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1、劣妻未交 硕士学位论文 J3 1 8 0 2 2 地铁隧道开挖诱发的地表沉降与变形预测分析 P r e d i c t i o na n a l y s i so fs u b w a yt u n n e l e x c a v a t i o ni n d u c e d2 r o u n d ；u b s i d e n c endVatlon-inU c e2 r o u n dS US Ie n c ea n 1 n e l o r ma t l O n 作者：袁杰 导师：崔江余 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 文艺未 ) 户 夕 硕士学位论文 1 6 1 8 0 2 2 地
2、铁隧道开挖诱发的地表沉降与变形预测分析 P r e d i c t i o na n a l y s i so fs u b w a yt u n n e l e X C a V a t l O n l n d u c e dg r o u n dS Ub s J d e n c ea n c l lll 1 1 n 1 1 e l o r m a t l o n 作者：袁杰 导师：崔江余 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 ，帚 一一呵 、 孵 ，一I 、。“ 学位论文版权使用授权书 恻恻燃5 5 8Y 17 8 1 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授
3、权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签导师签名： 签字日期2 令幺年 2 R ) ，隧道开挖将 诱发地表发生移动和变形。 图3 7 双孔平行圆形隧道开挖不恿幽“” 建立图3 7 所示的坐标系，设隧道施工完成后隧道I 和隧道I I 半径收缩值分别 为A 和B ，在整体坐标系下，根据前面所述的简化原理，得到隧道I 开挖引起的 地表沉降、水平位移、水平变形、倾斜、曲率的计算公式如下：
4、w I ，( X ) 鼍竽e x p 【- 下t a n 2 f l ( x 一扪 ( 3 2 2 ) u = 学e x p 【_ 下n t a n Z B ( x 一2 】 ( 3 2 3 ) I ( X ) = 塑学e x p 【_ 下n t a n Z f l ( x 一勃2 】 ( 3 - 2 4 ) E l ( X ) = 骂竽【1 一下2 n t a n 2 8 ( x 一舟x p 【一下n t a n z l 8 ( x 一扪 2 5 ， K ：( X ) = 掣降( x 一0 2 1 】e X p 卜下t a n 2 3 ( x 一0 2 】 2 6 ， 则隧道I I 开挖诱发
5、的地表沉降、水平位移、水平变形、倾斜、曲率的计算公 式如下： “( X ) _ 7 n R A A r t a n pe x p 【_ 下I t t a n z ( x + 0 2 】 ( 3 - 2 7 ) 3 0 ( 3 2 8 ) ( 3 2 9 ) ( 3 3 0 ) ( 3 - 3 1 ) 根据叠加原理，可以得到双孔平行圆形隧道开挖诱发的地表沉降、水平位移、 水平变形、倾斜、曲率的计算公式： w 7 ( x ) = W I ( x ) + w I I ( x ) ( 3 3 2 ) u ( X ) = U T ( x ) + U IT ( X ) ( 3 - 3 3 ) T ( x
