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《嵌入式技术》结业报告

地铁施工与地下水渗流的 环境效应分析及应用

学

姓号：20130101 名：张三三

1304-1 班级名称：土

院系名称：土木工程学院

2014年 12月

摘 要

摘 要

以北京地铁王府井站西南风道为工程背景，针对松散含水地层工程地质及水文地质差、紧邻建筑物、地表环境要求严、施工条件恶劣、降水条件受到限制、大断面浅埋暗挖洞室稳定性差等不利因素，深入分析了地铁施工与地下水渗流的环境效应机理。

利用地下工程中最先进的3D-σ三维有限元软件，采用增量变弹性与增量叠代的混合法，模拟计算了软弱围岩地铁的施工作业流程，考虑围岩介质的复杂性态、施工作业方式(包括分步开挖步序、支护结构形式和施工时机)和开挖面推进过程中的空间效应。得出了各步序拱顶下沉、收敛、地表沉降与开挖步的关系曲线。

从达西定律出发，利用地下水动力学稳定流理论，针对实际工程，推导出了任意排列的承压—潜水井群降水计算过程，自行编制了Fortran程序，完成了处于潜水含水层和承压含水层群井降水的三维渗流分析及计算，形象地绘制了降水曲面。并利用3D-flow计算软件进行了降水曲线和流速的计算，与自行编制的程序进行了比较。最后计算了因水位变化引起的地面沉降最终值及随时间的变化曲线。

首次将坑道涌水研究用于地铁，并对地铁坑道涌水的危害程度作出了合理预测和分析。根据坑道所处的不同含水层、以及坑道所处地层中的位置不同，自行推导了处于潜水含水层和承压含水层的，完整型和不完整型坑道稳定涌水量和水位降深的计算公式。根据不同的坑道涌水量、不同的水文地质情况对坑道开挖后可能的涌水引起的地面变形做出预测和分析。最后结合实例进行了验证、预测和分析，为行业人士对地铁涌水的处理和认识提供了参考和借鉴。

关键词：环境效应；施工力学分析；地下水动力学；涌水；地面沉降

Abstract

Abstract

Based on the southwest air outlet of Wangfujing station in Beijing metro, aiming at disadvantage factors such as bad construction geology and bad geohydrology in loose aquiferous ground, adjacent to buildings, strict requirement for ground environment, poor construction condition, limited water lowering condition, poor stability of large section with underground excavation under shallow depth, analyze environment-effect mechanism of metro construction and groundwater-seepage thoroughly.

Use the most developed 3D-σthree-dimension FEM software in underground project, adopt compound method with increment variable elasticity and increment iteration, simulate and calculate construction process of weak surrounding rocks in metro, consider complicate properties ,construction method(include process of by step excavation, style of supporting structure and construction opportunity) and space effect in face excavation process. Relation curve of vault sinkage, constringency, ground subside and excavation step in each process are gained.

Research on gushing water in tunnel is applied to metro for the first time and dangerous degree of gushing water in subway is predicted and analyzed reasonably. According to various water containing layer and stratum tunnel located in, calculation formula on stable gushing water quantity in surface water layer tunnel, pressure water layer tunnel, full or fragmentary tunnel are deduced. According to gushing water quantity and hydrology geology in various tunnel, ground deformation caused by gushing water in tunnel is predicted and analyzed. At last, verification, prediction and analysis are made with example, reference is offered to people in the same occupation on prediction and cognition of gushing water in metro.

Key words: environment-effect, Construction mechanics analysis, groundwater dynamics, flowing, ground subside

目 录

目 录

第一章 绪 论 ......................................................................................................... 1

1.1 引言 ................................................................................................................ 1

1.2 地铁施工与地下水渗流的环境效应危害分析 ............................................ 1

1.2.1 地层开挖的环境效应危害分析 ............................................................. 2

1.2.2 人工降水的环境效应危害分析 ............................................................. 2

1.2.3 地下水向地铁坑道涌水的环境效应危害分析 ..................................... 3

1.3 国内外发展动态 ............................................................................................ 4

1.3.1 岩土工程和环境岩土工程的国内外现状 ............................................. 4

1.3.2 地下工程力学分析国内外现状 ............................................................. 5

1.3.3 地下水位计算的国内外现状 ................................................................. 8

1.3.4 地面沉降研究现状 ................................................................................. 8

1.3.5 坑道涌水量研究现状 ........................................................................... 10

1.4 论文研究内容及创新点 .............................................................................. 10

1.4.1 主要研究内容 ....................................................................................... 11

1.4.2 主要创新点 ........................................................................................... 11

1.4.3 论文的不足之处及今后的研究方向 ................................................... 12

第二章 工程背景 ................................................................................................... 13

2.1 工程概况 ...................................................................................................... 13

2.2 工程特点 ...................................................................................................... 17

2.3 施工方法 ...................................................................................................... 17

第三章 地铁施工效应分析 ................................................................................... 20

3.1 模拟依据和基础 .......................................................................................... 20

3.1.1 洞室开挖问题的空间模拟 ................................................................... 20

3.1.2 洞室开挖问题的计算模型 ................................................................... 21

3.1.3 材料、结构模拟及强度准则 ............................................................... 22

3.1.4 非线性问题的数值解法 ....................................................................... 22

3.1.5 围岩与支护的物理力学指标 ............................................................... 23

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目 录

3.1.6 计算模拟的施工方案 ........................................................................... 23

3.2 计算模拟结果 .............................................................................................. 25

3.2.1 长进尺施工效应 ................................................................................... 25

3.2.2 短进尺施工效应 ................................................................................... 26

3.2.3 短进尺且有隔断墙时的施工效应 ....................................................... 27

3.3 结果分析 ...................................................................................................... 29

