杭长客运专线隧道施工对地表沉降影响分析本科毕业论文.docx

中国地质大学（武汉）本科生论文（设计）本科毕业论文（设计）题目： 杭长客运专线钱塘江隧道施工对地表沉降的影响分析 本科生学位论文原创性声明我以诚信声明:本人呈交的本科学位论文是在章广成老师指导下进行工作所取得的成果。文中关于“杭长客运专线钱塘江隧道施工对地表沉降的影响分析”的分析及结论系本人独立研究得出，不包含他人研究成果。所引用他人之思路、方法、观点、认识均己在参考文献中明确标注，所引用数据、图件、资料均已征得所有者同意，并且也有明确标注，对论文的完成提供过帮助的有关人员也已在文中说明并致以谢意。 学位论文作者(签字): 签字日期: 年 月 日中国地质大学（武汉）本科生论文（设计）摘要隧道施工改变周围岩土体的应力状态，导致应力重分布，进而在隧道影响范围内产生一定的变形，并引起地面沉降。地面沉降量过大易诱发道路和周边建筑物变形破坏，是隧道施工中需重点关注的问题之一。本文针对不排水条件下隧道开挖对周边地面沉降带来的影响展开讨论，结合杭州至长沙客运专线中杭州市内钱塘江隧道开挖对周边地面造成地面沉降影响的案例分析，利用多种方法计算隧道开挖后地面沉降量分布规律。论文首先介绍了杭州至长沙客运专线中杭州市内钱塘江隧道的工程地质条件，给出了相关土层的物理力学参数，然后同时采用Peck法、Verruijt-Booker法和Sagaseta法等几种常用的计算方法对钱塘江隧道开挖过程中的地面沉降量计算了估算，探讨了不同方法的使用条件、适用性、需要的参数和局限性，分析了部分参数对沉降量的影响规律。同时，利用FLAC3D数值软件模拟了隧道开挖过程中隧道周围土体的应力应变分布规律，获得了地表不同位置处的地面沉降分布特征，并与各种理论方法计算的结果进行了对比。分析表明：（1）各种理论计算方法在参数选取上存在较大缺陷，或考虑参数单一，或参数物理意义不明确且无法确定，且均只能考虑单一地层情况，而不能考虑隧道衬砌情况；（2）数值方法不存在上述问题，可得到较准确的结果。（3）在理论方法不完善的前提下，建议选取准确的物理力学参数，采用数值方法进行地面沉降量计算。关键词：钱塘江隧道；地面沉降；Peck法；数值模拟ABSTRACTThe changed stress state of the surrounding rock and soil in the tunnel construction causes the stress redistribution,and then it will cause some deformation and ground subsidence by the tunnel influence.The deformation and damage of the road and the surrounding buildings are easily induced by the ground subsidence, which is one of the key issues in the tunnel construction.In this paper. we begin our discuss on the impact of tunnel excavation on surrounding ground surface settlement in the undrained conditions. According to the case analysis of the impact of tunnel excavation on surrounding ground surface settlementin the section of Hangzhou Qiantang River of Hangzhou To Changsha passenger dedicated line ,we use various methods to calculate the ground settlement distribution law after the tunnel excavation. At first, the