盾构法隧道引起的地表变形分析

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1、第21卷第3期岩石力学与工程学报21(3)：388～3922002年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2002盾构法隧道引起的地表变形分析123张云殷宗泽徐永福12(南京大学地球科学系南京210093)(河海大学岩土工程研究所南京210098)3(上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所上海200233)摘要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对地层位移有着重要影响，而在实际工程中又难于分别量化的因素，概

2、化为一均质、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。实例分析表明，这种处理方法用于实际工程中能取得合理的、令人满意的结果。关键词盾构法隧道，三维有限元，等代层，地表变形分类号U455.43文献标识码A文章编号1000-6915(2002)03-0388-05一主要原因，尤其是在饱和软土地层中。可见，地1引言表变形的大小取决于地层和地下水条件、隧道直径、埋深和施工条件等。地表变形问题是盾构法隧道设计及可行性研实际上隧道掘进是一个三维问题，尤其是靠近[1]究中的重要内容。

3、尽管国内外盾构法隧道的施工开挖面前方的位移，尽管人们都认识到这一点，但技术日趋成熟，盾构数量逐年上升，应用的地质条要直接模拟隧道掘进产生的三维效应是非常困难件也越来越广泛，但其理论研究却明显地滞后于工的，特别是盾尾空隙、隧道壁面土体的扰动和注浆程实践，盾构法施工大多仍依赖于经验，因此，加层的处理。文[2～4]用三维常量边界元分析了均质强盾构法隧道的理论研究显得十分迫切。线弹性地层中的浅埋隧道在开挖面瞬间到达某一位置且隧道周边应力完全释放时，隧道轴线上方地表2地表变形的原因变形问题。该方法对盾尾空隙作了两种极端情况的处理，一种认为注浆完全充填空

4、隙，开挖面通过后根据盾构法隧道的施工过程和特点，盾构法隧隧道周边位移不发展，地表位移完全是由于开挖面道施工引起地表变形的基本原因可归纳为：(1)开的应力释放造成的；另一种则完全忽略回填，认为挖面土体的移动。当隧道掘进时，开挖面土体受水土层在自然充满空隙前，土层与衬砌不接触，当土平支护应力可能小于或大于原始侧压力，开挖面上层填满空隙后，土层与衬砌接触，位移不再发展，前方土体会产生下沉或隆起。(2)土体挤入盾尾空即在计算中人为限定了隧道开挖壁面产生均匀向内隙。盾构法隧道的初始衬砌脱离盾尾后，在隧道开的径向位移，将衬砌作为刚体处理。文[5]假定土体

5、挖壁面和衬砌外周围形成一环形空隙，土体将向这具有弹性-完全塑性的关系，用三维弹塑性有限元分析了加拿大安大略省的桑德贝隧道，引入总间隙参一空隙产生位移，从而引起地面沉降。(3)土体与数G，反映隧道开挖面推进和隧道施工引起的地层衬砌的相互作用。在周围土体压力作用下，衬砌要损失，总间隙参数定义为产生变形，同时衬砌对周围地层也产生相反方向的G=U*+ω+2Δ+δ(1)作用力，地层变形是土体与衬砌的相互作用的综合3D*表现。(4)改变推进方向。掘进机向上或向下倾斜，式中：U3D为开挖面推进引起的等效三维径向位移，使多余的土体被挖去，盾尾空隙增大，它与施

6、工质Δ为盾尾壁厚，δ为拼装衬砌的空间，ω为与施工量有关。(5)受扰动土体的再固结是地层变形的另质量有关的参数。他们认为隧道周边土体自由地向2000年5月18日收到初稿，2000年7月17日收到修改稿。作者张云简介：女，1965年生，博士，1986年毕业于南京大学水文地质工程地质专业，现为副教授，主要从事地面沉降方面的研究工作。第21卷第3期张云等.盾构法隧道引起的地表变形分析•389•已开挖区内变形，一旦土体的径向收敛达到总间隙(2)厚度由等代层的意义可知，一般而言，参数，环状衬砌单元就开始起作用，且假定土体与等代层的厚度并不等于盾尾空隙的理

7、论值，如果隧衬砌完全接触，并达到平面应变状态，该方法中的道壁面土体较硬，不被扰动，仅向盾尾空隙产生少*等效三维径向位移U的物理意义较为含糊，且没许位移，其余空隙都被浆体充填，则等代层的厚度3D有考虑注浆的作用。可见，在现有的分析方法中，应略小于盾尾空隙的理论值，如果隧道壁面的土体对衬砌脱出盾尾后土体向盾尾空隙的自然充填及注较软，则当衬砌脱出盾尾后，土体迅速向盾尾空隙浆后浆体的分布情况和隧道壁面受扰动的程度及范移动、充满盾尾空隙，隧道壁面土体受扰动。同时，围等一直没有较好的处理方法。在压力作用下，水泥浆渗入到软土中，形成土与水在影响地表变形的各

8、因素中，土体及衬砌材料泥浆的混合材料，考虑到软土的易扰动性且隧道壁的力学性质可以通过试验测定，舱压力在施工时可面位移较大，等代层的厚度将大于盾尾空隙的理论以人为控制