浅埋地铁隧道施工影响下含空洞地层的变形机制和预测方法

According to statistical analysis, it is found that the instability of the voids in the ground is one of the major causes for large ground surface settlement and ground collapse. In this research, the “tunnel-ground-voids” system is systematically studied. The deformation and failure laws for the ground voids influenced by shallow metro tunnelling are investigated. Moreover, the deformation characteristics as well as the failure modes of the ground with voids are then analyzed, by which the influence rules of the instability of the voids to ground deformation are also explored. In view of the interactional characteristics of both the shallow metro tunnel and the ground voids, the method of zonal distribution and corresponding key standards are thoroughly investigated. The deformation modes for ground voids and related failure mechanisms are determined in different influence zone. After that the ground surface settlement analytical model and its solving method are proposed. Therefore, combined with the analysis of testing data, the characteristics of ground surface settlement troughs in different types of the ground with voids are studied, according to which the optimum curve model for ground surface settlement trough can be established. The parameters used in the model are also identified. This research will be helpful in predicting the surface settlement of the ground with voids induced by shallow metro tunnelling both in theory and practice.

基于浅埋地铁隧道施工安全事故的统计分析，地层中空洞的失稳破坏是导致地表沉降过大及地面坍塌的重要原因。为此，本项目以隧道-地层-空洞的动态相互作用为核心，从浅埋地铁隧道施工影响下空洞的损伤演化规律及破坏特征出发，分析含空洞地层的变形机制和破坏模式，探明空洞失稳破坏对地层变形的影响规律；基于隧道与空洞相互作用的特点，提出含空洞地层中浅埋地铁隧道开挖的影响分区方法，建立分区的关键指标并确定其标准；针对不同影响分区内空洞的变形及破坏模式，建立基于空洞影响的浅埋地铁隧道施工地表沉降解析模型，并给出计算方法；根据大量实测资料分析结果，针对不同类型的含空洞地层分别确定地表沉降槽拟合曲线，建立基于空洞影响的浅埋地铁隧道施工地表沉降槽曲线拟合模型，并提出模型中关键参数的确定方法。研究成果将为含空洞地层浅埋隧道开挖的影响评价奠定理论基础，具有重要的现实意义和理论价值。

基于浅埋地铁隧道施工安全事故的统计分析，地层中空洞的失稳破坏是导致地表沉降过大及地面坍塌的重要原因。本项目从隧道施工影响下地层空洞的变形和损伤演化规律及破坏特征出发，采用相似模型试验、数值模拟和理论分析等研究手段，通过系统深入的研究，揭示了浅埋地铁隧道施工影响下含空洞地层的变形规律和破坏特点，建立了考虑空洞影响的浅埋隧道施工地表沉降解析模型，提出了基于空洞影响的浅埋地铁隧道施工地表沉降槽曲线拟合方法。主要研究成果包括：（1）通过含空洞地层浅埋隧道开挖过程的相似模型试验和数值模拟分析，明确了地层空洞是影响地层变形规律的重要因素，揭示了地层空洞尺寸和空间位置对地层位移及应力的影响规律，确定了影响地层变形的最不利空洞参数；（2）隧道施工影响下不同位置空洞的变形模式不同，隧道周围地层塑性区在某些情况下会与空洞周围地层塑性区相连通，以开挖后隧道围岩应力状态为分区判定准则，通过对典型测线上加载面函数的求解，给出了含空洞地层浅埋隧道开挖影响分区；（3）基于复变函数理论并结合空洞变形特征，采用Schwarz交替法提出了含空洞地层在隧道施工影响下的地层变形解析公式，通过解析公式计算得到的地表沉降规律与相似模型试验和数值模拟结果基本吻合，验证了解析模型的合理性；（4）基于大量数值模拟计算和相似模型试验数据，结合含空洞地层中地表沉降曲线特征，建立了基于空洞影响的浅埋地铁隧道施工地表沉降槽曲线预测公式，并分析了预测公式中各参数与地层空洞位置及大小的关系。研究成果为含空洞地层浅埋隧道开挖的影响评价奠定了初步的理论基础，具有重要的现实意义和理论价值。