３２ 北京建筑工程学院学报 ２００８笠 。 点‘ ｌ、 Ｉ＼ ／ ｆ ｌ ∈ 。、 图１地表横向沉降槽预测示意图 ｓ ｍａｘ ≈ （２） ２√ Ｔｃ … 式中，Ｖｉ为隧道单位长度地层损失，所谓地层损失， 是指隧道施工中实际开挖的土体的体积与竣工隧道 体积之差，竣工隧道体积还包括隧道周边包裹的压 入浆体体积． 式（１）和式（２）中，需要确定Ｖｉ和ｉ两个参数． 这些参数与隧道开挖深度、断面尺寸、地层条件和施 工条件等密切相关，Ｐｅｃｋ、Ｃｏｒｄｉｎｇ、Ｃｌｏｕｇｈ、Ｓｃｈｉｍｉｄｔ 等许多学者对参数的取值进行了大量研究，给出了 许多经验取值．沉降槽宽度系数ｉ，可采用以下经验 公式求得【 ． ｉ：—ｊ ＝—————■————＿＿ （３）１ ， ｔｇ（４５ 詈Ｊ 式中，Ｈ为覆土厚度；Ｒ为计算半径． ２）竹山乔根据日本盾构隧道施工中积累的实际 数据，将地面沉降通过回归曲线分析，提出了按以下 经验公式（４）估算地表最大沉降［ ： ｓ一 （２ 一 Ｈ） （４） 式中，Ｅ为平均变形模量，ＭＰａ；Ｈ为覆土厚度，ｒｌｌ； Ｄ为盾构外径，１ＴＩ． ３）国内众多学者在这方面也进行了大量的工 作．刘建航等以Ｐｅｃｋ法为基础，根据上海延安东路 隧道施工实测资料，提出“负地层损失”的概念，在此 基础上得出预测纵向沉降槽曲线的计算公式＿５］： ｓ㈤＝ ｛ ［ ］｝＋ ｛ ［ ＿ ＿ ／］） ㈤ 式中，Ｓ（ ）为沿隧道纵轴线分布的沉降量，当该值 为负时为隆起量； 为沉降点距坐标原点的距离； Ｖｆ 和Ｖ，２分别为盾构开挖面和盾尾后部间隙的地 层损失；Ｙ 和Ｙ 寸分别为盾构推进起始点和盾构开 挖面到坐标原点的距离； ＝Ｙｆ—Ｌ，Ｙ Ｙ —Ｌ（这 里Ｌ是盾构机的长度）； （Ｘ）为标准正态分布函 数． １．２．３理论分析法 １）弹粘塑性理论解析方法 随着对地层变形研究的深入，许多学者将相关 学科的研究成果引入到隧道软土地层变形研究中， 考虑地基土层的变形特点，将地基土作为弹性、弹塑 性、粘弹塑性体考虑．陶履彬、侯学渊等用轴对称的 平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场和位移 场；日木的久保胜保研究了圆形隧道的非线性弹塑 性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映 了土体的非弹性性质，并考虑地层位移与时间的相 关性；孙钧等利用粘弹塑性理论，对圆形隧道围岩和 衬砌进行了粘弹塑性分析 Ｊ． 由于受到计算条件的限制，只能对较简单的边 界条件和初始条件求出解答，所以这些方法几乎无 一例外地将地层假定为均匀的、轴对称的平面应变 问题，使其应用受到极大的限制．随着对地层变形 研究的深入，许多学者将相关学科的研究成果引入 到隧道软土地层变形研究中，考虑地基土层的变形 特点，将地基土作为弹性、弹塑性、粘弹塑性体考虑． ２）随机介质理论方法 随机介质理论是波兰学者李特威尼申（Ｊ． Ｌｉｔｗｉｎｉｓｚｙｎ）为研究采煤岩层与地表移动问题所提 出的，他基于砂箱模型实验研究，提出了五大公理， 应用严密的数学方法，建立了随机介质理论［ ．随 机介质自提出以来，经过我国学者刘宝琛 Ｊ、廖国 华、阳军生等的发展，其理论已逐步完善，应用领域 从最初的煤矿地下开采地表移动预计，发展到露天 开采，金属矿地下开采、近地表开挖及地层疏水所引 起的地表移动预计问题 Ｊ．该理论分析的对象是一 种被称为“随机介质”的介质，由于常见的城市隧道 一般距离地表不深，大都处于表土或风化岩层中，这 些介质能被较好地视为随机介质．其研究成果开始 被应用于地铁工程（北京及深圳），初步解决了地铁 各种开挖方法地面各点位移（垂直及水平）和变形 （倾斜、曲率、水平应变）的计算方法，获得了全套计 算公式，并编制了相应的程序．通过把随机介质方 法与固结理论相结合的方法，对于疏水地面沉降问 题也进行了有实际工程意义的探索和运用． １．