2024年5月11日发(作者：御又槐)

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

开挖地铁隧道，引起地层的扰动，从而隧道周围的应力应变场发生变化，水

位情况也发生改变，导致上层土体的沉降和固结，进而扩展到地表建筑物地基下

面,并由地基传递给建筑物基础，再往上传递给结构，引起结构的次生内力和变形，

或者倾斜、倒塌。

3.1盾构隧道开挖引起的地表损害形式

隧道开挖施工引起的对建筑物的损害可以分为直接开挖损害和间接开挖损害

两种情况。这主要与隧道与建构筑物间的位置关系有关。位于主要影响范围内的

建筑物所受的损害称为直接开挖损害；但是在个别情况下，在主要影响范围以外

比较远的地方,也可发现开挖影响的存在,这种影响也与隧道开挖施工有关,称为

间接开挖损害，如开挖引起的大范围的地下水的变化对环境的影响等。建筑物的

损害主要还是由地表损害传递的,地表的基本损害形式有地表的沉降、地表的隆

起、地表的倾斜、地表的弯曲、地表的水平变形几种。

（1）地表均匀沉降损害

地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉，一般说来，这种均匀沉降对于建筑

物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响,但是过量的地表下沉,即使是均匀

的，也有可能从另一方面带来严重问题，如下沉量较大,地下水位又较浅时，会造

成地面积水，不但影响建筑物的使用,而且使地基土长期浸水,强度降低。或者,对

于砌体结构,这种垂直沉降使砌体中存在着垂直方向下沉力，形成水平裂缝。

(2）地表倾斜损害

虽然地层沉降本身对结构物不至于产生严重的损害,但是地层不均匀的沉降

所导致的地表倾斜改变了地面的原始坡度，将可能对建筑物产生危害。地表倾斜

对于高度大而底面积小的高耸建筑物，如烟囱、水塔、高压线塔等的影响较大.它

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

使高耸建筑物的重心发生偏斜，引起附加应力重新分布，建筑物的均匀荷重将变

成非均匀荷重，导致建筑物结构内应力发生变化而引起破坏.对于普通楼房,即使

不丧失稳定性，过量倾斜会使建筑物的使用条件恶化.

（3）地表隆起损害

地表隆起损害常见于盾构法和顶管法施工.对盾构法施工，当推进力大于静止

侧压力、机身与地层间的摩擦力之和时,前方土体受到挤压,形成地表隆起，俗称

负地层损失。顶管法施工也与之类似，管片在千斤顶的推力作用下,前方土体受挤

压，向上略微隆起。当邻近有建筑物时，会造成基础的上抬，建筑物在地表隆起

作用下，亦会形成不均匀变形,可能产生裂缝等损害.

（4)地表曲率损害

由于曲率使得地表形成曲面，地表曲率对建筑物有较大影响。在负曲率（地

表相对下陷）的作用下，建筑物的中央部分悬空,使墙体产生正八字裂缝和水平裂

缝。如果建筑物长度过大，则在重力作用下，建筑物将会从底部断裂,使建筑物破

坏；在正曲率（地表相对上凸)的作用下，建筑物的两端将会部分悬空，使建筑物

墙体产生倒“八”字裂缝，严重时会出现屋架或梁的端部从墙体或柱内抽出，造

成建筑物倒塌.

建筑物因地表弯曲而导致的损害是一种常见的开挖损害形式，这种损害与地

基本身的力学性质有关,更主要地与开挖引起的地表变形形式有关。因地表弯曲而

使建筑物遭受的损害与因地基不良而发生的建筑物损害相比,既有类似之处，又有

不同，不同之处在于开挖引起的地表弯曲如图3—1所示，是在开挖影响下自行弯

曲，它是独立于上部结构所施加荷载的弯曲，在这种前提下，由于叠加建筑物自

重的影响，便构成了弯曲损害。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

图3-1 建筑物弯曲损害示意图

由此可见，当地表因开挖而产生弯曲时，建筑物部分基础将悬空，从而将荷

载转移到其余部分.地基相对上凸时，两端部分悬空，荷载向中央集中,因此在地

表相对上凸区（即正曲率作用区),建筑物可能形成倒“八”型裂缝；而在相对凹

区（即负曲率作用区），中央部分悬空，荷载向两端集中，建筑物可能形成“八”

型裂缝（如图2—1）。但这种八字型裂缝，均是由于结构中的拉伸应力所引起的。

建筑物的曲率与地表曲率有一定关系,处于正曲率区的建筑物，传递到建筑物

上的曲率较大，而处于负曲率区的建筑物，传递到建筑物上的曲率要小些。建筑

物刚度越大，地表传递到建筑物上的曲率越小。

（5）地表水平变形损害

地表水平变形有拉伸和压缩两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸

变形的影响，建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形

使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲,屋顶鼓起。

由于建筑物对于地表拉伸变形非常敏感，位于地表拉伸区的建筑物,其基础底

面受有来自地基的外向摩擦力，基础侧面受有来自地基的外向水平推力的作用，

而一般建筑物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸变形足以使建筑物开裂（如

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

图3-2a）。

地表压缩变形对于其上部建筑物作用的方式也是通过地基对基础侧面的推力

与底面摩擦力施加的,但力的方向与拉伸时相反。一般的建筑物对压缩具有较大的

抗力,即建筑物对压缩作用不如拉伸作用敏感，但是如果压缩变形过大，同样可以

对建筑物造成损害，而且，过量的压缩作用将使建筑物发生挤碎性的破坏。其破

坏程度可以比拉伸破坏更为严重，这种破坏往往集中在结构薄弱处爆发，例如夹

在两坚固建筑物之间的附加建筑物便有可能因为地基的压缩变形而导致严重破坏

（如图3—2b）。

图3—2 建筑物水平变形损害示意图

以上分析了开挖损害的几种表现形式，实际上,地表移动和变形对于建筑物的

破坏作用，绝不是只受单一种类的地表变形的影响，往往是几种变形同时作用的

结果。在一般情况下,地表的拉伸和正曲率同时出现，而地表的压缩和负曲率同时

发生。

3.2 盾构施工对建筑物的影响

盾构施工对于位于影响范围内的建筑物，由于地基土体的变形而导致其外力

条件和支承状态发生变化，而外力条件的变化又将使已有建筑物发生沉降、倾斜、

断面变形等现象。因此，外力条件和支承状态有无变化及变化程度，将随已有建

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

筑物与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、已有建筑物的结构条件和刚度等的

不同而不同。外力条件的变化类型主要有以下4 种：

（1）地层应力释放引起的弹塑性变形，导致建筑物地基反力的大小和分布发

生变化。这主要由开挖面坍塌、盾构蛇行与超挖、盾尾间隙的产生、衬砌变形等

引起;

（2） 因有效覆土压力的增大而导致的土体压密沉降,使建筑物地基的垂直土

压力增大。这主要是由各种因素导致的水位下降而引起；

(3）因土体负载而导致的弹塑性变形,使建筑物地基的土体压力增大.这主要

是由盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩擦、壁后注浆压力等引起；

（4）因土性变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降，引起建筑物地基的反力分

布发生变化.它主要是由于盾构施工对周围土体的扰动而使土性发生变化所引起。

3。2。1 盾构施工对浅基础建筑物的影响

对于基础埋深较浅的建筑物，其基础四周地层移动的影响可以忽略，仅考虑基

础底部土层变形的影响,且为方便分析,认为底部变形和地表变形一致.其受到的

影响主要有以下两个方面：

(1)地表垂直变形对建筑物的影响

建筑物一般对地面均匀沉降（或隆起）并不敏感，造成建筑物破坏的原因主

要是不均匀沉降(或隆起）。地表的沉降（或隆起）差值常导致结构构件受剪扭曲

而破坏,尤其框架结构一般对沉降（或隆起)差值比较敏感。地表的倾斜则对底面

积小、高度大的建（构） 筑物影响较大，其能使高耸建（构） 筑物的重心发生

偏斜,引起应力重分配；倾斜大时，还会使建筑物的重心落在基础底面积之外而使

其发生折断或倾倒，但这种情况很少.地表曲率有正、负之分.在地表负曲率的影

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

响下，建筑物基础犹如一个两端受支承的梁，中间部分悬空，上部受压、下部受

拉，易使建筑物产生八字形的裂缝，在地表正曲率的影响下，建筑物基础两端悬

空,上部受拉、下部受压，易使建筑物产生倒八字形的裂缝。

（2）地表水平变形对建筑物的影响

地表的水平变形指地表的拉伸和压缩，它对建筑物的破坏作用很大。建筑物

抵抗拉伸的能力远远小于抵抗压缩的能力，在较小的地表拉伸下就能使其产生裂

缝，尤其是砌体房屋。一般在门窗洞口的薄弱部位最易产生裂缝，砖砌体的结合

缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形，纵墙

或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。

在盾构施工中，地表隆起或沉降是动态发展的过程,因此，对建筑物的影响也

是一个动态发展的过程。一般情况下，建筑物首先受地表隆起的影响（正曲率） ，

然后受下沉的影响（负曲率），且下降的幅度越来越大。此外,建筑物的破坏往往

是几种变形共同作用的结果。在一般的情况下，地表的拉伸和正曲率同时出现;地

表的压缩和负曲率同时出现。

3。2.2 盾构施工对深基础建筑物的影响

深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响，还受到基础四周地层变

形的影响。由于桩基础埋深较深,当沉降过大时，基础刚度发挥作用，使得建筑物

破坏相对较小。同时，土的侧向变形易引起桩的侧向变形和内力变化，从而引起

上部建筑物的变形和内力变化。对于深基础中的桩基，受到的影响主要有下列三

方面：

(1）桩周土沉降引起的负摩阻力导致桩的附加沉降；

（2）土体侧向变形引起的桩的侧向变形；

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

(3)当桩底在隧道上方时，桩底土的沉降和土性变化引起桩端承载力的部分或

全部丧失而引起桩的沉降.

3。3 建筑物的损害形式

因地下工程的开挖而引起的建筑物破坏形式可分为三类：建筑外观损害、功能

损害和结构损害。

（1）建筑外观损害。影响建筑物外观，一般表现为填充墙或装修轻微变形或

开裂.石膏墙裂缝＞0.5mm宽，砖混或素混凝土墙裂缝＞1mm宽被认为是建筑外观

破坏的上限。

（2）功能损害。影响结构的使用及其功能的实现。表现为:门窗卡住,裂缝开

展，墙和楼板倾斜等等。经过与结构无关的修复即可恢复结构的全部功能。

（3）结构损害。影响结构的稳定和安全性，通常指主要承重构件如梁、柱、

承重墙等产生较大的裂缝或变形。

在隧道开挖后,建筑物受到破坏的明显表现是建筑物产生裂缝。对于无筋结构,

裂缝的出现预示着结构承载力可能不足或存在严重的问题;对于配筋结构，裂缝的

存在及超限会引起钢筋锈蚀，降低结构耐久性，因此，结构的承载力和建筑正常

使用功能将会降低。

3。4 建筑物抵抗破坏的性能

当建筑物受到来自隧道开挖引起的变形时，结构本身在不同条件下有不同的

响应，建筑物抵抗变形的能力主要由以下几个方面决定：

(1)基础的刚度；

（2）上部结构的刚度；

（3）结构所处沉降槽的位置;

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

（4)基础的宽度；

（5）结构的尺寸及形式等等。

不同的结构形式对抵抗变形也许是关键的。箱形基础、筏板基础的整体刚度

显然较独立基础、条形基础要好，因而能抵抗沉降、差异沉降、水平位移、拉压

应变等多种形式的地基土体的变形.而独立基础对抵抗拉压应变、差异沉降的能力

相对弱些，因而在隧道修建过程中产生较大的位移，从而导致正常使用功能上的

丧失。

3.5 已建建筑物的变形控制标准

3.5。1邻近建筑物保护的标准

邻近施工的大前提是避免对已有结构物造成不利影响，容许值即用来定量表

示这一不利影响，已有结构物的容许值大多主要依照结构物的维护管理来定。铁

路、铁塔、建筑物的容许值例示于表3-1中,若结构物管理者定有容许值，则必须

予以满足.如果管理者方面事先没有设定容许值，则应与其协商确定容许值。商定

容许值时要从功能与结构物安全两方面来考虑.

1.确保结构物的功能:基本功能，舒适性.

2。确保结构物的安全性。

功能方面有：水渠必需的断面、坡度，建筑临界的功能,轨道的乘坐性，公路

的行驶性，建筑物的居住性等。在构造方面,已建建筑物构件桩裂隙、破坏的容许

值。确定容许值时,必须使其同时满足功能方面和结构安全方面的所有要求。此外,

为了在实际施工中尽早察知危险,确保已有结构物的安全,一般采用小于容许值的

指标作为施工管理标准值。

3。5。2邻近建筑物的允许变形

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

任何地面及地下建筑物都有一定的结构刚度，有一定的抵抗地面移动和变形

的能力，建筑物的容许变形是指建筑物在地表变形值的范围内并不影响正常使用，

为建筑物所容许的数值。当建筑物遇到的变形不超过该建筑物所能抵抗的最大变

形时，建筑不表现出可以观察到的损害。各种不同类型的建筑物,因其基础形式和

上部结构形式不同，它们抵抗变形的能力也各异.因此，建筑损害后所带来的后果

的严重程度，是保护等级划分的主要因素之一。

目前我国尚没有完整的建筑物保护等级的统一划分标准。现有的一些城市地

铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验规定。如北京地铁施工中规

定地面任意点的下沉量不得超过30mm，虽然采用这种地面沉降规定指标在施工中

比较容易监测，但这种规定是临时性的。由于一般建筑物对于地面均匀沉降并不

敏感，通常应该根据被保护对象的保护等级要求，规定各种地表位移与变形（垂

直位移、水平位移、地面倾斜、曲率和水平变形等)的允许最大值。只用地表沉降

量作为地面建筑物保护的位移指标，往往会要求过于严格，造成施工困难，提高

造价,有时还可能达不到地面保护的要求。表3-1列出了建筑物在不同沉降差下的

反应。

许多实例表明不同类型的基础对地面沉降的承受能力是不同的.其破损限值

分别取沉降差极限（δ/L，其中δ为差异沉降量，L为建筑物长度）和最大沉降量.