6、) = T I ( x ) + T I l ( x ) ( 3 3 4 ) E 7 ( x ) = E I ( x ) + E I I ( x ) ( 3 3 5 ) K 7 ( x ) = K I ( x ) + K I I ( x ) ( 3 3 6 ) 根据上述分析，当两隧道断面不在同一水平线上或者两隧道的地层损失以及 所处地层的地层影响角不一样时，只需要将以上公式中的H 、D 、L 、A A 矛N t a n f l 各 参数变成与之相应的参数即可。 其中利用上文推导的优化公式进行地铁隧道开挖诱发的地表沉降及变形预测 时，必须明确确定5 个( 单孔隧道时为4 个) 基本计算参数，而对于
7、一个具体的 双孔隧道工程，其隧道埋深H 、隧道开挖直径D 和两隧道中心距L 都是确定的， 这样只需确定两个基本计算参数t a n 3 和A 即可： ( 1 ) t a n l 3 为开挖地层主要影响角的正切值，B 取决于隧道开挖所处的地层条件， 是地层岩土体特性的综合反映，可以根据隧道围岩的级别利用相关规范，查得覆 土层内摩擦角q o ，查表3 1 或通过公式转换以获得计算参数t a n l B ；也可由 t a n i 3 = H 2 5 i 求得，其中H 为隧道埋深，i 为地表沉降槽的宽度系数。 表3 - 1 不同地层条件下地层影响角建议值拍7 地层条件地层影响角B 建议值 硬裂隙粘上 4
8、 5 。一q o 2 。般性粘十 4 5 。 软粘土 4 5 。3 5 。 砂上1 5 。3 0 。 汪：( D ，7 , j 十体内烽擦_ ：f f j 随机介质理论计算过程的优化 u o x ) = 学唧 _ 下a t a n 2 1 3 ( x + 0 2 】 协2 8 ) T11(x)=丁-7TtzRAA(x+；)tan3 J 3 e x p 【一a t a n 2 f l H 2 ( X + 言) 2 】 ( 3 2 9 ) 如卜7 1 I R 4 A H A 。t a n l 3 。 1 一下2 t a n 2 1 3 ( x + 明唧卜下n t a n Z l 3 ( x + 0
9、 2 】 3 0 ， K 翩= 警降( X + L ) 2 _ 1 e X p 【- 警( x + 勃z 】3 - ， 根据叠加原理，可以得到双孔平行圆形隧道开挖诱发的地表沉降、水平位移、 水平变形、倾斜、曲率的计算公式： w ( X ) = ( X ) + T ( x ) ( 3 3 2 ) U ( X ) = U I ( x ) + U I I ( X ) ( 3 - 3 3 ) T 7 ( X ) = T I ( x ) + I I ( x ) ( 3 3 4 ) E 7 ( X ) = E l ( X ) + E I I ( X ) ( 3 - 3 5 ) K 7 ( x ) = K
10、I ( X ) + K IT ( X ) ( 3 - 3 6 ) 根据上述分析，当两隧道断面不在同一水平线上或者两隧道的地层损失以及 所处地层的地层影响角不一样时，只需要将以上公式中的H 、D 、L 、A 和t a n 3 各 参数变成与之相应的参数即可。 其中利用上文推导的优化公式进行地铁隧道开挖诱发的地表沉降及变形预测 时，必须明确确定5 个( 单孔隧道时为4 个) 基本计算参数，而对于一个具体的 双孔隧道工程，其隧道埋深H 、隧道丌挖直径D 和两隧道中心距L 都是确定的， 簪 这样只需确定两个基本计算参数t a n B 和A 即可： ( 1 ) t a n l 3 为开挖地层主要影响角的
11、正切值，B 取决于隧道开挖所处的地层条件， 是地层岩土体特性的综合反映，可以根据隧道围岩的级别利用相关规范，查得覆 土层内摩擦角q o ，查表3 一l 或通过公式转换以获得计算参数t a n 3 ；也可由 t a n B = H 2 5 i 求得，其中H 为隧道埋深，i 为地表沉降槽的宽度系数。 表3 - 1 不同地层条件下地层影响角建议值啼“ 地层条件地层影响角B 建议值 硬裂隙粘土 4 5 。一( p 2 一般性粘土 4 5 。 软粘土 4 5 。- - 3 5 。 砂土1 5 。3 0 。 注：( p 为十体内摩擦角 北京交通火学硕十学位论文 ( 2 ) A 为隧道断面半径的收敛值，它是
