第27卷 增1
岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.1
2008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2008
收稿日期：2007–05–10；修回日期：2007–06–10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50539090，50779025)；中国博士后基金资助项目(20070410530)
作者简介：王克忠(1965–)，男，博士，1988年毕业于武汉水利电力学院水利水电工程专业，现为清华大学在站博士后，主要从事水工建筑、地下工程、岩石力学等方面的研究工作。E-mail ：wkz@tsinghua.edu
土体变形规律研究
王克忠
1，2
，李仲奎1，王爱民1，付圣尧1
(1. 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084；2. 浙江工业大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310032)
摘要：据相似材料大比尺三维概念物理模型理论，高仿真度制作了成型盾构隧道地铁站厅洞室开挖试验物理模型。模拟了双盾构隧道之间开挖站厅洞室的全过程，研究站厅洞室、横通道开挖过程中模型地表沉降，土体的变形，盾构隧道及站厅洞室周围特征点的位移。模拟并研究混凝土加固桩对土体位移的影响，总结出土体的动态力学特征和变形规律，得出一些有益的认识和结论。对研究在已建成地铁双隧道间拓展开挖站厅空间的施工具有重要的参考意义。 关键词：岩石力学；模型试验；多点位移；地铁站厅；地表沉降
中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–2715–06
STUDY ON PHYSICAL MODEL TEST AND DEFORMATION LAW OF SURROUNDING SOIL FOR SHALLOW METRO STATION CHAMBER
WANG Kezhong 1，
2，LI Zhongkui 1，WANG Aimin 1，FU Shengyao 1
(1. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering ，Tsinghua University ，Beijing 100084，China ；2. College of Civil
Engineering and Architecture ，Zhejiang University of Technology ，Hangzhou ，Zhejiang 310032，China )
Abstract ：According to conceptual model theory of equivalent material ，a large-scale physical model test for excavation of metro station chamber was realized. The excavation process of connection tunnels between metro station chamber and existed double TBM tubes had also been simulated ；the ground settlement ，soil deformation and displacement of characteristic points around tunnels were also studied. In addition ，the influences of the cast-in-place piles to reduce the soil displacement have been simulated. Dynamic mechanical behaviors and deformation laws were obtained. Some conclusions have been obtained. The results may be useful to the construction and expanding excavation of metro station space between existing double TBM tubes.
Key words ：rock mechanics ；model test ；multi-point displacements ；metro station tunnel ；ground settlement
1 引 言
盾构法与浅埋暗挖法结合建造地铁车站在国内还没有工程先例，采用相似材料进行大比尺三维物理模型试验是一种有效的研究方法[1
～3]
。受北京交
通大学委托，作者对国内直径6 m 的区间盾构隧道
拓展建造地铁车站的施工过程进行物理模型试验研究。对开挖过程中盾构隧道管片的收敛变形规律、洞周地层变形规律、地表沉降规律和地层变形隔离桩对保护盾构管片的效果等进行了研究。研究成果对解决盾构区间施工和车站施工工期矛盾、寻求盾构法在城市地铁工程中大规模应用、进一步提高地铁工程的建设质量，缩短建设周期、大幅度降低工
