1、工學碩士學位論文開題報告淺埋暗挖隧道施工穩定性及地表沉降分析 研究生姓名：魏建文 指導教師：吳文經 副教授 主要內容主要內容選題背景及研究意義選題背景及研究意義國內外研究現狀國內外研究現狀主要研究內容及研究方法主要研究內容及研究方法研究目標和預期成果研究目標和預期成果論文進度安排論文進度安排一、選題背景及研究意義一、選題背景及研究意義 (1) 隨著我國經濟的發展和城市化進程的不斷加快，隨著我國經濟的發展和城市化進程的不斷加快，使得城市建設面臨著嚴峻的局勢。主要表現為城市使得城市建設面臨著嚴峻的局勢。主要表現為城市人口密度大、建筑空間擁擠、城市綠化面積減少、人口密度大、建筑空間擁擠、城市綠化面積

2、減少、交通阻塞。為緩解或從根本上解決人口增長對城市交通阻塞。為緩解或從根本上解決人口增長對城市環境的壓力和威脅，大力開發地下空間使其成為人環境的壓力和威脅，大力開發地下空間使其成為人類在地球上安全舒適生活的第二個空間，而地下空類在地球上安全舒適生活的第二個空間，而地下空間如何合理利用已經成為世界各國廣泛關注和研究間如何合理利用已經成為世界各國廣泛關注和研究的課題。的課題。 一、選題背景及研究意義一、選題背景及研究意義 （2）縱觀當今世界，發達國家已把對城市地下空）縱觀當今世界，發達國家已把對城市地下空間的開發利用作為解決城市人口、資源、環境三大間的開發利用作為解決城市人口、資源、環境三大危機的

3、重要措施和醫治危機的重要措施和醫治“城市綜合癥城市綜合癥”、實施城市、實施城市可持續發展的重要途徑。在工程實踐方面，瑞典、可持續發展的重要途徑。在工程實踐方面，瑞典、挪威、美國、法國和芬蘭等國在城市地下空間利用挪威、美國、法國和芬蘭等國在城市地下空間利用領域已達到相當規模和水平。城市地下空間的開發領域已達到相當規模和水平。城市地下空間的開發利用，已成為世界性發展趨勢，并以此作為衡量城利用，已成為世界性發展趨勢，并以此作為衡量城市現代化的重要標志市現代化的重要標志。 一、選題背景及研究意義一、選題背景及研究意義 （3）目前我國對地下空間的利用在逐年增加，正）目前我國對地下空間的利用在逐年增加，正

4、在興建的有北京地鐵、上海地鐵、深圳地鐵、廣州在興建的有北京地鐵、上海地鐵、深圳地鐵、廣州地鐵、南京地鐵等，此外國家已經批準和正在籌建地鐵、南京地鐵等，此外國家已經批準和正在籌建的地鐵的城市有成都、杭州、青島等的地鐵的城市有成都、杭州、青島等20多座，預計多座，預計21世紀中期將是我國大規模建設地鐵和利用地下空世紀中期將是我國大規模建設地鐵和利用地下空間的年代間的年代 一、選題背景及研究意義一、選題背景及研究意義 （4）城市地鐵暗挖隧道工程是在巖土體內進行的，）城市地鐵暗挖隧道工程是在巖土體內進行的，無論其埋深大小，隧道的開挖將不可避免地擾動地無論其埋深大小，隧道的開挖將不可避免地擾動地下巖土體

5、，破壞了原有的平衡狀態，而向新的平衡下巖土體，破壞了原有的平衡狀態，而向新的平衡狀態轉化。而地鐵線路一般都會穿過人口密集狀態轉化。而地鐵線路一般都會穿過人口密集 、地、地面建筑物林立、地下管線密布的市中心繁華地段，面建筑物林立、地下管線密布的市中心繁華地段，而該區段對地表的變形都要求非常高，因此，隧道而該區段對地表的變形都要求非常高，因此，隧道開挖必須與保護城市中有歷史、經濟和社會意義的開挖必須與保護城市中有歷史、經濟和社會意義的設施結合起來設施結合起來。 一、選題背景及研究意義一、選題背景及研究意義二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 1 、地下工程建設中應用的淺埋暗挖法是以加固處、地下工程

