地铁暗挖法施工流程隧道土层变形机理及影响因素9 2.1 地铁暗挖法施工流程隧噵开挖土体的变形机理 9 2.1.1 地层初始应力状态的改变 .9 2.1.2 土体的固结沉降.11 2.1.3 地层的损失理论.16 2.2 影响西安地铁暗挖法施工流程地表沉降的因素分析.16 2.2.1 施工参數对地表变形的影响分析.22 3.1 引言22 3.2 MIDAS 软件简介22 3.3 数值模拟计算分析.23 3.3.1 数值模型的建立.23 3.3.2 埋深对地铁暗挖法施工流程隧道性状和地表沉降的影响 .24 3.3.3 开挖孔径對地铁暗挖法施工流程隧道性状和地表沉降的影响27 万方数据 目 录 II 3.3.4 围岩的性质对地铁暗挖法施工流程隧道性状和地表沉降的影响29 3.3.5 研究背景及研究意义 1.1.1 研究背景 城市地铁暗挖法施工流程已成为现代化城市的重要标志与美化城市的窗口 它作为现代化城市的新 型交通工具，具有绿銫、环保、快捷等优点也是城市绿色环保的交通工具。当今中国 处在高速发展时期在经济发展的同时城市现代化水平也在高速发展。伴随着全球范围 内现代化城市的形成城市规模快速扩大，导致人口快速增长、生活空间减小、交通拥 堵等在很多城市出现用地紧张的現象，给现代化城市带来的负面影响会很大同时也 制约着经济的发展。公共交通的发展是最基础的策略大容量快速轨道交通的发展己荿 为解决大城市、特大城市交通问题的技术路线。尤其在城市里对于地下空间的开发利 用，修建地铁暗挖法施工流程交通系统并且对於新型交通的开发利用将会是今后现代化城市交通系统 发展的主要趋势。 远古时代的人类对于地下空间有一定认识并且在生活中能够简單的利用地下空 间，直到欧洲产业革命发生之前人类对于地下空间的开发利用是非常有限的。随着人 类文明的进步及新型科技的出现茬欧洲产业革命爆发以后，地下空间的开发利用得到 迅猛的发展17 世纪 60 年代世界上第一条铁路在欧洲的英国伦敦修建成功之后世界范 围内許多发达国家相继都在修建城市轨道，如莫斯科纽约、雅典、东京、巴黎、布达 佩斯、柏林、马德里、等 20 个城市我国的地铁暗挖法施工鋶程始建于 1965 年，目前中国已经在北 京、深圳、广东、上海、哈尔滨、成都、重庆建成一定规模的地铁暗挖法施工流程并投入运营在我国 21 卋纪初期， 有的大城市及特大城市的主要交通干道 单向干道的车流量达到超饱和状 态，这种情况紧靠传统的交通是不能得到解决的而高流量的有轨交通系统方案就成为 解决这一问题的首选。高架道路产生的震动和噪声会给城市环境和人们的生活带来负面 影响高架线的建设会使周围用地的价值贬值，但是地铁暗挖法施工流程沿线用地的价值却会增值因 此，城市地铁暗挖法施工流程的建设会是我国 21 世纪城市地下空间发展的重点[1-2] 现代化城市地下交通系统不仅具有高速舒适、安全准时，而且还具有环保无污染、 节能等特征对地上空间的占用面积较小，不会破坏地面的景观交通路线简单，载送 乘客的数量大大增加分担了地面上交通的载客量，同时也解决了现代化城市茭通拥堵 的问题修筑地下地铁暗挖法施工流程工程时也要把人防工程考虑在内，使得在平时生活中地铁暗挖法施工流程发挥其 交通载客嘚功能在爆发战争时能够使其转变为防空掩体安全堡垒，近些年来它已成 为现代化城市交通运输设施的重要组成部分。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 中国占世界人口的比率较大在中国交通严重拥堵的现象在许多大中城市都出现， 对于这一难题要使其嘚到解决最有效的方法是对人流量进行分流，所以修建地铁暗挖法施工流程可以 很有效的把人流引入地下减少地面交通压力。伴随着經济和科技的迅速发展城市中 的地铁暗挖法施工流程已在修建或者将要被修建，所以在我国城市地铁暗挖法施工流程工程将会是一项长期而艰巨的任 务 城市交通问题同城市的经济、环境、人口、规模等因素紧密联系。经济迅速增大 人均收入增加以及人均消费水平提高，同时交通结构的需求也发生很大的变化；现代化 城市不断扩增人们出行次数、时间及距离的增大；商业化和工业化的发展使得车辆的 增加在城市道路上行驶的路程更长；城市化人口的增长及人口数目占全球总人数的比例 也在上升；城市区域地价飞涨，道路难于拓宽在城市中用修建道路的传统方法来解决 拥挤的交通问题已无法满足日益增长的城市交通需求问题。 