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摘 要： 随着国内经济和城市建设的发展，盾构法己成为我国城市地铁施工中一种重要的施工方法，盾构法隧道以其独有的智能化、安全、快捷等特点和优势，在地下工程中得到广泛的推广和应用。由施工引起的地面沉降是盾构隧道设计和施工中非常关心的问题之一。其介绍了盾构法引起地表沉降的原因，分析地表沉降的几种方法，详细介绍了各种方法的原理、特点以及存在的不足。
关键词：盾构法，地表沉降，方法
随着城市人口密度的不断增加以及城市建设的蓬勃发展，许多大城市都存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题，地面交通越来越不堪重负，合理地开发利用地下空间是一条非常有效地解决地面交通压力的途径。为了减少地面交通量，人们开始寻找新的交通模式，地铁应运而生。修建地铁等城市地下工程，有明挖法、暗挖法、盾构法等。盾构法防渗漏水性好、施工安全、工期可控、对周围环境的影响小，所以比较广泛的采用。盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，因盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地表沉降。当地层位移和变形超过一定的限度时，就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列岩土环境工程问题。所以分析盾构法引起的地表沉降很重要。
一、盾构法开挖影响地面沉降的原因
Lee和Mair分别将影响地面沉降的主要原因归纳为以下几点：（1）开挖面前方土体崩塌或盾构机推力过大引起开挖面压力失稳；（2）作用于盾构的外力（千斤顶荷载）变化；（3）盾构—土体间摩擦引起的土体挤压“剪切”效应。C.Gonzalez，C.Sagaseta认为盾构隧道施工引起的地表变形由以下三部分组成：土体损失引起的均匀收缩、隧道椭圆化变形和隧道整体下沉。卢海林对盾构法施工引起土体位移的主要因素进行了分析。盾构施工引起的土体位移主要包括盾构前方土体的隆起和盾构推过后土体的沉降。
由于隧道开挖造成的地表沉降问题在国内外都有研究，对地层沉降和变形规律的认识也不断深入，从经验公式法到半经验半解析再到数值模拟分析法，从弹性、均质、各向同性假设求得的解析解到弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、各向异性的解析解或者数值分析解，学者们做了大量的工作。目前为止，已经有多种研究理论和方法。
二、地表沉降的几种常见的分析方法
（一）地表沉降的理论及经验预测法。横断面地表水平位移分布。Attewell，O’Reilly&New建议对于粘土中的隧道，可以假定地层位移矢量指向隧道轴线，并结合Peck公式，推导出横向地表水平位移分布公式。
纵断面地表沉降分布。Attwell&Woodman检查了大量在粘土中修建隧道的案例，发现用累积概率曲线来描述开挖面无支撑时的纵向沉降曲线是有效的，当开挖面有支撑压力时，可用累积概率曲线的转换形式来描述。假定变形在体积不变情况下发生，给出了任一点的三个方向的位移表达式。Y.s.Fang提出EPB盾构在粘土中掘进引起的隧道中心线上方地表纵向沉降随时间的变化曲线是双曲线型。
（二）地表沉降的智能预测。同济大学在总结二十多年来研究成果的基础上，提出了把专家系统用于隧道沉陷预估的设想，并于1991年将其应用于上海地铁一号线的施工监测，在应用中取得了较为满意的结果。孙钧，袁金荣采用了人工智能神经网络技术，考虑了盾构施工参数、盾构物理参数、地质环境条件对地层移动的综合影响，对上海铁道2号线盾构施工引起的地表沉降进行了预测。
（三）理论预测法。（1）弹—粘—塑性理论解析方法（1）陶履彬、侯学渊等用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场和位移场；日本的久保胜保研究了圆形隧道的非线性弹塑性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体的非弹性性质，并考虑地层位移与时间的相关性；孙钧等利用粘弹塑性理论，对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹塑性分析。（2）随机介质理论方法。波兰学者李特威尼申提出了随机介质理论，刘宝琛等在随机介质概念的基础上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式；随机介质理论是把地层移动看成一个随机过程，并用柯莫哥洛夫方程表示。其本质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方法，预测盾构隧道沉降结果与实际情况难免会有一定差距。
三、存在的问题
在盾构法隧道施工引起的地表沉降和地层位移分析及预测的方法中，公式法因计算简单、使用方便而被广泛应用于工程实践，但它仅总结了开挖完成后地表沉降的特征，没有提及隧道开挖过程中地表沉降的变化。纯解析法得到的是理论解，精度高，计算量小，但解题范围有限。随机介质理论、灰色理论和人工神经元网络为近年来热点研究课题，是对地表变形预测的新思路，但这些方法模型复杂，应用较困难。模型试验方法费用高，可控性差，只能作为对现场实测、理论分析的验证。数值分析方法解题范围广，适用于各种复杂几何形状、边界、载荷和材料特性，是比较有效的分析预测方法。
盾构法隧道施工引起的地表沉降和地层位移是具有三维性和历时性的，文献中提及的以二维模型或未考虑时间因素的方法来研究盾构施工对地表沉降和地层位移影响的内容都是对该问题的简化处理，因而具有局限性。
四、结语
盾构施工参数不同对土体的扰动范围与程度不同，引起的地表沉降也不同。如何选择合理的施工参数，使盾构掘进对土体的扰动最小，以控制地表变形，仍然是研究的一个课题。
参考文献
[1] 河川，曾东洋著.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
[2] 卢海林.盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法[J].岩土力学，2007，28（1）.
