隧道施工引起的地層位移預(yù)測(cè)及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響ppt課件

1、隧道施工引起的地層位移預(yù)測(cè)及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響劉寶琛 陽(yáng)軍生中南大學(xué)土木建筑學(xué)院2019.11.5引引 言言 在城市中采用暗挖法進(jìn)行隧道施工時(shí)，由于開(kāi)挖工作對(duì)周圍巖土體的擾動(dòng)，無(wú)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(kāi)挖空間的運(yùn)動(dòng)，不可避免地引起地表位移和變形，并可能對(duì)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(jì)隧道開(kāi)挖施工引起的地表移動(dòng)與變形的大小和分布情況，以事先采取有效的措施，減少開(kāi)挖對(duì)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。 引引 言言 隧道施工引起的地表移動(dòng)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

2、條件的影響，國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道施工所引起的地表沉降的預(yù)計(jì)采用了很多方法，這些方法包括經(jīng)驗(yàn)法、模型試驗(yàn)法、理論預(yù)測(cè)法和數(shù)值分析法等。 以隨機(jī)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(cè)及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響。什么是隨機(jī)介質(zhì)？ 在研究任何一種現(xiàn)象及其后果時(shí)，首先必須定義所研究的對(duì)象是什么？它的基本性質(zhì)是什么？在研究力學(xué)問(wèn)題時(shí)人們通常把所研究的對(duì)象定義為某種“介質(zhì)”。它是對(duì)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(dòng)過(guò)程中，在二十世紀(jì)五十年代，J. Litwiniszyn首先提出隨機(jī)介質(zhì)的基本概念，他在五個(gè)公理的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出巖土體在開(kāi)挖影響下移動(dòng)規(guī)律的基本方程，即二階拋

3、物線型偏微分方程。在形式上它與隨機(jī)過(guò)程的方程相同，由此他定義為：介質(zhì)的移動(dòng)方程可以用隨機(jī)過(guò)程來(lái)描述的介質(zhì)，即為隨機(jī)介質(zhì)。散體石英砂、碎石堆、開(kāi)挖影響下的巖土體等都可以認(rèn)為是隨機(jī)介質(zhì)。隨機(jī)介質(zhì)理論隨機(jī)介質(zhì)理論隨機(jī)介質(zhì)理論隨機(jī)介質(zhì)理論 由于常見(jiàn)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(jī)介質(zhì)。將巖土體視為隨機(jī)介質(zhì)，從單元開(kāi)挖入手，采用隨機(jī)方法研究隧道開(kāi)挖所引起的巖土體的運(yùn)動(dòng)，分別給出隧道開(kāi)挖引起地表下沉、水平移動(dòng)、傾斜、水平變形以及曲率的計(jì)算公式，編制相應(yīng)的計(jì)算和評(píng)價(jià)軟件，并進(jìn)行工程實(shí)例分析。 單元開(kāi)挖地表移動(dòng)單元開(kāi)挖地表移動(dòng) 從統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)，可以將整個(gè)開(kāi)挖分解成無(wú)

4、限多個(gè)無(wú)限小的開(kāi)挖。整個(gè)開(kāi)挖對(duì)地表的影響，就應(yīng)等于構(gòu)成這一開(kāi)挖的許多無(wú)限小開(kāi)挖對(duì)地表影響的總和。將厚度、長(zhǎng)度和寬度均為一個(gè)無(wú)限小的開(kāi)挖定義為單元開(kāi)挖ddd，其中心距離地表面深度為H。在開(kāi)挖水平以上任意一個(gè)水平面ZZH上，由于單元開(kāi)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WeX,Y,Z,t）。 單元開(kāi)挖單元開(kāi)挖單元下沉盆地單元下沉盆地 單元下沉WeX,Y,Z,t的表達(dá)式：dddYXZrCtZrtZYXWe)()(exp)exp(1 )(1),(2222ddXZrCtZrtZXWe22)(exp)exp(1 )(1),( 平面問(wèn)題，即單元開(kāi)挖沿Y軸為無(wú)限長(zhǎng)，由上式積分：主要