具体情况见下表：

表3-1 建筑物在不同沉降差下的反应

最大沉降

沉降差极

建筑结构类型

限

（mm）

量

建筑物状态评价

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

破坏程度极其轻微，只有很细的裂缝，

小于

小于20

1/1000

估计

裂缝宽度为1mm，无建筑物破坏

破坏程度轻微，有易填充的裂缝,有建筑

1/1000~1/

20～67

300

损，出现明显集中裂缝，裂隙为3～6mm

破坏程度中等,有功能破损,不便居住，

1/300～

67~133

1/150

窗压碎，设施破坏，裂隙达13～25mm

分割墙及承重砖墙发生相当多裂缝，可

小于1/150

大于133

能发

生结构破坏

小于1/500

1/500~1/3

小于50

50～83

无裂缝

开始出现裂缝

门

破

一般砖墙承重

结构、包括内框

架结构

充填式框架结

构

00

1/300～

1/150

大于1/150

小于1/250

大于167

小于100

100~200

发生严重变形，有结构破坏危险

无裂缝产生

有结构破损可能

83～167

有结构破坏可能

开间式框架结

构

1/250～

1/150

大于1/150

有结构破损危险

高层刚性建筑

有桥式行车的

单层排架结构

厂房

有斜撑的框架

大于1/250

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

可观察到建筑物倾斜

桥式行车运行困难，不调整轨面水平难

大于1/300

运

行，隔墙有裂缝

处于安全极限状态

大于1/600

结构

一般对沉降差

反应敏感的机

械基础

大于1/850

机械使用可能发生困难，处于可运行的

极限

状态

3.6盾构通过建筑物时的施工组织方法

良好的组织工作对于盾构安全通过建筑物具有举足轻重的作用，一般可按以

下6个步骤进行：

(1） 确定盾构施工的影响范围；

（2） 对影响范围内的建筑物进行调查。通过调查，掌握建筑物的体型和几何

尺寸、建筑物的功能和重要性、建筑物的结构形式、基础类型、建筑物地基的土

体特性、建筑物的建造年代、建筑物的使用情况（包括现有损坏情况和维修的难

易程度等) 等。同时还要确认建筑物的设计条件、设计方法等；

(3）确定已有建筑物的容许变形量；

(4)预测盾构施工对影响范围内建筑物的影响.若预测值大于容许值，则根据工

程实际选择相应的施工方法和进行相应的设计。然后按此结果确定盾构机掘进方

法、测量计划，同时对建筑物设定施工管理标准值,作为施工时的目标;

（5）按照已确定的施工方法,谨慎地开展施工。施工时，设置仪器对建筑物进

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

行定时监测，以准确掌握其在施工中的动态变化情况，并将结果与施工管理标准

值和容许值作比较，同时反馈到施工中，进行信息化施工；

（6）通过建筑物后，逐渐减少测量频率，一边确认已有建筑物的安全性,一边

继续监测,直至趋于稳定。

3.7盾构施工影响范围的确定

在工程应用中，一般把盾构对周围的影响按范围划分为：受影响区域和不受

影响区域。对不受影响区域的建筑物认为受施工影响程度可忽略不计；而部分或

全部位于受影响区域的建筑物则要进行影响程度的判断,对受影响程度大者需要

采取相应的处理措施。目前，对影响区域的划分，还没有统一的标准.但基本原则

是：建筑物基础底部向下卧层地基土扩散附加应力的有效范围，应离开隧道周围

和上方土体受扰动后的塑性区，以防止塑性区土体的施工沉降和后期固结沉降引

起建筑物不能承受的差异沉降。

施仲衡提出了一种简单实用的方法：假定基底压力按45°向下扩散，影响范

围边线定在隧道扰动区外,并认为隧道扰动区为2R(R—隧道半径）.

盾构施工的影响范围划分如图所示。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

盾构施工的影响范围划分图

其中，Ⅲ区为不受影响区域,而Ⅰ、Ⅱ区为受影响区域。且一般Ⅰ区的建筑需

要采取托换、加固等措施来保证安全;Ⅱ区的建筑物会受到影响，但一般不会对安

全和正常使用造成影响.

3.8 盾构掘进对近邻建筑物影响程度的分析预测

对于受影响区域的建筑物特别是Ⅰ区的建筑物，为确定其受影响的程度以及

是否需要采取措施和采取哪些措施，设计中必须对已有建筑物进行变形等预测分

析,定量掌握其受盾构施工的影响程度。主要有两种预测方法:一是将建筑物和地

层分开考虑的隔离法；二是将建筑物和土层作为一个整体考虑的整体分析法。

3.8。1 隔离法

把建筑物和地基分开考虑，首先进行地基变形预测分析，然后将盾构掘进引

起的地基变化作为建筑物的输入条件进行结构分析。分析中又可根据建筑物结构

情况分为两种方法：

(1）将地层的变形作为建筑物的变形。

该方法主要适用于刚度相对较小的柔性建筑物，如一般的多层建筑物（结构

比较柔软，且结构自重大）；

(2)给结构物施加相当于地层变形而产生的土压力。

该方法适用于刚度大,变形受自身刚度影响大的结构物。对于此类结构物在进

行预测分析时,一般可以将盾构施工时引起的地层变形对结构物的影响，转化为弹

性作用力作用在结构物上，因此,可用弹性地基梁模型来进行分析。

3。8.2 整体分析法

将土层和结构物作为一个整体来进行分析。一般需用有限元等数值方法进行

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

计算分析。在分析中，因存在地层单元和结构物分离的可能性,往往需在建筑物基

础和地基、管片衬砌和周围土层之间设定特殊的接触面单元。对盾构施工工艺影

响的模拟，常要考虑开挖面压力的模拟、盾尾间隙和注浆的模拟、管片衬砌的模

拟。对于注浆可采用两种方法来模拟：一是通过调整隧洞周边地层释放荷载的大

小来反映灌浆迟早等注浆参数的影响；一是将灌浆开始时间、灌浆压力、灌浆量

等作为地层移动的影响因素，在确定盾尾空隙量时综合反映其影响。

盾构施工对建筑物的影响是一个动态发展的过程。盾构的位置不同地层的变

形情况也不同，故用三维模型进行分析比较合适.但为了简化分析,也可采用平面

分析.分析时，须要根据具体情况选择适宜的工况常考虑的工况为：

（1）建筑物接近开挖面时；

（2）盾构通过建筑物时;

（3）盾尾脱出建筑物时。

4.盾构施工对建筑物影响的控制措施

盾构隧道开挖势必引起土体的沉降及变形，当地表沉降及变形达到一定程度

时将对周围存在的各类建筑物造成影响，从而造成其正常使用功能的丧失.

上海地铁4号线流沙突水事故引起地面大幅沉降，造成3栋建筑物严重倾斜，

黄浦江防汛墙局部坍塌并引起管涌；上海地铁轨道交通1号线北延伸区间隧道主

要沿大统路、共和新路穿越。其中新客站至中山北路区间隧道穿越了三片结构极

差的危房。房屋结构老化、基础薄弱，盾构穿越时具有极大的施工难度和风险性。

因此，在盾构推进过程中，需要采取相应的处理措施,以保证建筑物的正常使用和

安全。

盾构推进引起的土体变形一般包括：盾构掘削面前的土体变形、盾构通过时

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

的土体变形和盾尾脱出后的土体变形，此外,有时因盾尾漏水或隧道衬砌缝漏水引

起地下水降低而发生大范围下沉，以及盾构在软弱粘土地层扰动引起的长期固结

沉降。

若发生上述的土体变形，邻近建筑物的外在条件、支承状态就会发生变化,建

筑物受到不同程度的影响而发生隆沉、倾斜,甚至结构损坏。影响程度的大小取决

于原有建筑物的设计条件(与盾构的位置距离、邻近施工段长度）、结构条件、刚

度、土层性质等。

因此,在盾构推进过程中，若建筑物受到影响而发生隆沉、倾斜，甚至结构损

坏,需要采取相应的处理措施,以保证建筑物的正常使用和安全.控制盾构掘进过

程中对周边建筑物影响的措施，一般可以分为主动控制措施和被动控制措施两种.

4。1 主动控制措施

主动控制措施是指通过对施工参数的优化，从盾构开挖的源头开始采取有关

措施来控制掘进对周边土层的扰动，以减少对建筑物的不利影响。盾构隧道沿线

附近的建筑物保护，应首先把重点放在主动控制措施上。在施工前，首先根据经

验选取施工参数，然后通过对地面变形和对建筑物影响的预测,优化选取和本工程

相适宜的施工参数；施工时，通过信息化施工，进一步优化施工参数，精心控制

地层变形，使其不至于影响周围建筑物的正常使用或安全。

根据己有的施工经验及研究成果，盾构施工参数中对周围环境影响比较明显

的是:正面压力、盾构千斤顶推力、掘进速度、开挖排土量、超/欠挖量，背后注

浆的浆压、浆量、浆液性质和注浆时间，以及盾构姿态等。

盾构施工所面对的主要工作介质就是岩土体，再加上在施工影响范围内建

（构）筑物与岩土体的相互作用，因而很有必要根据沿线地层条件、建（构）筑

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

物情况,以一定的掘进区段作为掘进试验段。

一般来说，将始发掘进的前100m作为试掘段。在实际掘进过程中，又可将100m

试掘段划分为3个区段：第一段长15m，为初掘进,共设定3组掘进参数，通过地

表监测， 摸索地层变化和轴线控制的规律;第二区段长35m，根据地面条件、建筑

物、地下管线情况，对第一阶段设定的3组参数进行调整,以取得最优参数；第三

区段长50m，是正式掘进的准备阶段，通过这一区段的掘进，对地面沉降、隧道轴

线控制、衬砌安装质量等制定出控制措施，基本掌握施工参数，能利用信息反馈

指导施工.通过100m试掘段掘进参数与地层变形规律的摸索,为整个掘进过程中施

工参数的确定奠定良好的基础。

前仓压力的设定应随上覆土厚度的不同而变化。根据实践，一般设定为理论

值（静止土压+水压）的105%~115％。推进速度的选取应尽量使土体受到的是切削

而不是挤压。不同的地质条件推进速度不同。对于土压平衡盾构，施工中要注意

调整掘进速度和排土量，使前仓压力的波动控制在最小幅度。

盾构掘进过程中，以适当的注浆压力和浆量、合理配合比的注浆材料等,在脱

出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆,这是控制或减小地层变形的关键

措施。盾尾同步注浆过程中的关键参数控制主要包括如下几点。

（1）合理配合比的浆料:稠度值控制在10。5~11。0容重近似于原状土。

（2）注浆压力：实践中，多采用注浆压力为1。1~1。2倍静止水土压力。因

实际注浆量大于计算注浆量， 超体积浆液必须用适当高于计算注浆压力方可注入

盾尾土体空隙。

（3）注浆时间：盾尾注浆的压入时间对于注浆施工效果影响明显。浆液的注

入时间应以管片拖开盾尾同步为最佳，匀量注入浆液的时间应与管片推进一环的

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

时间相同。

（4）注浆量：一般来说, 盾尾同步注浆量的控制可根据盾尾间隙的计算而求

得。但在实际注浆过程中,由于盾尾土体不密实或存在空隙等情况，同时由于盾构

施工对于周边土体的扰动作用，从而导致实际的盾尾同步注浆量要远大于理论计

算量.根据实践经验，在砂卵石地层中合适的注浆量应为理论注浆量的160％～

220%；在粉质土、粘质土地层中合适的注浆量应为理论注浆量的140％～180%。

（5）注浆位置的分配：有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注

浆, 根据不同的地质条件及控制标准确定各个注浆管的注浆压力与注浆量，能使

“漂浮”于浆液中的隧道尾端产生可控位移,既可改善隧道轴线原有的偏差，又可

有效改善管片与盾尾的挤卡状况.

另外，还要尽量保证盾构掘进中的轴线和设计轴线一致，以减小盾构纠偏量，

从而减小因盾构纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，同时有利于控制盾尾和管片后

背间的间隙和地层损失。实践证明，盾构停止推进时，会因正面土压力的作用而

后退，从而增大周围地层的变形，因此，施工中宜保持施工的连续性。当必须停

止推进时,务必作好防止后退的措施，正面及盾尾要严密封闭,以减少停机期间对

周围环境的影响.

4。2 被动控制措施

被动控制措施主要指通过诸如隔断、托换、土体加固等工程方法来保护周围

建筑物。对于对地面变形比较敏感且影响后果比较严重的建筑物，仅通过盾构各

施工参数的优化可能不能满足安全控制要求,故还需要采取有效的工程保护措施。

常见的工程方法主要有:

（1）隔断法

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙

等措施,阻止盾构机掘进造成的土体变形，以减少对建筑物的影响。避免建筑物产

生破坏的工程保护法,称为隔断法。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工

空间。

隔断墙墙体可由密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成,主要用于承受

由隧道施工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力，使之减小建筑

物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移，还可在墙顶部构筑联系梁

并以地锚支承。

设置隔断墙可以有效地减少隧道开挖对建筑物基础的影响，效果较好。其中

采用钻孔灌注桩的优点是:桩的强度和刚度好，比较安全可靠,同时钻孔桩施工以

后桩身强度成长快,施工过程中对原有建筑物影响很小，缺点是由于场地限制只能

选用较小的设备作业,速度较慢。高压旋喷桩的优点是:施工设备灵巧,速度快,施

工中对建筑物影响小，成本比钻孔灌注桩低，但其强度较低，施工后桩身强度成

长慢.树根桩优点是：成本低,施工设备较小,施工时对原有建筑物影响小,但由于

桩小，隔断效果较差.不过还需注意,隔断墙本身的施工也是邻近施工，故施工中

要注意控制对周围土体的影响.