关键词：盾构法，地表沉降，方法
随着城市人口密度的不断增加以及城市建设的蓬勃发展，许多大城市都存在人口膨胀、交通拥挤等一系列问题，地面交通越来越不堪重负，合理地开发利用地下空间是一条非常有效地解决地面交通压力的途径。为了减少地面交通量，人们开始寻找新的交通模式，地铁应运而生。修建地铁等城市地下工程，有明挖法、暗挖法、盾构法等。盾构法防渗漏水性好、施工安全、工期可控、对周围环境的影响小，所以比较广泛的采用。盾构法隧道施工技术经过一百多年的发展，已经有了很大的进步，因盾构施工引起的周围建筑物的损坏也在减轻，但是盾构施工还是会不可避免地引起地层的扰动，引起地表沉降。当地层位移和变形超过一定的限度时，就会危及周围邻近建筑物及其基础和地下管线的安全，引起一系列岩土环境工程问题。所以分析盾构法引起的地表沉降很重要。
一、盾构法开挖影响地面沉降的原因
Lee和Mair分别将影响地面沉降的主要原因归纳为以下几点：（1）开挖面前方土体崩塌或盾构机推力过大引起开挖面压力失稳；（2）作用于盾构的外力（千斤顶荷载）变化；（3）盾构—土体间摩擦引起的土体挤压“剪切”效应。C.Gonzalez，C.Sagaseta认为盾构隧道施工引起的地表变形由以下三部分组成：土体损失引起的均匀收缩、隧道椭圆化变形和隧道整体下沉。卢海林对盾构法施工引起土体位移的主要因素进行了分析。盾构施工引起的土体位移主要包括盾构前方土体的隆起和盾构推过后土体的沉降。
由于隧道开挖造成的地表沉降问题在国内外都有研究，对地层沉降和变形规律的认识也不断深入，从经验公式法到半经验半解析再到数值模拟分析法，从弹性、均质、各向同性假设求得的解析解到弹塑性、粘弹性、粘弹塑性、各向异性的解析解或者数值分析解，学者们做了大量的工作。目前为止，已经有多种研究理论和方法。
二、地表沉降的几种常见的分析方法
（一）地表沉降的理论及经验预测法。横断面地表水平位移分布。Attewell，O’Reilly&New建议对于粘土中的隧道，可以假定地层位移矢量指向隧道轴线，并结合Peck公式，推导出横向地表水平位移分布公式。
纵断面地表沉降分布。Attwell&Woodman检查了大量在粘土中修建隧道的案例，发现用累积概率曲线来描述开挖面无支撑时的纵向沉降曲线是有效的，当开挖面有支撑压力时，可用累积概率曲线的转换形式来描述。假定变形在体积不变情况下发生，给出了任一点的三个方向的位移表达式。Y.s.Fang提出EPB盾构在粘土中掘进引起的隧道中心线上方地表纵向沉降随时间的变化曲线是双曲线型。
（二）地表沉降的智能预测。同济大学在总结二十多年来研究成果的基础上，提出了把专家系统用于隧道沉陷预估的设想，并于1991年将其应用于上海地铁一号线的施工监测，在应用中取得了较为满意的结果。孙钧，袁金荣采用了人工智能神经网络技术，考虑了盾构施工参数、盾构物理参数、地质环境条件对地层移动的综合影响，对上海铁道2号线盾构施工引起的地表沉降进行了预测。
（三）理论预测法。（1）弹—粘—塑性理论解析方法（1）陶履彬、侯学渊等用轴对称的平面应变弹性理论分析了圆形隧道的应力场和位移场；日本的久保胜保研究了圆形隧道的非线性弹塑性的理论解，将土体作为弹塑性和粘弹性材料，反映了土体的非弹性性质，并考虑地层位移与时间的相关性；孙钧等利用粘弹塑性理论，对圆形隧道围岩和衬砌进行了粘弹塑性分析。（2）随机介质理论方法。波兰学者李特威尼申提出了随机介质理论，刘宝琛等在随机介质概念的基础上建立了横向和纵向地表沉降槽预测公式；随机介质理论是把地层移动看成一个随机过程，并用柯莫哥洛夫方程表示。其本质是沿用了矿山开采中引起地面位移的一种方法，预测盾构隧道沉降结果与实际情况难免会有一定差距。
三、存在的问题
在盾构法隧道施工引起的地表沉降和地层位移分析及预测的方法中，公式法因计算简单、使用方便而被广泛应用于工程实践，但它仅总结了开挖完成后地表沉降的特征，没有提及隧道开挖过程中地表沉降的变化。纯解析法得到的是理论解，精度高，计算量小，但解题范围有限。随机介质理论、灰色理论和人工神经元网络为近年来热点研究课题，是对地表变形预测的新思路，但这些方法模型复杂，应用较困难。模型试验方法费用高，可控性差，只能作为对现场实测、理论分析的验证。数值分析方法解题范围广，适用于各种复杂几何形状、边界、载荷和材料特性，是比较有效的分析预测方法。
盾构法隧道施工引起的地表沉降和地层位移是具有三维性和历时性的，文献中提及的以二维模型或未考虑时间因素的方法来研究盾构施工对地表沉降和地层位移影响的内容都是对该问题的简化处理，因而具有局限性。
四、结语
盾构施工参数不同对土体的扰动范围与程度不同，引起的地表沉降也不同。如何选择合理的施工参数，使盾构掘进对土体的扰动最小，以控制地表变形，仍然是研究的一个课题。
参考文献
[1] 河川，曾东洋著.盾构隧道结构设计及施工对环境的影响[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
[2] 卢海林.盾构法隧道施工引起土体位移与应力的镜像分析方法[J].岩土力学，2007，28（1）.