5、影響范圍主要影響范圍 r(Z)為單元開(kāi)挖在Z水平上的主要影響范圍，它取決于開(kāi)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：tan/)(ZZr最終的單元下沉值最終的單元下沉值 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間以后，單元開(kāi)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：ddXZrZrXWe22)(exp)(1)(單元開(kāi)挖地表水平位移單元開(kāi)挖地表水平位移 將開(kāi)挖引起的巖土體的變形視為不可壓縮過(guò)程，即巖土體的體積變形趨近為0： 對(duì)于二維平面應(yīng)變問(wèn)題，eY= 0，平面應(yīng)變條件下，單元開(kāi)挖引起地表水平位移值Ue(X) ：0eZeYeXddXZrZZrXXUe22)(exp1)()(隧道開(kāi)挖

6、引起的地表移動(dòng)隧道開(kāi)挖引起的地表移動(dòng)隧道橫斷面地表移動(dòng)和變形隧道橫斷面地表移動(dòng)和變形 將距地面一定深度處的地下開(kāi)挖任意形狀斷面的隧道視為平面應(yīng)變問(wèn)題，對(duì)于開(kāi)挖單元巖土體采用坐標(biāo)O，對(duì)于地表面則采用坐標(biāo)系統(tǒng)XOY，地下開(kāi)挖斷面的中心距離地表深度H。把整個(gè)開(kāi)挖范圍分解為無(wú)限多個(gè)單元開(kāi)挖，應(yīng)用疊加原理可得整個(gè)開(kāi)挖范圍塌落后地表最終的總下沉值為： ddXXW222)(tanexptan)(積分區(qū)域的確定積分區(qū)域的確定 積分區(qū)域由隧道開(kāi)挖斷面形狀決定。實(shí)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(kāi)挖空間運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的隧道開(kāi)挖斷面的收斂。如果隧道建成后，開(kāi)挖斷面由收縮為，則地表下沉應(yīng)當(dāng)?shù)扔?/p>

7、開(kāi)挖范圍與范圍引起的地表下沉之差，即： ddXXWXWXW222)(tanexptan)()()(地表水平位移地表水平位移U(X) 隧道施工引起的地表水平位移U(X)應(yīng)當(dāng)?shù)扔陂_(kāi)挖范圍后在地表引起的水平位移U(X)與開(kāi)挖范圍引起的水平位移U(X)之差：ddXXXUXUXU2222)(tanexptan()()()(）地表傾斜、水平變形和曲率地表傾斜、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(diǎn)的傾斜T(X)、不均勻的水平位移所引起的地表點(diǎn)的水平變形E(X)、地表下沉曲線W(X)的曲率K(X)分別為：()();dW XT XdX()();dE XE XdX22)(

8、)(dXXWdXK圓形斷面隧道開(kāi)挖地表移動(dòng)與變形圓形斷面隧道開(kāi)挖地表移動(dòng)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(jiàn)，尤其是采用盾構(gòu)法施工的隧道。對(duì)于園形斷面隧道，開(kāi)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(kāi)挖地表移動(dòng)與變形圓形斷面隧道開(kāi)挖地表移動(dòng)與變形fehgbadcddXddXXW222222tanexptantanexptan)( fehgbadcddXXddXXXU22222222tanexptan)(tanexptan)()(gh

9、HAAgAHfAHecdHAcAHbAHa,),(),(,2222傾斜地表移動(dòng)(x,z)OXWeZddxOZABHAX雙孔平行隧道開(kāi)挖 LHZXOAAB隧道施工地表移動(dòng)參數(shù)反分析隧道施工地表移動(dòng)參數(shù)反分析 應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算隧道開(kāi)挖引起的地表移動(dòng)時(shí)，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(duì)于單洞隧道，反分析地表沉降計(jì)算所需的參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)為：021min( )()miiif xww0 , iixAmww其中；地表下沉測(cè)點(diǎn)數(shù)量；地表下沉實(shí)測(cè)值；地表下沉計(jì)算值； 對(duì)于雙洞隧道，目標(biāo)函數(shù)仍為上式，但自變量變?yōu)椋?, 1, 2, 2xAA； 最優(yōu)化計(jì)算過(guò)程采用Powell法編程求

