隧道施工引起的地層位移預(yù)測及其對結(jié)構(gòu)物的影響.ppt

隧道施工引起的地層位移預(yù)測及其對結(jié)構(gòu)物的影響,劉寶琛 陽軍生,中南大學(xué)土木建筑學(xué)院 2010.11.5,1、隧道施工引起地層位移預(yù)測 隨機介質(zhì)理論 單洞和雙洞施工引起的地表移動解析方法 參數(shù)確定的反分析方法 地層位移預(yù)測的上限有限元法 2、隧道施工對于鄰近結(jié)構(gòu)物影響評價 鄰近建筑物、地下管線、橋梁、其它,引 言,在城市中采用暗挖法進(jìn)行隧道施工時，由于開挖工作對周圍巖土體的擾動，無論是采用新奧法或盾構(gòu)法，或者是其它施工方法，都要引起巖土體向開挖空間的運動，不可避免地引起地表位移和變形，并可能對地面建筑和地下已有設(shè)施產(chǎn)生不良影響。因而正確預(yù)計隧道開挖施工引起的地表移動與變形的大小和分布情況，以事先采取有效的措施，減少開挖對于周圍已有設(shè)施的影響，保證設(shè)施的安全和正常使用便顯得十分重要。,引 言,隧道施工引起的地表移動和變形影響因素很多，不僅與隧道的埋深、斷面尺寸和施工方法、支護(hù)方式有關(guān)，而且受地層條件的影響，國內(nèi)外對隧道施工所引起的地表沉降的預(yù)計采用了很多方法，這些方法包括經(jīng)驗法、模型試驗法、理論預(yù)測法和數(shù)值分析法等。 以隨機介質(zhì)理論為主線，結(jié)合其它分析手段，研究隧道施工引起的地層位移預(yù)測及其對結(jié)構(gòu)物的影響。,什么是隨機介質(zhì)？ 在研究任何一種現(xiàn)象及其后果時，首先必須定義所研究的對象是什么？它的基本性質(zhì)是什么？在研究力學(xué)問題時人們通常把所研究的對象定義為某種“介質(zhì)”。它是對自然界物質(zhì)的一種抽象，如彈性介質(zhì)、彈塑性介質(zhì)。 在研究巖土體的移動過程中，在二十世紀(jì)五十年代，J. Litwiniszyn首先提出隨機介質(zhì)的基本概念，他在五個公理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出巖土體在開挖影響下移動規(guī)律的基本方程，即二階拋物線型偏微分方程。在形式上它與隨機過程的方程相同，由此他定義為：介質(zhì)的移動方程可以用隨機過程來描述的介質(zhì)，即為隨機介質(zhì)。散體石英砂、碎石堆、開挖影響下的巖土體等都可以認(rèn)為是隨機介質(zhì)。,隨機介質(zhì)理論,隨機介質(zhì)理論,由于常見的城市隧道一般距離地表不深，大都處于表土或風(fēng)化巖層中，這些介質(zhì)能被較好地視為隨機介質(zhì)。將巖土體視為隨機介質(zhì)，從單元開挖入手，采用隨機方法研究隧道開挖所引起的巖土體的運動，分別給出隧道開挖引起地表下沉、水平移動、傾斜、水平變形以及曲率的計算公式，編制相應(yīng)的計算和評價軟件，并進(jìn)行工程實例分析。,單元開挖地表移動,從統(tǒng)計觀點，可以將整個開挖分解成無限多個無限小的開挖。整個開挖對地表的影響，就應(yīng)等于構(gòu)成這一開挖的許多無限小開挖對地表影響的總和。將厚度、長度和寬度均為一個無限小的開挖定義為單元開挖ddd，其中心距離地表面深度為H。在開挖水平以上任意一個水平面Z（ZH）上，由于單元開挖引起的地表下沉盆地稱為單元下沉盆地，巖土體在Z水平上單元下沉為We（X,Y,Z,t）。,單元開挖,單元下沉盆地,單元下沉We（X,Y,Z,t）的表達(dá)式：,平面問題，即單元開挖沿Y軸為無限長，由上式積分：,主要影響范圍,r(Z)為單元開挖在Z水平上的主要影響范圍，它取決于開挖所處的地層條件，引入地層主要影響角，并認(rèn)為r(Z)與Z成線性關(guān)系：,最終的單元下沉值,經(jīng)過長時間以后，單元開挖地表下沉達(dá)到最大值?？紤]在平面應(yīng)變條件下，最終的單元下沉值為：,單元開挖地表水平位移,將開挖引起的巖土體的變形視為不可壓縮過程，即巖土體的體積變形趨近為0： 對于二維平面應(yīng)變問題，eY= 0，平面應(yīng)變條件下，單元開挖引起地表水平位移值Ue(X) ：,隧道開挖引起的地表移動,隧道橫斷面地表移動和變形,將距地面一定深度處的地下開挖任意形狀斷面的隧道視為平面應(yīng)變問題，對于開挖單元巖土體采用坐標(biāo)O，對于地表面則采用坐標(biāo)系統(tǒng)XOY，地下開挖斷面的中心距離地表深度H。