（2)桩基托换

桩基托换是以特定的桩取代原桩作为建筑物的传力杆件,与原有地基形成多

元化桩基并共同分担上部荷载，缓解和改善原有地基的应力应变状态，直至取得

控制沉降与差异沉降的预期效果.在隧道开挖过程中，往往会遇到建筑物桩基侵入

隧道净空的情况,当地铁从建筑物底部穿越时,建筑物底部的地基土被开挖，洞体

四周土体应力状态将发生变化，且并伴随着土体的变形,一直延伸到地表面，并对

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

建筑物的基础产生作用。此时必须对桩基进行托换处理，将建筑物原来的基础托

承到不受施工影响的新的桩基上，同时建筑物上部荷载通过托换结构也得到了可

靠的转移,从而减少了隧道开挖中地层变形对建筑物的影响，解决了隧道穿越既有

建筑物的安全问题。托换处理主要有门式桩梁、片筏基础、顶升及树根桩等方法。

例如：广州地铁二号线隧道从广园西路一栋6层的宿舍大楼下方穿越而过，

隧道施工采用盾构法,楼房基础为挖孔灌注桩,为了确保楼房的安全,采用由托换

桩和托换梁组成的托换结构体系,对部分楼房桩基分别进行托换和加固，使楼房在

原有基础被破坏的隋况下,继续保持正常使用和安全状态。

桩基托换技术经济合理，效果较好，而且通过改变力的传播途径来控制建筑

物变形的发生,同时施工期间不会影响到建筑物的使用功能.但是桩基托换的机理

比较复杂,托换技术难度大，综合性强,施工周期长，而且大部分基础托换工程工

作在建筑物的室内进行，作业空间受到限制。

(3)土体加固

土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固.前者通过增大盾构

隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止周围土体产生扰动和松弛.从而减少对

近邻建筑物的影响,保证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基，提

高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注

浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。

当地面具有施工条件时,可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施

工；当地面不具备施工条件或不便从地面施工时,可以采用洞内处理的方式,主要

是洞内注浆.例如：上海市的下水道主干线工程中，采用外径为4。43m的土压平

衡盾构，通过洞内注浆的处理方式,顺利通过了临近桥台的基础桩，且把最终沉降

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

成功地控制在要求的10mm内。

(4）建筑物加固

该法实际上是对建筑物本身进行加固，使其结构刚度加强，以适应地基土变

形而引起建筑物变形的一种工程保护方法.对建筑物本体进行加固的措施有多种，

如可以通过加筋、加固墙、设置支撑等来直接对建筑物上部结构进行加固，或通

过加固桩、锚杆等对建筑基础进行加固。实际工程中需要根据建筑物的结构和基

础特点选用相适应的方法。

隔断墙、桩基托换和注浆等作为隧道开挖造成建筑物损害的治理措施，均有

其特定的最佳使用条件，有些情况下也可以相互配合使用以减少建筑物保护代价。

在隧道开挖靠近建筑物时,建筑物基础埋置较浅时，且场地受到限制，可以设置隔

断墙来保护建筑物；在隧道开挖穿越建筑物基础将建筑物的桩基切断或者使其产

生过大的变形，施工现场、施工技术许可的情况下，建议采用桩基托换法。注浆

法可以作为其他两种方法的补充和辅助手段,在隧道开挖引起的地表位移不大时

也可单独采用。

5 总结

隧道结构及岩土介质的高度非线性，导致隧道盾构法开挖问题具有非线性的

路径相关性。即随着盾构开挖的进程，隧道结构的形状不断发生变化，作用在隧

道结构上的外荷载也随之改变，结构响应量与加（卸）载途径有关的.盾构法施工

中，采用不同的千斤顶推力、不同的注浆参数等会引起程度不同的地表变形。只

有考虑施工过程和路径，才能准确地反映隧道施工过程中围岩和结构的应变、应

力状态，准确地预计地表的位移、变形。在软土地层中进行隧道盾构的开挖是非

常复杂的三维时空问题,近年来,随着数值计算方法和计算机软硬件技术的进步,

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

使得隧道盾构法施工过程的动态仿真模拟成为可能。

城区中建设,经常进行盾构施工，因而对周围建筑物的影响是不可避免的。但

只要给予足够的重视：施工前,做好调查、组织、预测工作；施工中,做好监测工

作，进行信息化施工,并根据工程的具体情况调整和优化施工参数；同时辅以必要

的工程处理措施。这样就完全能够控制对周围环境的影响、保证建筑物的安全.

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

参考文献

[1］ 刘志强.隧道工程。徐州：中国矿业大学出版社，2002

［2］ 张庆贺,朱合华。土木工程专业毕业设计指南（隧道及地下工程分册）。北京：中国

水利水电出版社，1999

［3］ 高少强，隋修志.隧道工程。中国铁道出版社,2003

［4］ 朱合华。地下建筑结构.北京：中国建筑工业出版社，2005

[5] 夏军武，贾福萍.结构设计原理。徐州：中国矿业大学出版社，2007

［6］ 翁家杰.地下工程.北京：煤炭工业出版社，1995

[7］ 孙均.地铁隧道盾构掘进施工市区的环境土工安全技术标准及其变形与沉降控制［J] .

世界隧道，2000(增刊)：233~240

[8] 施仲衡，张弥等.地下铁道设计与施工［M］ 。西安：陕西科学技术出版社,1997。6，

378～381

［9］ 姜忻良，赵志明等.天津地铁盾构施工对邻近工程设施影响的动态模拟[J] 。天津大

学学报，2006,39（2）：188~193

[10] 彭畅．盾构隧道施工对地层及建筑物影响的数值分析[D］ 。武汉：华中科技大学，

2007

［11］ 赵保建.盾构法地铁施工的数值模拟及对邻近建筑物影响的研究［D] 。天津：天津

大学,2007

[12］ 丁智。盾构隧道与邻近建筑物相互影响研究[D］ .杭州：浙江大学，2007

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

［13］ 刘海燕.隧道开挖对地面建筑结构的影响研究［D] .合肥：安徽理工大学，2005

[14］ 腾红军。城市隧道穿越地面建筑物的安全风险控制［D］ 。北京：北京交通大学,2007

［15] 宗长龙.城市地铁隧道盾构施工对邻近建筑影响研究[D] .广州：广州大学，2007

［16] 蔡新建，王海平等.盾构近距离掘进对建筑物的损伤及保护措施［J］ .工程，2009，

3：58~59

［17］ 刘海燕，姜玉松。隧道开挖对地表及建筑物影响的研究与分析［J] 。西部探矿工

程,2005,3：106～109

［18] H Mroueh，I Shahrour.A full 3-Dfinite element analysis of tunnelling—adjacent

structures interaction［J］， ComPuterandgeotechnies,2003(30）：245~253

［19] Park K H。Elastic solution for tunneling—indueed ground movements in

clays[J]。International Joumal of Geomeehanics，2004，4（4):310~318

[20] Wen—i Chou,Antonio Bobet. Predietion of ground deformations in shallow

tunnels in clay ［J].Tunnelling and Underground Space Technology，2002，17

（1）：3~19

［21］ Loganathan N，poulos H G。Centrifuge model testing of tunneling-indueed ground

and Pile deformations[J］. Geotechnique，2000,50（3)：283~294

[22］ Shahin H M，Sung E，NakaiT.2D mode ltests and numerical simulation in shallow

tunneling considering existing building load[J].Underground Construction and

Ground Movement，2006，15：304~311

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

翻译部分

原文

Analysis of tunnel-induced settlement damage to surface

structures

G。T。 Houlsby， H。J. Burd ＆ C.E。 Augarde

Department of Engineering Science， Oxford University, U。K.

Keywords：

analysis, finite elements， masonry structures, settlement，

tunnelling

ABSTRACT: Transport developments in cities often involve tunnelling， which

inevitably leads toground movements。 These must be carefully predicted

if there is a risk of settlement damage tonearby structures. Tunnel-induced

settlements may be predicted empirically for greenfield sites, butsurface

structures modify these movements。 Two—dimensional models， often used

in practice,neglect the effect of transients as the tunnel is excavated，

and do not allow realistic models of buildings. Research on a 3—D numerical

model of tunnelling is described. This includes a building and a simulation

of tunnel construction processes. Interactions between the building and

the ground are investigated。 Settlement, and structural damage， is studied

as the tunnel installation proceeds。An analysis of a building unsymmetrical

in plan to the tunnelling direction is presented。

1 SUMMARY OF THE RESEARCH PROGRAMME

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

The purpose of the research described here is to develop a comprehensive

numerical model, able to provide realistic modelling of the interaction

between tunnelling processes and buildings. The long-term intention is that

such a model should become a useful predictive tool for design. Central

to the analysis is the recognition that the tunnel， the ground and any

adjacent buildings are inextricably linked, and that the analysis must take

into account their mutual interaction. This contrast with many current

techniques (some even involving quite sophisticated numerical methods) in

which an analysis of the ground deformation is made without accounting for

the influence of buildings. It is further recognised that， in spite of

the attractions of simplified 2-dimensional analysis, it is only possible

to model the interaction if the 3-dimensional nature of the problem is

accounted for.

The research programme has been divided into three main phases as

detailed below.

1。1

Preliminary studies

These included：

(1） 2—D finite element analysis examining the effect of different

material models on the shape of greenfield settlement troughs （Chow, 1994）。

This showed that the most realistic settlement troughs were predicted when

the nonlinearity of soils at small strains was modelled.

Modelling of masonry structures using a commercially available

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

package （ABAQUS）. Simple models (Parry-Jones and Cline， 1993）. Some

information on likely patterns of damage for buildings was obtained, and

further research was needed on the modelling of the masonry。

Preliminary 3-D studies investigating methods of coupling the

ground and building （Hurst,1994， Curtis， 1995). These proved the value

of commercially available mesh generationsoftware (I—DEAS) for this

project。

1.2

The main research phase

This involved the development of a finite element model with the following

features：

A 3—D block of ground, modelled as undrained clay, using a

specially developed soil model accounting for the nonlinearity of soil at

small strains using a nested—surface plasticity approach。Tunnel

construction is modelled by progressive removal of elements (Augarde，

1997)。

A model of a masonry building in which the structure is

represented by a series of interconnected facades constructed from 2-D

plane stress elements. The masonry behaves as elastic in compression， but

as unable to sustain tension。 Specially developed tie elements are used

to connect the 2—D facades together， and to connect them to the ground

（Liu, 1997).

Modelling of the installation of a tunnel lining. The liner

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

is modelled using special shell elements which use the overlapping facet

technique to avoid the need for rotational degrees-of—freedom in the

analysis （Calladine, 1992, Augarde， 1997)。 The ground loss associated

with imperfect installation of the liner is modelled by a method in which

the liner diameter is shrunk by a controlled amount after

main conclusions from this phase of the research (some of which are

illustrated below， and others reported by Burd ,1998） are：

A building has an important effect on the settlements caused by nearby

tunnelling operations。

Facades subjected to sagging displacements are resistant to crack

damage because of the restraint provided by the ground; they retain much

of their bending stiffness and therefore suffer differential settlements

that are less than would be estimated from greenfield analysis.

Facades subjected to a hogging mode of displacements are highly

susceptible to crack damage，with consequential loss of bending stiffness.

1。3

Development phase

The research is currently continuing, with developments being in four main

areas:

Confidence in any numerical analysis technique can only be

achieved by careful comparison with case histories。 Work is in progress

comparing analyses with the results of monitoring exercises at a number

of sites， principally in London， where tunnels and shafts have been

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

excavated close to major masonry buildings. Analysis of particular sites

inevitably leads to more complex models than those used in the earlier main

research phase.

The complex 3—D analyses using non—linear soil models are

extremely demanding on computing resources (both in terms of memory and

processor time）， since finely detailed meshes and many analysis steps

are necessary to capture the details of the problem. Some success has been

reported in reducing computation time using iterative solution techniques,

so these methods are being explored。 Most computations are now being made

on the Oxford Supercomputing Centre's 84-processor Origin 2000 machine，

so that parallel computing techniques can be exploited. Equally important

is the machine’s exceptionally large RAM memory （21Gbytes），which makes

possible large analyses which could not be attempted on a conventional

machine.

Further attention is being given to the details of the tunnel

lining， and of the modelling of the processes of volume loss。In many cases

where it appears that predicted settlement damage might be unacceptable，

compensation grouting is becoming the favoured technique for alleviating

the problem. It is necessary therefore to model compensation grouting in

the analysis， so that alternative grouting schemes can be examined and

their efficacy assessed。 Modelling of grouting is in progress。

The present analysis examines short-term （undrained)

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

movements only， since these are viewed as being of primary importance.

This will be extended to include time-dependent response，which will be

of particular interest in the cases where compensation grouting is

employed。

2 AN EXAMPLE CALCULATION

The example used here is drawn from the analyses in the main phase of the

research， and is reported in detail by Liu （1997）。 It concerns a single

tunnel of diameter 5m， excavated at a depth (to centreline） of 10m。 The

properties of the soil through which the tunnel is excavated are chosen

to be typical of London Clay. Analyses of unlined tunnels are reported here，

but in other analyses a liner is included （Augarde, 1997）。 The tunnel

passes obliquely under the corner of a masonry building， 20m by 10m in

plan， see Figure 1. The building is modelled as four planes of six—noded

triangular elements to form the facades. The longer sides include a regular

pattern of openings for windows and doors, whilst the shorter sides are

plain gables. No internal structure of the building is modelled， since

in a masonry building the internal structure is usually considerably

lighter and more flexible than the main facades.

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

Two analyses are briefly reported here. In the first the tunnel is

constructed as if it were under a greenfield site. The predicted settlements

around the perimeter of the building are then applied to a separate model

of the structure。 In the second analysis the building is fully coupled

to the foundation, so that there is an interaction between the stiffness

of the building and the y the second analysis is expected to

be the more realistic， and the comparison between the two analyses is made

to highlight the importance of carrying out the coupled analysis.

The settlement profiles along the front facade of the building （the

one facing the advancing tunnel) are given in Figure 2(a) for the greenfield

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

analysis for four stages in the advance of the tunnel. The maximum

settlement is at first near the left—hand end of the facade， since at

first this is closest to the advancing tunnel, but shifts to the right as

tunnelling progresses， since the centerline of the tunnel passes under

the right hand end of the building. The corresponding results for the

coupled analysis are shown in Figure 2（b）。 Note that the stiff facade

maintains an almost straight base。 At first it tilts slightly to the left，

then more strongly to the right. The absolute value of the settlements is

larger than for the greenfield。 This is because the weight of the building

triggers larger local downward movement.

Figure 3 shows schematically the predicted pattern of cracking damage

to the front facade at the end of Stage 1 (Figure 3(a）） and the end of

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

Stage 4 (Figure 3(b）)。 Although an averaged indication of cracking

intensity can be obtained， the analysis does not predict the precise size

and location of individual cracks. It can be seen that early in the analysis

some minor cracking at the left hand end of the facade is predicted,and

later these cracks re-close and more major cracking occurs at the right

hand end。 Bearing in mind the fact that the cracks are parallel to the

direction of major principal stress， it can be seen that there is arching

action in the masonry over the settlement trough at the right hand side

of the facade.