10、解，同時(shí)基于遺傳算法等提高了反分析效率。 計(jì)算程序編制計(jì)算程序編制 根據(jù)以上計(jì)算公式，編制相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，可以非常方便地計(jì)算出隧道施工引起的橫斷面地表移動(dòng)與變形。對(duì)于不同的隧道開(kāi)挖橫斷面形狀，只需變換不同的積分區(qū)間，或采用其它簡(jiǎn)化計(jì)算方法，同樣可求得特定位置沿隧道縱斷面地表的移動(dòng)和變形分布曲線 。軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)（1地理信息系統(tǒng)模塊。該模塊通過(guò)空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)斷面的地質(zhì)資料等。建立空間數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)，搜集、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(kù)模塊。數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的

11、核心，是整個(gè)系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，它包括計(jì)算需要的數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)和所有的計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)。計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)包括建筑物評(píng)價(jià)指標(biāo)和管線評(píng)價(jià)指標(biāo)。（3評(píng)價(jià)方法模塊。該模塊是進(jìn)行隧道開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，通過(guò)該模塊，可以采用不同的方法對(duì)隧道施工引起的地表和地層位移進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(guò)對(duì)已取得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用遺傳算法尋求各評(píng)價(jià)方法中關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)值。（5結(jié)果輸出和評(píng)價(jià)模塊。該模塊以圖形和文本的方式得到計(jì)算結(jié)果，并對(duì)建筑物和管

12、線進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出評(píng)價(jià)結(jié)果和處理意見(jiàn)供用戶參考 系統(tǒng)主界面龍民區(qū)間平面圖計(jì)算參數(shù)輸入界面工程實(shí)例分析工程實(shí)例分析 為了驗(yàn)證所推導(dǎo)的隧道開(kāi)挖引起的橫斷面和縱斷面地表移動(dòng)和變形計(jì)算公式和編制的計(jì)算軟件的可靠性，我們對(duì)于國(guó)內(nèi)外大量隧道施工地表移動(dòng)和變形工程實(shí)例進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)的數(shù)值進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得了較好的預(yù)計(jì)效果。復(fù)興門(mén)折返線復(fù)興門(mén)折返線B(S)161+56斷面地表下沉斷面地表下沉 0510152025303540-20-15-10-505101520Horizontal Distance (m)Settlement (mm)Predicted profileMeasured dataW

13、ang and Luosprediction(1989)軍都山隧道地表下沉軍都山隧道地表下沉 01020304050-30-24-18-12-60612182430Horizontal Distance (m)Settlement (mm)Predicted profileMeasured dataThunder Bay Tunnel地表下沉地表下沉 0102030405060-15-12-9-6-303691215Horizontal Distance (m)Settlement (mm)This StudyObservedLee(1991)Barcelona Subway地表下沉地表下沉

14、051015202530-25-20-15-10-50510152025Horizontal Distance (m)Settlement (mm)Predicted profileMeasured dataLoganathan and poulossprediction(1998)Heathrow Express Trial Tunnel地表下沉地表下沉 05101520253035404550-40-30-20-10010203040Horizontal Distance (m)Settlement (mm)predicted profileMeasured dataPushan地鐵地表水

15、平位移地鐵地表水平位移 (a) 地表下沉02468101214-50-40-30-20-1001020304050W(mm)X(m)計(jì)算值（總）計(jì)算值（隧1）實(shí)測(cè)值（總）實(shí)測(cè)值（隧1）0102030405060-40-30-20-10010203040W(mm)X(m)計(jì)算值（總）計(jì)算值（隧1）實(shí)測(cè)值（總）實(shí)測(cè)值（隧1） 2520151050-25-20-15-10-50510152025 距隧道中心線的距離(m) 地表沉降(mm)21H=11mD=6.3mL=13m 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

16、。 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。 50403020100-25-20-15-10-50510152025 距隧道中心線的距離(m) 地表沉降(mm)21H=16mD=6.3mL=13m 臺(tái)北捷運(yùn)系統(tǒng)TRTSCH218斷面半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)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(gè)已知形式的函數(shù)。兩個(gè)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(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)