把整個開挖范圍分解為無限多個單元開挖，應(yīng)用疊加原理可得整個開挖范圍塌落后地表最終的總下沉值為：,積分區(qū)域的確定,積分區(qū)域由隧道開挖斷面形狀決定。實際上，隧道施工引起地表發(fā)生沉降的原因只是由于隧道周圍巖土體向開挖空間運動而導(dǎo)致的隧道開挖斷面的收斂。如果隧道建成后，開挖斷面由收縮為，則地表下沉應(yīng)當(dāng)?shù)扔陂_挖范圍與范圍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)應(yīng)當(dāng)?shù)扔陂_挖范圍后在地表引起的水平位移U(X)與開挖范圍引起的水平位移U(X)之差：,地表傾斜、水平變形和曲率,隧道施工所引起的地表變形主要指由于地表不均勻沉降而導(dǎo)致的地表點的傾斜T(X)、不均勻的水平位移所引起的地表點的水平變形E(X)、地表下沉曲線W(X)的曲率K(X)分別為：,圓形斷面隧道開挖地表移動與變形,許多地下隧道，如地鐵區(qū)間隧道、上下水管道以及電力、通訊光纜隧道等，施工斷面為圓形或似圓形的比較常見，尤其是采用盾構(gòu)法施工的隧道。對于園形斷面隧道，開挖初始半徑為AB，假定隧道斷面為均勻變形，隧道建成后，斷面半徑均勻收縮了A，地表的下沉值W(X)、地表水平位移U(X)為：,：,圓形斷面隧道開挖地表移動與變形,傾斜地表移動,雙孔平行隧道開挖,隧道施工地表移動參數(shù)反分析,應(yīng)用隨機介質(zhì)理論計算隧道開挖引起的地表移動時，關(guān)鍵參數(shù)（單位地層損失A和主要影響角）的取值可采用反分析法。 對于單洞隧道，反分析地表沉降計算所需的參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)為：,對于雙洞隧道，目標(biāo)函數(shù)仍為上式，但自變量變?yōu)椋?最優(yōu)化計算過程采用Powell法編程求解，同時基于遺傳算法等提高了反分析效率。,計算程序編制,根據(jù)以上計算公式，編制相應(yīng)的計算機程序，可以非常方便地計算出隧道施工引起的橫斷面地表移動與變形。對于不同的隧道開挖橫斷面形狀，只需變換不同的積分區(qū)間，或采用其它簡化計算方法，同樣可求得特定位置沿隧道縱斷面地表的移動和變形分布曲線 。,軟件系統(tǒng)總體設(shè)計,（1）地理信息系統(tǒng)模塊。該模塊通過空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)對隧道周邊環(huán)境進(jìn)行描述。包括城市的地形圖、隧道的起止位置、周邊的建筑物情況、每個斷面的地質(zhì)資料等。建立空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫，收集、整理該區(qū)域行政區(qū)劃、交通、建筑和地形等基礎(chǔ)地圖信息。 （2）數(shù)據(jù)庫模塊。數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，是整個系統(tǒng)得以運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，它包括計算需要的數(shù)據(jù)、評價指標(biāo)和所有的計算結(jié)果數(shù)據(jù)。計算需要的數(shù)據(jù)有：隧道的形狀、斷面尺寸、埋深、支護(hù)形式、施工方法、內(nèi)摩擦角、建筑物和管線的幾何信息等。評價指標(biāo)包括建筑物評價指標(biāo)和管線評價指標(biāo)。 （3）評價方法模塊。該模塊是進(jìn)行隧道開挖對周圍環(huán)境影響評價的基礎(chǔ)，通過該模塊，可以采用不同的方法對隧道施工引起的地表和地層位移進(jìn)行預(yù)測，并與建筑物和管線結(jié)合，得到隧道施工引起的周圍環(huán)境的最終變形值。 （4）反分析模塊。