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1、西安科技大学 硕士学位论文 地铁隧道盾构施工引起的地表变形规律研究 姓名：冯超 申请学位级别：硕士 专业：防灾减灾工程及防护工程 指导教师：任建喜 论文题目：地铁隧道盾构施工引起的地表变形规律研究 专 业：防灾减灾工程及防护工程 硕 士 生：冯 超 （签名） 指导老师：任建喜 （签名） 摘 要 在黄土地区采用盾构方法修建城市地铁隧道在我国尚属首例， 由于地表建筑古迹较 多，使得盾构施工引起的地表沉降以及对周围环境的影响问题尤为突出，开展黄土地区 城市地铁隧道盾构施工引起的地表变形规律研究具有重要的工程应用价值。 本文以某城市地铁2号线区间隧道盾构施工工程为依托，通过理论分析、FLAC3D数 值
2、模拟和现场实测相结合的方法，研究了盾构施工修建地铁隧道时的地表沉降规律、城 墙基础变形规律，建议了变形控制方案。主要工作有： （1）研究了地铁隧道盾构施工引起的地表沉降主要原因及其变形机理。结果表明， 影响地表沉降变形的主要原因是盾构法施工过程中产生的地层损失引起地层移动、 衬砌 结构的变形、土体的固结和次固结作用等。在隧道盾构施工过程中，地表沉降根据盾构 推进位置不同，分为盾构到达前、盾构到达、盾构通过时、盾尾通过、后续沉降五个阶 段的变形。 （2）分析研究区间隧道和地表沉降暨有监测资料，得出了 Peck 公式沉降槽宽度影 响系数K在 0.440.50 之间变化。根据计算结果，建议了 Pec
3、k 公式在黄土地区城市地 铁隧道盾构施工引起的地表沉降预估时的适用条件。 （3）建立了 FLAC3D数值模型预测盾构施工下穿古城墙时其基础变形规律。通过对 不同工况计算结果的对比分析， 建议了对古城墙门洞下地层采用钻孔灌注桩加地层化学 注浆加固的方案来控制古城墙基础变形， 以保证地铁隧道顺利安全通过古城墙。 FLAC3D 数值分析表明：随着黄土粘聚力、内摩擦角的提高，城墙基础沉降及地表沉降均有所减 缓。但是当内摩擦角超过 21后，对城墙基础沉降及地表沉降位移影响减小。 （4）设计了地表沉降及城墙基础变形监测方案，完成了现场监测。监测结果与计 算结果比较表明， 城墙基础沉降曲线和隧道轴线对应地表
4、沉降曲线的实测值与计算值的 变化趋势基本一致。说明 FLAC3D模拟计算的结果是可信的。 关 键 词：黄土地区；地铁隧道；盾构施工；地表沉降；城墙变形；监测；控制技术 研究类型：应用基础研究 Subject : Study on the Ground Surface Deformation Laws Induced by Metro Shield Tunnel Construction Specialty : Disaster Prevention and Reduction and Protective Engineering Name : Feng Chao （Signature） Ins
5、tructor : Professor Ren Jianxi （Signature） ABSTRACT Shield construction in Loess area to build subway tunnel is the first case in China. So many monuments make the ground surface subsidence and the impact on the surrounding environment due to the shield tunnel excavation more especially, there is im
6、portant engineering application value to study it. This paper is based on the metro 2# line tunnel through the city wall in a city which is built by shield construction, use the manner of combine theoretical analysis, in-situ monitoring and FLAC3D simulation to study the surface and the city wall fo
7、undation subsidence laws where the subway tunnel is built by shield construction in specific Loess areas, and suggested the matures how to control the distortion. The Main consequents are as follow: (1) Studied the main reasons and failure mechanism of the ground surface subsidence due to shield tun
8、nel construction. The results show that the main reasons affecting the ground surface subsidence during the shield construction are ground movement formation, formation changes of the original stress state, the soil consolidation and secondary consolidation. The ground surface subsidence includes 5
9、parts as before the shield arrived, the shield arrived, the shield passed, the shield tail passed and follow-up subsidence. (2) Analyzed the surface subsidence data obtained, The result shows that theKof Peck formula changed from 0.44 to 0.50.Suggested the applicable conditions how to apply Peck for
10、mula in Loess area to estimate the ground surface subsidence. (3) Studied the process of the shield passing through the ancient city wall by designing a numerical model method with FLAC3D.Suggested the best joint construction program which is formed by segment support and grouting behind the segment
11、, chemical grouting in the soil within 3 city gates and piling bored piles closed to the ancient city wall south foundation by studying the calculation data with 3 conditions. The results show that as the loess cohesion and internal friction angle increased, the city wall foundation settlement and g
12、round subsidence are slowed. But when the friction angle is over 21, it has little effect on the city wall foundation formulation and the ground subsidence. (4) Designed the monitoring program of the city wall foundation and the ground surface subsidence, and completed the monitoring. Analyzed the c
13、alculation data and the monitoring data, the results show that the trend of the two settlement curves are basically consistent. This also prevented the model calculation was correct and credible. Key words: Loess area Subway tunnel Shield construction Ground surface subsidence City wall deformation
14、In-situ monitoring Control technology Thesis : Application fundamental study 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 随着社会经济的发展和城市人口的激增，地面交通愈来愈不堪重负。为了缓解地面 交通负荷， 人们开始寻找新的交通模式， 于是地铁便应运而生了。 自北京建成地铁以来， 目前我国天津、上海、广州已相继建成地铁一号线，南京、青岛、大连、深圳、杭州、 成都等城市正积极开展修建地铁的筹备工作。据不完全统计，在全国 21 个百万人口以 上的城市中正在筹建 33 条总长为 649 km 的地铁和轻轨。在未来的几
15、十年中，地下交 通项目将增加到一个目前无法预知的水平 1-3。 城市用地愈来愈紧张，新的排水和供水项目、地下车库、地下商场等公共设施的建 设，都要求城市管理部门使用地下结构。该市是世界闻名的古都，留下了大量的历史古 迹。由于环境污染的加剧，部分遭到了破坏，而地下交通工程能缓解交通拥挤，减少污 染物的排放，因此也是环境保护措施的一部分，同时也能够起到保护文物古迹的作用。 在某种程度上，一个城市有无地铁，以及拥有地铁的数量都代表着这个城市经济是 否繁荣，是否发达。城市规模化的发展也促进了地铁建设的蓬勃发展，地铁的建成缓解 了城市的交通压力，同时也加速了城市的建设。在这样的经济发展浪潮中，该城市作为
16、 西北大开发的前沿城市，随着面积的不断扩大，人口的不断增多，地铁建设工作刻不容 缓。鉴于此，于 2007 年破土动工，修建地铁。 在土或软岩中设计和建设隧道是最难的岩土工程项目之一。而且，地下交通项目一 般位于人口密集的地区，它的修建会对地上建筑造成很大的影响。大城市中高楼林立的 地区不断增多，新的地下设施比过去更经常的与现有结构物靠近。为了使地面结构和设 施保持安全和完整，保护已存在的结构物和地下管道免受破坏是很重要的，在人口密集 的城区下修建隧道工程就更要求十分小心。如果碰到困难或意料之外的工程条件，问题 甚至将会更加复杂。 一般修建地铁等地下工程的方法不外乎有明挖法、暗挖法和盾构法，每一种方法都 有其适应条件和优缺点，而盾构法却以诸多优势成为如北京、上海、广州等大城市地铁 隧道建设采用较多的施工方法。 盾构法是一种在刚性壳体支持下完成地下洞室掘进和衬 砌的综合性施工技术。该法可在大范围的工程地质