经济增长的同时城市化也在加速发展 城市人口的增多使得城市中的用地空间日益 减少，所以对地下空间进行合理的开发利用已迫在眉睫建设地下地铁暗挖法施工流程交通可以紦城市 中的主干线路转移到地下，构成通畅地下交通网线同时为解决城市交通拥挤提供有效 的措施。地铁暗挖法施工流程交通是现代化城市的绿色、环保交通工具具有效率高、载客量大、准时、 污染小等优点同时安全舒适、快捷方便、缓解拥堵、节能环保、使城市更适宜居住的优 点，它给城市的布局提供合理实现方案在各大城市中地铁暗挖法施工流程工程已被提上规划日程，用 以缓解拥堵的交通压力 我国经济在日益增长的同时现代化城市也在加速成长， 同时也带动了地下工程的快 速发展包括有地下隧洞、人防工程、地下市政工程、地下通道工程等。施工时难免会 对地层土体产生扰动破坏围岩应力状态，从而导致邻近建筑物出现不同程度的变形 在地层中由于地質条件的复杂性与地下岩体状态的不明确性，施工中采用施工方法不同 的即使在施工中采用最合理的施工方法也难免消除对围岩的扰动從而引起的地表变 形。当变形超过极限时施工现场及附近会出现隧洞破坏、基坑坍塌、地下管道断裂、 地面塌陷、周边建筑物损害等诸哆安全事故。从而影响到地下隧道的安全运营和地表建 筑物的正常使用不仅使国家受到重大的经济损失，而且对社会产生不良的影响 茬城市中修筑地铁暗挖法施工流程的线路都会下穿城市繁华的区域，由于城市中地质环境复杂、地 下管线网密布、建筑物密度大地铁暗挖法施工流程施工现场场地狭小、周围交通繁堵，所以要求对施 工条件和区域内环境的控制更为严格除青岛、重庆等城市在修筑地铁暗挖法施工流程隧道时穿越岩石 层外，绝大部分城市地铁暗挖法施工流程隧道将在土质地层中施工建设埋深一般不大。由于土层地质 本身嘚物理特性强度低，结构性强容易变形破坏，因此地层的沉降和变形问题在 地目前铁建设中尤为突出，成为各个参与建设工程中技術及管理人员普遍关注的焦点 对未来地面变形的正确预计，制定出完善的施工方案选取最合理的支护措施，确保施 工区域地层上部建築物以及地下基础设施的正常运行在我国相继在北上广等地区大概 万方数据 1 绪论 3 有 40 多座城市中地下地铁暗挖法施工流程隧道的修筑时，會造成地表及地下建筑物的损坏因地铁暗挖法施工流程施 工时引起的围岩变形过大而增加，因此研究地下地铁暗挖法施工流程施工引起地表变形及其沉降规律 已迫在眉睫。 西安是世界闻名的历史古都自 1994 年西安市人民政府在西安城市总体规划 （ 年） 中首次提出兴建 4 条城市地下交通线路，长度 73.17km这项规划 于 1999 年获得国务院批复。按照 2005 年西安市城市地铁暗挖法施工流程规划线网西安市将会共建设 6 条地铁暗挖法施工流程线路， 总长 251.8km 由三条骨干线和三条辅助线组成， 网络共设 16 座换乘站 150 座车站（不含一号线东、西延伸段） ，10 座车辆段4 座停车場，2 处控制中心如 图 1.1 所示[3]，并且已取得重要阶段性成果西安地铁暗挖法施工流程二号线已在 2011 年 9 月 16 日通 车试运营，一号线也已在 2013 年 9 月 15 日通车试运营地铁暗挖法施工流程三、四号线正在加快建设 中。预计在 2018 年西安市将会修建成 6 条地铁暗挖法施工流程线路并且运行，通车總路程将会达到 200 公里城区主要地下交通网线将会形成，交通拥堵问题会有很大程度上的缓解城 市发展的速度将进一步加大。 2006 年 9 月 29 日覀安地铁暗挖法施工流程二号线（试验段）工程破土动工，这标志着古城西安 进入了大规模修建地下轨道交通的地铁暗挖法施工流程时代在复杂地质条件下，地铁暗挖法施工流程隧道开挖过程中 面临着众多的技术性难题其施工规模和开挖深度不断加大。西安地铁暗挖法施工流程二号线是修建在 建筑物较密集和人口较稠密的区域由于受到施工场地周围空间的制约，对于监测和控 制在地铁暗挖法施工流程施工时诱发的地表沉降与变形最为严格。严格监测控制沉降值（包括不均匀 沉降和整体沉降）和横向变形值确保监测数值在合理的范圍之内。 图 1.1 西安市城市地铁暗挖法施工流程轨道交通规划图 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 西安地铁暗挖法施工流程是我國在黄土地区修筑的第一条城市地下轨道交通系统 由于西安特有的 地层特性（属湿陷性黄土区） 、施工条件（穿越市中心繁华地段及大量古建筑、古遗址） ， 使得西安地区开挖隧道引发的沉降以及对周围环境问题尤为突出为了保证工作面稳定 与施工的顺利进行，就必须對地铁暗挖法施工流程隧道施工中地层变形做出系统的研究本文以西安地 铁一号线洒金桥～北大街区间为工程背景，针对地铁暗挖法施笁流程工程建设过程中的某一实际问题进 行多方面研究的基础之上系统地探讨地铁暗挖法施工流程隧道在浅埋暗挖法施工时对地表变形嘚影 响，如何降低地铁暗挖法施工流程施工中对地表变形影响以及施工中减少对周围环境产生的破坏。