地铁隧道非降水法施工引起的地表沉降的研究

论文摘要

地面沉降是区域性地面标高降低的一种环境地质现象，具有持续时间长、影响范围广和防治难度大等特点。地面沉降主要由开采地下水资源，工程基础施工及地下空间的开发利用引起。 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，开挖施工将不可避免地会扰动地下岩土体，使其失去原有的平衡状态，而向新的平衡状态转化。在此过程中，隧道开挖使围岩产生卸荷临空面引发收敛变形，进而造成地表下沉；同时，扰动及地下水的流失会使土体重新固结，引起整个地层的固结沉降。这一系列的沉降变形发展到一定的程度，将影响地面建筑物的安全和地下管线的正常使用。因此，长期以来城市地铁隧道施工引起的地表沉降问题一直都是人们关注和研究的重要课题。 关于地表沉降的研究需要解决两个主要问题：提出先进的有效控制沉降的施工方法及计算并预测地铁隧道施工引发的地表沉降量。 采用浅埋暗挖法施工地铁隧道，以往普遍采用全线降水法，此法能保证在地铁隧道施工过程中实现“无水”施工，但是，在我国南方富水软土地层中，再采用这种方法就会在隧道未开挖之前，由于降水井抽水引发大范围的地表沉降，而且这部分沉降在总沉降中所占的比例高达70—80％，因此，在这样的地层施工地铁隧道，控制沉降的关键在于减小隧道开挖对地层的扰动和控制地下水的流失。深圳地铁大～科区间隧道恰在富水软土地层中施工，且地下管线与地面建筑物的存在要求沉降必须得到有效控制，针对这一问题创新性地提出了以控制地下水流失为主要目标的非降水施工方法。本文在此工法实施前采用了三维有限元数值模拟和离心机模型试验方法进行对比研究，证明该法可行。根据实际施工情况及现场监测的数据显示，非降水施工方法科学合理取得了成功。 本论文在研究过程中，采用三维显示有限差分分析软件FLAC3D，考虑流固耦合效应，建立地铁施工过程的渗流—变形—沉降耦合模型，对渗流、变形，开挖及沉降进行仿真模拟，系统分析研究了降水法施工及非降水法施工全过程对地表下沉的影响，通过对比分析确定在富水软土地区施工地铁隧道，地层失水是造成地表沉降的控制性因素且非降水施工方法控制沉降的高效性。采用离心模型试验重点研究了SK3+355和SK3+395断面的地表沉降规律，通过对非降水施工法及降水施工法对比分析，得出非降水施工法为最佳方法的结论。数值模拟和离心模型实验研究成果与现场监测基本一致，以水平旋喷桩为技术核心的以控制地下水流失为目标的非降水施工法，可减小施工对地层的扰动、减小施工过程中的地下水流失，是在富水软土地层采用浅埋暗挖法施工时的最佳施工方法。 目前的地表沉降计算与预测多采用Peck系列的经验公式，该系列公式认为地表的变形主要取决于土层和地下水位条件，而隧道的埋深、隧道的直径、支

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 地铁施工方法
• 1.3 地铁施工引起的工程与环境问题
• 1.4 地铁施工引发地表沉降的研究现状与评述
• 1.4.1 地铁施工引发地表沉降的机理
• 1.4.2 确定地表沉降的方法
• 1.4.3 各种确定地表沉降方法的评述
• 1.5 研究问题的提出
• 1.6 本文的研究思路、方法、主要内容与创新
• 第二章 土体的本构关系、渗透固结及流固耦合原理
• 2.1 土体的本构关系
• 2.1.1 弹性本构模型
• 2.1.2 弹塑性本构模型
• 2.2 渗透固结
• 2.2.1 土体固结沉降基本理论
• 2.2.2 渗流与固结
• 2.3 流固耦合
• 2.3.1 流固耦合的原理
• 2.3.2 流固耦合问题的求解方法
• 2.3.3 流固耦合的数值模拟
• 第三章 不同排水条件下地铁隧道施工的三维数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 工程背景
• 3.3 数值模拟计算
• 3.3.1 降水井降水过程的数值模拟
• 3.3.2 排水固结的有限差分计算模型
• 3.3.3 降水法与非降水法施工地铁隧道的数值模拟
• 3.4 小结
• 第四章 现场监测
• 4.1 工程概况
• 4.1.1 设计简况
• 4.1.2 工程地质与水文地质
• 4.1.3 周围环境
• 4.1.4 工程特点
• 4.2 监控量测方案
• 4.2.1 监控量测的目的
• 4.2.2 监测项目
• 4.2.3 测站布置
• 4.3 监控量测成果与分析
• 4.3.1 洞内变形
• 4.3.2 地表沉降
• 4.3.3 邻近建筑物沉降
• 4.3.4 SK3+355断面的沉降研究
• 4.4 小结
• 第五章 离心机模型试验研究
• 5.1 离心模型试验
• 5.1.1 模型试验研究的重点
• 5.1.2 土工离心模型试验技术
• 5.1.3 土工离心模型试验技术的发展现状
• 5.2 离心模型试验技术的应用领域及取得的成果
• 5.2.1 离心模型试验技术在传统领域的应用
• 5.2.2 离心模型试验技术新的应用领域
• 5.3 土工离心模型的试验原理
• 5.3.1 离心模型试验相似理论
• 5.3.2 离心模型试验的相似比
• 5.3.3 离心力场的特性
• 5.3.4 离心模型在离心力场中的运动状态
• 5.3.5 离心模型试验中的几个问题
• 5.4 不同施工方法对SK3+355断面沉降影响的研究
• 5.4.1 研究目标
• 5.4.2 试验思路和方法
• 5.4.2 试验内容和模型制作方法
• 5.4.3 离心模型试验参数的确定
• 5.4.4 模型材料的选取
• 5.4.5 试验设备
• 5.4.6 测点布置和模型加载过程
• 5.4.7 SK3+355断面试验结果分析
• 5.4.8 模型试验的作用及改进
• 5.5 小结
• 第六章 非降水法施工地铁隧道引起的地表沉降的预测
• 6.1 引言
• 6.2 研究的方法及步骤
• 6.3 沉降影响函数法预测地表沉降
• 6.3.1 工程背景
• 6.3.2 固结引起的沉降研究
• 6.3.3 隧道开挖引起的沉降研究
• 6.3.4 总沉降量的确定
• 6.4 工程实例验证
• 6.4.1 深圳地铁大～科区间（公式与现场监测）
• 6.4.2 广州地铁隧道火车站～三元里段（计算与实测）
• 6.4.3 上海地铁隧道浦东南站～南浦大桥站区段（计算与实测）
• 6.5 小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表论文
• 作者攻读博士学位期间参加科研项目
• 作者攻读博士学位期间获奖情况