目的及意义 含国内外研究现状

第一章 绪论

1．1引言

随着社会经济的不断发展，城乡一体化进程的不断推进，城市规模不断扩

大，大城市和特大城市的中心地区人口密集，建筑物林立、空间拥挤、交通阻

塞，严重制约了经济社会的进一步发展。长期以来，城市交通、基础设施及城

市容量的扩大主要是通过扩展城市用地来实现的，人口增加及生活需求的增长

与城市用地的短缺，己成为矛盾的焦点。为实现可持续发展战略，除了向高空

发展，人们还把目光投向对地下空间的开发和利用，向地下要土地、要空间己

成为城市发展的历史必然。有学者预言，本世纪将成为人类开发地下空间的世纪。

当前，地铁已成为解决大城市交通拥挤问题、保障市民快速方便出行的有

效途径，同时也成为了一个城市现代化水平和经济发展水平的重要标志。地铁

的建设已经成为当今城市规划的一种发展趋势。现今，我国已有北京、天津、

上海、广州、深圳、南京等大城市建成了城市地铁，杭州、武汉等城市也正在

积极地进行地铁建设，我国的城市地铁建设己步入了快速发展的阶段，区间隧

道大量采用盾构法进行施工，盾构法的应用领域也从单一的区间隧道向车站、

渡线等复杂、大型断面隧道发展。

伴随着地铁的大量兴建，随之而来也产生了一些工程技术问题，其中之一

就是地铁施工带来的地层沉降及其对地表结构物稳定性的影响。城市地铁暗挖

隧道工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，隧道的开挖施工将不可避

免地扰动地下岩土体，破坏了原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。地下

岩土体的开挖会引起地表沉降和变形，地表沉降到一定的程度，将影响地面建

筑物的安全和地下管线的正常使用。成都地铁线路沿线穿过人口密集、地面建

筑物林立、地下管网密布的市中心繁华地段，这些区域对施工产生的地表位移

和变形的要求都很高，施工方法的选择如稍有失误，将会造成不可估量的损失。

特别是成都地铁工程地质条件特殊，在富水砂卵石地层中隧道施工难度大，缺

乏现成的经验，未能建立起对建筑物损害的有效评价标准。因此，在实际施工

过程中，我们要根据地表的实际情况，采取有效措施来减小变形，使地表房屋、

道路、地下管线等建构筑物不至受到损害，减小对城市交通和环境的影响。所

以，研究城市地铁隧道开挖过程中对周围环境的影响具有十分重要的意义。

同时，根据国内外的地铁建设经验，在地铁工程的施工中，地表沉降事故

发生的概率很高，一旦发生沉降事故，将可能造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道

破坏、周边建筑物损害、地下管线损害等严重后果。这些事故势必影响市民正

常生活，同时可能造成各种纠纷，进而影响工程施工的进度，增加工程的费用。

所以，不论从工程进度、费用的控制方面考虑，还是从工程质量安全方面来考

虑，都要对地表沉降及周边建筑进行严格监控，从各个方面着手来控制沉降的

发生； ’

针对施工沉降和对地表结构影响问题而言，研究沉降产生机理及其影响因

素、分析其对地表不同类型结构物稳定性的影响，提出具体的控制标准和评价

准则，从而进一步给出相关的控制和补救措施，不仅能够对同一地区典型地层

条件下的地铁施工建设起到一定的参考作用，同时对提高地铁施工的技术和安

全水平以及环境保护、节约资金都能够起到很好的作用。

1．2盾构隧道施工引起的环境效应研究现状

1．2．1地层变形规律研究概况

目前盾构隧道施工引起土体位移问题在国内外已有大量研究，对土体沉降

和位移规律的认识也不断深入，从经验公式法到半经验半解析法、理论计算方

法再到数值模拟分析法，从弹性、均质、各向同性假设求得的解析解到弹塑性、

粘弹性、粘弹塑性、各向异性的解析解或数值解，国内外学者们做了大量的工

作。目前盾构隧道施工引起土体位移的计算方法主要有：经验方法、理论分析

方法、数值模拟方法和室内模型试验法等。

(1)经验方法

经验方法中应用最广泛的是Peck(1969)提出的Peck公式。他通过大量地面

沉降数据及工程资料的分析，首次提出地面沉降槽呈拟正态分布的规律，给出

了估算地面横向沉降的计算公式。后来许多学者对Peck公式进行了进一步的研

究，Attewell等(1974)、Atkinson等(1977)、Clough等(1981)、O’Reilly等(1982)、

Loganathan和Poulos(1988)、姜忻良(2004)等都对peck公式进行了修正，使其

更加符合工程实际。Attewell等(1982)、刘建航等(1991)、沈培良等(2003)