• 2716 • 岩石力学与工程学报 2008年
程造价等具有重要的意义[4，5]。
2 试验研究内容及模型制作
2.1 相似准则和相似比
模型材料的选取根据材料相似准则选取实际地铁开挖过程中开挖出的土料作为主要材料，即地层模拟材料与原型材料的容重比尺为1.0，模型相似比采用1∶10的几何比尺；模型满足正态关系，面力比尺与几何比尺相同；其他参数的相似比尺由以上三个基本比尺推导而来，地层模拟按照地质剖面进行简化[6～9]。
2.2 试验研究内容
本试验主要研究塔柱式地铁车站的扩挖方式，即通过相似概念模型试验手段，研究在已经建成的盾构隧道之间采用浅埋暗挖法拓展建造车站的施工力学规律和模型土体的变形规律。主要研究内容如下：(1) 塔柱式车站站厅空间开挖及衬砌过程中洞周土压力变化规律；(2) 洞周地层变形规律；(3) 地表沉降规律；(4) 观察地层变形隔离桩方案对保护盾构管片的效果。
模型尺寸：模型沿隧道方向长6.5 m，在高度方向取2.88 m，宽1.8 m，见图1。
图1 塔柱式车站模型横剖面
Fig.1 Cross-section of column-pillar metro station model
2.3 模型制作
据北京地铁隧道地层断面地质剖面图，并根据模型制作过程中材料相似原则，取模型材料与原型材料容重比尺为1∶1。模型自下而上分为3层。第一层为卵石圆砾为粗碎屑土，当粒径＞2 mm的颗粒在土中占50%以上时，称为粗碎屑土。砂粒组粒径2.00～0.05 mm，因此采用砂砾土来模拟卵石圆砾并控制砂砾土夯实遍数，使两者容重比为1∶1。砂砾土填筑压实干容重为21 kN/m3。模型试验中这一地层位于地铁车站的底部，厚度为0.97 m。这一层内没有任何埋件，施工相对简单。分两次填筑，每次虚方填高约为65～60 cm，用铁夯经三遍压实到48 cm。第二层为模型主体材料层，系经过配比试验得出的等效混合材料层，层厚166 cm。包括管片在内的各种埋件以及预加固带均集中在这一层，填筑过程、分块分区复杂，控制要求高，是模型制作的关键层。第三层是地表杂填土层，用中细砂料填筑，层厚约30 cm，一次填筑约40 cm，压实后至30 cm，主要控制容重，力学参数不作严格要求。填筑顶部杂填土层25 cm，并压实达到设计容重。模型尺寸为6.5 m×1.8 m×2.78 m(长×宽×高)，见图1。
模型完成后，补充水分至土层含水量12.5%，固结2～3周，并用千分表测量模型地面沉降值。连续三天没有读数变化时，认为达到稳定。图2
为模型制作过程中东盾构隧道外侧灌注桩模拟。
图2 模型制作过程中东盾构隧道外侧灌注桩模拟
Fig.2 Modelling of bored cast-in-place pile lateral
east-shield-driven tunnel
3 量测仪器布设
图3所示为模型制作过程中多点位移计的埋设情况。位移量测采用清华大学与中国水利水电科学研究院合作研制的DWG–K2000微型多点位移计，
该仪器是工程模型试验内部变位测量的专用仪器。
图3 模型中多点位移计埋设
Fig.3 Location of multi-point displacement meter
单位：mm
第27卷增1 王克忠，等. 浅埋暗挖地铁站厅洞室开挖过程物理模型试验及土体变形规律研究 • 2717 •
它是在DWG–40原型观测用多点位移计的基
础上研制开发而成的。位移测量精度0.001 mm。多
点位移计测杆采用“多点支撑结构”，具有较高的位移传递精度，而其外形尺寸大大减小(护管外径仅为6 mm)，以尽量减少对模型试验的影响(见图3)。采用的金属护管有较高的强度及刚度，对模型制作过程中的夯实、振动有一定承受能力。它可以配用多种形式的位移传感器，实现遥测及自动巡检，亦可人工测量。仪器零部件均采用耐腐蚀材料制成，使用过程中稳定持久，并可回收再用。本次试验中，对这种仪器的结构和位移传递方式进行了重新设计，大大提高了位移传递灵敏度，将在另文述及。
3.1 地面沉降测量
测点布置在3个测试断面，分别位于第4，5环之间、第8环中心和第11，12环之间。每个断面布置7个测点。地表沉降测点平面布置见图4。 图4 模型地表沉降点平面布置图(单位：mm) Fig.4 Settlement measuring point layout chart of model (unit：mm)
测点数量为3×7个测点/每个断面 = 21个测点。
1#，2#，3#测线上地表位移测点编号见表1。
表1 各测线上地表位移测点编号
Table 1 Measuring point serial number of ground surface
displacement on measuring line
测线号测点编号
1# 10 13 22 25 34 37 46
2# 11 16 23 29 35 40 47
3# 12 19 24 32 36 43 48
3.2 土体内部位移测量
模型内部多点位移计布置见图5。每个断面5条测线，其中两条水平测线分别布置3个测点，盾构拱顶和车站拱顶3条垂直测线各布置两个测点。
图5 模型内部多点位移计布置剖面图(单位：mm)
Fig.5 Multi-point displacement measuring point layout on cross-section(unit：mm)