３对隧道近接施工时，禾【ｒ用计算机进行数值模拟 的方法 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 俞鑫风等：地铁隧道近接施工相互影响研究现状及其思考 ３３ 、国内外科技工作者应用有限元法对隧道施工进 行预测的研究很广泛，从一般断面的隧道模拟，发展 到对大跨度隧道以及小净距隧道、交叉隧道、连拱隧 道的模拟；从对弹性介质的模拟，发展到对弹塑性介 质、粘弹塑性介质的模拟；从单一应力场问题模拟， 发展到对应力场、渗流场乃至温度场等多场藕合问 题的模拟；从平面问题施工过程的模拟，发展到了对 空间问题的动态施工模拟等． 隧道旋工过程动态数值模拟技术，其发展水平 主要体现在国内外的相关商业软件中，国外能够模 拟地下工程开挖过程的软件主要有ＦＬＡＣ、 ＡＢＡＱｕｓ、ＡＤＩＮＡ、ＡＮＳＹＳ、ＭＡＲＣ、ＭＩＤＡＳ—ＧＴＳ 等；国内主要有２Ｄ—ＳＩＧＭＡ、３Ｄ—ＳＩＧＭＡ、同济曙光 等．由于地下工程的复杂性，这些商业软件虽然己 经发展到具有能够求解时空问题的功能，但都暴露 出专业性不太强，需要更多地依赖计算者的工程和 计算经验． 对于利用计算机进行数值模拟的方法，我们在 与北京城建设计研究院合作完成“北京站至北京西 站地下直径线施工对既有地铁安全性影响评估”项 目时，就利用了ＦＬＡＣ３。和Ｓａｐ ２０００的计算机数值 模拟方法（如下图为北京地铁２号线前门站出入口 与直径线区间隧道关系的ＦＬＡＣ３。模型）．此外，国 内外许多工作者也曾利用ＡＮＳＹＳ、ＭＩＤＡＳ—ＧＴＳ等 对地下工程的近接施工进行过安全性分析并取得了 较好的结果． ２对隧道近接施工的思考 １）作者认为，新建隧道工程施工引起的围岩应 力重分布是对近接工程产生不利影响的根源．从理 论上说，要研究新开挖隧道的影响，只有考虑开挖施 工过程中的“时间一空间一工法”效应，才能较为理想 地反映出施工对周边局部围岩引起的应力重分布、 对周围地层的扰动及对地表沉降的贡献．换言之， 开挖影响是一个过程，必须掌握全过程的变化规律， 才能进行好设计与施工． ２）就目前来说，无论是经验公式法还是理论分 析法，都还仅仅考虑了近接施工的空间位置，或考虑 了空间及工法的因素，但都没有最终将其与时间关 系对应上来．作者认为，隧道开挖过程中之所以引 起地表沉降和地层移动，是因为施工时给了围岩应 力重分布的时间，如果我们在开挖过程中能尽早封 闭开挖断面、增加支护和及时做好一衬等（简单概括 就是“短开挖、强支护、快封闭”），那么将会大大缩短 围岩应力重分布的时间，这对于控制地表沉降、减少 围岩扰动是非常有利的．因此，作者认为，无论是经 验公式法还是理论分析法，如果能在公式中将时间 的因素也考虑进去，那将会是一个极大的进步． 图２、图３北京地铁２号线前门站出人口与直 径线区间隧道的ＦＬＡＣ３。模型 ３）关于近接度的划分，日本国研究的较早，其 《既有铁路隧道近接施工指南》，对我们具有重要借 鉴意义．然而，两国的具体国情、隧道施工技术水 平、各地的工程地质条件不同，因此我们必须根据自 身的情况，及早制定出自己的规范．对于对地表上 述沉降与地层变形研究的经验预测法、弹性理论分 析法和随机介质理论法等等，大都是建立在种种假 设条件之上，在近接施工中，仅仅可作为一定的参考 依据．笔者认为，它们除了要在“时间一空间一工法”效 应上加以综合考虑以外，最好能积累尽可能多的相 似工程地质条件下已完工的近接工程的数据资料， 以统计尽可能多的样本，而这些类似工程的实测数 维普资讯 http://www.cqvip.com ３４ 北京建筑工程学院学报 据的样本库，可作为今后经验公式的改进和对类似 工程的指导的一个至关重要的位置． ４）此外，在获知了地层的沉降值或位移值分布 以后，如何评价近接既有结构物的安全状态，也是隧 道施工过程中一个难度较大且亟待解决的现实问 题，因此，必须研究既有结构物的评价指标和方法． 但目前这方面的研究还很不成熟，没有相应的技术 标准和规范可供利用，目前通常的做法是事先给出 对周围环境特别是地表沉降和对既有结构的最小的 控制标准，那么在施工的过程中只要实现这个施工 目标就可以确保近接既有结构及工程环境的安全． 目前，在设计施工技术文件中给出的地表沉降主要 是根据专家意见或经验笼统地确定的（譬如，地表最 大沉降为３０ ｍｍ，最大隆起量为１０ ｍｍ）．