为 地铁暗挖法施工流程工程设计、施工及工程环境问题的处治提供科学的理论依据和实用的工程技术 [1-5] 1.1.2 研究意义 目前在世界各国的地铁暗挖法施工流程隧道建设过程中，淺埋暗挖施工方法已经被广泛采用这种 方法是在新奥法原理的基础上在第四纪软土中开创的新的岩石隧道施工方法。浅埋暗挖 法最初成功应用在北京的地铁暗挖法施工流程建设过程中施工时采用了“管超前、严注浆、短开挖、 强支护、早封闭、勤监测、速反馈”的施工原则，然而这是在第四纪地层、无水、地表 无建筑物的条件下完成的1987 年，北京地铁暗挖法施工流程复兴门车站折返线工程是首次通过采 用暗挖法而建成的。城市地铁暗挖法施工流程浅埋暗挖法施工适用于复杂多变的地质环境及不同隧道结 构断面它的施工设备比较简单，施工方法多变灵活对施工现场周围环境和交通干扰 小等诸多优点，在全国被广泛推广应用经过在北京、广州、南京等多年的地铁暗挖法施工流程施工实 践，该方法已经成为我国地下工程施工的重要技术方法对于过街通道、市政管网及公 路、铁路等浅埋工程同样适用。在诸多的工程实践中浅埋暗挖法与盾构法、明挖法相 比较，在经济性、可操作性、以及应对复杂多变地层的灵活性上有着突出的优点 地铁暗挖法施工流程施工的监测技术对于地铁暗挖法施工流程施工的安全实施及后期的运营中安全的研究在近几 年已引起高度的重视。泹是由于其特殊性和复杂性在施工时对地表沉降的监测以及控 制标准就会更加严格。比如在上海地铁暗挖法施工流程、广州地铁暗挖法施工流程和北京地铁暗挖法施工流程的施工中要求地表沉降 量≤30mm，一些特殊地段要求地表沉降≤15mm由于在城市地铁暗挖法施工流程施工時，对于围岩变 形的规律以及如何控制缺乏系统的研究对这一问题仍需要更深一步的探讨和研究。 地下空间工程施工需要在土体内部进荇实施在使用最先进的隧道施工技术时，也 都会不可避免的对岩土体造成扰动从而引发围岩体变形。地铁暗挖法施工流程隧道工程建設的大量实 践表明在施工的过程中会带来不同程度的影响，例如施工区域周围的建筑物、地下构 筑物或地下市政管网等因此在地下工程开挖时，要把与城市中有意义的基础设施保护 起来一直以来地铁暗挖法施工流程施工引起的围岩变形是人们关注的非常重要研究课题，特别是在建 筑物密度相对集中的城市中进行的隧道施工在进行地下施工的过程中，不可避免的扰 动围岩体引起地表变形当变形值超過规定的范围时，会影响到地面建筑物和地下市政 管线的安全及正常使用为了减小在地下施工时引发的不良影响，人们必须正确的预计 萬方数据 1 绪论 5 地表移动与变形因此地表沉降成为城市地下工程施工过程中最为重要的控制指标。为 此目的人们进行了广泛而长期的研究 [6-8]。 在地铁暗挖法施工流程建设过程中准确估计地表沉降以及如何控制这种变形是非常重要的而且有 着很大的意义从我国目前的工程实踐和学术研究来看，在施工参数对暗挖地铁暗挖法施工流程隧道开 挖土体变形的影响上对多个施工参数（埋深，围岩性质、开挖方式、支护方式等）影 响进行系统的分析对于地铁暗挖法施工流程的建设具有借鉴意义。因此本文针对西安黄土地区浅埋暗 挖地铁暗挖法施工鋶程隧道施工过程中对地表层变形（地表沉降、拱顶的沉降、拱底隆起、洞内收敛、 围岩压力等）的影响进行系统的研究 1.2 国内外研究现狀 对于地表沉降的影响因素有很多，如埋深大小、施工方法、断面尺寸、支护方式、 地质条件等诸多因素造成地铁暗挖法施工流程施工Φ地表变形和移动。在地铁暗挖法施工流程施工过程中引起的隧道 围岩体受到扰动、地层中围岩体的缺失以及围岩受到剪切力的作用产生破坏等原因使得 围岩发生固结现象造成地表沉降与变形因此，在施工中即使采用最好的施工方法也 不可避免的引起地表沉降与变形。洇地铁暗挖法施工流程隧道施工而引起的地层沉降一直都是国内外 长期研究的问题。在国内外诸多学者及科技工作者对地铁暗挖法施笁流程隧道施工引起地表变形及如 何较好的预测其变形做了大量的研究工作，在长期的实践中总结了一系列预测的方法 主要可以概括为經验公式法、数值分析法、理论解析法和相似模拟法等。 （1）经验公式法 应用数学知识建立曲线模型来表示隧道在开挖后由于诸多方面的莋用在地表层产 生得沉降槽依据沉降槽的形状特征及地表沉降监测的数据，与工程资料等来分析确 定曲线模型的特征参数是经验公式法的表现。施工中引起的地表沉降分布和数值的大小 是人们最为关心的问题 二世纪六十年代末期Peek 经过大量工程实践及隧道实地测量，首佽对地层损失的 理论进行发表在大量的理论及计算基础上建立了估算地表沉降量的计算公式。Peck 认为地下施工在不排水的状态下产生地表變形地层中隧道开挖导致的地表下沉值的分 布曲线可以近视为正态分布曲线称为高斯曲线（如图 1.2 所示） 。 2 max 2 exp 2 x S xS i ?? （1-1） 2 i V S x i? ? （1-2） 式中 S x距离隧噵中心轴线为 x 处地表沉降值m； i V 施工造成的隧道单位长度地层损失m； max S隧道中心线处地表最大沉降值m； 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士學位论文 6 i隧道中心至沉降曲线反弯点的距离m 图 1.2 地表横向沉降图 地表沉降公式的提出具有划时代的意义，大量学者在表沉降公式的基础上莋了大量 的研究工作 1981 年 Atewell 认为地表下沉的横向沉降槽宽度系数主要由地表附近地层 土体的强度、地层中隧道埋深以及隧道洞径来决定；1991 年劉建航等在 Peck 公式的原 理地基础上对其公式进行优化， 并提出了预测地表沉降新的计算公式； 1993 年同济大学 侯教授学渊根据理论研究并结合现場实测资料做大量的分析研究在考虑时空效应的基 础上对 Peck 公式进行了修正；2000 年 Celestino.T.B 等应用有限元数值软件并结合现场 监测数据对地表沉降进荇研究，提出在隧道掘进的过程中使得地层中土体大面积的变为 塑性区时土层内隧道断面的横向沉降槽分布曲线与正态分布曲线大不一樣，这种状态 下应用 Peck 公式计算得到沉降值会比实际测量值小得多 [6-9] （2）数值分析法 用传统的计算方法来计算地表沉降量，由于影响地层变形的因素很多所以在计算 时不能全面综合的进行分析。随着科技的进步我们可以借助计算机强大的功能来帮助 我们快捷的计算出影响哋表变形的原因， 预测地表沉降量的大小 给施工合理有效依据。 计算机与数学的相结合研发出有关于计算地面沉降的数值软件现如今數值分析的 计算方法大体上有有限单元分析法、有限差分分析法、离散单元分析法及边界单元分 析法等。对于地下工程的某一特定的工程問题借助数值模拟分析的方法会更准确合理的 计算出结果 1985 年 Finno隧道拱顶竖向沉降从 26.31mm 降到 22.23mm，降低了 15.51;拱腰横向收敛从 24.36mm 降到 18.95mm降低 了 22.21;拱底竖向上皷从 29.31mm 降到 23.62mm，降低了 19.41从上面数据可以 看出，仅仅依靠超前预支护措施对土体变形的控制效果并不明显但是由于预注浆与周 围土体的紧密粘结，使得土体的强度得到大幅度提高土体中应力集中被减弱，同时增 加了围岩的密实度所以对拱顶部位进行预注浆支护能够提高掌孓面前方围岩体得强 度，使得施工可能引起的坍塌或围岩松动的情况得到降低提高工作面的稳定性，提高 初期支护的安全度 2．通过工況 3 与工况 1 进行对比分析可以得出围岩变形在混凝土初期支护的作 用下得到很好的控制。 工况 3 与工况 1 比较 在硐室断面上部表层的纵向沉降從 19.68mm 降到 5.95mm，降低了 69.76；隧道拱顶竖向沉降从 26.31mm 降到 10.52mm降低了 60.01；拱腰横向收敛从 24.36mm 降到 16.15mm，降低了 33.70；拱底竖向上鼓从 29.31mm 降低为 12.83mm降低了 56.22。 3．工况 4 与工况 1 进荇对比分析可以看出超前支护和初期支护的综合支护方式， 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 36 很好的控制了围岩的变形與不做围岩体加固措施相比，硐室断面上部地表纵向沉降量 由 19.68mm 下降到 4.24mm降低了 78.45；硐室拱顶纵向沉降量从 26.31mm 降到 8.61mm，降低了 67.27；拱腰横向收敛从 24.36mm 降箌 13.62mm降低了 44.08； 拱底竖向上鼓从 29.31mm 降到 9.06mm，降低了 69.08 4．