paper introduces the engineering geological conditions of Hangzhou Qiantang River tunnel in the Hangzhou To Changsha passenger dedicated line and gives the related soillayer physical and mechanical parameters .At the same time, We analyzed and compared the Peck Subsidence formula, Verruijt-Booker subsidence formula, Sagaseta subsidence formula and numerical simulation method of strata sedimentation in passage to estimate the ground subsidence during the excavation of Qian Tang River Tunnel.,discuss the conditions, applicability, parameters and limitations of different methods and analyze the influence of partial parameters on the settlement amount.At the same time, using FLAC3D numerical simulation software we simulate the strain distribution lawof tunnel surrounding soil during the tunnel excavation and get the distribution feature of ground settlement in different position of surface , then we compare the calculation rsults in various theoreticalapproaches .The analysis showed that: (1) there is a big flaw for every theoretical calculation method in parameter selection. One may consider a single parameter, the others physical meaning of the parameter is not clear and could not be determined, whichjust consider a single stratum while consider the tunnel lining; (2) Numerical method does not exist the problem, and it can get more accurate results. (3) In the premise of the imperfect theoretical method, it is suggested that the accurate physical and mechanical parameters are recommended and the numerical method is used to calculate the ground settlement.Key word: Qian Tang River Tunnel; Ground subsidence; Peak method; Numerical simulation目录第一章绪论1第一节课题背资料以及研究目的1第二节国内外研究现状1第二章钱塘江隧道工程地质条件3第一节杭长客运专线概况3第二节工程地质概况4第三节水文地质概况4第四节不良地质作用及特殊土体5第五节场地稳定性评价5第三章基于经验法的钱塘江隧道施工地面沉降计算6第一节钱塘江隧道周围土层及物理力学指标6第二节 