6、建設中應用的淺埋暗挖法是以加固處理軟弱地層為前提，以新奧法理軟弱地層為前提，以新奧法(NATM)為理論基礎，為理論基礎，針對埋置深度較淺的松散軟土或破碎巖石地層的一針對埋置深度較淺的松散軟土或破碎巖石地層的一種地下工程暗挖施工方法。其與新奧法的一個較明種地下工程暗挖施工方法。其與新奧法的一個較明顯區別在于它采用足夠剛度的復合襯砌為基本支護顯區別在于它采用足夠剛度的復合襯砌為基本支護承載結構承載結構(由剛度較大的初期支護、二次襯砌及中間由剛度較大的初期支護、二次襯砌及中間的防水層組成的防水層組成)。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 2 、 Muller教授一開始就強調，硬巖隧道與軟土或教授一

7、開始就強調，硬巖隧道與軟土或破碎巖石隧道的新奧法應有所區別：在軟土或破碎破碎巖石隧道的新奧法應有所區別：在軟土或破碎巖石地層中隧道在近地表的情況下，地層薄，它不巖石地層中隧道在近地表的情況下，地層薄，它不可能承受應力重分布的荷載，覆蓋土的重力作用較可能承受應力重分布的荷載，覆蓋土的重力作用較大，如果仍用柔性支護，顯然不合適。還指出隧道大，如果仍用柔性支護，顯然不合適。還指出隧道的變形會很快反應到地表沉降。開挖和支護必須在的變形會很快反應到地表沉降。開挖和支護必須在短時間內完成，初期支護必須很快閉合。短時間內完成，初期支護必須很快閉合。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 3 、此后，德國格拉茲

8、爾教授談到在巖石條件下和此后，德國格拉茲爾教授談到在巖石條件下和土質條件下采用新奧法修建地下工程的差別時指出：土質條件下采用新奧法修建地下工程的差別時指出：“開挖具有相當地應力的巖石隧道，噴錨支護應采開挖具有相當地應力的巖石隧道，噴錨支護應采用柔性支護，以便有控制地釋放部分地應力，使圍用柔性支護，以便有控制地釋放部分地應力，使圍巖在新的條件下達到穩定。而在不穩定的土層條件巖在新的條件下達到穩定。而在不穩定的土層條件下開挖隧道，噴錨支護應具有足夠的剛度，以防止下開挖隧道，噴錨支護應具有足夠的剛度，以防止地層產生過大的擾動，同時也防止地表過大沉降，地層產生過大的擾動，同時也防止地表過大沉降，影響地

9、面建筑物和地下管線的安全。影響地面建筑物和地下管線的安全。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 4、這一時期，我國在黃土地層中的幾座單線、雙、這一時期，我國在黃土地層中的幾座單線、雙線鐵路隧道，（大秦線）試驗采用噴錨支護，也取線鐵路隧道，（大秦線）試驗采用噴錨支護，也取得了初步經驗。得了初步經驗。1986 年，北京提出用淺埋暗挖法年，北京提出用淺埋暗挖法修建長修建長 358m 的復興門地鐵折返線。由此總結出包的復興門地鐵折返線。由此總結出包括十八字訣在內的基本經驗，通過了鐵道部和北京括十八字訣在內的基本經驗，通過了鐵道部和北京市科技成果鑒定，并正式取名為市科技成果鑒定，并正式取名為“淺埋暗挖