测点数量：3个断面×(2×3个点/每条测线+3×2个点/每条测线) = 36个测点。3条测线上模型地表位移量测点的编号见表1。
4 站厅洞室开挖和支护
开挖方案具体分区顺序见图6。采用双侧导洞先行同时开挖，上、中、下三级台阶式开挖顺序，按照开挖位置拆除堵头钢板，以先左后右顺序用手工工具开挖导洞上台阶至设计断面，进尺为一个管片轴向长度(12 cm)，作临时支护；继续开挖这两个导洞上台阶至两个管片长度，作临时支护；然后开挖左右导洞中台阶至一个管片长度、上台阶至3个管片长度，作临时支护；继续开挖左右导洞中台阶至2个管片长度、上台阶至4个管片长度，作临时支护；再开挖左右导洞下台阶至1个管片长度、中台阶至3个管片长度，上台阶至5个管片长度，作临时支护；此时在一个管片长度进尺内的左右两个导洞全断面已经完成。每个台阶之间相差两个管片的长度。
图6 站厅隧道顺序开挖
Fig.6 Excavation of the metro station tunnel model
然后开挖中导洞的上台阶，使得在一个管片长
• 2718 • 岩石力学与工程学报 2008年度进尺内的车站全断面顶拱连通，可以进行顶拱钢
拱架的架立和焊接成整体形状。进行第1个管片进尺内的车站断面顶拱的初期混凝土衬砌。开挖中导洞的上、中台阶，分别到第四、二台阶，作临时支护；然后开挖左右导洞的上、中、下台阶至第六、四、二管片长度，中导洞下台阶至第一管片长度，完成第一个管片进尺内的车站全断面开挖。然后架立底板的钢拱架，与顶拱边墙钢拱架底部焊接；再进行底板混凝土衬砌。至此第1个管片进尺内的车站断面开挖、初期支护全部完成(见图6)。此时站厅开挖掌子面的体形为左右导洞相邻台阶之间相差两个管片长度，中导洞每个台阶滞后左右导洞相应台阶两个管片长度。
再从左右导洞上台阶向前开挖推进一个管片长度(第7个管片长度)开始，各个导洞的每个台阶都推进一个管片长度，进行第2个循环操作，至第2个管片进尺内的车站站厅断面开挖、初期支护全部完成。依次类推，直到15个管片长度全部车站断面的开挖、一次衬砌完成。
为了实现浅埋暗挖法多台阶开挖方案，我们研究开发了可移动式临时支护棚架，如图6上部所示，棚架可跟随顶层台阶的掌子面前移并支护拱顶，又不会影响下部台阶的开挖，保证了施工方案的高仿真度模拟。
站厅开挖、一衬完成之后，进行二衬钢筋绑扎，架立模板，浇注二衬混凝土。二衬混凝土由南侧的十五号管片开始，与开挖方向相反，分6次浇注完成，每次浇注长度沿轴线方向30 cm。
陶希圣在试验过程中随时观测记录各种量测数据、照相、摄影。
5 量测结果及分析
5.1 地表沉降量测
1#～3#测线地表各测点最大位移累计值如表2～4所示。根据表2～4所示的各地表量测点的位移，利用Tecplot绘出3个阶段的模型地表沉降曲线见图7～9。
5.2 地表沉降规律
(1) 图7～9显示，随着试验阶段的进行，地面沉降由站厅顶部地面逐渐向东西两侧发展。在第二、三阶段，东侧位移等值线在盾构隧道附近变得非常密集，而西部等值线则分布较均匀。这说明西侧的
表2 1#测线各测点在3个阶段末位移最大值累计值
Table 2 Maximum displacement summation of measuring
point on measuring line No.1 at each stage end数据库系统
mm
最大位移累计值
strongwell测点编号
一阶段二阶段三阶段
10 0.138
0.386
0.407
13 0.146
0.522
0.566
22 0.332
0.84
1.045
25 0.483
1.011
1.133
34 0.367
0.914
1.178
37 0.012
0.189
0.209
46 0.127
0.379
0.414
表3 2#测线各测点在3个阶段末位移最大值累计值
Table 3 Maximum displacement summation of measuring
point on measuring line No.2 at each stage end
mm
最大位移累计值
测点编号
一阶段二阶段三阶段
11 0.213 0.593 0.659
16 0.033 0.520 0.570
23 0.281 0.798 1.020
29 0.462 0.925 1.098
35 0.456 1.118 1.387
40 0.002 0.113 0.365
47 0.047 0.266 0.291
表4 3#测线各测点在3个阶段末位移最大值累计值
Table 4 Maximum displacement summation of measuring
point at on measuring line No.3 at each stage end
mm
最大位移累计值
测点编号
一阶段二阶段三阶段
12 0.093 0.350 0.415
19 0.100 0.460 0.585
24 0.427 0.957 1.218
32 0.324 0.888 1.041
36 0.257 0.660 1.084
43 0.076 0.340 0.505
48 0.110 0.339 0.384 地层受到加固桩的阻挡，影响了沉降向东的发展。
如果东侧有地面或地下建筑物，加固桩可以有效地
减少地铁车站施工对其影响。
(2) 较大的沉降发生在站厅隧道顶部一定范围
第27卷 增1 王克忠，等. 浅埋暗挖地铁站厅洞室开挖过程物理模型试验及土体变形规律研究 • 2719 •