17、限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解解題思路聯(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(gè)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(shí)的解如果此時(shí)計(jì)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(huì)產(chǎn)生附加面力。這樣反復(fù)求解，直至兩個(gè)孔邊的面力均為零，把每次迭代的計(jì)算結(jié)果疊加起來(lái)，就得到問(wèn)題的解。半無(wú)限平面

18、雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解 計(jì)算過(guò)程 半無(wú)限平面內(nèi)存在單洞的解Verruijt，2019） 保角映射 圖1 半無(wú)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))211112111()11zih 保角映射的公式：解析函數(shù)：11111101( )()kkkkkkzab 11111101( )()kkkkkkzcd 解析函數(shù)求解 地表邊界條件：洞室邊界條件：11111111111()1:()()()0() 111111111111():()()()()()FC 根據(jù)求得：式中： 1221111()22 (1)2iiiP 122221111211()23 (1)2iiii

19、iP 224(1)(1)thP221rh附加面力的確定利用解析函數(shù)直接計(jì)算洞2周邊各點(diǎn)的附加面力 ：111211111111()()()()()()f 計(jì)算過(guò)程：（1在 平面取洞2周邊在映射平面 圓周上的點(diǎn)（2經(jīng)過(guò)映射變換 得到z2平面上洞2周邊點(diǎn)t2（3利用坐標(biāo)平移 得到z1平面上洞2周邊點(diǎn)坐標(biāo)T1（4經(jīng)過(guò)逆映射變換 得到 平面上洞2周邊點(diǎn)坐標(biāo)（5） 代入上公式可以得到 所對(duì)應(yīng)的附加面力222222()t 12Ttc1111( )T111212()f應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的求解應(yīng)力：222( )( )4Re( )22 ( )( )( )( )( )i 位移：3( ) ()( )( )( )11( )

20、( ) ()(34 ) ( )( )( )1( )EuivEuiv 平面應(yīng)力問(wèn)題：平面應(yīng)變問(wèn)題：求解問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)計(jì)算程序編制流程圖h 隧道的埋深，即地表面至 隧道開(kāi)挖中心的距離(m)；r 隧道的開(kāi)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(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解算例模型半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)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(jì)算中洞2周邊附加面力的計(jì)算值與逼近值L100）洞周位移 迭

21、代計(jì)算完成后兩個(gè)洞室邊界的位移矢量及收斂曲線圖洞周邊界單洞收斂曲線雙洞收斂曲線洞1洞2位移比例尺(cm)012半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解 雙洞開(kāi)挖影響因素分析計(jì)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=2.0W/D=5/6W/D=1/6地表沉降： 水平位移： 工程實(shí)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(kāi)挖通

22、過(guò)。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 50403020100-50-40-30-20-1001020304050 距兩隧道中心對(duì)稱軸的距離/m 單隧道引起的沉降實(shí)測(cè)值 雙隧道引起的沉降實(shí)測(cè)值 單隧道引起的沉降計(jì)算值 雙隧道引起的沉降計(jì)算值地表沉降值/mm 某雙圓形平行隧道的地表沉降實(shí)測(cè)和計(jì)算曲線半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解半無(wú)限平面雙孔并行隧道開(kāi)挖彈性問(wèn)題解析解 位移邊界條件計(jì)算模型： 半無(wú)限平面的上邊界為應(yīng)力自由邊界。兩個(gè)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

23、u0，且兩洞室的中心間距為c。 求解方法： 位移邊界問(wèn)題與前面介紹的應(yīng)力邊界問(wèn)題的求解思路和過(guò)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(wú)限平面內(nèi)存在單洞的解析解。計(jì)算程序編制流程圖計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格單元?jiǎng)澐?復(fù)雜網(wǎng)格區(qū)域的挖除和拼接)開(kāi) 始生成全局四邊形網(wǎng)格頂點(diǎn)坐標(biāo)矩陣計(jì)算全局四邊形網(wǎng)格中點(diǎn)坐標(biāo)矩陣計(jì)算網(wǎng)格單元和速度間斷線的基本幾何信息單元面積、速度間斷線長(zhǎng)度、與x軸夾角等耗散功率、速度間斷線耗散功率計(jì)算外力功率、自重功率、單元內(nèi)部根據(jù)功率平衡方程形成目標(biāo)函數(shù)施加單元內(nèi)部及速度間斷線塑性流動(dòng)約束條件施加模型的速度和力邊界條件設(shè)置優(yōu)化變量的上下限調(diào)用線性規(guī)劃函數(shù)求解輸出結(jié)果、后

