在城市地下工程中,隧道的施工都会不可避免地产生地面沉降、建筑物不均匀沉降等对环境的负面影响:由于周边地面建筑物和各种地下管道众多,往往对隧道施工产生的地面沉降有着严格的限制要求;因此,对地面沉降做出较为准确的预测就显得十分重要。城市隧道工程一般埋深较浅,而地层中地下水位一般非常高,因此,无论采用先降水后开挖方式还是非降水开挖方式,在对隧道施工过程中产生的地面沉降的预测分析中普遍存在着渗流场和应力场相互作用的耦合问题。对此,本文主要完成了以下研究工作: (1)从渗流连续性方程和渗流运动方程出发,阐述了饱和—非饱和流统一的渗流基本方程,将饱和区和非饱和区统一来考虑就避免了求解渗流自由面等传统的数值求解的棘手问题。在此基础上,利用Bishop提出的有效应力公式,推导了饱和—非饱和土流固耦合统一方程。 (2)采用基于总应力法的有限元分析方法,研究了超前预支护加固(包括加固区厚度、加固区弹性模量、加固部位)、开挖工法对隧道施工稳定及地表沉降的影响规律。 (3)采用基于弹塑性流固耦合理论的有限元方法,研究了前期降水中土体骨架弹性模量、土体渗透系数、降水深度、地下连续墙插入深度等因素对地表沉降及沉降差、地表沉降漏斗半径等的影响规律;同时还研究了非降水开挖中隧道周边地层的渗透系数与加固区的平均渗透系数之比值、加固区渗漏部位、地下水位上升等因素对地表最大沉降、隧道拱顶下沉、地层应力等的影响规律。 (4)对具体工程实例分别采用了基于总应力法和基于弹塑性流固耦合理论的有限元分析方法进行了计算分析,并与实测结果比较,验证了本文采用的考虑渗流的流固耦合方法在估计隧道施工中地表沉降的合理性。