隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响

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1、隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响刘宝琛阳军生中南大学土木建筑学院2010.11.51、隧道施工引起地层位移预测随机介质理论单洞和双洞施工引起的地表移动解析方法参数确定的反分析方法地层位移预测的上限有限元法2、隧道施工对于邻近结构物影响评价邻近建筑物、地下管线、桥梁、其它引言在城市中采用暗挖法进行隧道施工时，由于开挖工作对周围岩土体的扰动，无论是采用新奥法或盾构法，或者是其它施工方法，都要引起岩土体向开挖空间的运动，不可避免地引起地表位移和变形，并可能对地面建筑和地下已有设施产生不良影响。因而正确预计隧道开挖施工引起的地表移动与变形的大小和分布情况

2、，以事先采取有效的措施，减少开挖对于周围已有设施的影响，保证设施的安全和正常使用便显得十分重要。引言隧道施工引起的地表移动和变形影响因素很多，不仅与隧道的埋深、断面尺寸和施工方法、支护方式有关，而且受地层条件的影响，国内外对隧道施工所引起的地表沉降的预计采用了很多方法，这些方法包括经验法、模型试验法、理论预测法和数值分析法等。以随机介质理论为主线，结合其它分析手段，研究隧道施工引起的地层位移预测及其对结构物的影响。什么是随机介质？在研究任何一种现象及其后果时，首先必须定义所研究的对象是什么？它的基本性质是什么？在研究力学问题时人们通常把所研究的对象定义为某种

3、“介质”。它是对自然界物质的一种抽象，如弹性介质、弹塑性介质。在研究岩土体的移动过程中，在二十世纪五十年代，J.Litwiniszyn首先提出随机介质的基本概念，他在五个公理的基础上推导出岩土体在开挖影响下移动规律的基本方程，即二阶抛物线型偏微分方程。在形式上它与随机过程的方程相同，由此他定义为：介质的移动方程可以用随机过程来描述的介质，即为随机介质。散体石英砂、碎石堆、开挖影响下的岩土体等都可以认为是随机介质。随机介质理论随机介质理论由于常见的城市隧道一般距离地表不深，大都处于表土或风化岩层中，这些介质能被较好地视为随机介质。将岩土体视为随机介质，从单元开

4、挖入手，采用随机方法研究隧道开挖所引起的岩土体的运动，分别给出隧道开挖引起地表下沉、水平移动、倾斜、水平变形以及曲率的计算公式，编制相应的计算和评价软件，并进行工程实例分析。单元开挖地表移动从统计观点，可以将整个开挖分解成无限多个无限小的开挖。整个开挖对地表的影响，就应等于构成这一开挖的许多无限小开挖对地表影响的总和。将厚度、长度和宽度均为一个无限小的开挖定义为单元开挖dξdζdη，其中心距离地表面深度为H。在开挖水平以上任意一个水平面Z（Z≤H）上，由于单元开挖引起的地表下沉盆地称为单元下沉盆地，岩土体在Z水平上单元下沉为We（X,Y,Z,t）。单元开挖单

5、元下沉盆地单元下沉We（X,Y,Z,t）的表达式：平面问题，即单元开挖沿Y轴为无限长，由上式积分：主要影响范围r(Z)为单元开挖在Z水平上的主要影响范围，它取决于开挖所处的地层条件，引入地层主要影响角β，并认为r(Z)与Z成线性关系：最终的单元下沉值经过长时间以后，单元开挖地表下沉达到最大值。考虑在平面应变条件下，最终的单元下沉值为：单元开挖地表水平位移将开挖引起的岩土体的变形视为不可压缩过程，即岩土体的体积变形趋近为0：对于二维平面应变问题，εeY=0，平面应变条件下，单元开挖引起地表水平位移值Ue(X)：隧道开挖引起的地表移动隧道横断面地表移动和变形将距

6、地面一定深度处的地下开挖任意形状断面的隧道视为平面应变问题，对于开挖单元岩土体采用坐标ξOη，对于地表面则采用坐标系统XOY，地下开挖断面的中心距离地表深度H。把整个开挖范围Ω分解为无限多个单元开挖，应用叠加原理可得整个开挖范围Ω塌落后地表最终的总下沉值为：积分区域的确定积分区域由隧道开挖断面形状决定。Ω实际上，隧道施工引起地表发生沉降的原因只是由于隧道周围岩土体向开挖空间运动而导致的隧道开挖断面的收敛。如果隧道建成后，开挖断面由Ω收缩为ω，则地表下沉应当等于开挖范围Ω与范围ω引起的地表下沉之差，即：地表水平位移U(X)隧道施工引起的地表水平位移U(X)应当

7、等于开挖范围Ω后在地表引起的水平位移UΩ(X)与开挖范围ω引起的水平位移Uω(X)之差：地表倾斜、水平变形和曲率隧道施工所引起的地表变形主要指由于地表不均匀沉降而导致的地表点的倾斜T(X)、不均匀的水平位移所引起的地表点的水平变形E(X)、地表下沉曲线W(X)的曲率K(X)分别为：圆形断面隧道开挖地表移动与变形许多地下隧道，如地铁区间隧道、上下水管道以及电力、通讯光缆隧道等，施工断面为圆形或似圆形的比较常见，尤其是采用盾构法施工的隧道。对于园形断面隧道，开挖初始半径为A＝B，假定隧道断面为均匀变形，隧道建成后，断面半径均匀收缩了ΔA，地表的下沉值W(X)、地

8、表水平位移U(X)为：：圆形断面隧道开挖地表移动与变