Peck法地面沉降计算7第三节Sagaseta法地面沉降计算10第四节 Verruijt&Booker法地面沉降计算12第四章基于有限差分法的地面沉降模拟14第一节 FLAC3D应用原理介绍14第二节数值物理模型的建立14第三节隧道开挖地面沉降数值分析17第四节 Flac数值模拟与Peck法结果对比18第五章结论与展望20致谢21参考文献22第一章 绪论第一节课题背资料以及研究目的自改革开放以来，我国经济持续高速发展，综合国力不断提升，工程技术技术尤其是隧道工程技术不断发展 ,我国的隧道工程技术发展前景非常广阔。同时隧道技术的发展也顺应了我国国民经济发展、国家西部大开发战略、一带一路发展战略的需要。在铁路工程方面 ,随着我国高铁建设四横四纵战略的高速推进，我国隧道的里程及规模记录都在不断的爆炸性增长，如在20世纪末修建的秦岭铁路隧道总里程约19km ,21世纪初建设的重庆地区铁山坪隧道长4.5km。近几年修建的联通石家庄到太原的石太客专太行山隧道全长28km，由中铁隧道集团、中铁十六局历时7年共同建设的青藏铁路新关角隧道全长近33km，是目前国内最长的铁路隧道，也是世界上最长的高原铁路隧道。在地铁工程方面，北京、上海、武汉、深圳、南京、大连、天津、广州、重庆、西安等大中城市地铁建设在如火如荼的开展，北京市规划在2020年前后建成线路总量30条，总里程达1000km的超级地铁网络。武汉市也于2014年发布了轨道交通建设的近期规划，规划中武汉市力争在2020年左右建成总规模约440km，覆盖武汉三镇的轨道交通网络。我国已成为世界上隧道数量最多、建设规模最大、发展速度最快的隧道大国1。然而，在隧道工程蓬勃发展的同时，我们也应当注意到隧道工程在施工和运营中给我们带来的一些影响和危害。武广高铁广州市郊区的金沙湾隧道由于控制地面沉降不利造成周边居民区房屋大面积沉降，造成直接经济损失2500万元，潜在经济损失5000万元。青岛地铁3号线在某区段施工时由于地质条件较差，加之钻爆法振动过大导致周边建筑物普遍开裂。2003年7月1日，上海中山南路847号上海市音像制品批发交易市场5层楼房发生倾斜，主楼裙房倒塌。直接原因是正在施工中的地铁4号线（浦东南路至南浦大桥）区间隧道浦西联络通道发生大量流沙涌入，引起地面大幅沉降所导致。由此我们可以看到，隧道引发的周边地面沉降是一个极为普遍而危险性极高的问题，我们必须予以高度的重视。本文结合杭长客专钱塘江隧道K5+500到K6+000区间沉降量分析展开讨论，通过多种方法之间的比对分析，最终选取合适的方法估算该段隧道对周边地层产生的沉降量。由于国内外对开挖隧道引起地面沉降的研究还不完善，有些公式只适用于不排水条件，有些公式虽然对于开挖过程是否排水没有限制，但是相关参数研究非常缺乏，不少公式只给出了在不排水条件下开挖的参数。因此分析不排水情况的沉降问题将面临着方法匮乏，准确性差的问题。本着计算结果准确性和可靠性原则，本文研究的沉降问题也基于不排水开挖条件。希望本文的分析成果能为即将动工的该标段隧道工程对周边地面及建筑物的沉降预测和风险控制、灾害防范提供参考。第二节国内外研究现状国内外对于隧道开挖引起的地面沉降估算已有不少成果。前人的研究成果大致分为三类。（1）经验公式法。Peck通过大量的观测数据分析发现开挖隧道引起周边地面沉降在掘进横断面上的沉降槽曲线与正态高斯曲线高度拟合，故可以通过正态高斯曲线来模拟隧道开挖后地层横断面的沉降曲线。Peck认为地面沉降是由隧道开挖时的地层损失引起的，并假定施工过程在不排水作用下进行，因此表沉降槽体积与地层损失量相等；同时他假定隧道纵向上的地层损失均匀分布。由此提出了日后应用广泛的Peck公式2。在Peck公式提出后之后许多专家学者基于Peck法也提出了对各地特殊地层适应性和针对性更强的改进公式，如Oteo提出的半经验公式3。Oteo公式在Peck公式的基础上引入参数 和i预测地面沉降，其中参数 亦主要由监测数据经验选取，与Peck公式较为类似，但其参数含义不够明确，准确估计的难度比较大。韩煊等人在Peck法对于我国各地区实用性分析上做了很多工作，提出了针对北京上海广州地区的建议参数4。