地铁盾构隧道施工对邻近桩基和地埋管线的影响研究

随着城市现代化的快速发展，城市交通拥挤及人们出行难已成为亟待解决的问题，地铁以其快捷、准时、运量大及节能环保等巨大优势，作为缓解城市交通压力的重要手段受到人们的广泛青睐。地铁隧道大都穿越地下建（构）筑物密布区域，如建（构）筑物桩基、地埋管线、地下综合管廊、既有地铁隧道等，其建设过程将不可避免地会引起周围土体位移及应力松弛，使得邻近地下建（构）筑物产生过大的附加位移和附加应力，甚至可能会引发路面塌陷、建筑物开裂受损、管线破坏等严重事故。因此，受隧道开挖影响的邻近桩基、地埋管线、地下综合管廊、既有地铁隧道能否正常安全地服役已成为目前城市地铁隧道建设中各方关注的重点，尤其一些大型公共建筑物桩基已严重老化甚至已超过服役年限的地埋管线，其在地铁隧道施工扰动情况下的工作性能，更是成为地铁隧道设计、施工、运维、管养中关注的焦点。
本书第一作者马少坤在博士导师同济大学黄茂松教授和博士后合作导师香港科技大学吴宏伟教授的指导下，一直从事隧道-土-结构相互作用等问题的科研工作，并将先进的土工离心模型试验技术应用至地基与基础工程、隧道工程的原创性研究中。经过近10年的研究总结，将以下几部分特色内容整理于本书中。
1）精细化三维离心试验用隧道模型。在地铁隧道施工对邻近既有桩基影响的研究中，采用了一种通过排水法精确控制地层损失率的三维离心模型试验用隧道模型，该模型能较好地模拟隧道分段开挖的三维空间效应；在地铁隧道施工对邻近地埋管线的影响研究中，克服了常规离心模型试验中只能模拟隧道开挖所致土体地层损失效应的不足，该隧道模型可以同时模拟盾构隧道施工引起的地层损失效应和质量损失效应。
2）精细化三维数值模拟模型。采用了一种高级本构模型——Hypoplastic Model（HP 模型）来描述土体的力学行为，该模型能较好地反映土体强度的应力路径相关性以及土体在小应变范围内土体刚度的状态相关性、应变相关性及应力路径相关性；采用了基于地层损失率的隧道开挖模拟方法，该方法能准确地模拟隧道开挖所致地层损失效应和质量损失效应。
3）利用离心模型试验和有限单元法，系统研究了隧道施工对邻近既有桩基的影响，对不同桩-隧相对位置工况下地铁隧道开挖对邻近群桩的影响、地下水位循环变化时隧道开挖对群桩的长期影响开展了研究工作，并提出了不同相对埋置深度隧道施工对群桩影响的力学模型。
4）利用离心模型试验和有限单元法，系统研究了隧道施工对既有地埋管线的影响，对不同埋深、不同开挖顺序及不同布置形式的双隧道开挖对地表沉降、管线沉降、管线弯曲应变的影响开展了系统的研究工作，提出了一种双隧道开挖所致管线沉降及弯曲应变的预测方法，该方法合理考虑了后续隧道开挖所致累积塑性应变及上覆隧道遮拦效应对管-土相对刚度的影响；提出了一种能合理反映土体应变变化的管-土相对刚度的计算式，并给出了管-土相对刚度与管线相对曲率和管-土相对刚度与管线相对沉降的关系式，同时验证了所提出关系式的适用性及可靠性；提出了一种新的适用于描述节点管线管-土相对刚度的表达式，并给出了管-土相对刚度与管线相对转角的关系式，同时对此关系式的适用性和可靠性进行了验证。
本书由马少坤和邵羽统稿，马少坤编写第1、2、7章，邵羽编写第3、4、8章，刘莹编写第5章，陈欣编写第6章，段智博编写第9章。
本书的研究工作是在第一作者马少坤主持的国家自然科学基金“圆砾地基中双隧道施工和运营期致灾机理及防治研究” （51678166）、“考虑膨胀土地基应力历史及地下水位季节性变化隧道开挖对桩作用机理研究” （51068002）和 “互层组合膨胀岩土地基中隧道对邻近管线作用及致灾机理研究” （41362016）的支持下完成的，所有大型离心模型试验工作均在香港科技大学土工离心实验中心完成，特此致谢！
由于作者水平有限，本书中肯定存在许多不足之处，敬请读者批评指正。