該模塊通過對已取得的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用遺傳算法尋求各評價方法中關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值。 （5）結(jié)果輸出和評價模塊。該模塊以圖形和文本的方式得到計算結(jié)果，并對建筑物和管線進(jìn)行評價，提出評價結(jié)果和處理意見供用戶參考,系統(tǒng)主界面,龍民區(qū)間平面圖,計算參數(shù)輸入界面,工程實例分析,為了驗證所推導(dǎo)的隧道開挖引起的橫斷面和縱斷面地表移動和變形計算公式和編制的計算軟件的可靠性，我們對于國內(nèi)外大量隧道施工地表移動和變形工程實例進(jìn)行了分析，計算結(jié)果與實測的數(shù)值進(jìn)行了對比分析，獲得了較好的預(yù)計效果。,復(fù)興門折返線B(S)161+56斷面地表下沉,軍都山隧道地表下沉,Thunder Bay Tunnel地表下沉,Barcelona Subway地表下沉,Heathrow Express Trial Tunnel地表下沉,Pushan地鐵地表水平位移,南京地鐵許府巷南京站區(qū)間K12726斷面，右側(cè)隧道TB=0.756， =16.3mm，左側(cè)隧道TB=0.786， =8.5mm。,南京地鐵許府巷南京站區(qū)間K13286，右側(cè)隧道TB=1.15，=17.9mm，左側(cè)TB=0.912， =39mm。,臺北捷運系統(tǒng)（TRTS）CH218斷面,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,應(yīng)力邊界條件,該平面的上邊界為應(yīng)力自由邊界，荷載施加在洞室邊界上，且為關(guān)于洞室邊界的一個已知形式的函數(shù)。兩個洞室大小相等，半徑均為r，埋深相等為h，洞室內(nèi)部均受到相等的均布徑向壓力為t，兩洞室的中心間距為c。,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,解題思路,復(fù)變函數(shù)法求解半無限平面內(nèi)存在單孔隧道問題。,交替法對于彈性體而言，加載次序及幾何形狀改變 次數(shù)與最終應(yīng)力無關(guān)。將雙連通域問題歸結(jié)為一系列的單連通域問題后再進(jìn)行求解。,聯(lián) 合,第一步：Z平面內(nèi)僅存在洞1且洞周作用應(yīng)力t，利用復(fù)變函數(shù)法求出兩個解析函數(shù)； 第二步：利用 ，求出洞1存在的條件下在洞2邊界產(chǎn)生的附加面力 （把洞邊不為零的面力稱為附加面力）； 第三步：假設(shè)洞1不存在，Z平面內(nèi)存在洞2且洞周作用應(yīng)力t以及與 大小相等、方向相反的反面力，求出僅存在洞2時的解 如果此時計算得到的洞1周邊面力為零，則將 分別疊加就為雙孔隧道存在的解；如果不為零，則要繼續(xù)在洞1周邊施加一組反面力，使洞1周邊的合面力為零，而洞2周邊又會產(chǎn)生附加面力。這樣反復(fù)求解，直至兩個孔邊的面力均為零，把每次迭代的計算結(jié)果疊加起來，就得到問題的解。,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,計算過程 半無限平面內(nèi)存在單洞的解（Verruijt，1998） 保角映射,圖1 半無限平面單孔圓形隧道,(a) 保角映射前(R域內(nèi)),(b) 保角映射后(域內(nèi)),保角映射的公式：,解析函數(shù)：,解析函數(shù)求解,地表邊界條件：,洞室邊界條件：,依據(jù),求得：,式中：,附加面力的確定,利用解析函數(shù)直接計算洞2周邊各點的附加面力 ：,計算過程：,（1）在 平面取洞2周邊在映射平面 圓周上的點 （2）經(jīng)過映射變換 得到z2平面上洞2周邊點t2 （3）利用坐標(biāo)平移 得到z1平面上洞2周邊點坐標(biāo)T1 （4）經(jīng)過逆映射變換 得到 平面上洞2周邊點坐標(biāo) （5） 代入上公式可以得到 所對應(yīng)的附加面力,應(yīng)力場與位移場的求解,應(yīng)力：,位移：,求解問題的實現(xiàn),計算程序編制流程圖,h 隧道的埋深，即地表面至 隧道開挖中心的距離(m)； r 隧道的開挖半徑(m)； d 兩隧道中心距離(d2r)(m)； t 隧道的均布徑向應(yīng)力(Pa)； E 圍巖的彈性模量(Pa)； 圍巖的泊淞比。