In contrast， Figure 4(a) shows the predicted crack damage for the front

facade at the end of the coupled analysis. The cracking damage is much more

localized， because the distortion of the masonry structure is much less

than that implied by the greenfield analysis. The contrast between Figures

3（b) and 4(a） demonstrates clearly the need for the coupled analysis。

The cracking pattern predicted from the coupled analysis for the rear

facade is shown in Figure 4（b）。 This part of the masonry structure is

subjected to hogging deformation， which causes the top of the structure

to crack vertically， and results in almost total loss of bending stiffness

of the rear facade。 As a result it has much less influence on the local

ground deformations than the front facade， so in this case the crack pattern

is in fact rather similar to that predicted in the Greenfield analysis.

It is interesting to note that, in this case, the rear facade is subjected

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

to more severe cracking than the front facade。 This reflects a consistent

feature of the numerical model that facades subjected to hogging

deformations, such as the rear facade， are more prone to damage than facades

subjected to a sagging mode, such as the front. This demonstrates that it

is not sufficient to model the masonry as elastic： masonry structures show

complex non—linear responses which depend on the nature of the loading.

Figure 5（a） and (b) show the horizontal movements of the ground surface

predicted at the end of Stage 2 for the greenfield and coupled analyses

respectively。 Horizontal movements often do not receive as much attention

as settlements, but they can be equally damaging to buildings. In the

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

greenfield analysis it can be seen that the displacement vectors （much

exaggerated） are all directed towards the tunnel centreline and are of

course undisturbed by the building， the outline of which is shown on the

figure。 Close attention to Figure 5（b) shows that the pattern of horizontal

movement around the building is significantly different， particularly near

the front corners A and B. The stiffness of the building changes the local

pattern of deformations。

Clearly the details of horizontal movements (as well as settlements）

would depend on precise nature of the foundation of the building. In the

analysis presented here the foundation was effectively modelled as a strip

surface footing， with no detail included. More advanced modeling of the

foundation is clearly desirable。

3 CONCLUSIONS

Advanced numerical techniques are capable of modelling complex problems

of soil—structure interaction involving the influence of tunnelling

operations on masonry buildings。 The model described here does not model

the fine detail of the building or its foundations, and further work is

needed to develop it as a practical design tool. It does, however， suggest

some general mechanisms of interaction between the building and the ground.

These are summarized as follows：

（1)The presence of the building modifies the pattern of ground

movements both qualitatively and quantitatively

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

The nature of any cracking damage changes as the tunnel

progresses。 Crack systems may open and close as the tunnel passes beneath

the building.

Facades subjected to hogging deformation are more prone to

cracking damage than those subjected to sagging deformation.

4 ACKNOWLEDGEMENTS

This research has been supported by the Engineering and Physical Science

Research Council， the SBFSS Foundation， Howard Humphreys and Partners

Limited， the Royal Commission for the Exhibition of 1851 and Oxford

University. The authors acknowledge the major contributions made to this

research programme by L. Chow， Liu Gang， A。G。 Bloodworth and C. Wisser。

REFERENCES

Augarde， C.E。 1997。 Numerical modelling of tunnelling processes for assessment

of damage to buildings，

DPhil Thesis, Oxford University

Augarde， C.E., Burd, H。J。 and Houlsby, G.T。 1995。 A Three Dimensional Finite

Element Model of

Tunnelling，

Proc。 4th Int。 Symp. on Numerical Models in Geomechanics — NUMOG

V, Davos,Switzerland, 6—8 September

: 457-462

Augarde， C.E.， Burd， H.J. and Houlsby， G。T。 1998。 “Some Experiences of Modelling

Tunnelling in Soft Ground Using Three-Dimensional Finite Elements”，

Proc。

th

4 European Conf. on Numerical Methods in

Geotechnical Engineering， Udine,

Burd, H。J.， Houlsby， G.T。， Augarde， C.E。 and Liu， G. 1998。 Prediction of

tunnel-induced settlement damage to masonry structures。

OUEL Report 2162/98,

Burd， H.J., Houlsby, G.T., Chow, L，。 Augarde, C。E. and Liu, G。 1994。 Analysis

of Settlement Damage toMasonry Structures，

Proc。 3rd European Conf. on

Numerical Methods in Geotechnical Engineering，Manchester， 7—9 September

:

203—208

Chow， L. 1994。 The prediction of surface settlements due to tunnelling in soft

ground，

MSc Thesis, Oxford

University

Curtis, C.R。G。 1995 A finite element analysis of settlement damage to masonry

structures，

Project report，Department of Engineering Science, Oxford University

Hirst， C。 1994 A study, using finite element analysis， into building damage and

ground movements due to tunnelling,

Project report， Department of Engineering

Liu, G。 1997. Numerical modelling of damage to masonry buildings due to

tunnelling,

DPhil Thesis， Oxford

University

Parry—Jones, M。 and Cline， R。 1993， A study， using finite element analysis，

14—16 October

Department of Engineering Science， Oxford University

Science, Oxford University

into cracking in buildings causedby ground movements due to tunnelling,

Project

Phaal, R. and Calladine, C.R. 1992. A simple class of finite elements for plate and

shell problems II： an element for thin shells, with only translational degrees

of freedom， Int。 J。 Num. Meth。 Eng， 35， 979—996。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

report， Department of Engineering Science, OxfordUniversity

翻译

由隧道引起的地面沉降对地面结构的损害分析

摘要:城市交通的发展往往包含隧道,隧道开挖不可避免的导致地层变形。假如地

面沉降会对邻近的地面结构造成损害,那么这个破坏一定要被预测。由隧道引起的

沉降在没有建筑的的地方可以凭经验来分析，但如果存在地面结构,那么地面变形

也将发生变化。在实践中经常用到的2维模型会忽略隧道开挖过程中的各种临时

性变化,这些变化也许是真实模型中建筑物所不能承受的。研究隧道开挖对地面沉

降分析的3维模型已经提出。它包含了隧道施工过程的模拟和分析，建筑物和土

层之间的相互作用。和隧道完成后的收益一起，由它引起的沉降和结构破坏也一

直被研究着.因此，有人提出在隧道开挖方向上的建筑物可以不对称建造。

关键字：分析，有限元,砌体结构，沉降，隧道开挖

1 研究方案的总结

本文研究的目的是开发出一个全面数值模型，能提供隧道开挖过程与建筑物

之间相互作用的真实模型。长远的打算是，这个模型能够成为一个可以预测的工

具为隧道设计服务.深入的分析认识到隧道、地面和附近建筑物存在不可分割的联

系，而我们所做分析必须考虑到它们之间的相互作用。与此相反,目前许多技术（有

些甚至涉及相当复杂的数值方法）所做的地面变形分析都是没有考虑建筑物的影

响。后来进一步认识到，不管简化的二维分析多么具有吸引力，假如这个问题需

要三维的分析，那么它仅能提供一个互动作用的模式。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

该研究计划被分为三个主要阶段，详情如下.

1.1 初步研究

这些内容包括：

（1)二维有限元法分析研究不同材料的模型对地面无建筑物时沉降槽形状的

影响（周，1994年)。它指出,大部分真实的沉降槽可以被预测，当土壤为小应变

非线性的模型时。

（2）砌体结构模型的建立使用市面上常见的软件(ABAQUS软件）.简单位移剖

面，适用于使用了各种不同的材料的建筑外墙,（帕里琼斯和克莱因，1993）。我

们已经获得了一些可能会对建筑物造成损害模式的资料。并且需要对砌体的建模

进行进一步研究.

(3)初步的三维研究方法结合了地面及建筑物的相互作用（赫斯特方法，1994

年，柯蒂斯，1995年）.这使得研究这些项目的商用网络分析软件的变得有价值

（I-DEAS软件)。

1。2主要研究阶段

这涉及到一个具有以下特征的有限元模型的发展：

(1）一个地面放着一个立体的3维物块，粘土假设为不排水，采用了特别开

发的土体模型，使得非线性土壤在较小的压力下可以塑性变形。 隧道施工模型是

逐步建立的，忽略基础的影响（奥加德,1997年)。

(2）二维平面应力元可以构建一个由一系列相互联系的面墙所组成的砌体结

构模型。砌筑结构表现为弹性压缩，但无法维持受压的状态.特别提出的应力原理

可用于连接的2—D墙面,并将它们与地面联系在一起（刘，1997）。

（3）对隧道衬砌安装进行建模是时，该衬砌是具有特殊的框架基础，使用重

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

叠面技术来避免在分析中的需要旋转角度(卡拉迪恩，1992年，奥加德，1997年）。

地面与没有完全衬砌好的隧道之间相互作用的模型,是通过在隧道衬砌完成后的

基础上缩短隧道直径来实现的。

这一部分的研究内容主要阐述的是（其中部分如下所示，其他相关内容由伯

德说明。1998年）：

① 建筑对隧道附近地面沉降有重要的影响。

② 外墙向下移动能够抵抗开裂破坏，因为地面对它有约束力，外墙承受了

大部分的抗弯刚度，因此地面的差异沉降量是比没有建筑物时做的分析是少。

③ 外墙的弯曲状态是很容易受开裂破坏的影响，随之而来的是挠度的改变。

1.3 发展阶段

该研究目前仍在继续，发展方向主要在以下四个主要领域：

(1)任何数值分析技术被得到认可,都是通过认真的比较先前的工程实例。对若

干地点沉降监测结果进行比较，分析才会更准确。这些地点主要集中在伦敦，那

里隧道和竖井接近大型砖房。特定地点的分析较早期的主要研究阶段不可避免地

产生更多复杂的模型.

（2）复杂的三维分析方法，利用非线性土模型是很占用电脑资源的（在内存

和处理器时间两方面）,因为必须有很多详细的细微网格及分析步骤，才能抓住问

题的细节。一些成功例子表明运用迭代求解技术可以减少计算时间，所以这些方

法正在探索.现在大多数的计算，都是英国牛津超级计算机中心拥有84个处理器

计算机2000完成的，因此并行计算技术是个很好的方法。同样重要的是机器的特

大RAM内存(21Gbytes）这使得它可能无法在一个传统的机器上试图分析.

(3）目前正在考虑进一步重视对隧道衬砌的细节，以及对隧道体积损失的建模

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

程序。在许多情况下，对地表沉降危害的预测是不能令人满意的.补偿灌浆正在成

为受人们欢迎的缓解这个问题的技术。因此，有必要再分析补偿模型，使注浆过

程可以检查并可以评估其功效。灌浆模型正在发展中。

（4）目前的分析主要是探讨短期(不排水）地层运动，因为这些被视为最基础

的。慢慢的会扩展到随时间的各种反应，这对那些采用补偿灌浆技术的工程将特

别有用。

2 实例计算

这里所举的例子是从该研究的主要阶段的分析中得到的，刘对它进行了详细

的说明（1997）.它涉及一个直径5米的单洞，深度挖掘（向中心线）到10米。

该隧道开挖所在土层土的性质选择为典型的伦敦粘土.这里分析的隧道忽略了衬

砌的影响，但在其他分析中是考虑了隧道衬砌(奥加德，1997年）。隧道倾斜的通

过了砖石建筑的墙角，并以10米20米的计划推进，见图1。该建筑被建模为四个

平面的6个节点三角形形成的外观.按照常规建筑结构在房屋的长边为窗户和门做

了开口，同时在较短边为普通的墙体.建筑物的内部结构没有建模，因此砖石建筑

物的内部结构较主墙面通常被认为是相当轻和灵活的。

在这里对2中分析做下简要说明。在第一个分析中隧道被认为是建在绿地下

面。建筑物附近地面沉降的预测适用于单独的结构模型。在第二个分析中，把建

筑物和地基结合在一起，因此是建筑物和地面刚度互动。 显然，第二个分析，更

接近真实情况。对2种分析的比较是为了突出把建筑物与地层之间进行结合分析

的重要性.

沿大楼前门面地面沉降剖面图如图2（a）所示（面对隧道推进的平面）.此图

为隧道上方为绿地时四个阶段的推进沉降分析图.最大沉降首先出现在靠近外墙

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

的左端的位置,这是因为这个地方最接近隧道推进。隧道中心线下穿过建筑物的右

边时，最大沉降变为在前门面的右边。建筑物与地表结合分析时的地层沉降图如

图2（b）所示。注意到前门面地层几乎保持着均匀的沉降。起初，稍微向左倾斜，

慢慢的向右倾斜的厉害.明显的这个沉降量比在绿地上要大很多.这是因为建筑物

的重量引发较大的局部向下运动。

图3显示了第一阶段结束(图3（a））和第四阶段结束（图3（b）)隧道掘进

对前门面的损害。虽然可以获得平均开裂程度，但这个分析不能得到裂缝精确的

大小和单个裂缝的位置。由此可见，在前期左表面的轻微裂缝是可以预测的,后来

这些裂缝变得更接近，裂缝增大并出现在表面右下角。这个证明了一个事实,即裂

纹平行于主应力方向。可以看出，隧道穿过前门面的右边缘时,裂缝在砌体结构表

面上呈现拱形形状。

相比之下，图4(a）显示了地层与建筑物相互作用时隧道到达右边缘后的开裂

破坏。相比隧道穿越绿地这个开裂破坏更有局限性,因为砌体结构变形比上部为绿

地时要小。通过图3（b)及4（a)的比较清楚显示了耦合分析的必要。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

致 谢

在大学的四年时间里，我觉得自己的成长速度是飞快的，更让我觉得自己虚

度了很多光阴。感谢中国矿业大学能提供自己学习和深造的机会，让我有机会接

触新的领域和提高自己的学习能力。

本文是在石荣剑老师的悉心指导下完成的。导师耐心、平易近人、诲人不倦

的性格令学生影响深刻。在设计制作的过程中，由于本人知识有限，总是会出现

很多不足和错误,导师总是会耐心指出帮助改正,并解答我的问题.在这3个多月的

时间，导师会经常与我联系，及时帮组解决设计过程中的困难，在此学生深表谢

意。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下专业知识的基础；同时还要

感谢所有的同学们，正是因为有了你们的帮组和鼓励,此次毕业设计才会顺利完

成。

2024年5月11日发(作者：御又槐)

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

开挖地铁隧道，引起地层的扰动，从而隧道周围的应力应变场发生变化，水

位情况也发生改变，导致上层土体的沉降和固结，进而扩展到地表建筑物地基下

面,并由地基传递给建筑物基础，再往上传递给结构，引起结构的次生内力和变形，

或者倾斜、倒塌。

3.1盾构隧道开挖引起的地表损害形式

隧道开挖施工引起的对建筑物的损害可以分为直接开挖损害和间接开挖损害

两种情况。这主要与隧道与建构筑物间的位置关系有关。位于主要影响范围内的

建筑物所受的损害称为直接开挖损害；但是在个别情况下，在主要影响范围以外

比较远的地方,也可发现开挖影响的存在,这种影响也与隧道开挖施工有关,称为

间接开挖损害，如开挖引起的大范围的地下水的变化对环境的影响等。建筑物的

损害主要还是由地表损害传递的,地表的基本损害形式有地表的沉降、地表的隆

起、地表的倾斜、地表的弯曲、地表的水平变形几种。

（1）地表均匀沉降损害

地表的均匀沉降使建筑物产生整体下沉，一般说来，这种均匀沉降对于建筑

物的稳定性和使用条件并不会产生太大的影响,但是过量的地表下沉,即使是均匀

的，也有可能从另一方面带来严重问题，如下沉量较大,地下水位又较浅时，会造

成地面积水，不但影响建筑物的使用,而且使地基土长期浸水,强度降低。或者,对

于砌体结构,这种垂直沉降使砌体中存在着垂直方向下沉力，形成水平裂缝。

(2）地表倾斜损害

虽然地层沉降本身对结构物不至于产生严重的损害,但是地层不均匀的沉降

所导致的地表倾斜改变了地面的原始坡度，将可能对建筑物产生危害。地表倾斜

对于高度大而底面积小的高耸建筑物，如烟囱、水塔、高压线塔等的影响较大.它

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

使高耸建筑物的重心发生偏斜，引起附加应力重新分布，建筑物的均匀荷重将变

成非均匀荷重，导致建筑物结构内应力发生变化而引起破坏.对于普通楼房,即使

不丧失稳定性，过量倾斜会使建筑物的使用条件恶化.