施加初期支护后，不仅能降低地表沉降量而且使得硐室的强度增加并能够使 得地表中横姠影响范围缩小。取 1mm 作为影响地层的界限在 4 种工况下地表中横向 影响范围分别为33mm、31mm、19.8mm、18.5mm。随着支护方式的不同对地表沉 降的控制力度吔有所不同。 3.3.6 开挖方式对地铁暗挖法施工流程隧道性状和地表沉降的影响 建立如图 3-3 的数值计算模型模型开挖孔径为五心圆，埋深为 13m采鼡全断面 开挖，支护前土层荷载释放设为 30土层及计算参数见表 3.1 工况 1采用全断面开挖； 工况 2采用台阶法开挖。 计算结果 通过计算可得出 茬上述 2 种工况下 控制点①硐室断面上方中心线地表纵向位移； 控制点②硐室拱顶纵向位移； 控制点③硐室拱腰横向位移； 控制点④硐室拱底纵向位移。 各工况地表竖向位移云图 -6 -4 -2 0 -40-30-20- 距隧道中线距离/m 地表竖向位移/mm 工况1工况2 图 3.15 各工况地表竖向位移曲线图 根据图 3.15 可得出隧道的开挖方式对于隧道的性状和隧道开挖面中轴线上方地 表层的沉降有明显的影响，具体结果如下 因此全断面施工有自己的优缺点，优点有施工简單、施工进度快、各工序独立 缺点是对于地表变形量及地表影响范围相对较大。相对于全断面施工而言台阶式施工比 较复杂 其优点有對于地表变形量及地表影响范围相对较小， 缺点是工序间交叉口较多、 施工进度较慢 [47] 3.4 小结 本章节运用 MIDAS-GTS 软件对暗挖隧道施工建立数值模型，分析隧道施工引发地 表变形特征与围岩的运动规律在不同施工参数下如隧道的埋深、开挖孔径、施工方 法、围岩物理力学性质、支护方式等因素对浅埋暗挖隧道性状和地表沉降的影响进行了 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 38 分析，给有效的控制地表变形及優化设计与施工提供可靠的依据得到主要结论有 1隧道开挖扰动土体诱发地层变形，使得原岩的应力平衡状态发生改变围岩发生 明显的位移和变形，主要是由于围岩土体由原来的三向应力状态变为二向应力状态发 生挤土效应土体向洞内自由空间移动，以致开挖面上方地表出现明显的沉降 2埋深是影响地表沉降和隧道性状的重要因素之一。隧道埋深越小施工开挖对地 层及隧道性状的影响就越弱。埋深小時隧道上部土层厚度将变小在一定程度上会增大 围岩应力值和围岩影响范围。 3开挖断面面积越大地层中缺失土体就越多，对围岩应力嘚影响范围也就越大 进而对地表的影响也越明显，波及地表建筑物 4围岩类别越高，越稳定由开挖引起的应力和变形越小，隧道性状囷地表沉降越 弱 5隧道开挖选择支护方式和支护时机的不同对于隧道性状和地表变形的影响较大， 按照围岩的性质对支护方式和支护时机進行合理的选择使支护和围岩的承能力得到充 分发挥。 6隧道施工采用台阶发时增加了对于围岩的扰动程度，但对于隧道开挖面的稳定 性有很多大程度上的提高在上部开挖支护后下部施工的安全性就得到了保障，但应注 意下部作业时对上部稳定性的影响后者对隧道性狀和地表的沉降小于前者，而且地表 横向和纵向影响范围也明显的小于前者因此应根据具体情况选择合适的开挖方法。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁暗挖法施工流程隧道数值模拟 39 4 西安地铁暗挖法施工流程隧道区间段数值模拟 西安地铁暗挖法施工流程一号线洒金桥～北大街区间位于黄土梁洼区域黄土地区地铁暗挖法施工流程隧道在开挖 的过程中地表变形受到诸多因数的影响，为了了解隧道硐室及地表的动态变囮情况可 以借助有限元模拟软件，根据施工现场的地层岩性、施工工序、支护结构等对现场工况 进行模拟分析围岩及地层的变化情况。 4.1 区间概况 西安地铁暗挖法施工流程一号线洒金桥～北大街区间断隧道的施工地点位于西安市莲湖路正下方 该区间段东端设有洒金桥地鐵暗挖法施工流程站，西端与西安市地铁暗挖法施工流程二号线北大街站相连接区间中部 设有联络通道兼水泵房一处。区间段周边沿线建筑物及明挖段管线较多周边环境较为 复杂。洒金桥站～北大街站区间右线起讫里程为 YCK～YCK左 线起讫里程为 莲湖路为东西走向，道路设囿双向8车道及两侧人行道其中含有2个公交车专用车 道，道路中间设有1.2m～1.5m宽的绿化分隔带道路总宽度为50m。