,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,算例模型,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,附加面力的逼近精度,表1 附加面力的逼近誤差,第一次迭代計算中洞2周邊附加面力的計算值與逼近值（L100）,洞周位移,迭代計算完成后兩個洞室邊界的位移矢量及收斂曲線圖,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,雙洞開挖影響因素分析,計算基本模型：,隧道間徑比(W/D): 1/6、1/3、1/2、2/3、5/6、1.0和1.5 隧道深徑比(H/D)：1.0、1.5、2.0和2.5,考慮不同洞室間距的影響,W/D=2.0,W/D=5/6,W/D=1/6,地表沉降：,水平位移：,工程實例分析,某區(qū)間隧道為雙孔水平布置，采用土壓平衡盾構(gòu)施工，盾構(gòu)外徑為6340mm。兩隧道覆土層厚度為16m，間距為13.98m，左線隧道先行開挖通過。地層的彈性模量E為34.22MPa，泊松比為0.27，洞周均布徑向應(yīng)力為200kPa,某雙圓形平行隧道的地表沉降實測和計算曲線,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,半無限平面雙孔并行隧道開挖彈性問題解析解,位移邊界條件,計算模型：,半無限平面的上邊界為應(yīng)力自由邊界。兩個洞室大小相等半徑為r，埋深均為h，洞室邊界均作用相等的均布徑向位移為u0，且兩洞室的中心間距為c。,求解方法：,位移邊界問題與前面介紹的應(yīng)力邊界問題的求解思路和過程相同完全相同，唯一不同的在于利用復(fù)變函數(shù)求解在位移邊界條件下半無限平面內(nèi)存在單洞的解析解。,計算程序編制流程圖,上限有限元計算流程和程序編制,地層位移預(yù)測的上限有限元法,極限分析法一般用來解決巖土穩(wěn)定性問題。當(dāng)采用與有限元方式相結(jié)合的上限有限元法求解淺埋隧道穩(wěn)定性問題時，可得到極限狀態(tài)下地層的速度場，以此類比位移場即獲得極限狀態(tài)下地層位移模式 、地表沉降曲線形態(tài)和隧道內(nèi)部收斂模式等信息。 計算流程如右圖：,計算模型,不排水條件下隧道圍巖穩(wěn)定性,粘土地層不排水條件下圓形隧道穩(wěn)定性計算模型,穩(wěn)定性系數(shù)N,排水條件下隧道圍巖穩(wěn)定性,注：利用上限有限元法獲得隧道地層極限狀態(tài)下的位移形態(tài)需首先進(jìn)行隧道穩(wěn)定性計算。,圓形隧道發(fā)生塑性流動時的網(wǎng)格變形,發(fā)生塑性流動時的隧道地表沉降曲線形態(tài),地層不排水條件下圓形隧道網(wǎng)格劃分,算例,發(fā)生塑性流動時的隧道斷面收斂模式,該法限于地層接近或處于極限狀態(tài)時變形模式。 與其他沉降預(yù)測方法相比，該法未有過多主觀假定，能考慮復(fù)雜邊界條件和地層參數(shù)?？煽焖佾@得極限狀態(tài)下地層位移模式，為地層位移預(yù)測提供新的思路。,隧道施工對于鄰近結(jié)構(gòu)物影響評價,隧道施工引起結(jié)構(gòu)物損害的評價,Polshin和Tokar提議將0.510-3的應(yīng)變作為砌體與混凝土墻的開裂極限； Mair等認(rèn)為建筑轉(zhuǎn)角1/500和建筑最大沉降Sv,max10mm，損害可忽略； Burland等總結(jié)出建筑單元水平或豎向偏差達(dá)到1/250時，其表觀可能會受到影響。 Breth和Chambosse認(rèn)為對于傾斜小于1:450的框架結(jié)構(gòu)，沒有損害發(fā)生； 德國將地表的容許下沉值定位1/1000H（其中H為隧道埋深），地表沉降曲線反彎點處的斜率應(yīng)小于1/300。 Walkinshaw報道的容許垂直位移值的范圍在13mm450mm變化，平均為85mm；引起接縫質(zhì)量變差的不容許的垂直位移值平均約200mm；而引起結(jié)構(gòu)損壞的垂直位移值為13mm600mm，平均約250mm。