但由于国内城市地铁施工起步较晚，相关的地层实测资料还比较缺乏。国内其余大中城市的适应性参数还有待深入研究。（2）理论解析法。第二类是从20世纪50年代发展起来的理论解析法。波兰学者J.Litwiniszyzn在上世纪五十年代提出了随机介质理论5。他提倡把岩土体视为“随机介质”将开挖岩土体造成的地面沉降视为一个随机的过程，将不均匀的岩土体细分为性质不同的岩土单元体，而把隧道开挖视为是不同单元体开挖后的叠加，同时开挖后周边地层的沉降可视为不同岩土单元的位移叠加。由此便可以得到隧道开挖后地表的沉降值、水平变形、水平位移等值。国内阳军生、刘宝琛（2002）等人也做了细致的研究6。Sagaseta（1987）将土体简化成弹性介质，在只考虑其弹性应力应变的条件下对近地表以下某点处的应力应变值给出了弹性闭型解答，公式适用于求解土体泊松比m=0.5时地面的沉降量7。Verrijt-Booker对Sagaseta提出的公式做出了改进，使得公式使用于任意泊松比的土体地面沉降8。但由于受限于弹性介质模型，土体的塑性变形并不能纳入到沉降计算中，这样使得运用该类型公式计算出的沉降量偏小。（3）数值模拟法。数值方法分析问题灵活简便，容易对模型修改，对于土体参数变化的非均质土、几何形状不规则难以用常规方法来分析的土体有着巨大的优势。利用ANSYS、FLAC3D等分析软件能够直观的看到开挖过程应力场、位移场的变化。数值模拟法的缺点在于岩土体的参数和本构关系选择不能够完全表示岩土体的真实状况，以致模拟结果与实际情况可能相差较大。第二章 钱塘江隧道工程地质条件第一节杭长客运专线概况沪昆铁路客运专线杭州至长沙段（简称“杭长客专”）东起浙江杭州，西至湖南长沙，线路横贯浙江、江西、湖南三省，途经杭州、南昌、长沙三个省会和金华、衢州、上饶、鹰潭、新余、宜春、萍乡七个地级市以及浙江绍兴、江西抚州、湖南株洲三个地级市所辖部分区县。杭州东站（不含）至长沙南站（含），正线建筑长度长930.625km，运营长度926.478km。为沪昆客运专线的东段，是一条承担区域间长途旅客为主，城际旅客为辅，同时兼顾与南北方向快速铁路之间转换客流的东西向客运专线。钱塘江隧道本线是我国东西向骨干铁路，承担繁重的客货运输任务，绝大部分区段运行客货列车超过100对，最大区段（上饶鹰潭）达到150对以上，大部分区段能力利用率超过90，部分区段达到100，全线处于超负荷运输状态。随着我国经济的快速发展，尤其是西部大开发战略的进一步实施，中西部地区与长江三角洲地区的客货交流将越来越频繁，本线承担的客货运量将迅速增长，既有线路能力显然不能满足运量快速增长的需求。图2-1 杭长客运专线平纵断面示意图钱塘江隧道图2-2 钱塘江隧道平面示意图杭长客专钱塘江隧道隧址距离上游钱江四桥1.1km，距离下游钱江三桥2.8km，通过对单洞双线和双线双洞方案进行比选，最终拟采用单洞双线方案，盾构隧道内径10.9，外径12.5，管片厚度500mm，内衬厚300m。隧道建筑长度6700m，其中隧道长度5300m，盾构段长4332mm，明挖暗埋段1392m，敞开段930m，工作井两座。本隧道由于其特殊性，施工工期不受杭长客运专线总工期控制。在工期安排方面本着圆形隧道和岸边段隧道齐头并进、均衡施工的原则，工程以泥水平衡盾构机制造及现场安装调试、工作井、圆形隧道推进及内部结构同步施工、铺轨和机电设备安装为主线，辅以附属构筑物和机电设备调试等项目为次线进行组织展开。第二节工程地质概况根据沪昆铁路客运专线杭州至长沙段初步设计钱塘江隧道工程地质勘察情况，各地层情况描述如下：人土填土层（Q4ml）：杂填土，杂灰色，杂灰黄色，松散，主要为黏性土，局部含碎砖瓦砾、碎石块、植物根系。钱塘江两侧防洪堤主要为人工填筑，多为块石，堤坝坡脚迎水面常有抛石。层面标高5.197.56m，层厚0.206.0m，平均层厚1.98m，场地表部大部分地段分布。全新统冲海积层（Q4alm），可细分为4层。（1）淤泥质粉质黏土（0-1），灰色，流塑，局部软塑，土质不均，含粉土、粉细砂团或薄层，含少量有机质。工程尚线普遍分布，所有钻孔均有揭示，层面标高-1.74-21.80m，层厚0.519.6m，平均层厚11.83m。