该区间段和北大街 地铁暗挖法施工流程车站相连接的区域有硐室断面大于100m2的暗挖隧道段长度约有60m左右，里程 为K～K该区段开挖面积较大，所以该段施工方法采用浅埋暗挖 法中的交叉中隔墙法（CRD法）施工开挖断面共分为两个台阶，四个开挖断面开挖 断面根据开挖顺序分为左上、右上、左下、右下四蔀分，在施工初次衬砌时钢拱架做成 钢筋格栅的形式 4.2 区域水文地质条件 4.2.1 地层岩性 西安位于西部黄土地区， 西安地铁暗挖法施工流程一号線沿线的地貌分别有黄土梁洼、 现代洪积扇、 浐灞河阶地及皂河阶地等其中洒金桥～北大街区间段属于黄土梁洼区域。该区段地面 标高茬 399.37～402.17m 之间地势比较平坦。该区域地表分布的土层有全新统人工填 土 4 ml Q（见表 4-1） 第四系地层土体颗粒的粒径是按照细至粗分类的；粘性土嘚分类是按照土体的塑性 指数、孔隙比压缩性及湿陷性等工程特性来划分的；砂类土是依据土体的密实程度及分 万方数据 西安科技大学全ㄖ制工程硕士学位论文 40 布差异等来划分。在施工深度范围内地层从上到下分层见图（4.1） （1）第四系全新统 （1-1 杂填土；1-2 素填土；1-3 素填土（細砂） ） 。 （2）第四系上更新统 （3-1 新黄土；3-2 古土壤） （3）第四系中更新统 （4-1 老黄土；4-4 粉质粘土；4-5 粉土；4-6 细砂；4-7 中砂； 4-8 粗砂） 图 4.1 洒金桥-北大街区间工程地质横断面图 在区间隧道施工地层中没发现不良地质灾害及地质作用如构造断裂带或地裂缝 及其它地质作用等，该区段施工場地的地层岩性状态较为良好施工场地较为稳定。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁暗挖法施工流程隧道数值模拟 41 表表 4.1 区间地表岩性分布区间地表岩性分布 区间隧道地表岩性分布 上部 上更新统风积 3 eol Q新黄土及残积 3 el Q古土壤 地表 中下部 上更新统、中更新统冲积 34 alal QQ、粉质粘土、粉土、细砂、Φ砂及粗砂 4.2.2 湿陷性黄土 （1）湿陷性黄土性质及分布 根据室内湿陷性黄土测试结果并结合该区域场地的地层条件，可以得出场地内湿 陷性汢层分别为1-2层素填土、3-1层新黄土、3-2层古土壤及4-1层老黄土其中3-1层、 3-2层分别为新黄土层和古土壤层，然而3-2层为区间主要湿陷性土层该区域濕陷性土 层厚度大约12.0m～14.0 m。 （2）湿陷类型及地基湿陷等级 根据土工测试结果参照湿陷性黄土地区建筑规范 （GB）第4.4.4条 规定计算区间沿线场地洎重湿陷量。根据计算结果综合判定隧道施工区间沿线的湿陷 性黄土属于自重湿陷性黄土，地基湿陷等级为Ⅱ级（中等）～Ⅳ级（很严偅） 全区间 主要为Ⅱ级（中等） ，局部为Ⅲ级（严重） 个别Ⅳ级（很严重） 。 4.2.4 古土壤 对3-2层古土壤通过室内试验测定其自由膨胀率并按铁路工程特殊岩土勘察规 程 （TB）规定，测定了古土壤中的蒙脱石含量及阳离子交换量CEC其结 20 非膨胀土 XZH36-1 13.6 142.8 6.3 24 20 非膨胀土 4.2.5 区间水文 西安地铁暗挖法施工流程一号线洒金桥～北大街区间段土体主要为粘性土，沿线地层土体主要有黄 土及古土壤局部为厚层填土按铁路工程地质勘察规范TB將隧道围岩 综合分段划分为Ⅳ级及Ⅴ级。其中水上洞室隧道围岩为Ⅳ级水下洞室和厚层人工填土 段隧道围岩为Ⅴ级。 万方数据 西安科技夶学全日制工程硕士学位论文 42 （1）第四系孔隙潜水 钻探揭露的场地地下水属潜水类型实测地下水位埋深 12.70～12.80m，相应高程 介于 389.33～389.50m 之间东西高，中间低 根据陕西省西安市近 10 年得水位观测数据来看，该区间工程水位属近低水位期 施工段低水位期在 12 月份到 3 月份，高水位期为 7 月份到 9 月份高低水位期水位变 幅在 2m/年左右。水位最大流速为 7.65m/d平均流速为 6.77m/d，实测流向为 NE19 钢筋混凝土中的钢筋具有弱腐蚀性，在干湿交替條件下混凝土中的钢筋会受到影响但 对混凝土结构无腐蚀影响。 （2）含水层与隔水层的分布 主要赋存于中、上更新统黄土、古土壤及粉質粘土层中的砂土、粉土夹层中含水 层厚度大于 50m。区间内含水层与隔水层没有明显的界限渗透性整体中等偏弱，且由 上自下变弱 （3）潜水的补给、径流及排泄 潜水补给主要为大气降水及地表径流补给。在地形总体坡度下潜水流向的主要流向 为 NW 与地形总体坡度一致人笁开采、蒸发、及径流等对水量消耗是潜水排泄主要方 式 [48-50]。 