,我國原煤炭工業(yè)部在世紀(jì)年代參考前蘇聯(lián)、波蘭、德國及英國的有關(guān)規(guī)定后，對長度或變形縫區(qū)段小于20m的磚石結(jié)構(gòu)建筑物破壞等級的標(biāo)準(zhǔn)做了統(tǒng)一規(guī)定上表。,水平變形,通常土體破壞主要是由于巖土體的拉伸應(yīng)力過大而導(dǎo)致，即拉伸變形超過了巖土體的極限拉伸所引起的；若采用水平變形作為巖土破壞判據(jù)，那就需要找出一種方法分析計算巖土體位移和變形分布。隨機介質(zhì)理論正是分析這種變形的方法之一。,隧道施工引起的鄰近建筑物沉降與水平位移 實例分析,深圳地鐵五號線深民區(qū)間,深民區(qū)間隧道右側(cè)建筑物群分布情況,深圳地鐵5號線深圳北站至民治站區(qū)間右線DK21+330+560段臨近或下穿密集建筑物群，建筑物主要為框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)的小高層居民樓和框架結(jié)構(gòu)、砼條形基礎(chǔ)的商用建筑。 隧道圍巖較差，主要為人工填土、粉質(zhì)粘土、花崗巖殘積土、全風(fēng)化花崗巖。地下水豐富，主要松散巖內(nèi)孔隙水和具有承壓性的基巖裂隙水。,地表沉降典型測試斷面,水平位移測斜管布置,隨著掌子面向監(jiān)測斷面掘進(jìn)，各點沉降不斷增大。掌子面靠近測試斷面時沉降速率明顯較快，在掌子面通過該斷面20m后，地表沉降才逐漸趨于緩和，最終累計沉降最大值出現(xiàn)于隧道中心線拱頂處，為407.53mm。,典型斷面的地表沉降曲線,典型斷面的水平位移,地表水平位移,實測的水位線,由實測水位線按 二次指數(shù)曲線 擬合出的水位線,建筑物實測沉降與預(yù)測沉降對比,隧道施工引起的鄰近橋梁與地表沉降實例分析,武廣高鐵金沙洲隧道下穿沙貝立交,金沙洲隧道在里程DK2194+560DK2194+835穿越沙貝立交樞紐，其中在DK2194+675.7 處從沙貝立交橋下穿過 。,金沙洲隧道與既有橋立面關(guān)系圖,金沙洲隧道與B匝道橋立面關(guān)系圖,注：隧道里程為DK2194+675.7 0,B匝道橋鄰近金沙洲隧道橋樁基情況表,金沙洲隧道與沙貝立交平面關(guān)系圖,金沙洲隧道與沙貝立交橋立面關(guān)系及地層情況圖,金沙洲隧道下穿沙貝立交三維有限元模型,模型計算參數(shù),金沙洲隧道下穿沙貝立交橋影響評價,三維數(shù)值分析采用大型有限元軟件ABAQUS,本次數(shù)值模擬沿路線方向長度取DK2194+646 DK2194+706段，且認(rèn)為該段洞身施工由進(jìn)口工區(qū)沿路線大里程方向完成。,金沙洲隧道洞內(nèi)施工工序示意圖,擴(kuò)大基礎(chǔ)分析,擴(kuò)大基礎(chǔ)沉降,。,擴(kuò)大基礎(chǔ)各墩臺差異沉降值（單位：mm）,地層與橋梁基礎(chǔ)協(xié)調(diào)變形,地表沉降,樁頂沉降,隧道穿越既有橋梁時，橋梁基礎(chǔ)基底以下土體地表沉降小于土體自由場地表沉降，而樁基對地表沉降的影響又小于擴(kuò)大基礎(chǔ)；同時，由于地層與橋下基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)變形，將使得橋下基礎(chǔ)沉降曲線表現(xiàn)出與土體自由場地表沉降曲線不同的形態(tài)，基礎(chǔ)沉降曲線呈鋸齒狀，且影響范圍延伸至4.0D5.0D以外。,西安地鐵二號線穿越f6地裂縫及長安立交橋現(xiàn)場監(jiān)測,地鐵與長安立交橫向關(guān)系圖,路面地裂縫出露照片,長安立交錯臺照片,地鐵與長安立交及地裂縫縱向關(guān)系圖,測點布置平面圖,主車道沉降測點布置圖,測斜管布置剖面圖,測斜管剖面圖,地層橫向水平位移,F-3橫向水平位移,開挖線以外的土層水平位移指向右洞內(nèi)側(cè)，與右洞掌子面先于左洞通過本監(jiān)測斷面的施工實際是相符的。 水平位移由下到上基本是單調(diào)遞增變化的，表面水平位移最大，洞底以下較小。 左右洞上臺階通過后，水平位移迅速增大。下臺階的開挖對水平