（2）粉土（2-1），灰黄色、灰色，稍密，饱和，局部薄层状构造，含云母碎屑，摇震反应迅速，土质不均，局部夹粉细砂、黏性土薄层。工程沿线普遍分布，钻孔均有揭示，层面标高6.46-4.60m，层厚4.0022.80m，平均层厚11.08m。（3）细砂（4-3），灰色，中密，饱和，主要为石英颗粒，分选一般，含贝壳碎屑。工程沿线广泛分布，大部分钻孔均有揭示，层面标高-18.73-39.03m，层厚0.720.30m，平均层厚9.12m。（4）细砂（4-4），灰色，灰绿色，密实，饱和，主要为石英颗粒，分选一般，含贝壳碎屑。工程沿线零星分布，本次勘察仅钻孔Jz-0912-钱162、Jz-0912-钱168有揭示，层厚大于0.9m。更新统冲洪积层（Q3alpl，7-3）：细圆砾土，杂灰、灰黄色，饱和，密实，局部中密，卵砾石粒径一般520mm，含量3050%；部分2050mm，个别80120mm，最大达150mm以上，含量2040%，分选一般，圆棱形，成分多为弱风化状凝灰岩、石英砂岩，质硬，砂粒及少量黏性土充填。工程沿线普遍分布，本次勘察钻孔均有揭示，层面标高-43.84-21.15m，层厚3.1025.30m，平均层厚14.21m。第三节 水文地质概况拟建隧道场地地下水按其含水层水理特征、分布埋藏条件可分为第四系松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水。（1）第四纪孔隙潜水含水层组主要为全新统冲海积层，主要赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内，含水层底板大致以淤泥质粉质粘土层为界，其富水性和透水性具有各向异性，分布广泛且连续。含水层厚522m，渗透系数0.881.296m/d，弱透水中等透水，其矿化度125.85542.55mg/L，属淡水，富水性、透水性一般。（2）第四纪孔隙承压水本场地承压含水层主要分布于第4-3层细砂、7-3层粗圆砾土中，承压水位高程一般0-2m，江北地段承压水头高约20m，江南地段承压水头高约2530m；根据工程地质纵断面，含水层顶板标高-18.73-43.84m，厚度大于10m，渗透系数4.3285.0m/d，属中等透水强透水。含水层为钱塘江古河道，其矿化度655.8728.75mg/L，属封存型淡水，水量大，透水性良好。第四系孔隙潜水粉性土层透水性弱，受大气降水竖向入渗补给及地表水体下渗补给为主，迳流缓慢，钱塘江中段潜水以向下游排泄为主，岸区则以蒸发方式排泄和向附近河塘侧向迳流排泄为主，与钱塘江水体水力联系密切。地下水位随季节气候及钱塘江水位动态变化明显，据区域资料，动态变幅一般在一般在13m左右。勘察时期水位埋深0.56.30m，对应标高为5.65-0.96m。承压含水层以封存型地下水为主，受气候、潮汐影响不明显，主要接受上游潜水入渗补给，少量接受上部地下水下渗补给，侧向迳流缓慢，一般以人工深井开采和向下游迳流排泄为主要排泄途径。第四节 不良地质作用及特殊土体目前，未发现明显的不良地质现象。钱塘江隧道顶部距离地表为23m，影响范围内特殊土层包括：（1）人工填土隧道沿线人工填工主要分布于建筑工地、道路、防洪堤坝，以素填土为主，成分主要为黏性土混碎块石，隧道进出口敞开段、明挖段和工作井基坑施工，该土层不稳定，需进行支护。（2）软土隧道沿线为冲海积平原，软土及松软土均有分布，主要为冲海积粉土、粉砂、淤泥质粉质黏土、粉质黏土，厚度大于20m，多具高含水量，高压缩性，低强度等特征，易产生变形，该层对基坑侧壁稳定性、地基承载力有较大影响，需进行处理。第五节 场地稳定性评价本工程场地属平原区，场地中存在软弱土和可液化土层，根据铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）及建筑抗震设计规范（GB500112001）4.1.1条，场地属抗震不利地段。从地貌形态分析，场地未见如泥石流、滑坡、崩塌等地质灾害；深部基岩为非可溶岩，不存在岩溶及地面塌陷等地质灾害。从地震活动分析，本场地具震级小，强度弱、频率低的特点，且有一个比较稳定的趋势，近代地震均为微震，烈度接近破坏性地震仅发生在外围区域。