12、隧道施工条件的综合反映。城市中隧道 的开挖，通常进行诸如洞周收敛、拱顶下沉、地表下沉等必测项目的监控量测， 因此，通过现场实测的手段来确定A 值，直观方便、可靠度高，更能代表实际工 程的综合效应，意义比较明显。当现场无条件获取洞周位移数据或布置的监测断 面数量较少，无法反映整条隧道内周位移时，A 也可通过工程类比、参数反分析 北京交通大学硕十学位论文 ( 2 ) A 为隧道断面半径的收敛值，它是隧道施工条件的综合反映。城市中隧道 的开挖，通常进行诸如洞周收敛、拱顶下沉、地表下沉等必测项目的监控量测， 因此，通过现场实测的手段来确定A 值，直观方便、可靠度高，更能代表实际工 程的综合效应，意义比
13、较明显。当现场无条件获取洞周位移数据或布置的监测断 面数量较少，无法反映整条隧道内周位移时，A 也可通过工程类比、参数反分析 等方法获得。 3 3 3 其他形状断面 o ( 鑫 矩形 no 、 和 马蹄形 图3 - 8 国内地铁隧道典型断面 目前，国内地铁隧道的断面形状以圆形断面居多，但也时常出现图3 8 所示的 形、椭圆形、马蹄形、多心圆形等断面形状的情况。采用随机介质法预测地表 降及变形时，对于图3 8 中的规则断面( a ) 和( b ) ，积分界限比较容易确定，但对 ( c ) 和( d ) 甚至连拱隧道等不规则断面，积分界限的确定则比较困难。 这时，采用本文提出的简化方法对于不同形状
14、的隧道断面，只需要知道隧道 工产生的地层损失、地层影响角以及隧道的埋深，隧道埋深并非超浅埋时可采 本章推导的优化方法进行地表沉降及变形计算。隧道埋深就是隧道断面形心所 的地层深度，对于规则断面形心就是断面的中心，对于不规则断面形心就是重 ( 可在A u t o C A D 中利用查询图形的质量属性工具很方便的求的) 。对于地层损失， 以根据工程经验选取或者根据施工现场的监测数据求得，地层影响角也可根据 程类比法确定或者初步取为表3 1 中的值。当隧道为多孔或者连拱隧道时，可利 3 2 随机介质理论计算过程的优化 用叠加原理将每个单洞的地表沉降及变形进行叠加得到总的地表沉降及变形。 为了验证上述
15、优化公式在预测地表沉降与变形时的准确性，同时为了确定隧 道埋深和半径的比值在满足什么条件下能进行上述优化，本文选取了几个不同的 算例，分别运用随机介质法和本文的优化公式进行地表沉降及变形的计算，并将 其结果进行了对比分析，详见第4 章。 3 4 本章小结 ( 1 ) 简要地阐述了随机介质理论预测地表沉降及变形的基本理论原理及公式 的推导过程； ( 2 ) 以隧道断面的不均匀椭圆化收敛形式为基础，对随机介质法预测地表沉降 及变形的计算公式及过程进行了相关优化，推导出了相关的优化公式，包括单孔 断面隧道以及双孑L 断面隧道施工诱发的地表沉降及变形的计算公式，使随机介质 理论在预测地铁隧道开挖诱发的
16、地表沉降和变形方面，更具有实用性； ( 3 ) 简要地介绍了利用上文推导的优化公式进行地铁隧道开挖诱发的地表沉 降及变形预测时，必须明确确定的5 个( 单孔隧道时为4 个) 基本计算参数的确 定方法，其中包括隧道埋深H 、隧道开挖直径D 、两隧道中心距L ( 双孔隧道) 、 地层主要影响角的正切值t a n l B 和隧道断面收敛值A ； ( 4 ) 对于其他类型双孔或者多孔平行隧道施工诱发的地表沉降及变形计算，例 如隧道断面中心点不处于同一深度、隧道断面形状不同等情况，此时可以假定叠 加原理仍然适用，因此同样可以通过叠加的方法计算复杂条件下双孔或多孔隧道 施工诱发的地表沉降及变形，首先分别计算各个相应单孔隧道施工诱发的地表沉 降及变形，然后将各个单孔隧道计算结果进行相应叠加，最后可得出在复杂条件 下，多孔隧道施工诱发的地表沉降及变形的计算结果。 随机介质理论