24、處理、繪圖上限有限元計(jì)算流程和程序編制地層位移預(yù)測(cè)的上限有限元法地層位移預(yù)測(cè)的上限有限元法計(jì)算模型計(jì)算模型不排水條件下隧道圍巖穩(wěn)定性穩(wěn)定性系數(shù)NSTN(CD 2) c排水條件下隧道圍巖穩(wěn)定性TSDcscNNNC D2, D2cC D2, D3cC D2, D4c圓形隧道發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí)的網(wǎng)格變形C D2, D4cC D2, D3cC D2, D2c發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí)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C D1C D2C D3C D4C D5發(fā)生塑性流動(dòng)時(shí)的隧道斷面收斂模式隧道施工對(duì)于鄰近結(jié)構(gòu)物影響評(píng)價(jià)隧道施工對(duì)于鄰近結(jié)構(gòu)物影響評(píng)價(jià)隧道施工引起結(jié)構(gòu)物損害的評(píng)價(jià) Polshin和Tok

25、ar提議將0.510-3的應(yīng)變作為砌體與混凝土墻的開(kāi)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(shí)，其表觀可能會(huì)受到影響。 Breth和Chambosse認(rèn)為對(duì)于傾斜小于1:450的框架結(jié)構(gòu)，沒(méi)有損害發(fā)生； 德國(guó)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(diǎn)處的斜率應(yīng)小于1/300。 Walkinshaw報(bào)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13mm6

26、00mm，平均約250mm。 我國(guó)原煤炭工業(yè)部在世紀(jì)年代參考前蘇聯(lián)、波蘭、德國(guó)及英國(guó)的有關(guān)規(guī)定后，對(duì)長(zhǎng)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(jí)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(guò)大而導(dǎo)致，即拉伸變形超過(guò)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(jì)算巖土體位移和變形分布。隨機(jī)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隧道施工引起的鄰近建筑物沉降與水平位移實(shí)例分析實(shí)例分析 深圳地鐵五號(hào)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(hào)線深圳北站至民治站區(qū)間右線DK21+330

27、+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(cè)試斷面 10層民豐住宅1層民房 10層民用住房BBBBBBBBBBBB14131211109854321BB76左線中心線右線中心線N9層住宅DK21+435 2層百貨小超市院子郭府住宅 9層AAAAAAAAAAAAAA1413121110987654321DK21+477水平位移測(cè)斜管布置粉質(zhì)黏性土C6C5C4C3C2C1左線右線地面線素填土礫質(zhì)

28、黏性土(風(fēng)化花崗巖殘積土) 隨著掌子面向監(jiān)測(cè)斷面掘進(jìn)，各點(diǎn)沉降不斷增大。掌子面靠近測(cè)試斷面時(shí)沉降速率明顯較快，在掌子面通過(guò)該斷面20m后，地表沉降才逐漸趨于緩和，最終累計(jì)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R3.2mR3.2m-35-25-15-52m水平位移值（mm）4m9m14m19m-6.6m013.2m距右線中線距離（mm）DK21+477斷面水平位移左線右線-35-25-15-5-35-25-15-5-35-25-15-5-35-25-15-5-35-25-15-515504m6m8m10m12m典型斷面的水平位移地表水平位移56789101

29、11213地面以下深度(m)距隧道中線距離(m)-6.50491419掌子面距477斷面20m掌子面距477斷面15m掌子面距477斷面10m掌子面距477斷面5m掌子面距477斷面0m掌子面距477斷面5m掌子面距477斷面10mR3.2m1415原始水位線10020304050607080-10-20地面以下深度z(m)距隧道中線距離y(m)z=*exp(-*y2)+H其中：=8.30966 =0.00107 H=4.5z=a*y2+b*x+c+H其中：a=-0.00896 b=0.03051 c=8.24593 H=4.5實(shí)測(cè)水位線指數(shù)方程擬合水位曲線拋物線擬合水位曲線原始水位線2468