图7 模型地表沉降第1阶段末等值线(单位：mm) Fig.7 Contour of ground surface displacement at the end of
stage 1(unit ：mm)
图8 模型地表沉降第2阶段末等值线(单位：mm) Fig.8 Contour of ground surface displacement at th
e end of
stage 2(unit ：mm)
图9 模型地表沉降第3阶段末等值线(单位：mm) Fig.9 Contour of ground surface displacement at the
end of stage 3(unit ：mm)
内，即在西、东行车隧道纵轴线之间区域，超出这一范围，地表虽有部分沉降，但沉降量较小；最大的地表沉降发生在站厅隧道纵轴线正上方地表及其附近区域，站厅隧道开挖阶段和横通道开挖阶段，地表沉降量较大，超载加压阶段沉降量较小，至试验结束，模型地表最大沉降值为1.387 mm ，发生在2#测线35测点(见表3)，该点位于东侧隧道中间。
(3) 由图7～9可以看出，3个阶段的最大的地表沉降发生在站厅隧道轴线顶部地表及其周围，在西、东侧隧道轴线范围内的地表沉降较大，而在这一范围之外，地表沉降量较小。
5.3 顶拱及洞周特征点位移量测结果及分析
限于篇幅，选取站厅顶拱3个测点在整个试验过程中的位移变化进行研究。图10所示为站厅隧道
顶拱2#侧线垂直剖面上的3个测点在整个试验过
图10 顶拱25，26，27测点位移变化规律曲线(2006年) Fig.10 Displacement curve of No.25～27 point(2006)
程中的位移变化曲线，竖向多点位移测点，埋置最深的25测点位移曲线在其他两曲线上方，显示拱顶测点位移变化比远离洞顶的测点竖向位移大，从洞
顶起算，各点竖向位移依次减小。10月8日开挖掌子面通过该测量断面时，该断面的测点位移会发生突然增加，其后位移曲线呈平稳上升趋势。
图11所示为模型试验完全结束时各特征点的位移变化，图中括号外数字为位移测点号，括号内为测点位移数据。从图11可以看出，整个试验结束时，站厅隧道顶拱28测点位移下降1.212 mm ，东、西隧道顶拱40，16测点下降0.350，0.674 mm 。站
厅隧道东、西测点52，4(位于横通道之间的土柱内)分别向西内侧移动0.087，0.014 mm ，说明站厅隧洞水平方向既有0.073 mm 的向内收敛，同时又整体向西平移了0.014 mm 。从图11可以看出，整个站厅隧道及东、西隧道均有向西侧移动的趋势。
图11 第3阶段末模型特征点最终位移增量(单位：mm) Fig.11 Displacement increment of characteristi
c points on
arch crown at the end of stage 3(unit ：mm)
6 结 论
(1) 试验结果验证了设计给定的盾构法与浅埋
0.4
0.6
0.8
0.8
0.6 0.4
0.2
0.2
1.0
1.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.6
0.2
0.4
库伦效率0.8
1.2
1.2
0.8
1.0
0.4 0.2
0.4
0.6 位移/m m
观测日期/月日
• 2720 • 岩石力学与工程学报 2008年
暗挖法相结合建造地铁车站的方案是可行的，应该予以支持和推广。
(2) 两个盾构隧道的各种相关试验数据比较证明，设计提出的灌注加固桩隔离隧道周围地层方案可以明显减少洞室范围以外的地层沉降和水平变形，提高洞室的安全度。实际施工中两侧均应设置灌注加固桩或在载荷较大的一侧设混凝土灌注桩。
两房退市
(3) 在开挖掌子面通过某测量断面时，该断面的测点位移会发生突然增加，在其后面一倍洞径处的已开挖断面位移也有明显增加，位移增量约为掌子面处位移增量的1/2；在其前方一倍洞径处的未开挖断面处位移也有一定增加，其位移增量约为掌子面处位移增量的1/5～1/6[10，11]。
(4) 同一测量垂线上的测点，靠近洞室顶拱的测点竖向位移较大，远离顶拱的测点位移较小。
(5) 较大的沉降发生在站厅隧道顶部一定范围内，即在西、东侧隧道纵轴线之间区域，超出这一范围，地表虽有部分沉降，但沉降量较小；最大的地表沉降发生在站厅隧道纵轴线正上方地表及其附近区域，站厅隧道开挖阶段和横通道开挖阶段，地表沉降量较大，超载加压阶段沉降量较小。
参考文献(References)：
[1] 崔玖江. 隧道与地下工程修建技术[M]. 北京：科学出版社，2005：
247–255.(CUI Jiujiang. Tunnel and underground project construction technology[M]. Beijing：Science Press，2005：247–225.(in Chinese))
[2] 王梦恕. 地下工程浅埋暗挖技术通论[M]. 合肥：安徽教育出版社，
2004：683–708.(WANG Mengshu. Technology of shallow tunnel excavation[M]. Hefei：Anhui Education Press，2004：683–708.(in Chinese))
[3] 刘招伟，王梦恕，董新平. 城市隧道盾构法施工引起的地表沉降分