马少坤2020年1月

城市地铁以其快捷、准时、运量大及节能环保等巨大优势，作为缓解城市交通压力的重要手段受到人们广泛青睐。但地铁隧道的建设将不可避免地会引起周围土体位移及应力松弛，可能使得临近地下建（构）筑物产生过大的附加位移和附加应力，从而影响其正常使用，继而引发路面塌陷，建筑物开裂受损、管线破坏等严重事故，从而带来巨大经济损失甚至危及人们的生命安全。故此城市隧道-土-结构相互作用成为了地铁隧道设计、施工、运维、管养中关注的焦点。本书将重点介绍地铁隧道建设对临近桩基和地埋管线的影响规律，全书分9章：绪论；三维离心模型试验基本原理及试验设备；地铁盾构隧道施工对临近桩基影响的三维离心模型试验；地铁盾构隧道施工对临近地埋管线影响的离心模型试验；地铁盾构隧道施工对临近桩基和地埋管线影响的三维数值模拟；地铁单隧道施工对临近既有桩基的影响分析；地铁双隧道施工对临近既有桩基的影响分析；地铁不同埋深盾构双隧道施工对既有管线的影响分析；盾构双隧道开挖对管线影响的预测分析。 本书的研究内容与工程实际紧密结合，对地铁隧道设计、施工、运营具有重要的理论意义和工程应用价值，可作为地铁隧道设计、施工等科技人员和高等院校地基与基础工程、隧道工程等专业师生重要的教学科研参考资料。

教授，博导，岩土与地下工程系系主任。中国土木工程学会土力学及岩土工程分会土力学教学专业委员会委员，中国土木工程学会土力学及岩土工程分会软土工程专业委员会委员，国家注册监理工程师，广西岩石力学与工程学会秘书长，广西安监局尾矿库安全生产专家。

前言
第1章绪论001
1.1引言001
1.1.1研究背景001
1.1.2研究意义004
1.2国内外相关研究现状004
1.2.1隧道施工所致地层位移分布研究现状004
1.2.2隧道施工对邻近桩基影响的研究现状015
1.2.3隧道施工对邻近管线影响的研究现状018
1.3本书的主要内容及研究方法020
第2章三维离心模型试验基本原理及试验设备021
2.1引言021
2.2离心模型试验原理021
2.2.1离心模型试验的运动学原理022
2.2.2离心模型试验基本原理022
2.3离心模型试验相似比023
2.3.1静力模型试验的相似比024
2.3.2固结问题的相似比025
2.4离心模型试验设备025
第3章地铁盾构隧道施工对邻近桩基
影响的三维离心模型试验028
3.1引言028
3.2离心模型试验方案028
3.2.1单隧道施工对桩基影响的试验方案028
3.2.2双隧道施工对桩基影响的试验方案029
3.2.3地下水位循环变化时双隧道对桩基长期影响的试验方案029
3.3离心模型试验尺寸及试验土样029
3.3.1离心模型试验尺寸029
3.3.2离心模型试验用土029
3.4模型制作及地层损失的模拟030
3.4.1模型桩030
3.4.2模型隧道030
3.4.3模型安装制备031
3.5测量仪器的选择与布置032
3.6试验准备及试验步骤034
第4章地铁盾构隧道施工对邻近地埋管线影响的离心模型试验035
4.1引言035
4.2离心模型试验方案035
4.2.1不同埋深双隧道施工对既有管线影响的试验方案035
4.2.2双隧道不同施工顺序及不同相对位置对既有管线影响的试验方案036
4.3离心模型试验尺寸及试验用土039
4.4模型制作及地层损失的模拟041
4.4.1模型管041
4.4.2模型隧道044
4.4.3模型安装制备047
4.5测量仪器的选择与布置053
4.6离心模型试验过程053
第5章地铁盾构隧道施工对邻近桩基和地埋管线影响的三维数值模拟054
5.1引言054
5.2土体特性分类054
5.3盾构隧道施工模拟方法058
5.4盾构隧道施工对邻近既有桩基影响的三维数值模拟分析059
5.4.1有限元模型尺寸、网格及边界条件059
5.4.2土体本构模型相关参数061
5.4.3有限元模拟步骤061
5.5盾构隧道施工对邻近既有管线影响的三维数值模拟062
5.5.1有限元模型尺寸、网格及边界条件062
5.5.2土体本构模型相关参数063
5.5.3有限元模拟步骤067
第6章地铁单隧道施工对邻近既有桩基的影响分析068
6.1引言068
6.2数值模拟方案068
6.3单隧道施工对邻近既有桩基影响的三维离心模型试验结果069
6.3.1对地表沉降的影响069
6.3.2对桩基附加变形的影响070
6.3.3对桩基附加轴力的影响070
6.3.4对桩基附加弯矩的影响071
6.4单隧道施工数值模拟与离心模型试验结果对比分析071
6.5不同埋深单隧道施工对邻近桩基的影响分析072
6.5.1对地表沉降的影响072
6.5.2对桩基附加变形的影响073
6.5.3对桩基附加轴力的影响076
6.5.4对桩基附加弯矩的影响077
第7章地铁双隧道施工对邻近既有桩基的影响分析082
7.1引言082
7.2数值模拟方案082
7.3双隧道施工对邻近既有桩基影响的三维离心模型试验结果083
7.3.1对地表沉降的影响083
7.3.2对桩基附加变形的影响084
7.3.3对桩基附加轴力的影响084
7.3.4对桩基附加弯矩的影响086
7.4双隧道施工数值模拟与离心模型试验结果对比分析087
7.5不同埋深双隧道施工对邻近桩基的影响分析088
7.5.1对地表沉降的影响088
7.5.2对桩基附加变形的影响090
7.5.3对桩基附加轴力的影响091
7.5.4对桩基附加弯矩的影响093
7.6考虑地下水位循环变化双隧道对桩基的长期影响分析096
7.6.1对地表长期沉降的影响096
7.6.2对桩顶长期附加沉降的影响097
7.6.3对桩基附加轴力的影响097
7.6.4对桩基附加弯矩的影响098
第8章地铁不同埋深盾构双隧道施工对既有管线的影响分析101
8.1引言101
8.2数值模拟方案101
8.2.1不同埋深双隧道施工对既有连续管线影响的数值模拟方案101
8.2.2双隧道不同施工顺序及不同布置位置对既有连续管线影响的数值模拟方案101
8.3不同埋深双隧道施工对既有管线的影响分析102
8.3.1管线正上方地表沉降102
8.3.2管线沉降104
8.3.3管线纵向弯曲应变105
8.4不同施工顺序及布置形式盾构双隧道施工对既有管线的影响分析109
8.4.1管线正上方地表沉降109
8.4.2管线沉降110
8.4.3管线纵向弯曲应变112
8.5试验结果与叠加原理所得结果对比115
第9章地铁盾构双隧道施工对管线影响的预测分析120
9.1引言120
9.2双隧道施工所致地层沉降经验公式对比分析120
9.3管-土相互作用机理122
9.4盾构双隧道施工对连续管线影响的预测分析125
9.4.1基于连续管-土相互作用机理的分析方法及其验证125
9.4.2基于无量纲化分析的双隧道开挖所致连续管线影响的预测公式126
9.4.3预测公式的可靠性及连续管线评价准则130
9.5盾构双隧道施工对节点管线影响的预测分析135
9.5.1基于节点管-土相互作用机理的分析方法及其验证135
9.5.2基于无量纲化分析的双隧道开挖所致节点管线影响的预测公式138
9.5.3预测公式的可靠性及节点管线评价准则143
参考文献145