（3）地表隆起损害

地表隆起损害常见于盾构法和顶管法施工.对盾构法施工，当推进力大于静止

侧压力、机身与地层间的摩擦力之和时,前方土体受到挤压,形成地表隆起，俗称

负地层损失。顶管法施工也与之类似，管片在千斤顶的推力作用下,前方土体受挤

压，向上略微隆起。当邻近有建筑物时，会造成基础的上抬，建筑物在地表隆起

作用下，亦会形成不均匀变形,可能产生裂缝等损害.

（4)地表曲率损害

由于曲率使得地表形成曲面，地表曲率对建筑物有较大影响。在负曲率（地

表相对下陷）的作用下，建筑物的中央部分悬空,使墙体产生正八字裂缝和水平裂

缝。如果建筑物长度过大，则在重力作用下，建筑物将会从底部断裂,使建筑物破

坏；在正曲率（地表相对上凸)的作用下，建筑物的两端将会部分悬空，使建筑物

墙体产生倒“八”字裂缝，严重时会出现屋架或梁的端部从墙体或柱内抽出，造

成建筑物倒塌.

建筑物因地表弯曲而导致的损害是一种常见的开挖损害形式，这种损害与地

基本身的力学性质有关,更主要地与开挖引起的地表变形形式有关。因地表弯曲而

使建筑物遭受的损害与因地基不良而发生的建筑物损害相比,既有类似之处，又有

不同，不同之处在于开挖引起的地表弯曲如图3—1所示，是在开挖影响下自行弯

曲，它是独立于上部结构所施加荷载的弯曲，在这种前提下，由于叠加建筑物自

重的影响，便构成了弯曲损害。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

图3-1 建筑物弯曲损害示意图

由此可见，当地表因开挖而产生弯曲时，建筑物部分基础将悬空，从而将荷

载转移到其余部分.地基相对上凸时，两端部分悬空，荷载向中央集中,因此在地

表相对上凸区（即正曲率作用区),建筑物可能形成倒“八”型裂缝；而在相对凹

区（即负曲率作用区），中央部分悬空，荷载向两端集中，建筑物可能形成“八”

型裂缝（如图2—1）。但这种八字型裂缝，均是由于结构中的拉伸应力所引起的。

建筑物的曲率与地表曲率有一定关系,处于正曲率区的建筑物，传递到建筑物

上的曲率较大，而处于负曲率区的建筑物，传递到建筑物上的曲率要小些。建筑

物刚度越大，地表传递到建筑物上的曲率越小。

（5）地表水平变形损害

地表水平变形有拉伸和压缩两种，它对建筑物的破坏作用很大，尤其是拉伸

变形的影响，建筑物抵抗拉伸变形的能力远小于抵抗压缩变形的能力，压缩变形

使墙体产生水平裂缝，并使纵墙褶曲,屋顶鼓起。

由于建筑物对于地表拉伸变形非常敏感，位于地表拉伸区的建筑物,其基础底

面受有来自地基的外向摩擦力，基础侧面受有来自地基的外向水平推力的作用，

而一般建筑物抵抗拉伸作用的能力很小，不大的拉伸变形足以使建筑物开裂（如

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

图3-2a）。

地表压缩变形对于其上部建筑物作用的方式也是通过地基对基础侧面的推力

与底面摩擦力施加的,但力的方向与拉伸时相反。一般的建筑物对压缩具有较大的

抗力,即建筑物对压缩作用不如拉伸作用敏感，但是如果压缩变形过大，同样可以

对建筑物造成损害，而且，过量的压缩作用将使建筑物发生挤碎性的破坏。其破

坏程度可以比拉伸破坏更为严重，这种破坏往往集中在结构薄弱处爆发，例如夹

在两坚固建筑物之间的附加建筑物便有可能因为地基的压缩变形而导致严重破坏

（如图3—2b）。

图3—2 建筑物水平变形损害示意图

以上分析了开挖损害的几种表现形式，实际上,地表移动和变形对于建筑物的

破坏作用，绝不是只受单一种类的地表变形的影响，往往是几种变形同时作用的

结果。在一般情况下,地表的拉伸和正曲率同时出现，而地表的压缩和负曲率同时

发生。

3.2 盾构施工对建筑物的影响

盾构施工对于位于影响范围内的建筑物，由于地基土体的变形而导致其外力

条件和支承状态发生变化，而外力条件的变化又将使已有建筑物发生沉降、倾斜、

断面变形等现象。因此，外力条件和支承状态有无变化及变化程度，将随已有建

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

筑物与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、已有建筑物的结构条件和刚度等的

不同而不同。外力条件的变化类型主要有以下4 种：

（1）地层应力释放引起的弹塑性变形，导致建筑物地基反力的大小和分布发

生变化。这主要由开挖面坍塌、盾构蛇行与超挖、盾尾间隙的产生、衬砌变形等

引起;

（2） 因有效覆土压力的增大而导致的土体压密沉降,使建筑物地基的垂直土

压力增大。这主要是由各种因素导致的水位下降而引起；

(3）因土体负载而导致的弹塑性变形,使建筑物地基的土体压力增大.这主要

是由盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩擦、壁后注浆压力等引起；

（4）因土性变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降，引起建筑物地基的反力分

布发生变化.它主要是由于盾构施工对周围土体的扰动而使土性发生变化所引起。

3。2。1 盾构施工对浅基础建筑物的影响

对于基础埋深较浅的建筑物，其基础四周地层移动的影响可以忽略，仅考虑基

础底部土层变形的影响,且为方便分析,认为底部变形和地表变形一致.其受到的

影响主要有以下两个方面：

(1)地表垂直变形对建筑物的影响

建筑物一般对地面均匀沉降（或隆起）并不敏感，造成建筑物破坏的原因主

要是不均匀沉降(或隆起）。地表的沉降（或隆起）差值常导致结构构件受剪扭曲

而破坏,尤其框架结构一般对沉降（或隆起)差值比较敏感。地表的倾斜则对底面

积小、高度大的建（构） 筑物影响较大，其能使高耸建（构） 筑物的重心发生

偏斜,引起应力重分配；倾斜大时，还会使建筑物的重心落在基础底面积之外而使

其发生折断或倾倒，但这种情况很少.地表曲率有正、负之分.在地表负曲率的影

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

响下，建筑物基础犹如一个两端受支承的梁，中间部分悬空，上部受压、下部受

拉，易使建筑物产生八字形的裂缝，在地表正曲率的影响下，建筑物基础两端悬

空,上部受拉、下部受压，易使建筑物产生倒八字形的裂缝。

（2）地表水平变形对建筑物的影响

地表的水平变形指地表的拉伸和压缩，它对建筑物的破坏作用很大。建筑物

抵抗拉伸的能力远远小于抵抗压缩的能力，在较小的地表拉伸下就能使其产生裂

缝，尤其是砌体房屋。一般在门窗洞口的薄弱部位最易产生裂缝，砖砌体的结合

缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形，纵墙

或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。

在盾构施工中，地表隆起或沉降是动态发展的过程,因此，对建筑物的影响也

是一个动态发展的过程。一般情况下，建筑物首先受地表隆起的影响（正曲率） ，

然后受下沉的影响（负曲率），且下降的幅度越来越大。此外,建筑物的破坏往往

是几种变形共同作用的结果。在一般的情况下，地表的拉伸和正曲率同时出现;地

表的压缩和负曲率同时出现。

3。2.2 盾构施工对深基础建筑物的影响

深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响，还受到基础四周地层变

形的影响。由于桩基础埋深较深,当沉降过大时，基础刚度发挥作用，使得建筑物

破坏相对较小。同时，土的侧向变形易引起桩的侧向变形和内力变化，从而引起

上部建筑物的变形和内力变化。对于深基础中的桩基，受到的影响主要有下列三

方面：

(1）桩周土沉降引起的负摩阻力导致桩的附加沉降；

（2）土体侧向变形引起的桩的侧向变形；

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

(3)当桩底在隧道上方时，桩底土的沉降和土性变化引起桩端承载力的部分或

全部丧失而引起桩的沉降.

3。3 建筑物的损害形式

因地下工程的开挖而引起的建筑物破坏形式可分为三类：建筑外观损害、功能

损害和结构损害。

（1）建筑外观损害。影响建筑物外观，一般表现为填充墙或装修轻微变形或

开裂.石膏墙裂缝＞0.5mm宽，砖混或素混凝土墙裂缝＞1mm宽被认为是建筑外观

破坏的上限。

（2）功能损害。影响结构的使用及其功能的实现。表现为:门窗卡住,裂缝开

展，墙和楼板倾斜等等。经过与结构无关的修复即可恢复结构的全部功能。

（3）结构损害。影响结构的稳定和安全性，通常指主要承重构件如梁、柱、

承重墙等产生较大的裂缝或变形。

在隧道开挖后,建筑物受到破坏的明显表现是建筑物产生裂缝。对于无筋结构,

裂缝的出现预示着结构承载力可能不足或存在严重的问题;对于配筋结构，裂缝的

存在及超限会引起钢筋锈蚀，降低结构耐久性，因此，结构的承载力和建筑正常

使用功能将会降低。

3。4 建筑物抵抗破坏的性能

当建筑物受到来自隧道开挖引起的变形时，结构本身在不同条件下有不同的

响应，建筑物抵抗变形的能力主要由以下几个方面决定：

(1)基础的刚度；

（2）上部结构的刚度；

（3）结构所处沉降槽的位置;

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

（4)基础的宽度；

（5）结构的尺寸及形式等等。

不同的结构形式对抵抗变形也许是关键的。箱形基础、筏板基础的整体刚度

显然较独立基础、条形基础要好，因而能抵抗沉降、差异沉降、水平位移、拉压

应变等多种形式的地基土体的变形.而独立基础对抵抗拉压应变、差异沉降的能力

相对弱些，因而在隧道修建过程中产生较大的位移，从而导致正常使用功能上的

丧失。

3.5 已建建筑物的变形控制标准

3.5。1邻近建筑物保护的标准

邻近施工的大前提是避免对已有结构物造成不利影响，容许值即用来定量表

示这一不利影响，已有结构物的容许值大多主要依照结构物的维护管理来定。铁

路、铁塔、建筑物的容许值例示于表3-1中,若结构物管理者定有容许值，则必须

予以满足.如果管理者方面事先没有设定容许值，则应与其协商确定容许值。商定

容许值时要从功能与结构物安全两方面来考虑.

1.确保结构物的功能:基本功能，舒适性.

2。确保结构物的安全性。

功能方面有：水渠必需的断面、坡度，建筑临界的功能,轨道的乘坐性，公路

的行驶性，建筑物的居住性等。在构造方面,已建建筑物构件桩裂隙、破坏的容许

值。确定容许值时,必须使其同时满足功能方面和结构安全方面的所有要求。此外,

为了在实际施工中尽早察知危险,确保已有结构物的安全,一般采用小于容许值的

指标作为施工管理标准值。

3。5。2邻近建筑物的允许变形

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

任何地面及地下建筑物都有一定的结构刚度，有一定的抵抗地面移动和变形

的能力，建筑物的容许变形是指建筑物在地表变形值的范围内并不影响正常使用，

为建筑物所容许的数值。当建筑物遇到的变形不超过该建筑物所能抵抗的最大变

形时，建筑不表现出可以观察到的损害。各种不同类型的建筑物,因其基础形式和

上部结构形式不同，它们抵抗变形的能力也各异.因此，建筑损害后所带来的后果

的严重程度，是保护等级划分的主要因素之一。

目前我国尚没有完整的建筑物保护等级的统一划分标准。现有的一些城市地

铁施工引起的地面沉降允许值往往由专家们根据经验规定。如北京地铁施工中规

定地面任意点的下沉量不得超过30mm，虽然采用这种地面沉降规定指标在施工中

比较容易监测，但这种规定是临时性的。由于一般建筑物对于地面均匀沉降并不

敏感，通常应该根据被保护对象的保护等级要求，规定各种地表位移与变形（垂

直位移、水平位移、地面倾斜、曲率和水平变形等)的允许最大值。只用地表沉降

量作为地面建筑物保护的位移指标，往往会要求过于严格，造成施工困难，提高

造价,有时还可能达不到地面保护的要求。表3-1列出了建筑物在不同沉降差下的

反应。

许多实例表明不同类型的基础对地面沉降的承受能力是不同的.其破损限值

分别取沉降差极限（δ/L，其中δ为差异沉降量，L为建筑物长度）和最大沉降量.