析[J]. 岩石力学与工程学报，2003，22(8)：1 297–1 301.(LIU Zhaowei，WANG Mengshu，DONG Xinping. Analysis of ground surface settlement of metro tunnel by shield construction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2003，22(8)：1 297–
1 301.(in Chinese)) [4] 孔恒，王梦恕，谭忠盛，等. 城市地铁隧道工作面开挖的地层变
位规律[J]. 现代隧道技术，2004，41(增1)：52–56.(KONG Heng，WANG Mengshu，TAN Zhongsheng，et al. Rule of ground surface settlement by working face in subway[J]. Modern Tunnelling Technology，2004，41(Supp.1)：52–56.(in Chinese))
[5] 周书名. 城市地铁浅埋暗挖法施工地面沉降的预测分析[J]. 现代
隧道技术，2002，39(增)：444–448.(ZHOU Shuming. Analysis of ground surface settlement of shallow tunnel excavation[J]. Modern Tunnelling Technology，2002，39(Supp.)：444–448.(in Chinese)) [6] 张志强，何川. 地铁盾构隧道近接桩基的施工力学行为研究[J].
铁道学报，2003，25(1)：92–95.(ZHANG Zhiqiang，HE Chuan.
Research on mechanics behaviour of a shield tunnel construction in metro adjacent to existing pile foundation[J]. Journal of the China Railway Society，2003，25(1)：92–95.(in Chinese))
[7] 李强，王明年. 浅埋隧道近接施工地表沉降有限元分析[J]. 四川
建筑，2004，24(1)：98–101.(LI Qiang，WANG Mingnian. FEM on gout surface settlement of settlement of shallow adjacent tunnel[J].
Sichuan Architecture，2004，24(1)：98–101.(in Chinese))
[8] 李围，何川. 盾构隧道基础上修建三条平行隧道地铁车站的施
工力学行为研究[J]. 现代隧道技术，2004，41(1)：5–9.(LI Wei，
HE Chuan. Study on the mechanical behavior of a metro station with three parallel tubes[J]. Modern Tunnelling Technology，2004，41(1)：5–9.(in Chinese))
c86[9] 李仲奎，王爱民. 微型多点位移计新型位移传递模式研究和误差分
析[J]. 实验室研究与探索，2005，(6)：21–26.(LI Zhongkui，WANG Aimin. Research on the displace
ment transfer pattern and error analysis for mini-type multi-point extensometer[J]. Research and Exploration in Laboratory，2005，(6)：21–26.(in Chinese))
[10] 张云，殷宗泽，徐永福. 盾构法隧道引起的地表变形分析[J]. 岩
石力学与工程学报，2002，21(3)：388–392.(ZHANG Yun，YIN Zongze，XU Yongfu. Analysis of ground surface deformations due to shield tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，21(3)：388–392.(in Chinese))
[11] 施成华，彭立敏，刘宝琛. 盾构法施工隧道纵向地层位移与变形预
测[J]. 岩土工程学报，2003，25(5)：585–589.(SHI Chenghua，PENG Limin，LIU Baochen. Prediction of longitudinal movement and deformation of stratum in longitudinal section due to tunnel construction by shield[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2003，25(5)：585–589.(in Chinese))
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议