城市地铁以其快捷、准时、运量大及节能环保等巨大优势，作为缓解城市交通压力的重要手段受到人们广泛青睐。但地铁隧道的建设将不可避免地会引起周围土体位移及应力松弛，可能使得临近地下建（构）筑物产生过大的附加位移和附加应力，从而影响其正常使用，继而引发路面塌陷，建筑物开裂受损、管线破坏等严重事故，从而带来巨大经济损失甚至危及人们的生命安全。故此城市隧道-土-结构相互作用成为了地铁隧道设计、施工、运维、管养中关注的焦点。本书将重点介绍地铁隧道建设对临近桩基和地埋管线的影响规律，全书分9章：绪论；三维离心模型试验基本原理及试验设备；地铁盾构隧道施工对临近桩基影响的三维离心模型试验；地铁盾构隧道施工对临近地埋管线影响的离心模型试验；地铁盾构隧道施工对临近桩基和地埋管线影响的三维数值模拟；地铁单隧道施工对临近既有桩基的影响分析；地铁双隧道施工对临近既有桩基的影响分析；地铁不同埋深盾构双隧道施工对既有管线的影响分析；盾构双隧道开挖对管线影响的预测分析。 本书的研究内容与工程实际紧密结合，对地铁隧道设计、施工、运营具有重要的理论意义和工程应用价值，可作为地铁隧道设计、施工等科技人员和高等院校地基与基础工程、隧道工程等专业师生重要的教学科研参考资料。

教授，博导，岩土与地下工程系系主任。中国土木工程学会土力学及岩土工程分会土力学教学专业委员会委员，中国土木工程学会土力学及岩土工程分会软土工程专业委员会委员，国家注册监理工程师，广西岩石力学与工程学会秘书长，广西安监局尾矿库安全生产专家。