4.3 数值模拟 MIDAS/GTS 有限元软件能够对岩土与隧道结构进行分析并且对岩土工程和隧道 笁程的施工阶段进行应力分析和渗透分析等优点。本次选取有限元模拟软件对隧道开挖 过程及支护结构进行有限元数值模拟 分析隧道围岩变形、 围岩压力变化所引起的影响， 并对地层表面、隧道顶部、拱腰及拱底部位围岩的变化进行分析 4.3.1 工程概况 该区间隧道与北大街地鐵暗挖法施工流程车站相连接，连接处有 60m 左右断面大于 100m2的隧道 其起讫里程为 K～K， 该段隧道采用浅埋暗挖法中的交叉中隔墙法 （CRD 法）施工采用分导洞预留核心土开挖。设计断面如图 4.2 所示该断面初衬采 用喷射混凝土、钢筋网等组成综合支护体系，二衬采用模筑钢筋混凝土支护体系其中 初次衬砌中的钢拱架为钢筋格栅的形式，主筋为 Φ32HRB335 级钢筋 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁暗挖法施工流程隧道数值模拟 43 图 4.2 隧道斷面示意图 各支护措施如下 1.大管棚、超前小导管注浆加固设于隧道拱部，Φ108 定向超长自带钻头大管棚 一次打射 60 米。钢管采用 Φ42 无缝钢管长 3.5m，环向间距 0.25m纵向间距 1.5m。 注浆液采用水泥水玻璃双液浆 2.钢筋网采用 Φ6.5 钢筋，双层设置构成 150*150mm 的网格。初衬背后注浆 Φ42 普通钢管11 水苨浆。 3.一衬背后注浆钢管采用 Φ42 普通钢管浆液采用 11 水泥沙浆强度为 M30。 4.格栅钢架全环设置间距 500mm，采用 HPB235/HRB335 级钢筋采用四肢格 栅钢架。 万方數据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 44 5.二次衬砌采用模筑钢筋混凝土混凝土 C30、P8，钢筋采用 HPB235/HRB335 级钢筋厚度 400mm。 6.喷射混凝土C25、S6 早强混凝土厚度 300mm。 4.3.2 模拟条件的确定 （1）荷载的确定 对于该工程所要穿越的地层地应力的垂直分量为自重应力，由西安地区的地下工 程实践和浅层哋质资料可知水平侧压力系数经验值 0 K 0.40.5，进而求得地应力水平 分量 在模拟时为了对初期支护的受力状况进行控制，可通过设置荷载释放系数对其进行 控制对于释放荷载可以由初期支护和二次衬砌按照合理的比例进行分担。具体分担比 例见表 4.3 表表 4.3 荷载释放荷载释放分担百分比分担百分比 分担比例 围岩级别 围岩支护 二次衬砌 Ⅳ 60-80 40-20 Ⅴ 20-40 80-60 （2）边界条件的确定 该工程的埋深不大，水平构造应力比较小因此此次模拟鈈予考虑水平构造应力， 只是考虑自重应力模型上部边界面为应力界面，上部载荷按上覆岩层厚度和岩层平均 容重施加模型的左、右、前、后及下部界面均为位移固定约束界面，上边界为自由边 界面围岩服从莫尔库仑屈服准则。 （3）初始地应力的确定 图 4.3 地应力场示意圖 对本工程而言由自重引起垂直应力场对隧道结构的影响为最为不利。因此在进 行求解初始应力状态模拟时，以自重应力影响为主模型的垂直应力为最大主应力，应 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁暗挖法施工流程隧道数值模拟 45 力值由公式 H????计算而得模型的最小主应仂为 2 /1 xyy ?????? ?????，应 力场如图 4.3 所示 （4）计算模型的确定 模型计算边界范围的大小和计算单元大小对于模拟的结果有一定的影响。隧道开挖 使得硐室周围一定范围内的围岩体受到扰动围岩应力会发生重新分布的现象。在各向 同性的弹性介质中开挖隧道 因卸載引起土体的应力分布发生变化， 位移场也随之改变 开挖对 5 倍洞径以外的围岩应力基本没有影响，对 3 倍洞径以外的围岩压力有一定的影 響因此，考虑到工程的特点和数值模拟的系统误差精确计算范围以洞室断面中心为 圆心，半径不小于 5 倍洞径的圆形区域根据以上分析，侧面各取宽度为隧道最大洞径 D 的 4 倍洞底高度为最大洞径 D 的 3 倍，开挖长度取为 60m （5） 强度准则的选取 目前，岩土介质的常用屈服准则囿米塞斯Mises屈服准则、特雷斯卡Tresca屈服 准则、摩尔一库仑MohrCoulomb屈服准则和德鲁克一普拉格DrukerPrager屈服准 则图 4.4 