10、法淺埋暗挖法”。 并總結出了并總結出了“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，勤測量快封閉，勤測量”十八字方針。十八字方針。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 (1) 隧道開挖引起的地層移動研究現狀：目前，隧隧道開挖引起的地層移動研究現狀：目前，隧道對地層移動的影響的研究，大多集中于地層變形道對地層移動的影響的研究，大多集中于地層變形和對鄰近建和對鄰近建(構構)筑物和管線的影響方面，在這些方筑物和管線的影響方面，在這些方面的研究已經取得了不少成果。其計算方法大致分面的研究已經取得了不少成果。其計算方法大致分為三類：經驗公式法、數值計算法、解析法為三類：經驗公

11、式法、數值計算法、解析法。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 （1）經驗公式法：目前比較成熟的經驗公式法主）經驗公式法：目前比較成熟的經驗公式法主要計算豎向位移，尤其是計算地表沉降的，最常用要計算豎向位移，尤其是計算地表沉降的，最常用的計算公式最早是由美國的的計算公式最早是由美國的 Peck(1969)提出的。提出的。之后，同濟大學侯學淵等（之后，同濟大學侯學淵等（1987）結合上海地區飽）結合上海地區飽和土和盾構施工的特點，提出了考慮時效（即土體和土和盾構施工的特點，提出了考慮時效（即土體擾動后固結）沉降的修正擾動后固結）沉降的修正 Peck 公式。公式。 二、國內外研究現狀二、國內外研究

12、現狀二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 實際上，隧道開挖特別是在軟土和地質條件差的地實際上，隧道開挖特別是在軟土和地質條件差的地層中進行復雜隧道結構的開挖是非常復雜的三維時層中進行復雜隧道結構的開挖是非常復雜的三維時空問題，隨著計算機技術和數值計算方法的高速發空問題，隨著計算機技術和數值計算方法的高速發展，復雜定解條件問題的處理已成為可能，也使得展，復雜定解條件問題的處理已成為可能，也使得隧道施工過程的動態仿真模擬成為可能。隧道施工過程的動態仿真模擬成為可能。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 （2）數值計算法：自）數值計算法：自 60 年代中期起，隨著電子計年代中期起，隨著電子計算機的

13、應用和巖土本構關系研究的發展，隧道與地算機的應用和巖土本構關系研究的發展，隧道與地下工程分析方法進入了數值分析時期，巖土力學數下工程分析方法進入了數值分析時期，巖土力學數值分析技術日益得到發展。借助于計算機，可以較值分析技術日益得到發展。借助于計算機，可以較全面地考慮影響地表沉降的各主要因素，較為準確全面地考慮影響地表沉降的各主要因素，較為準確地預計隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控地預計隧道施工引起的地表沉降，并提出有效的控制地表沉降的方法。制地表沉降的方法。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 常用的預計地表沉降的數值計算方法主要有有限單常用的預計地表沉降的數值計算方法主要有有限單元

14、法（元法（FEM）、有限差分法（）、有限差分法（FDM）、邊界元法）、邊界元法（BEM）、離散元法（）、離散元法（DEM）和剛性有限元法）和剛性有限元法（RFEM）等。）等。 因為有限單元法能較容易地處理分因為有限單元法能較容易地處理分析域的復雜形狀及邊界條件，材料的物理非線性和析域的復雜形狀及邊界條件，材料的物理非線性和幾何非線性性狀，具有很強的適應性，所以其應用幾何非線性性狀，具有很強的適應性，所以其應用發展非常快，目前已成為隧道數值分析的主要手段。發展非?？?，目前已成為隧道數值分析的主要手段。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 一般的有限元法解決的問題仍局限于小變形的假設，一般的有限元

15、法解決的問題仍局限于小變形的假設，即忽略因變形造成幾何尺寸的改變所致應力的微小即忽略因變形造成幾何尺寸的改變所致應力的微小變化，且略去應變的二次冪，對于幾何大變形問題，變化，且略去應變的二次冪，對于幾何大變形問題，計算繁雜，工作量大。為處理隧道中遇到的大應變計算繁雜，工作量大。為處理隧道中遇到的大應變問題，拉格朗日元法得到了發展。它是一種分析非問題，拉格朗日元法得到了發展。它是一種分析非線性大變形問題的數值方法，這種方法依然遵循連線性大變形問題的數值方法，這種方法依然遵循連續介質的假設，利用差分格式，按時步積分求解，續介質的假設，利用差分格式，按時步積分求解，隨著構形的變化不斷更新坐標，允許介