具体情况见下表：

表3-1 建筑物在不同沉降差下的反应

最大沉降

沉降差极

建筑结构类型

限

（mm）

量

建筑物状态评价

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

破坏程度极其轻微，只有很细的裂缝，

小于

小于20

1/1000

估计

裂缝宽度为1mm，无建筑物破坏

破坏程度轻微，有易填充的裂缝,有建筑

1/1000~1/

20～67

300

损，出现明显集中裂缝，裂隙为3～6mm

破坏程度中等,有功能破损,不便居住，

1/300～

67~133

1/150

窗压碎，设施破坏，裂隙达13～25mm

分割墙及承重砖墙发生相当多裂缝，可

小于1/150

大于133

能发

生结构破坏

小于1/500

1/500~1/3

小于50

50～83

无裂缝

开始出现裂缝

门

破

一般砖墙承重

结构、包括内框

架结构

充填式框架结

构

00

1/300～

1/150

大于1/150

小于1/250

大于167

小于100

100~200

发生严重变形，有结构破坏危险

无裂缝产生

有结构破损可能

83～167

有结构破坏可能

开间式框架结

构

1/250～

1/150

大于1/150

有结构破损危险

高层刚性建筑

有桥式行车的

单层排架结构

厂房

有斜撑的框架

大于1/250

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

可观察到建筑物倾斜

桥式行车运行困难，不调整轨面水平难

大于1/300

运

行，隔墙有裂缝

处于安全极限状态

大于1/600

结构

一般对沉降差

反应敏感的机

械基础

大于1/850

机械使用可能发生困难，处于可运行的

极限

状态

3.6盾构通过建筑物时的施工组织方法

良好的组织工作对于盾构安全通过建筑物具有举足轻重的作用，一般可按以

下6个步骤进行：

(1） 确定盾构施工的影响范围；

（2） 对影响范围内的建筑物进行调查。通过调查，掌握建筑物的体型和几何

尺寸、建筑物的功能和重要性、建筑物的结构形式、基础类型、建筑物地基的土

体特性、建筑物的建造年代、建筑物的使用情况（包括现有损坏情况和维修的难

易程度等) 等。同时还要确认建筑物的设计条件、设计方法等；

(3）确定已有建筑物的容许变形量；

(4)预测盾构施工对影响范围内建筑物的影响.若预测值大于容许值，则根据工

程实际选择相应的施工方法和进行相应的设计。然后按此结果确定盾构机掘进方

法、测量计划，同时对建筑物设定施工管理标准值,作为施工时的目标;

（5）按照已确定的施工方法,谨慎地开展施工。施工时，设置仪器对建筑物进

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

行定时监测，以准确掌握其在施工中的动态变化情况，并将结果与施工管理标准

值和容许值作比较，同时反馈到施工中，进行信息化施工；

（6）通过建筑物后，逐渐减少测量频率，一边确认已有建筑物的安全性,一边

继续监测,直至趋于稳定。

3.7盾构施工影响范围的确定

在工程应用中，一般把盾构对周围的影响按范围划分为：受影响区域和不受

影响区域。对不受影响区域的建筑物认为受施工影响程度可忽略不计；而部分或

全部位于受影响区域的建筑物则要进行影响程度的判断,对受影响程度大者需要

采取相应的处理措施。目前，对影响区域的划分，还没有统一的标准.但基本原则

是：建筑物基础底部向下卧层地基土扩散附加应力的有效范围，应离开隧道周围

和上方土体受扰动后的塑性区，以防止塑性区土体的施工沉降和后期固结沉降引

起建筑物不能承受的差异沉降。

施仲衡提出了一种简单实用的方法：假定基底压力按45°向下扩散，影响范

围边线定在隧道扰动区外,并认为隧道扰动区为2R(R—隧道半径）.

盾构施工的影响范围划分如图所示。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

盾构施工的影响范围划分图

其中，Ⅲ区为不受影响区域,而Ⅰ、Ⅱ区为受影响区域。且一般Ⅰ区的建筑需

要采取托换、加固等措施来保证安全;Ⅱ区的建筑物会受到影响，但一般不会对安

全和正常使用造成影响.

3.8 盾构掘进对近邻建筑物影响程度的分析预测

对于受影响区域的建筑物特别是Ⅰ区的建筑物，为确定其受影响的程度以及

是否需要采取措施和采取哪些措施，设计中必须对已有建筑物进行变形等预测分

析,定量掌握其受盾构施工的影响程度。主要有两种预测方法:一是将建筑物和地

层分开考虑的隔离法；二是将建筑物和土层作为一个整体考虑的整体分析法。

3.8。1 隔离法

把建筑物和地基分开考虑，首先进行地基变形预测分析，然后将盾构掘进引

起的地基变化作为建筑物的输入条件进行结构分析。分析中又可根据建筑物结构

情况分为两种方法：

(1）将地层的变形作为建筑物的变形。

该方法主要适用于刚度相对较小的柔性建筑物，如一般的多层建筑物（结构

比较柔软，且结构自重大）；

(2)给结构物施加相当于地层变形而产生的土压力。

该方法适用于刚度大,变形受自身刚度影响大的结构物。对于此类结构物在进

行预测分析时,一般可以将盾构施工时引起的地层变形对结构物的影响，转化为弹

性作用力作用在结构物上，因此,可用弹性地基梁模型来进行分析。

3。8.2 整体分析法

将土层和结构物作为一个整体来进行分析。一般需用有限元等数值方法进行

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

计算分析。在分析中，因存在地层单元和结构物分离的可能性,往往需在建筑物基

础和地基、管片衬砌和周围土层之间设定特殊的接触面单元。对盾构施工工艺影

响的模拟，常要考虑开挖面压力的模拟、盾尾间隙和注浆的模拟、管片衬砌的模

拟。对于注浆可采用两种方法来模拟：一是通过调整隧洞周边地层释放荷载的大

小来反映灌浆迟早等注浆参数的影响；一是将灌浆开始时间、灌浆压力、灌浆量

等作为地层移动的影响因素，在确定盾尾空隙量时综合反映其影响。

盾构施工对建筑物的影响是一个动态发展的过程。盾构的位置不同地层的变

形情况也不同，故用三维模型进行分析比较合适.但为了简化分析,也可采用平面

分析.分析时，须要根据具体情况选择适宜的工况常考虑的工况为：

（1）建筑物接近开挖面时；

（2）盾构通过建筑物时;

（3）盾尾脱出建筑物时。

4.盾构施工对建筑物影响的控制措施

盾构隧道开挖势必引起土体的沉降及变形，当地表沉降及变形达到一定程度

时将对周围存在的各类建筑物造成影响，从而造成其正常使用功能的丧失.

上海地铁4号线流沙突水事故引起地面大幅沉降，造成3栋建筑物严重倾斜，

黄浦江防汛墙局部坍塌并引起管涌；上海地铁轨道交通1号线北延伸区间隧道主

要沿大统路、共和新路穿越。其中新客站至中山北路区间隧道穿越了三片结构极

差的危房。房屋结构老化、基础薄弱，盾构穿越时具有极大的施工难度和风险性。

因此，在盾构推进过程中，需要采取相应的处理措施,以保证建筑物的正常使用和

安全。

盾构推进引起的土体变形一般包括：盾构掘削面前的土体变形、盾构通过时

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

的土体变形和盾尾脱出后的土体变形，此外,有时因盾尾漏水或隧道衬砌缝漏水引

起地下水降低而发生大范围下沉，以及盾构在软弱粘土地层扰动引起的长期固结

沉降。

若发生上述的土体变形，邻近建筑物的外在条件、支承状态就会发生变化,建

筑物受到不同程度的影响而发生隆沉、倾斜,甚至结构损坏。影响程度的大小取决

于原有建筑物的设计条件(与盾构的位置距离、邻近施工段长度）、结构条件、刚

度、土层性质等。

因此,在盾构推进过程中，若建筑物受到影响而发生隆沉、倾斜，甚至结构损

坏,需要采取相应的处理措施,以保证建筑物的正常使用和安全.控制盾构掘进过

程中对周边建筑物影响的措施，一般可以分为主动控制措施和被动控制措施两种.

4。1 主动控制措施

主动控制措施是指通过对施工参数的优化，从盾构开挖的源头开始采取有关

措施来控制掘进对周边土层的扰动，以减少对建筑物的不利影响。盾构隧道沿线

附近的建筑物保护，应首先把重点放在主动控制措施上。在施工前，首先根据经

验选取施工参数，然后通过对地面变形和对建筑物影响的预测,优化选取和本工程

相适宜的施工参数；施工时，通过信息化施工，进一步优化施工参数，精心控制

地层变形，使其不至于影响周围建筑物的正常使用或安全。

根据己有的施工经验及研究成果，盾构施工参数中对周围环境影响比较明显

的是:正面压力、盾构千斤顶推力、掘进速度、开挖排土量、超/欠挖量，背后注

浆的浆压、浆量、浆液性质和注浆时间，以及盾构姿态等。

盾构施工所面对的主要工作介质就是岩土体，再加上在施工影响范围内建

（构）筑物与岩土体的相互作用，因而很有必要根据沿线地层条件、建（构）筑

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

物情况,以一定的掘进区段作为掘进试验段。

一般来说，将始发掘进的前100m作为试掘段。在实际掘进过程中，又可将100m

试掘段划分为3个区段：第一段长15m，为初掘进,共设定3组掘进参数，通过地

表监测， 摸索地层变化和轴线控制的规律;第二区段长35m，根据地面条件、建筑

物、地下管线情况，对第一阶段设定的3组参数进行调整,以取得最优参数；第三

区段长50m，是正式掘进的准备阶段，通过这一区段的掘进，对地面沉降、隧道轴

线控制、衬砌安装质量等制定出控制措施，基本掌握施工参数，能利用信息反馈

指导施工.通过100m试掘段掘进参数与地层变形规律的摸索,为整个掘进过程中施

工参数的确定奠定良好的基础。

前仓压力的设定应随上覆土厚度的不同而变化。根据实践，一般设定为理论

值（静止土压+水压）的105%~115％。推进速度的选取应尽量使土体受到的是切削

而不是挤压。不同的地质条件推进速度不同。对于土压平衡盾构，施工中要注意

调整掘进速度和排土量，使前仓压力的波动控制在最小幅度。

盾构掘进过程中，以适当的注浆压力和浆量、合理配合比的注浆材料等,在脱

出盾尾的衬砌背面环形建筑空隙进行同步注浆,这是控制或减小地层变形的关键

措施。盾尾同步注浆过程中的关键参数控制主要包括如下几点。

（1）合理配合比的浆料:稠度值控制在10。5~11。0容重近似于原状土。

（2）注浆压力：实践中，多采用注浆压力为1。1~1。2倍静止水土压力。因

实际注浆量大于计算注浆量， 超体积浆液必须用适当高于计算注浆压力方可注入

盾尾土体空隙。

（3）注浆时间：盾尾注浆的压入时间对于注浆施工效果影响明显。浆液的注

入时间应以管片拖开盾尾同步为最佳，匀量注入浆液的时间应与管片推进一环的

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

时间相同。

（4）注浆量：一般来说, 盾尾同步注浆量的控制可根据盾尾间隙的计算而求

得。但在实际注浆过程中,由于盾尾土体不密实或存在空隙等情况，同时由于盾构

施工对于周边土体的扰动作用，从而导致实际的盾尾同步注浆量要远大于理论计

算量.根据实践经验，在砂卵石地层中合适的注浆量应为理论注浆量的160％～

220%；在粉质土、粘质土地层中合适的注浆量应为理论注浆量的140％～180%。

（5）注浆位置的分配：有目的地选择等角度分布于盾尾外壳的注浆管进行注

浆, 根据不同的地质条件及控制标准确定各个注浆管的注浆压力与注浆量，能使

“漂浮”于浆液中的隧道尾端产生可控位移,既可改善隧道轴线原有的偏差，又可

有效改善管片与盾尾的挤卡状况.

另外，还要尽量保证盾构掘进中的轴线和设计轴线一致，以减小盾构纠偏量，

从而减小因盾构纠偏对周围土层的剪切挤压扰动，同时有利于控制盾尾和管片后

背间的间隙和地层损失。实践证明，盾构停止推进时，会因正面土压力的作用而

后退，从而增大周围地层的变形，因此，施工中宜保持施工的连续性。当必须停

止推进时,务必作好防止后退的措施，正面及盾尾要严密封闭,以减少停机期间对

周围环境的影响.

4。2 被动控制措施

被动控制措施主要指通过诸如隔断、托换、土体加固等工程方法来保护周围

建筑物。对于对地面变形比较敏感且影响后果比较严重的建筑物，仅通过盾构各

施工参数的优化可能不能满足安全控制要求,故还需要采取有效的工程保护措施。

常见的工程方法主要有:

（1）隔断法

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

在建筑物附近进行地下工程施工时，通过在盾构隧道和建筑物间设置隔断墙

等措施,阻止盾构机掘进造成的土体变形，以减少对建筑物的影响。避免建筑物产

生破坏的工程保护法,称为隔断法。该法需要建筑物基础和隧道之间有一定的施工

空间。

隔断墙墙体可由密排钻孔灌注桩、高压旋喷桩和树根桩等构成,主要用于承受

由隧道施工引起的侧向土压力和由土体差异沉降产生的负摩阻力，使之减小建筑

物靠盾构隧道侧的土体变形。为防止隔断墙侧向位移，还可在墙顶部构筑联系梁

并以地锚支承。

设置隔断墙可以有效地减少隧道开挖对建筑物基础的影响，效果较好。其中

采用钻孔灌注桩的优点是:桩的强度和刚度好，比较安全可靠,同时钻孔桩施工以

后桩身强度成长快,施工过程中对原有建筑物影响很小，缺点是由于场地限制只能

选用较小的设备作业,速度较慢。高压旋喷桩的优点是:施工设备灵巧,速度快,施

工中对建筑物影响小，成本比钻孔灌注桩低，但其强度较低，施工后桩身强度成

长慢.树根桩优点是：成本低,施工设备较小,施工时对原有建筑物影响小,但由于

桩小，隔断效果较差.不过还需注意,隔断墙本身的施工也是邻近施工，故施工中

要注意控制对周围土体的影响.

