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原文传递地铁隧道非降水法施工引起的地表沉降的研究

论文题名：	地铁隧道非降水法施工引起的地表沉降的研究
关键词：	地表沉降;流固耦合;数值模拟;离心模型实验;现场监测;非降水施工方法;沉降影响函数
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，而向新的平衡状念转化。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～科区问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FLACⅢ，考虑流固耦合效应，建立地铁施工过程的渗流一变形一沉降耦合模型，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、支护以及施工过程等影响因素没体现出来，当然也没有研究沉降过程的动态变化。事实上，地表沉降受多项因素的影响：而且地铁隧道施工是一个在时问、空问上渐进的过程，因隧道施工引起的地层变形沉降在相当长的一段时间是动态变化的，所研究地表任意一点的变形沉降也是与空间上分布的隧道各断面施工相关联的，任意点的最终沉降是影响不断累加的结果。本文采用数值模拟手段，针对非降水施工方法，以开挖的某断面为研究对象，充分考虑各种影响因素，找出开挖该断面沿纵向对相关若干断面产生影响的规律，得到沉降影响函数，通过求和等方法得到非降水法施工引起地表沉降沿纵向分布的预测公式。该公式引入时间因子，考虑具体施工进尺速度，又含有表达研究点空间位置的变量，完成了对施工动态过程的描述，可以确定施工过程中某时刻各研究点的沉降分布规律及沉降量，也可以确定某研究点沉降与时间的对应关系，能便捷地研究施工过程中的动态地表沉降。
作者：	富海鹰
专业：	桥梁及隧道工程
导师：	关宝树
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文