16、質有大的變隨著構形的變化不斷更新坐標，允許介質有大的變形。形。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 在進行數值分析時，其計算精度與材料本構模型的在進行數值分析時，其計算精度與材料本構模型的合理選取密切相關。在隧道數值計算中，土體的本合理選取密切相關。在隧道數值計算中，土體的本構關系最初采用線性彈性模型，它以廣義虎克定律構關系最初采用線性彈性模型，它以廣義虎克定律為基礎。其后有彈塑性模型，其以塑性增量理論或為基礎。其后有彈塑性模型，其以塑性增量理論或全增量理論為基礎，最常用的彈塑性模型有全增量理論為基礎，最常用的彈塑性模型有 Mohr-Coulomb 模型等。模型等。二、國內外研究現狀二、國內

17、外研究現狀 （3）解析法：考慮到經驗公式的局限性，有限元）解析法：考慮到經驗公式的局限性，有限元法的不確定性，簡單的閉合解析解也是一種可取的法的不確定性，簡單的閉合解析解也是一種可取的分析隧道工程對周圍巖土環境影響的有效方法。尤分析隧道工程對周圍巖土環境影響的有效方法。尤其是在缺少地層的變形特性資料時候或者為了確定其是在缺少地層的變形特性資料時候或者為了確定地層變形的非均勻性和多變性需要做大量的數據處地層變形的非均勻性和多變性需要做大量的數據處理時。簡化的彈性方法可以迅速找到要求解的結果理時。簡化的彈性方法可以迅速找到要求解的結果相對于各參變量的敏感程度，為用數值法求解提供相對于各參變量的敏感

18、程度，為用數值法求解提供一定的基礎。一定的基礎。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 （2） 地層預加固研究現狀：在地層預加固方面，地層預加固研究現狀：在地層預加固方面，管棚應用在我國已取得一定的成就，其分析理論有管棚應用在我國已取得一定的成就，其分析理論有梁理論、彈性地基理論、殼體理論等梁理論、彈性地基理論、殼體理論等 。 梁理論：該理論把管棚作為靜定梁或超靜定梁，具梁理論：該理論把管棚作為靜定梁或超靜定梁，具有計算方法簡單的特點，缺點是不能完全反映管棚有計算方法簡單的特點，缺點是不能完全反映管棚的受力特點和掌子面附近的受力情況。的受力特點和掌子面附近的受力情況。 二、國內外研究現狀二、國內

19、外研究現狀二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 彈性地基梁理論：該理論假定管棚支護結構彈性地基梁理論：該理論假定管棚支護結構為彈性地基梁，按照隧道圍巖壓力理論計算為彈性地基梁，按照隧道圍巖壓力理論計算得到的載荷，作用于管棚掘進前方一定距離，得到的載荷，作用于管棚掘進前方一定距離，按照每次開挖步距計算管棚撓度。地層按照按照每次開挖步距計算管棚撓度。地層按照地基模型選取，基于地基模型選取，基于Winkler地基簡單模式的地基簡單模式的力學模型，模型的縱向撓度解析解與現場量力學模型，模型的縱向撓度解析解與現場量測結果和三維有限元計算結果吻合較好。測結果和三維有限元計算結果吻合較好。二、國內外研究現狀

20、二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 殼體理論：假定管棚結構為一個完整結構，殼體理論：假定管棚結構為一個完整結構，用殼體計算方法分析受力。由于組成管棚個用殼體計算方法分析受力。由于組成管棚個鋼管之間存在不連續性，且殼體結構在數學鋼管之間存在不連續性，且殼體結構在數學上求解復雜，使得管棚受力計算結果偏于不上求解復雜，使得管棚受力計算結果偏于不安全。安全。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀（3）支護結構研究現狀：）支護結構研究現狀： 初襯計算：初襯的計算按照施工步驟對每一工況分初襯計算：初襯的計算按照施工步驟對每一工況分別進行計算別進行計算,然后將所有工況的計算結果進行比較然