根据现场实测数据，运用数学方法给出了计算地面纵向沉降的计算公式。

(2)理论分析方法

理论分析方法包括源汇法、解析方法、随机介质理论和反分析法等。由于

土层条件的复杂性以及施工状况的多变性，迄今为止还没有完全精确的理论解

答。现有的理论解答均是在大量假定的基础上简化得到的，可定性地判断地表

沉降的一般规律。

Sagaseta(1987)首次利用源汇法得到盾构施工引起的三维地面变形计算公

式。Verruijt等(1996)利用Sagaseta提出的源汇法，认为隧道变形主要是隧道表

面土体的等量径向位移和长期的隧道椭圆化变形，采用半弹性平面方法，得到

土体垂直位移和水平位移的理论计算公式。Lognathan和Poulos(1998)采用椭圆

形非等量土体移动模式，利用Lee等(1992)提出的等效土体损失参数g，对

Verruijt等提出的计算公式进行了修正，但修正的计算公式依然无法考虑土质条

件和施工工艺。国内学者魏纲等(2005)、齐静静等(2007)、陈枫(2004)、姜忻

良(2005)和杨冠天(2005)等人也在源汇法的基础上进行了有意义的探索，推导

出土体的位移计算公式。

在解析方法方面，Bobet(2001)假定与隧道轴线垂直的横截面为平面应变条

件，土体为多孔弹性材料，衬砌是弹性的，提出了饱和土体中浅埋隧道土体变

形的二维解析预测方法。Chou(2002)采用Bobet提出的方法，与28条隧道的实

测数据进行了对比，计算结果与实测结果较吻合。Park(2004)提出了预测软土

中浅埋和深埋隧道引起的土体变形的二维弹性解，隧道平面周围位移边界条件

采用椭圆形的土体位移模式。国内学者吴修锋(2004)和齐静静等(2006)利用

Mindlin解推导了正面附加推力引起的土体位移计算公式。廖少明(2004)应用弹

性力学的Mindlin位移解，结合边界单元法，得到盾构侧向剪切和正面附加推力

引起的土体变形计算公式。魏纲等(2005)利用弹性力学的Mindlin解，推导了正

面附加推力和盾壳与周围土体之间的摩擦力引起的土体各向位移计算公式。

朱肿隆等(2001)和施成华等(2003，2005)采用随机介质理论预测盾构法隧

道纵向地面变形。随机介质理论是把土体移动看成是一个随机过程，并用柯莫

哥洛夫方程表示。但此方法是人为地、经验地假定地面变形，因此存在一定欠

缺。

理论方法大多只能得到简单的二维解答，很难考虑三维效应。

(3)数值分析方法

数值模拟分析方法现在广泛应用于计算隧道施工引起的土体变形。由于影

响土体变形的因素太多太复杂，解析方法等无法很好地预测土体的三维变形，

因此现在越来越多的采用有限元等数值分析方法来解决此类问题。数值分析还

可以考虑开挖的空间效应和流变、固结等时间效应。

英国牛津大学(1993)考虑了粘土的非线性，研制了三维有限元程序Oxford

Finite Element Method Programme来模拟盾构施工引起的土体位移。荷兰

Tecbmcal University of Delft 1998年研制出Plaxis程序，并于2001年研制出Plaxis

3d tunnel，能够非常好的计算隧道施工引起的土层位移和对周围结构物的影响，

现已和FLAC有限元程序成为欧洲最著名的岩土工程分析软件。英国帝国理工大

学1 999年研制／出Imperial College Finite Element Progranune(ICFEP)，可以计算隧

道施工引起的土体位移并预测地表建筑物的变形。韩国浦项集团1989年成立

MIDAS开发组织，专门开发土木有限元软件，并于2005年3月推出MIDAS／GTS

岩土隧道通用专业有限元软件，能够对土层和隧道施工进行便利的三维数值模

拟。

Akagi等(1999)为模拟盾构机在一个千斤顶行程上的连续推进，把盾构推进

面前方即将被挖去的土体单元定义为开挖单元，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变形，通过试算确定开挖单元的弹性模