从新构造活动性分析，场地新构造运动表现出大面积间歇性升降，但无明显的升降差异运动，新构造活动微弱，区域稳定性良好，本次勘察未揭露断层。拟建隧道区域新第四纪构造活动不明显，新构造运动表现出大面积间歇性升降，但无明显的升降差异运动，且趋于稳定。本工程两岸为平原区，无泥石流、滑坡、崩塌，以及岩溶作用等地质灾害发生。拟建隧道沿线场地上部冲海积相软土，主要为粉土，淤泥质粉质黏土，软塑状粉质粘土为主，需考虑其对工程（特别是基坑边坡）的不利影响。第三章 基于经验法的钱塘江隧道施工地面沉降计算第一节钱塘江隧道周围土层及物理力学指标杭长客专钱塘江隧道下穿钱塘江后沿江虹路穿行，典型工程地质剖面见图3-1，地层上部为2m厚杂填土层，向下14m为粉砂层，粉砂层下为34m粉质粘土层，在区间标段隧道埋深约23m。隧道位于粉质粘土层内。该段采用盾构施工，盾构段隧道采用双层衬砌，衬砌厚度为0.8m，盾构外径为12.5m，见图3-2。各土层物理力学参数如表3-1所示。图3-1地层分布及隧道所在位置关系图图3-2 盾构隧道横断面图表3-1 各地层及管片衬砌力学参数表指标地层厚度（m）c(kPa)f()E(MPa)mg(KN/m3)人工填土层（Q4ml）杂填土26103.10.3216.2全新统冲海积层（Q4alm）粉砂143.330.4290.3917.8粉质粘土345019390.3518.8等效土层/24.6423.8431.760.3718.14管片衬砌/35.50.247目前常见的估算地面沉降量的经验法有Peck法、Verruijt&Booker法和Sagaseta法。这些方法中含有部分经验参数，这些经验参数无法直接通过试验获取，也不是常见的物理力学指标，影响沉降量结果。若经验参数在该地区不能准确确定，那么计算的沉降量误差将会较大。论文中探讨了部分经验参数对沉降量的影响规律，并对比了不同经验方法计算的沉降量的差异。同时需要说明的是，这些经验方法只能计算单一地层中隧道开挖后形成的未衬砌土洞引起的地面沉降量，因而这里需要根据实际地层，采用加权平均后再估算沉降量，加权平均后的地层物理力学参数见表3-1。下面我们分析采用不同的经验方法计算钱塘江隧道施工导致的地面沉降量。第二节 Peck法地面沉降计算目前分析盾构隧道引起周边地层沉降时通常首选Peck经验公式进行估算，Peck公式认为施工引起的地面沉降是在不排水的情况下发生的，所以沉降槽体积等于地层损失的体积。而地层损失主要是由隧道开挖过程中盾构机盾尾的空隙引起的土体损失。这里公式假定地层损失在隧道长度上是均匀分布的，故为计算简便引入地层损失率的概念。地层损失率等于地面沉降横向分布曲线上同一断面上沉降槽截面积与盾构机外径面积的百分比值。地面沉降的横向分布类似正态分布曲线，如图3-3所示。Peck经验公式如下： （3-1） （3-2）（3-3）式中：Sx横向地表沉降量；Vs盾构隧道单位长度的地层损失量，m3/m；Vl盾构隧道地层损失率；x地表距隧道中心线的水平距离，m；Smax隧道中心线处的最大地表沉降量，m；i沉降槽宽度系数（隧道中心线至沉降反弯点的距离），m；R盾构半径，m；Z隧道中心埋深，m。图3-3隧道以上地面沉降槽图形其中内摩擦角、盾构半径、隧道中心埋深通过前期勘查和设计工作获得，可变的经验参数为沉降槽宽度系数i和地层损失率Vl。我们着重对这两个经验参数分析其对计算结果的影响。3.2.1沉降槽宽度系数沉降槽宽度系数的定义为隧道中心线至沉降反弯点的距离，许多学者都对其进行了深入研究，提出了各种不同的算法，详见表3-2。表3-2 沉降槽宽度系数的算法汇总文献出处沉降槽宽度系数备注及适用条件Peck（1969）各类土Attwell&Farmar(1974)11粘土Atkinson&Potts（1977）12松砂密实和超固结土Clough&Schmidt13粘土OReilly&New(1982)14粘土（）粒状土（）各类土K值不同Rankin(1988)15粘土刘建航（199116各类土Loganathan&Poulos(1998)17粘土注：Z-隧道中心点埋深； R-隧道半径； -土体内摩擦角加权平均值：-侧压力系数。表3-2中沉降槽宽度系数的算法各不一样，适应条件也不尽相同。