21、后將所有工況的計算結果進行比較,確定控制截面的內力確定控制截面的內力,初襯計算時初襯計算時,水土壓力按水土水土壓力按水土合算考慮。合算考慮。 二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀 二襯計算：按初期支護與二次襯砌共同承載計算二二襯計算：按初期支護與二次襯砌共同承載計算二次襯砌內力時次襯砌內力時,由于初襯不考慮防水由于初襯不考慮防水,因此由二次襯因此由二次襯砌承受全部水壓力砌承受全部水壓力,而土壓力則作用在初襯上。而土壓力則作用在初襯上。 考慮地震和人防：目前考慮地震和人防：目前,地下結構的抗震設計是將地地下結構的抗震設計是將地震作用用等代的靜力荷載代替震作用用等代的靜力荷載代替,按靜力計算模型求

22、結按靜力計算模型求結構的內力構的內力,人防設計是將人防荷載等效為靜荷載作用人防設計是將人防荷載等效為靜荷載作用在結構上在結構上,從而求出結構的內力反應。從而求出結構的內力反應。二、國內外研究現狀二、國內外研究現狀三、主要研究內容三、主要研究內容 圍巖穩定性和支護結構適宜性的研究；圍巖穩定性和支護結構適宜性的研究； 不同的施工工法、地層條件、地面荷載等對地表沉不同的施工工法、地層條件、地面荷載等對地表沉降的影響；降的影響； 研究拱頂加固體強度對周圍地層的影響；研究拱頂加固體強度對周圍地層的影響； 施工監控量測與信息反饋，采取動態施工；施工監控量測與信息反饋，采取動態施工；四、研究目標（預期成果）

23、四、研究目標（預期成果） 通過研究，找出支護結構在復雜條件下（荷載、土通過研究，找出支護結構在復雜條件下（荷載、土體開挖而引起的應力重分布、水、地震等）的應力體開挖而引起的應力重分布、水、地震等）的應力和應變分布規律；和應變分布規律； 通過研究，找出不同的施工工法、地質條件通過研究，找出不同的施工工法、地質條件 等對等對地表沉降影響的規律；地表沉降影響的規律； 期望得出一套更適合于淺埋暗挖法隧道支護結構的期望得出一套更適合于淺埋暗挖法隧道支護結構的計算和設計方法；計算和設計方法； 五、主要研究方法五、主要研究方法 本課題研究緊密結合工程類比、理論分析和數值模本課題研究緊密結合工程類比、理論分析

24、和數值模擬分析研究。在理論分析、工程類比和計算機數值擬分析研究。在理論分析、工程類比和計算機數值模擬的基礎上，提出初步研究成果；并通過現場監模擬的基礎上，提出初步研究成果；并通過現場監測數據，進一步完善設計，指導施工。具體技術路測數據，進一步完善設計，指導施工。具體技術路線如下：線如下：五、主要研究方法五、主要研究方法（1）工程類比法：采用工程類比法是目前淺埋暗）工程類比法：采用工程類比法是目前淺埋暗挖隧道支護結構設計、施工中應用最廣泛的方法。挖隧道支護結構設計、施工中應用最廣泛的方法。結合擬建工程的圍巖等級與工程結構尺寸等條件，結合擬建工程的圍巖等級與工程結構尺寸等條件，并參照已建成類似工程的經驗，直接確定支護結并參照已建成類似工程的經驗，直接確定支護結構的參數和施工方法。構的參數和施工方法。五、主要研究方法五、主要研究方法（2）理論分析：在測定地層和支護力學參數的前）理論分析：在測定地層和支護力學參數的前提下，根據地層力學特征建立力學模型，通過計提下，根據地層