量，分析引起土体位移的因素和周围土压力的变化。

D．GLin等(2002)提出一个考虑盾构土压仓压力、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。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；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，可以用二维代替三维分析。

王敏强等(2004)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，分析了土体开挖、盾构内部土体开挖卸载和千斤项推力的影响。

1．2．2建筑物受隧道施工影响的研究现状

这方面的研究最早是从煤矿采空区引起的地表变形对建筑物的影响研究开

始的。研究方法分为四大类：第一类为经验法，该法基于先前的工程经验及建

筑物的相关参数之间的经验关系；第二种方法是理论计算方法，基于建筑物尺

寸及材料参数的容许极限变形或受力值；第三种方法为可考虑隧道一土一建筑

物互相作用的数值计算方法；第四种是室内模型试验。

经验法即寻求结构损害与易量测参数之间的关系，这些数据包括变形角、

建筑物的刚体倾斜、挠曲率、差异沉降值、结构对角线的应变值等。Skempton

$[1MacDonald(1956)总结并对比了98个例子以确定地表允许的总沉降和差异沉

降，认为造成建筑结构产生裂缝的是地表沉降曲线的曲率半径，而不是建筑物

的整体变形角，但是变形角度易测得，而曲率半径难以得到，因而把变形角作

为判断损害的标准。他们的文献中没有考虑建筑物长宽比、剪切、弯曲的影响。

理论计算方法：如果建筑物的墙体长高比不大，则可将墙体假定为弹性深

梁，直接利用已有的深梁挠度公式计算建筑结构的损害，但是计算公式对实际

的弹性模量E和惯性矩I作了简化，因而实用性不大。如果墙体的长高比较大，

则可以将墙体简化为简支梁，然后利用简支梁的计算公式计算墙体两端的转角

和挠度，这种方法同样对E，I值做了简化，而且仅适用于小变形且不考虑剪切 变形的情况。Chungsik Yoo等(2003)开发出一套建筑损害评价系统TURISK，并

用于韩[]Daegu地铁2号线工程。该法本质上相当于结构力学方法，只不过作了 改进。先根据地表位移预测公式，求出地表的水平应变和竖向应变，将之叠加

到按材料力学所得出的墙体弯曲应变与对角剪切应变中，求出最大的极限应变，

然后据此估计建筑物损害程度。

传统的经验方法和采用结构力学和材料力学的方法主要基于观测和简单的

计算，将结构损害与裂缝的开展及角变形、挠度比等参数联系起来，得出一些

判断损害的标准。总的来说，均对结构作了～些简化，对计算作了一些假定，

由此得出的成果有可取之处，但是上述做法有显而易见的欠考虑之处：未考虑

结构与土体的共同作用，因而不能从深层次的角度得出损害的发生机制；未能

全面考虑地基土体的复杂性；未能反映地铁隧道施工的影响，在施工中所采取

的施工工法及其支护措施对结构的破坏可能是最主要的；未能考虑施工后地基

周边土体的时效(固结、蠕变)。一般地认为上述方法对结构内力及变形的估计

趋于保守，由此采取的保护措施往往过于严厉，经济代价高。随着计算机技术

的飞速发展，众多的数值计算方法发展起来，它能综合地考虑动态的施工过程、

土体性质、结构的形状等。

尽管用数值方法来研究隧道开挖对建筑损害的手段多种多样，但是总的来

说，可以归纳成两类：

(1)不考虑结构与地基的共同作用，即简化方法，亦称为两阶段法，或称

为非耦合方法。第一阶段，按照经验的、理论的或是公式预测的地表位移、应

变、曲率、斜率等。第二阶段，将前述位移、应变等作为荷载，加到结构上，

对结构作有限元或简单结构力学计算等分析，求出在该种荷载情况下的结构次

生内力和变形，也可以求出基础的应变状况。据此，可以判断出结构的损害程

度。该方法一般的来说偏于保守，计算出的结构内力和变形偏大，但是在小变

形的情况下可以得出可用的结果。

(2)考虑结构与地基的共同作用，即考虑结构的自重、刚度及基础的刚度

与地基的界面特性。由此计算出的结果在合理地确定模型的物理力学参数后，

可以得出损害的发生、发展过程，是一种合理的比较好的方法。

国内外研究现状