（2)桩基托换

桩基托换是以特定的桩取代原桩作为建筑物的传力杆件,与原有地基形成多

元化桩基并共同分担上部荷载，缓解和改善原有地基的应力应变状态，直至取得

控制沉降与差异沉降的预期效果.在隧道开挖过程中，往往会遇到建筑物桩基侵入

隧道净空的情况,当地铁从建筑物底部穿越时,建筑物底部的地基土被开挖，洞体

四周土体应力状态将发生变化，且并伴随着土体的变形,一直延伸到地表面，并对

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

建筑物的基础产生作用。此时必须对桩基进行托换处理，将建筑物原来的基础托

承到不受施工影响的新的桩基上，同时建筑物上部荷载通过托换结构也得到了可

靠的转移,从而减少了隧道开挖中地层变形对建筑物的影响，解决了隧道穿越既有

建筑物的安全问题。托换处理主要有门式桩梁、片筏基础、顶升及树根桩等方法。

例如：广州地铁二号线隧道从广园西路一栋6层的宿舍大楼下方穿越而过，

隧道施工采用盾构法,楼房基础为挖孔灌注桩,为了确保楼房的安全,采用由托换

桩和托换梁组成的托换结构体系,对部分楼房桩基分别进行托换和加固，使楼房在

原有基础被破坏的隋况下,继续保持正常使用和安全状态。

桩基托换技术经济合理，效果较好，而且通过改变力的传播途径来控制建筑

物变形的发生,同时施工期间不会影响到建筑物的使用功能.但是桩基托换的机理

比较复杂,托换技术难度大，综合性强,施工周期长，而且大部分基础托换工程工

作在建筑物的室内进行，作业空间受到限制。

(3)土体加固

土体加固包括隧道周围土体的加固和建筑物地基的加固.前者通过增大盾构

隧道周围土体的强度和刚度，以减少或防止周围土体产生扰动和松弛.从而减少对

近邻建筑物的影响,保证建筑物的正常使用和安全。后者通过加固建筑物地基，提

高其承载强度和刚度而拟制建筑物的沉降变形。这两种加固措施一般采用化学注

浆、喷射搅拌等地基加固的方法来进行施工。

当地面具有施工条件时,可采用从地面进行注浆或喷射搅拌的方式来进行施

工；当地面不具备施工条件或不便从地面施工时,可以采用洞内处理的方式,主要

是洞内注浆.例如：上海市的下水道主干线工程中，采用外径为4。43m的土压平

衡盾构，通过洞内注浆的处理方式,顺利通过了临近桥台的基础桩，且把最终沉降

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

成功地控制在要求的10mm内。

(4）建筑物加固

该法实际上是对建筑物本身进行加固，使其结构刚度加强，以适应地基土变

形而引起建筑物变形的一种工程保护方法.对建筑物本体进行加固的措施有多种，

如可以通过加筋、加固墙、设置支撑等来直接对建筑物上部结构进行加固，或通

过加固桩、锚杆等对建筑基础进行加固。实际工程中需要根据建筑物的结构和基

础特点选用相适应的方法。

隔断墙、桩基托换和注浆等作为隧道开挖造成建筑物损害的治理措施，均有

其特定的最佳使用条件，有些情况下也可以相互配合使用以减少建筑物保护代价。

在隧道开挖靠近建筑物时,建筑物基础埋置较浅时，且场地受到限制，可以设置隔

断墙来保护建筑物；在隧道开挖穿越建筑物基础将建筑物的桩基切断或者使其产

生过大的变形，施工现场、施工技术许可的情况下，建议采用桩基托换法。注浆

法可以作为其他两种方法的补充和辅助手段,在隧道开挖引起的地表位移不大时

也可单独采用。

5 总结

隧道结构及岩土介质的高度非线性，导致隧道盾构法开挖问题具有非线性的

路径相关性。即随着盾构开挖的进程，隧道结构的形状不断发生变化，作用在隧

道结构上的外荷载也随之改变，结构响应量与加（卸）载途径有关的.盾构法施工

中，采用不同的千斤顶推力、不同的注浆参数等会引起程度不同的地表变形。只

有考虑施工过程和路径，才能准确地反映隧道施工过程中围岩和结构的应变、应

力状态，准确地预计地表的位移、变形。在软土地层中进行隧道盾构的开挖是非

常复杂的三维时空问题,近年来,随着数值计算方法和计算机软硬件技术的进步,

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

使得隧道盾构法施工过程的动态仿真模拟成为可能。

城区中建设,经常进行盾构施工，因而对周围建筑物的影响是不可避免的。但

只要给予足够的重视：施工前,做好调查、组织、预测工作；施工中,做好监测工

作，进行信息化施工,并根据工程的具体情况调整和优化施工参数；同时辅以必要

的工程处理措施。这样就完全能够控制对周围环境的影响、保证建筑物的安全.

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

参考文献

[1］ 刘志强.隧道工程。徐州：中国矿业大学出版社，2002

［2］ 张庆贺,朱合华。土木工程专业毕业设计指南（隧道及地下工程分册）。北京：中国

水利水电出版社，1999

［3］ 高少强，隋修志.隧道工程。中国铁道出版社,2003

［4］ 朱合华。地下建筑结构.北京：中国建筑工业出版社，2005

[5] 夏军武，贾福萍.结构设计原理。徐州：中国矿业大学出版社，2007

［6］ 翁家杰.地下工程.北京：煤炭工业出版社，1995

[7］ 孙均.地铁隧道盾构掘进施工市区的环境土工安全技术标准及其变形与沉降控制［J] .

世界隧道，2000(增刊)：233~240

[8] 施仲衡，张弥等.地下铁道设计与施工［M］ 。西安：陕西科学技术出版社,1997。6，

378～381

［9］ 姜忻良，赵志明等.天津地铁盾构施工对邻近工程设施影响的动态模拟[J] 。天津大

学学报，2006,39（2）：188~193

[10] 彭畅．盾构隧道施工对地层及建筑物影响的数值分析[D］ 。武汉：华中科技大学，

2007

［11］ 赵保建.盾构法地铁施工的数值模拟及对邻近建筑物影响的研究［D] 。天津：天津

大学,2007

[12］ 丁智。盾构隧道与邻近建筑物相互影响研究[D］ .杭州：浙江大学，2007

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

［13］ 刘海燕.隧道开挖对地面建筑结构的影响研究［D] .合肥：安徽理工大学，2005

[14］ 腾红军。城市隧道穿越地面建筑物的安全风险控制［D］ 。北京：北京交通大学,2007

［15] 宗长龙.城市地铁隧道盾构施工对邻近建筑影响研究[D] .广州：广州大学，2007

［16] 蔡新建，王海平等.盾构近距离掘进对建筑物的损伤及保护措施［J］ .工程，2009，

3：58~59

［17］ 刘海燕，姜玉松。隧道开挖对地表及建筑物影响的研究与分析［J] 。西部探矿工

程,2005,3：106～109

［18] H Mroueh，I Shahrour.A full 3-Dfinite element analysis of tunnelling—adjacent

structures interaction［J］， ComPuterandgeotechnies,2003(30）：245~253

［19] Park K H。Elastic solution for tunneling—indueed ground movements in

clays[J]。International Joumal of Geomeehanics，2004，4（4):310~318

[20] Wen—i Chou,Antonio Bobet. Predietion of ground deformations in shallow

tunnels in clay ［J].Tunnelling and Underground Space Technology，2002，17

（1）：3~19

［21］ Loganathan N，poulos H G。Centrifuge model testing of tunneling-indueed ground

and Pile deformations[J］. Geotechnique，2000,50（3)：283~294

[22］ Shahin H M，Sung E，NakaiT.2D mode ltests and numerical simulation in shallow

tunneling considering existing building load[J].Underground Construction and

Ground Movement，2006，15：304~311

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

翻译部分

原文

Analysis of tunnel-induced settlement damage to surface

structures

G。T。 Houlsby， H。J. Burd ＆ C.E。 Augarde

Department of Engineering Science， Oxford University, U。K.

Keywords：

analysis, finite elements， masonry structures, settlement，

tunnelling

ABSTRACT: Transport developments in cities often involve tunnelling， which

inevitably leads toground movements。 These must be carefully predicted

if there is a risk of settlement damage tonearby structures. Tunnel-induced

settlements may be predicted empirically for greenfield sites, butsurface

structures modify these movements。 Two—dimensional models， often used

in practice,neglect the effect of transients as the tunnel is excavated，

and do not allow realistic models of buildings. Research on a 3—D numerical

model of tunnelling is described. This includes a building and a simulation

of tunnel construction processes. Interactions between the building and

the ground are investigated。 Settlement, and structural damage， is studied

as the tunnel installation proceeds。An analysis of a building unsymmetrical

in plan to the tunnelling direction is presented。

1 SUMMARY OF THE RESEARCH PROGRAMME

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

The purpose of the research described here is to develop a comprehensive

numerical model, able to provide realistic modelling of the interaction

between tunnelling processes and buildings. The long-term intention is that

such a model should become a useful predictive tool for design. Central

to the analysis is the recognition that the tunnel， the ground and any

adjacent buildings are inextricably linked, and that the analysis must take

into account their mutual interaction. This contrast with many current

techniques (some even involving quite sophisticated numerical methods) in

which an analysis of the ground deformation is made without accounting for

the influence of buildings. It is further recognised that， in spite of

the attractions of simplified 2-dimensional analysis, it is only possible

to model the interaction if the 3-dimensional nature of the problem is

accounted for.

The research programme has been divided into three main phases as

detailed below.

1。1

Preliminary studies

These included：

(1） 2—D finite element analysis examining the effect of different

material models on the shape of greenfield settlement troughs （Chow, 1994）。

This showed that the most realistic settlement troughs were predicted when

the nonlinearity of soils at small strains was modelled.

Modelling of masonry structures using a commercially available

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

package （ABAQUS）. Simple models (Parry-Jones and Cline， 1993）. Some

information on likely patterns of damage for buildings was obtained, and

further research was needed on the modelling of the masonry。

Preliminary 3-D studies investigating methods of coupling the

ground and building （Hurst,1994， Curtis， 1995). These proved the value

of commercially available mesh generationsoftware (I—DEAS) for this

project。

1.2

The main research phase

This involved the development of a finite element model with the following

features：

A 3—D block of ground, modelled as undrained clay, using a

specially developed soil model accounting for the nonlinearity of soil at

small strains using a nested—surface plasticity approach。Tunnel

construction is modelled by progressive removal of elements (Augarde，

1997)。

A model of a masonry building in which the structure is

represented by a series of interconnected facades constructed from 2-D

plane stress elements. The masonry behaves as elastic in compression， but

as unable to sustain tension。 Specially developed tie elements are used

to connect the 2—D facades together， and to connect them to the ground

（Liu, 1997).

Modelling of the installation of a tunnel lining. The liner

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

is modelled using special shell elements which use the overlapping facet

technique to avoid the need for rotational degrees-of—freedom in the

analysis （Calladine, 1992, Augarde， 1997)。 The ground loss associated

with imperfect installation of the liner is modelled by a method in which

the liner diameter is shrunk by a controlled amount after

main conclusions from this phase of the research (some of which are

illustrated below， and others reported by Burd ,1998） are：

A building has an important effect on the settlements caused by nearby

tunnelling operations。

Facades subjected to sagging displacements are resistant to crack

damage because of the restraint provided by the ground; they retain much

of their bending stiffness and therefore suffer differential settlements

that are less than would be estimated from greenfield analysis.

Facades subjected to a hogging mode of displacements are highly

susceptible to crack damage，with consequential loss of bending stiffness.

1。3

Development phase

The research is currently continuing, with developments being in four main

areas:

Confidence in any numerical analysis technique can only be

achieved by careful comparison with case histories。 Work is in progress

comparing analyses with the results of monitoring exercises at a number

of sites， principally in London， where tunnels and shafts have been

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

excavated close to major masonry buildings. Analysis of particular sites

inevitably leads to more complex models than those used in the earlier main

research phase.

The complex 3—D analyses using non—linear soil models are

extremely demanding on computing resources (both in terms of memory and

processor time）， since finely detailed meshes and many analysis steps

are necessary to capture the details of the problem. Some success has been

reported in reducing computation time using iterative solution techniques,

so these methods are being explored。 Most computations are now being made

on the Oxford Supercomputing Centre's 84-processor Origin 2000 machine，

so that parallel computing techniques can be exploited. Equally important

is the machine’s exceptionally large RAM memory （21Gbytes），which makes

possible large analyses which could not be attempted on a conventional

machine.

Further attention is being given to the details of the tunnel

lining， and of the modelling of the processes of volume loss。In many cases

where it appears that predicted settlement damage might be unacceptable，

compensation grouting is becoming the favoured technique for alleviating

the problem. It is necessary therefore to model compensation grouting in

the analysis， so that alternative grouting schemes can be examined and

their efficacy assessed。 Modelling of grouting is in progress。

The present analysis examines short-term （undrained)

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

movements only， since these are viewed as being of primary importance.

This will be extended to include time-dependent response，which will be

of particular interest in the cases where compensation grouting is

employed。

2 AN EXAMPLE CALCULATION

The example used here is drawn from the analyses in the main phase of the

research， and is reported in detail by Liu （1997）。 It concerns a single

tunnel of diameter 5m， excavated at a depth (to centreline） of 10m。 The

properties of the soil through which the tunnel is excavated are chosen

to be typical of London Clay. Analyses of unlined tunnels are reported here，

but in other analyses a liner is included （Augarde, 1997）。 The tunnel

passes obliquely under the corner of a masonry building， 20m by 10m in

plan， see Figure 1. The building is modelled as four planes of six—noded

triangular elements to form the facades. The longer sides include a regular

pattern of openings for windows and doors, whilst the shorter sides are

plain gables. No internal structure of the building is modelled， since

in a masonry building the internal structure is usually considerably

lighter and more flexible than the main facades.

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

Two analyses are briefly reported here. In the first the tunnel is

constructed as if it were under a greenfield site. The predicted settlements

around the perimeter of the building are then applied to a separate model

of the structure。 In the second analysis the building is fully coupled

to the foundation, so that there is an interaction between the stiffness

of the building and the y the second analysis is expected to

be the more realistic， and the comparison between the two analyses is made

to highlight the importance of carrying out the coupled analysis.

The settlement profiles along the front facade of the building （the

one facing the advancing tunnel) are given in Figure 2(a) for the greenfield

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

analysis for four stages in the advance of the tunnel. The maximum

settlement is at first near the left—hand end of the facade， since at

first this is closest to the advancing tunnel, but shifts to the right as

tunnelling progresses， since the centerline of the tunnel passes under

the right hand end of the building. The corresponding results for the

coupled analysis are shown in Figure 2（b）。 Note that the stiff facade

maintains an almost straight base。 At first it tilts slightly to the left，

then more strongly to the right. The absolute value of the settlements is

larger than for the greenfield。 This is because the weight of the building

triggers larger local downward movement.

Figure 3 shows schematically the predicted pattern of cracking damage

to the front facade at the end of Stage 1 (Figure 3(a）） and the end of

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

Stage 4 (Figure 3(b）)。 Although an averaged indication of cracking

intensity can be obtained， the analysis does not predict the precise size

and location of individual cracks. It can be seen that early in the analysis

some minor cracking at the left hand end of the facade is predicted,and

later these cracks re-close and more major cracking occurs at the right

hand end。 Bearing in mind the fact that the cracks are parallel to the

direction of major principal stress， it can be seen that there is arching

action in the masonry over the settlement trough at the right hand side

of the facade.