实际上， 不同的环境条件和工程条件这个值是不一样的，即 使在相同条件下，对不同既有结构的影响也是不一 样的，实际工程实践也证实了这一点，因此，深入开 展隧道施工对周围环境的影响以及地表沉降的控制 基准研究无疑是非常重要的，目前，国内外在这方面 的研究还处于初期阶段，此方面的研究工作者有必 要对这一现实问题从多方面进行研究和讨论． ５）就目前大多数工程来说，对于近接施工影响 的研究中，通常的做法是利用相应的计算分析软件 进行数值模拟，常用的ＡＮＳＹＳ、ＦＬＡＣ、ＭＩＤＡＳ—ＧＴＳ 等，由于地下工程地质条件的复杂性、施工工法的多 样性、施工过程的不可预知性及程序本身的一些计 算参数选取的与实际情况的差异性，用程序解决的 问题几乎都是验证性的，而真正用来解决实际问题 的很少．尽管如此，由于计算机数值模拟的快速、高 效及其极强的针对性，数值模拟方法在将来必定会 成为解决近接施工问题的主流方法，而如何让计算 程序扬其长，避其短，更准确的模拟施工全过程中的 时间、空间、工法等各项影响要素将会是正待研究的 一个难题，试想，若能在软件中加入已完工近接工程 的资料数据库（随着时间的进展此数据库还可不断 加入新工程的数据信息），那将会是一个非常有现实 意义的课题，也将会是今后很长一段时间内有关专 业人员的研究方向． 参考文献： ［１］关宝树．隧道工程施工要点集［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２００３ ［２］ 陶德敬．地下铁道施工引起的地表沉降及变形预测技 术研究［Ｄ］．西南交通大学研究生学位论文，２００６ ［３］Ｐｅｃｋ Ｒ．Ｂ，Ｄｅｅｐ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ｓｏｆｔ ｇｒｏｕｎｄ， Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ Ｒｅｐｏｒｔ［Ａ］．Ｐｒｏｃ．７ Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．ｏｎ Ｓｏｉｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｃ］，Ｍｅｘｉｃｏ Ｃｉｔｙ，１９６９：２２５—２９０ ［４］刘建航，侯学渊．盾构隧道［Ｍ］．北京：中国铁道出版 社。１９９１ ［５］夏才初，潘国荣．土木工程监测技术［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社。２００１ ［６］ 孙均，侯学渊．地下结构［Ｍ］．北京：科学出版社， １９８８：６３ｌ一６３８ ［７］Ｌｉｔｗｉｎｉｓｚｙｎ Ｊ，Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｍｅｄｉｕｍ［Ｍ］，Ｐｒｏｃ．Ｏｆ ３ｔｈ Ｃｏｎｆ．Ｔｈｅｏ． Ａｐｐ１．Ｍｅｃｈ．，Ｂｏｎｇａｌｏｒｅ，Ｉｎｄｉａ，１９５７ ［８］Ｌｉｕ Ｂａｏｃｈｅｎ，Ｇｒｏｕｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｄｕｅ ｔｏ ｕｎｄｅｒ— ｇｒｏｕｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ，ｉｎ Ｈｕｄｓｏｎ ｅｄ．， Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］，ｃｈａｐ．２９，Ｖｏｌ— ｕｍｅ ４，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｐｅｒｇａｍｏｎ Ｐｒｅｓｓ，１９９３：７８１—８１７ ［９］刘宝琛，廖国华．煤矿地表移动的基本规律［Ｍ］．北 京：中国工业出版社。１９６５ ［责任编辑：王克黎］
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