30、101214實(shí)測(cè)的水位線由實(shí)測(cè)水位線按二次指數(shù)曲線擬合出的水位線2exp()zyH8.3096631.07 104.5Hm 10層民用住房 樁基礎(chǔ)2層小百貨超市 條形基礎(chǔ)地面線距隧道中線距離（m）5101520253035501001502002503000J8-3J8-2J10-6J10-2J10-1DK21+435天然地面沉降實(shí)測(cè)曲線DK21+430建筑物邊墻沉降曲線沉降值（mm）R3.2m15.59m素填土粉質(zhì)粘土礫質(zhì)粘性土風(fēng)化花崗巖(風(fēng)化花崗巖殘積土)地下水位線DK21+430建筑物預(yù)測(cè)沉降曲線建筑物實(shí)測(cè)沉降與預(yù)測(cè)沉降對(duì)比隧道施工引起的鄰近橋梁與地表沉降實(shí)例分析隧道施工引起的鄰近橋梁與

31、地表沉降實(shí)例分析 武廣高鐵金沙洲隧道下穿沙貝立交 金沙洲隧道在里程金沙洲隧道在里程DK2194+560DK2194+560DK2194+835DK2194+835穿越沙貝立交樞紐，其中在穿越沙貝立交樞紐，其中在DK2194+675.7 DK2194+675.7 處處從沙貝立交橋下穿過(guò)從沙貝立交橋下穿過(guò) 。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 3.13-28.68開(kāi)挖線13691297.91金沙洲隧道R755151018831382430B4.884.674.836.697.027.494.832.333.133.133.139#8#7#6#5#廣佛立交橋橋梁中心標(biāo)高:1

32、5.47橋梁中間樁號(hào):00006.5186.9016.7016.4216.5296.4976.368-14.482-14.457-14.534-14.579-4.503-4.632地表線7#3#4#5#6#8#9#-28.68開(kāi)挖線1297.91R7551510金沙洲隧道橋梁中間樁號(hào):0000445112.191363.71-9.471注：隧道里程為DK2194+675.7 0 樁 號(hào)4567樁體材料C25C25C25C25樁體直徑 （cm）120120120120樁長(zhǎng) （m）21212116樁與隧道頂部最小豎直距離（m）1.271.171.126.27樁與隧道中線最小水平距離（m）37.66

33、21.134.4515.98B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 環(huán)城高速便道便道便道4.1084.6153.8323.725DK2194+650DK2194+5507.799隧道中線廣佛立交橋中點(diǎn)0000DK2194+675.7橋隧相交點(diǎn)83545廣佛立交橋金沙洲隧道N橋梁中線引橋便道DK2194+750DK2194+450DK2194+410DK2194+835新建B匝道橋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材料密度 Kg/m3彈性模量GPa泊松比黏聚力kPa內(nèi)摩擦角 黏土及全風(fēng)化灰?guī)r18000.0100.43025強(qiáng)

34、風(fēng)化及弱風(fēng)化灰?guī)r20000.20.310030錨桿、管棚79002100.2初期支護(hù)2200230.3二襯襯砌、仰拱及回填230032.50.3樁身及橋梁結(jié)構(gòu)混凝土2300350.3模型計(jì)算參數(shù) 金沙洲隧道下穿沙貝立交橋影響評(píng)價(jià)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(zhǎng)度取本次數(shù)值模擬沿路線方向長(zhǎng)度取DK2194+646 DK2194+706段，且認(rèn)為該段洞身施工由段，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。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 。3#-4#墩墩4#-5#墩墩5#-6#墩墩6#-7#墩墩7#-8#墩墩8#-9#墩墩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)29412752741119數(shù)值計(jì)算數(shù)值計(jì)算25.41283.71324.17454.46154.1523.16擴(kuò)大基礎(chǔ)各墩臺(tái)差異沉降值單位：m