In contrast， Figure 4(a) shows the predicted crack damage for the front

facade at the end of the coupled analysis. The cracking damage is much more

localized， because the distortion of the masonry structure is much less

than that implied by the greenfield analysis. The contrast between Figures

3（b) and 4(a） demonstrates clearly the need for the coupled analysis。

The cracking pattern predicted from the coupled analysis for the rear

facade is shown in Figure 4（b）。 This part of the masonry structure is

subjected to hogging deformation， which causes the top of the structure

to crack vertically， and results in almost total loss of bending stiffness

of the rear facade。 As a result it has much less influence on the local

ground deformations than the front facade， so in this case the crack pattern

is in fact rather similar to that predicted in the Greenfield analysis.

It is interesting to note that, in this case, the rear facade is subjected

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

to more severe cracking than the front facade。 This reflects a consistent

feature of the numerical model that facades subjected to hogging

deformations, such as the rear facade， are more prone to damage than facades

subjected to a sagging mode, such as the front. This demonstrates that it

is not sufficient to model the masonry as elastic： masonry structures show

complex non—linear responses which depend on the nature of the loading.

Figure 5（a） and (b) show the horizontal movements of the ground surface

predicted at the end of Stage 2 for the greenfield and coupled analyses

respectively。 Horizontal movements often do not receive as much attention

as settlements, but they can be equally damaging to buildings. In the

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

greenfield analysis it can be seen that the displacement vectors （much

exaggerated） are all directed towards the tunnel centreline and are of

course undisturbed by the building， the outline of which is shown on the

figure。 Close attention to Figure 5（b) shows that the pattern of horizontal

movement around the building is significantly different， particularly near

the front corners A and B. The stiffness of the building changes the local

pattern of deformations。

Clearly the details of horizontal movements (as well as settlements）

would depend on precise nature of the foundation of the building. In the

analysis presented here the foundation was effectively modelled as a strip

surface footing， with no detail included. More advanced modeling of the

foundation is clearly desirable。

3 CONCLUSIONS

Advanced numerical techniques are capable of modelling complex problems

of soil—structure interaction involving the influence of tunnelling

operations on masonry buildings。 The model described here does not model

the fine detail of the building or its foundations, and further work is

needed to develop it as a practical design tool. It does, however， suggest

some general mechanisms of interaction between the building and the ground.

These are summarized as follows：

（1)The presence of the building modifies the pattern of ground

movements both qualitatively and quantitatively

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

The nature of any cracking damage changes as the tunnel

progresses。 Crack systems may open and close as the tunnel passes beneath

the building.

Facades subjected to hogging deformation are more prone to

cracking damage than those subjected to sagging deformation.

4 ACKNOWLEDGEMENTS

This research has been supported by the Engineering and Physical Science

Research Council， the SBFSS Foundation， Howard Humphreys and Partners

Limited， the Royal Commission for the Exhibition of 1851 and Oxford

University. The authors acknowledge the major contributions made to this

research programme by L. Chow， Liu Gang， A。G。 Bloodworth and C. Wisser。

REFERENCES

Augarde， C.E。 1997。 Numerical modelling of tunnelling processes for assessment

of damage to buildings，

DPhil Thesis, Oxford University

Augarde， C.E., Burd, H。J。 and Houlsby, G.T。 1995。 A Three Dimensional Finite

Element Model of

Tunnelling，

Proc。 4th Int。 Symp. on Numerical Models in Geomechanics — NUMOG

V, Davos,Switzerland, 6—8 September

: 457-462

Augarde， C.E.， Burd， H.J. and Houlsby， G。T。 1998。 “Some Experiences of Modelling

Tunnelling in Soft Ground Using Three-Dimensional Finite Elements”，

Proc。

th

4 European Conf. on Numerical Methods in

Geotechnical Engineering， Udine,

Burd, H。J.， Houlsby， G.T。， Augarde， C.E。 and Liu， G. 1998。 Prediction of

tunnel-induced settlement damage to masonry structures。

OUEL Report 2162/98,

Burd， H.J., Houlsby, G.T., Chow, L，。 Augarde, C。E. and Liu, G。 1994。 Analysis

of Settlement Damage toMasonry Structures，

Proc。 3rd European Conf. on

Numerical Methods in Geotechnical Engineering，Manchester， 7—9 September

:

203—208

Chow， L. 1994。 The prediction of surface settlements due to tunnelling in soft

ground，

MSc Thesis, Oxford

University

Curtis, C.R。G。 1995 A finite element analysis of settlement damage to masonry

structures，

Project report，Department of Engineering Science, Oxford University

Hirst， C。 1994 A study, using finite element analysis， into building damage and

ground movements due to tunnelling,

Project report， Department of Engineering

Liu, G。 1997. Numerical modelling of damage to masonry buildings due to

tunnelling,

DPhil Thesis， Oxford

University

Parry—Jones, M。 and Cline， R。 1993， A study， using finite element analysis，

14—16 October

Department of Engineering Science， Oxford University

Science, Oxford University

into cracking in buildings causedby ground movements due to tunnelling,

Project

Phaal, R. and Calladine, C.R. 1992. A simple class of finite elements for plate and

shell problems II： an element for thin shells, with only translational degrees

of freedom， Int。 J。 Num. Meth。 Eng， 35， 979—996。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

report， Department of Engineering Science, OxfordUniversity

翻译

由隧道引起的地面沉降对地面结构的损害分析

摘要:城市交通的发展往往包含隧道,隧道开挖不可避免的导致地层变形。假如地

面沉降会对邻近的地面结构造成损害,那么这个破坏一定要被预测。由隧道引起的

沉降在没有建筑的的地方可以凭经验来分析，但如果存在地面结构,那么地面变形

也将发生变化。在实践中经常用到的2维模型会忽略隧道开挖过程中的各种临时

性变化,这些变化也许是真实模型中建筑物所不能承受的。研究隧道开挖对地面沉

降分析的3维模型已经提出。它包含了隧道施工过程的模拟和分析，建筑物和土

层之间的相互作用。和隧道完成后的收益一起，由它引起的沉降和结构破坏也一

直被研究着.因此，有人提出在隧道开挖方向上的建筑物可以不对称建造。

关键字：分析，有限元,砌体结构，沉降，隧道开挖

1 研究方案的总结

本文研究的目的是开发出一个全面数值模型，能提供隧道开挖过程与建筑物

之间相互作用的真实模型。长远的打算是，这个模型能够成为一个可以预测的工

具为隧道设计服务.深入的分析认识到隧道、地面和附近建筑物存在不可分割的联

系，而我们所做分析必须考虑到它们之间的相互作用。与此相反,目前许多技术（有

些甚至涉及相当复杂的数值方法）所做的地面变形分析都是没有考虑建筑物的影

响。后来进一步认识到，不管简化的二维分析多么具有吸引力，假如这个问题需

要三维的分析，那么它仅能提供一个互动作用的模式。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

该研究计划被分为三个主要阶段，详情如下.

1.1 初步研究

这些内容包括：

（1)二维有限元法分析研究不同材料的模型对地面无建筑物时沉降槽形状的

影响（周，1994年)。它指出,大部分真实的沉降槽可以被预测，当土壤为小应变

非线性的模型时。

（2）砌体结构模型的建立使用市面上常见的软件(ABAQUS软件）.简单位移剖

面，适用于使用了各种不同的材料的建筑外墙,（帕里琼斯和克莱因，1993）。我

们已经获得了一些可能会对建筑物造成损害模式的资料。并且需要对砌体的建模

进行进一步研究.

(3)初步的三维研究方法结合了地面及建筑物的相互作用（赫斯特方法，1994

年，柯蒂斯，1995年）.这使得研究这些项目的商用网络分析软件的变得有价值

（I-DEAS软件)。

1。2主要研究阶段

这涉及到一个具有以下特征的有限元模型的发展：

(1）一个地面放着一个立体的3维物块，粘土假设为不排水，采用了特别开

发的土体模型，使得非线性土壤在较小的压力下可以塑性变形。 隧道施工模型是

逐步建立的，忽略基础的影响（奥加德,1997年)。

(2）二维平面应力元可以构建一个由一系列相互联系的面墙所组成的砌体结

构模型。砌筑结构表现为弹性压缩，但无法维持受压的状态.特别提出的应力原理

可用于连接的2—D墙面,并将它们与地面联系在一起（刘，1997）。

（3）对隧道衬砌安装进行建模是时，该衬砌是具有特殊的框架基础，使用重

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

叠面技术来避免在分析中的需要旋转角度(卡拉迪恩，1992年，奥加德，1997年）。

地面与没有完全衬砌好的隧道之间相互作用的模型,是通过在隧道衬砌完成后的

基础上缩短隧道直径来实现的。

这一部分的研究内容主要阐述的是（其中部分如下所示，其他相关内容由伯

德说明。1998年）：

① 建筑对隧道附近地面沉降有重要的影响。

② 外墙向下移动能够抵抗开裂破坏，因为地面对它有约束力，外墙承受了

大部分的抗弯刚度，因此地面的差异沉降量是比没有建筑物时做的分析是少。

③ 外墙的弯曲状态是很容易受开裂破坏的影响，随之而来的是挠度的改变。

1.3 发展阶段

该研究目前仍在继续，发展方向主要在以下四个主要领域：

(1)任何数值分析技术被得到认可,都是通过认真的比较先前的工程实例。对若

干地点沉降监测结果进行比较，分析才会更准确。这些地点主要集中在伦敦，那

里隧道和竖井接近大型砖房。特定地点的分析较早期的主要研究阶段不可避免地

产生更多复杂的模型.

（2）复杂的三维分析方法，利用非线性土模型是很占用电脑资源的（在内存

和处理器时间两方面）,因为必须有很多详细的细微网格及分析步骤，才能抓住问

题的细节。一些成功例子表明运用迭代求解技术可以减少计算时间，所以这些方

法正在探索.现在大多数的计算，都是英国牛津超级计算机中心拥有84个处理器

计算机2000完成的，因此并行计算技术是个很好的方法。同样重要的是机器的特

大RAM内存(21Gbytes）这使得它可能无法在一个传统的机器上试图分析.

(3）目前正在考虑进一步重视对隧道衬砌的细节，以及对隧道体积损失的建模

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

程序。在许多情况下，对地表沉降危害的预测是不能令人满意的.补偿灌浆正在成

为受人们欢迎的缓解这个问题的技术。因此，有必要再分析补偿模型，使注浆过

程可以检查并可以评估其功效。灌浆模型正在发展中。

（4）目前的分析主要是探讨短期(不排水）地层运动，因为这些被视为最基础

的。慢慢的会扩展到随时间的各种反应，这对那些采用补偿灌浆技术的工程将特

别有用。

2 实例计算

这里所举的例子是从该研究的主要阶段的分析中得到的，刘对它进行了详细

的说明（1997）.它涉及一个直径5米的单洞，深度挖掘（向中心线）到10米。

该隧道开挖所在土层土的性质选择为典型的伦敦粘土.这里分析的隧道忽略了衬

砌的影响，但在其他分析中是考虑了隧道衬砌(奥加德，1997年）。隧道倾斜的通

过了砖石建筑的墙角，并以10米20米的计划推进，见图1。该建筑被建模为四个

平面的6个节点三角形形成的外观.按照常规建筑结构在房屋的长边为窗户和门做

了开口，同时在较短边为普通的墙体.建筑物的内部结构没有建模，因此砖石建筑

物的内部结构较主墙面通常被认为是相当轻和灵活的。

在这里对2中分析做下简要说明。在第一个分析中隧道被认为是建在绿地下

面。建筑物附近地面沉降的预测适用于单独的结构模型。在第二个分析中，把建

筑物和地基结合在一起，因此是建筑物和地面刚度互动。 显然，第二个分析，更

接近真实情况。对2种分析的比较是为了突出把建筑物与地层之间进行结合分析

的重要性.

沿大楼前门面地面沉降剖面图如图2（a）所示（面对隧道推进的平面）.此图

为隧道上方为绿地时四个阶段的推进沉降分析图.最大沉降首先出现在靠近外墙

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

的左端的位置,这是因为这个地方最接近隧道推进。隧道中心线下穿过建筑物的右

边时，最大沉降变为在前门面的右边。建筑物与地表结合分析时的地层沉降图如

图2（b）所示。注意到前门面地层几乎保持着均匀的沉降。起初，稍微向左倾斜，

慢慢的向右倾斜的厉害.明显的这个沉降量比在绿地上要大很多.这是因为建筑物

的重量引发较大的局部向下运动。

图3显示了第一阶段结束(图3（a））和第四阶段结束（图3（b）)隧道掘进

对前门面的损害。虽然可以获得平均开裂程度，但这个分析不能得到裂缝精确的

大小和单个裂缝的位置。由此可见，在前期左表面的轻微裂缝是可以预测的,后来

这些裂缝变得更接近，裂缝增大并出现在表面右下角。这个证明了一个事实,即裂

纹平行于主应力方向。可以看出，隧道穿过前门面的右边缘时,裂缝在砌体结构表

面上呈现拱形形状。

相比之下，图4(a）显示了地层与建筑物相互作用时隧道到达右边缘后的开裂

破坏。相比隧道穿越绿地这个开裂破坏更有局限性,因为砌体结构变形比上部为绿

地时要小。通过图3（b)及4（a)的比较清楚显示了耦合分析的必要。

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

（完整）地铁隧道施工的毕业设计

致 谢

在大学的四年时间里，我觉得自己的成长速度是飞快的，更让我觉得自己虚

度了很多光阴。感谢中国矿业大学能提供自己学习和深造的机会，让我有机会接

触新的领域和提高自己的学习能力。

本文是在石荣剑老师的悉心指导下完成的。导师耐心、平易近人、诲人不倦

的性格令学生影响深刻。在设计制作的过程中，由于本人知识有限，总是会出现

很多不足和错误,导师总是会耐心指出帮助改正,并解答我的问题.在这3个多月的

时间，导师会经常与我联系，及时帮组解决设计过程中的困难，在此学生深表谢

意。

然后还要感谢大学四年来所有的老师，为我打下专业知识的基础；同时还要

感谢所有的同学们，正是因为有了你们的帮组和鼓励,此次毕业设计才会顺利完

成。