值得注意的是刘建航，侯学渊（1991）在假定地面沉降槽宽度为5的情况下推导出适用于各类土的沉降槽宽度系数，该公式相较于其他公式考虑到了分层土对沉降槽宽度系数的影响，与本文分析的工程实例比较契合，且国内学者在分析相关问题时倾向于使用该公式，效果较好。故本文可以采用该公式计算沉降槽宽度系数。3.2.2 地层损失率Vl在正常工况下，各种由于施工因素导致的地层损失率可以通过查表得出。Attewell（1989）指出可以通过盾构的掘进速度和掘进方法和推导出来的土体盈利松弛速率对地层损失率进行估算，或采用工程类比法选择断面面积百分比来估算9。Mair（1996）在观测总结了大量实测数据后给出了土压平衡式及泥水加压盾构式开挖工艺的地层损失率参考值：砂土中地层损失率小于0.5%，软粘土中地层损失率在1%至2%之间10。图3-4 地层损失率Vl对Peck沉降曲线的影响根据隧道地层剖面图可以得到隧道主要位于粉质粘土层内，上部地层涉及杂填土和粉砂，故该段隧道地层损失率可取为1%。论文在0.5%1.4%内等分取十组数据计算沉降量，并分析参数对沉降曲线的影响规律。根据图4-1地层分布及隧道所在位置关系图,可以得到Z=29.25m，其余参数取表3-1中的等效参数，根据刘建航建议的公式，可得到i为17.91。将Vl=0.5%、0.6%、.、1.4%代入公式得到10组沉降曲线，见图3-4。可以看出沉降量随地层损失率增大而增大，变化范围为0.014m0.038m。最大值为最小值的2.7倍。各沉降曲线在隧道中心点水平距离50m以外基本为直线，即沉降值很小，可忽略不计。3.2.3 结果分析对于Peck公式，地层损失率和沉降槽宽度系数为影响沉降曲线形状的两个可变参数。其中土体内摩擦角可通过直剪试验获得，故可以得到精确解。而地层损失率不能通过实验获取，根据经验可大致认为在约为1%，此时地面最大沉降量在0.035m0.045m之间变化，变化幅度不大。可见，利用Peck公式能较准确的估算地面沉降量。从图中可以看出地层损失率为1%时，隧道中心点以上地面最大沉降量约为0.027m，沉降槽宽度为120m。第三节Sagaseta法地面沉降计算Sagaseta（1987）对近地面以下某一深度处由土体损失引起的不可压缩的土体应变场进行分析，求解地面以下土体位移场和应力场。他假定土体是不可压缩的均匀弹性半无限体，采用一个镜像源以消除无限介质情况下产生的虚拟边界条件，假定土体损失沿轴线分布，在不排水的条件下得到三维地面变形公式： （3-34）式中：x距离隧道轴线横向距离； D隧道直径；Z隧道中心点到水平地面距离； e径向应变； a经验参数；r经验参数。必须引起注意的是，此公式只适用于泊松比m接近0.5时的土体沉降计算，而本文分析区间等效泊松比m=0.367。并不适合用该公式计算，我们试着代入数据分析，考察应用Sagaseta公式的可能性。我们分析Sagaseta提出的土体沉降量计算公式（3-4）中的各参数对沉降曲线的影响。3.3.1径向应变e关于公式中径向应变e，现有文献中只说明了在一般情况下小于1%。在各种工况和土层中的具体取值还有待研究，在研究标段的勘察资料中也没有提及。我们从01%均匀取10个取值代入公式求出10条沉降曲线描绘成图考察该参数对沉降量结果的影响。公式中经验参数a取一般粘性土中的取值1。r值一般在0,1内取值，此处取中间值0.5。其余参数取表3-1中的等效物理力学参数。图3-5 径向应变e对Sagaseta沉降曲线的影响由图3-5可见径向应变取值从0.1%1%变化时，隧道中心点上部地表沉降值从0.004m变化至0.04m，扩大了约10倍，变化幅度非常大。3.3.2 经验参数r对于经验参数r，Sagaseta给出的取值在0,1之间。我们同样在0,1均匀取10个取值代入公式描绘成图。径向应变e取取值范围的中间值0.5，经验参数a取1。图3-6 经验参数r对Sagaseta沉降曲线的影响经验参数r从0.1变化到1，最大沉降量从0.014m增长到0.025m，扩大了约1.8倍。且曲线形状由扁而宽变化到尖而窄。3.3.3 经验参数a 对于经验参数a，已有文献中鲜有提及，考虑到该参数在公式中为指数参数，微小的变化都会引起最终结果的巨大改变。