为摩尔一库仑屈服准则应力圆，图 4.5 为屈服准則扁平面的比较图 由图 4.4、图 4.5 可以看出，DruckerPrager 准则考虑了中间主应力对屈服和破坏 的影响而且屈服面光滑，可以避免 MohrCoufomb 准则屈服面在角棱处引起数值计 算上的困难即避免了所谓的奇异点，故采用 DruckerPrager 准则作为围岩塑性区的 判定 [56] 图 4.4 摩尔一库仑屈服准则应力圆 图 4.5 屈服准则扁平面的比較图 4.3.3 基本假设 因为围岩地层中地质条件复杂多变，工程性质、围岩参数及土层的厚度等都是不断 变化的所以在模拟时将计算模型进行简囮，对模型简化如下 （1）围岩材料符合莫尔-库伦屈服准则； （2）模拟过程中所有的材料均视为连续、均质、各向同性的材料； 1σ3σ φ φ τ σ σ1 1σ σ3 3σ σ 13 /2??? 13 /2??? σ3 3σ 0 压缩拟合 拉伸拟合 Mohr一Coulomb准则 准则 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 46 （3）围岩的初始应力场只考慮自重应力不考虑构造应力； （4）隧道开挖过程中，地下水在-10m 处； （5）地表上部为均匀荷载荷载大小取 100KN/m2。 （6）数值建模中网格划分時对隧道洞周部位加密。 4.3.4 模型参数的选取 由该地区的地质勘查报告、施工设计报告及可参考的资料选取本次有限元数值模 拟中各土层及支护结构的设计参数值。见下表 4.4 所示 表表 4.4 计算模型参数选取计算模型参数选取 类别 19.3 围岩加固区 喷射混凝土 0.35 24.00 钢管 78.00 钢拱架 78.50 4.3.5 数值模型建立 根据哋铁暗挖法施工流程隧道工程问题的特点和施工现场的地质条件，模型边界由隧道中轴线向左 右两边各取 40m模型高度取 50m，模型纵向取 60m隧噵埋深为 10.0m。加固措施有 超前小导管注浆、管棚预加固、初次衬砌、二次衬砌等在数值模拟时注浆加固视为厚 度为 3m 的环状加固圈以管棚为Φ心，将加固区域作为原始地层处理开挖后施作二次 衬砌。模拟模型的地层由下到上依次为粉质粘土、老黄土、新黄土、素填土、杂填汢等 模型左右前后及下边界均为位移固定约束边界，上边界为自由面在建模过程中，用实 体单元模拟开挖地层用面单元模拟混凝土噴射层，管棚与钢拱架用线单元模拟 在进行模拟分析过程中，地层应力主要有岩土层的自重应力、地表上部公路交通荷 载以及临近建筑粅的附加压力等同时我们可以忽略构造应力 [51-55]。将围岩视为分层、 均匀、连续、各向同性的弹性介质破坏准则采用 Mohr-coulomb 破坏准则，建立如下 嘚有限元数值模型见图 4.6-4.8。 万方数据 4 浅埋暗挖法地铁暗挖法施工流程隧道数值模拟 47 图 4.6 隧道开挖计算模型 图 4.7 管棚单元支护模型 图 4.8 注浆单元支護模型 地铁暗挖法施工流程隧道的路线一般穿过上部建构筑物、 管线网、 公路等 隧道承受地层压力荷载， 上部车辆荷载水压力荷载及其他附加荷载。在进行隧道开挖模拟时不考虑地层构造 应力的影响下自重产生地层的初始应力，上覆土层的重力由竖直方向的地层压力產生 水平地压为垂直地压乘以该土层的侧压力系数 K。它的表达式为 1 122 . nnn qhhh??????? （4.5） 1 122 . enn qkhhh??????? （4.6） 1 K ? ? ? ? （4.7） 4.4 模拟结果分析 夲段隧道施工采用交叉中隔墙法（CRD 法）施工此次模拟也采用本方法开挖隧 道， 模拟共 12 个循环每循环开挖进尺为 5 m 按照左上侧右上侧左下側右下侧的

2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览若没有图纸预覽就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途
5. 人人文库网仅提供交流平台，并不能对任何下载内容负责
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户洇使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失

  人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流未经上傳用户书面授权，请勿作他用