如果不能准确获得，则运用Sagaseta法计算沉降值的意义不大。3.3.4 结果分析对于Sagaseta公式，可变参数有径向应变参数e、经验参数r、经验参数a。径向应变e通常小于1%，在01%的变化范围内最大沉降量的变化范围为0.004m0.040m，最大值为最小值的10倍。经验参数r取值0,1,最大沉降量变化范围为0.014m0.025m，最大值为最小值的1.8倍。经验参数a的范围在文献鲜有提及，即使在a能够准确得出，由于经验参数e、r的不确定性非常大，在公式中这种不确定性叠加起来导致计算结果偏差会更大。何况参数a我们目前无法取得准确，如果只是毫无根据的取值，那么得到的计算结果意义不大。加之该公式只适用于土体泊松比为0.5的情况，本文分析的工程区段土体泊松比为0.367，套用公式时本身已存在不小的误差。故此法不适用于本文分析问题。第四节 Verruijt&Booker法地面沉降计算Verruijt&Booker(1996)根据Sagaseta(1987)提出的原理，假定土体为线弹性材料，将隧道变形的原因归结于隧道表面土体的等量径向位移和长期隧道衬砌椭圆化变形。他采用弹性半平面解法，得到土体地层表面沉降的理论计算公式：(3-45)式中：x水平距离（m）Z隧道中心点与地面垂直距离（m）； D隧道直径（m）；e径向表面径向应变；m土体泊松比； d隧道椭圆变形度。 已知隧道在不排水条件下开挖，相关文献资料表明在不排水条件下，即快速开挖状态下隧道椭圆变形参数d值一般取08。故只需我们分析Verruijt&Booker提出的沉降公式中参数e对沉降量的影响及应用该公式的合理性。3.4.1径向应变e 与Sagaseta法类似，径向应变取值一般小于1%。我们从01%均匀取10个取值代入公式求出10条沉降曲线描绘成图考察该参数对沉降量结果的影响。隧道椭圆变形参数d取0。其余参数取表3-1等效土体物理力学参数。沉降曲线图见图3-7 径向应变对Verruijt&Booker沉降公式的影响。图3-7 径向应变e对Verruijt&Booker沉降曲线的影响3.4.2结果分析从图3-7可以看出随径向应变e的增大，地表任意位置沉降值也增大，隧道中心以上地面沉降量增长最为明显。最小值为0.0027m，最大值为0.033m，最大值是最小值的12.2倍，变化幅度比较大，沉降槽宽度150m。相较于Sagaseta提出的公式，Verruijt&Booker法打破了土体泊松比的限制。考虑了土体泊松比取任意值的情况。适用广泛性大大增加。但该方法没有考虑土体分层因素，不适用于分层土体的沉降计算。且许多学者通过大量沉降监测发现由Verruijt&Booker计算所得沉降槽宽度和水平位移都比实测值偏大，不能很好地拟合真实的沉降曲线。再者该公式中唯一与地层条件有关的参数是土体泊松比，泊松比的大小直接影响地表最大沉降量大小19，而地层泊松比值不能够完全反映地层条件，故此方法无法完全考虑土质条件和施工工艺对沉降曲线的影响。在土体沉降公式中，径向应变参数e小于1%，对应沉降量变化范围为0.0026m0.033m，最大值为最小值的12.2倍，变化幅度比较大。如果能够得到较为准确地径向应变e的取值，则该方法也可适用于地面沉降量的计算。但目前我们还无法取得工程区间隧道径向应变值得参考范围，无根据的估算参数取值计算得出沉降量缺乏可靠性与权威性，因此我们暂不采用该法计算。第四章 基于有限差分法的地面沉降模拟在计算机技术飞速发展的今天，工程领域中越来越多的工作可以通过计算机来完成，其运算能力强大、所需时间极短、处理问题直观、计算精度极高、修改参数方便的特性极大的提高了工程技术人员处理有关问题的能力与效率。在计算隧道开挖地表沉降问题时，技术人员常利用ANSYS、FLAC3D等软件建立地层模型模拟开挖过程，利用计算机计算隧道开挖时的地面沉降。上一章我们采用不同的经验方法Peck法、Sagaseta法、Verruijt&Booker法等计算了钱塘江隧道施工导致的地面沉降。本章将进一步采用有限差分软件FLAC3D来模拟隧道开挖引起的变形和地面沉降分析，并拟与Peck法计算的地面沉降量进行对比分析。第一节 FLAC3D应用原理介绍连续介质快速拉格