3.3.1 三种工况计算结果汇总 ....................................................................... 29

3.3.2 计算结果与实测结果的比较 ............................................................... 30

…………

第六章 结论 ............................................................................................................. 77

参考文献 ................................................................................................................... 79

致谢 ........................................................................................................................... 84

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第一章 绪 论

第一章 绪 论

1.1 引言

随着城市现代化程度不断进步，城市地铁的修建不但缓解了城市交通，解决了空间立交等问题，而且已成为城市现代化的标志。但在修建地铁过程中，由于城市中各种建筑物、道路及地下管线等影响施工因素的存在，使修建城市地铁隧道有着各种严格的条件：控制地面沉降、保护建筑物、确保人们的日常工作和生活的物质环境、保证交通、保护地下管线等，所以地铁施工与一般隧道相比有着更加苛刻的要求。一般隧道工程的稳定只需要不坍方，采用新奥法施工的隧道工程，甚至允许围岩有一定的位移量，以提高围岩的自承能力。而城市地铁施工产生的位移要受到地面建筑物允许变形值及地下构筑物允许变形值的控制。这就涉及到施工环境控制的问题，或者说是环境岩土工程问题。

1.2 地铁施工与地下水渗流的环境效应危害分析

涉及到城市地铁施工的环境岩土工程研究内容主要是地面沉降的合理预测和控制。在地铁施工过程中造成地面沉降的因素主要有地层开挖和人工降水，人工降水和地层开挖引起对环境的不利影响，是工程界的一大棘手难题。地铁施工中的地层开挖和人工降水，会改变原来的工程地质条件和水文地质条件，土层的应力场发生了变化，受影响的范围远比地铁净空的范围大得多。在此范围内地下水位下降，土层发生位移，相邻建筑物和地下市政设施产生附加的变形。而地下水向地铁坑道涌水的环境效应不仅表现在施工阶段，而且表现在运营阶段。

1.2.1 地层开挖的环境效应危害分析

任何地下地下工程，如暗挖、盖挖、明挖都是从原始地面以下取走岩土体，无论其埋深大小，均将扰动周边岩土体使之失去原有的平衡，而逐渐向新的平衡转化，即由岩体的初始应力状态转向围岩的二次应力状态。在这个过程中地

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第一章 绪 论

下岩土体及地表面势必发生或大或小的位移及变形。如果地面变形较大而不采取适当的措施加以控制，则地面建筑物及交通系统将遭到损害。有时此类变形十分微小，所造成的危害不大，然而企图制止变形是办不到的。因而只能根据地表保护的要求，采取有效措施来减小变形，以使地面建筑物不至造成损害，生态环境不至恶化。应该指出，由于设计不周或施工措施不利而造成地面沉降及基坑滑坡事故时有发生，造成严重经济损失和社会影响[1]。开挖施工破坏了土体的原有状态平衡状态，会造成地表下沉、水平位移、倾斜位移、净空收敛等土体变形。因此近几十年来，岩土工程开挖所导致的岩土体及地面沉降预测普遍引起重视。

1.2.1.1 人工降水的环境效应危害分析

在地下构筑物或深基坑的开挖过程中往往会遇到地下水位高于施工作业面的情况，地下水的涌入和流砂的产生造成基坑边坡失稳等，往往会影响施工进度和施工质量，甚至会造成无法施工。

(1)井点降水的方法是最常用的人工降低地下水位的方法。它固然是地铁开挖施工中良好降水措施，改善了施工作业环境，但其必然产生周围地面的不均匀沉降，进而引起建筑物倾斜或开裂、地下管线断裂、道路开裂及其它设施的破损。井点降水过程中抽取地下水，会排出土体孔隙中的水分，孔隙体积减小，从而使孔隙水压力减小，有效应力增加，使土体产生固结压密，从而造成地面沉降。因此，对于采用人工井点降水方法施工的地铁，井点降水对周围环境的影响及防范措施是地铁开挖和支护过程中一个至关重要的课题。井点降水降低地下水位引起的地面沉降与开挖施工引起的地面沉降相比，其值较小，但是影响范围很大，影响时间长，应引起足够重视。

①对深基坑工程的设计与施工，地下水位及地下水渗流特性的影响是十分明显的，需进行专门的降水设计。要求在工程勘察时提供水文地质的必要资料，对地下水的影响估计不足或没有采取合适的工程措施，常会引起工程事故，有时成为基坑工程成败的关键[2]。②在地铁建设中，也同样存在上述问题，地下水造成的环境影响不容忽视。早在1948年太沙基对初期的土力学评价中指出：“在工程实践中，大多数施工难点与事故是由于渗流所产生的压力引起，但这些压力并未受到重视[3]。”

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第二章 工程背景

第二章 工程背景

论文所作主要研究工作的工程背景是北京地铁“复－八”线王府井站西南风道工程，地铁“复－八”线已于1999年10月顺利建成通车运营，因拆迁原因剩余王府井车站西南风道，于1999年5月达到了开工条件。“复－八”线施工是在地面统一井点降水至作业面以下，在无水条件下施工，通车运营后统一系统降水已停止，地下水位已恢复。由于本工程的难点，即风道紧邻建筑物，施工场地狭窄，施工条件恶劣，降水条件限制，降水对环境影响明显，风道结构断面大、浅埋、地层为松散含水地层、地下水位高，致使施工极其困难，特别是工程处在首都北京的重要地段，施工环境控制问题显得尤为重要[3]。为使本工程能顺利完成，解决施工中遇到的众多技术难题，施工单位中铁第十六工程局提出了“松散含水地层紧邻建筑物大断面浅埋洞室施工环境综合控制技术研究”课题。

2.1 工程概况

(1)地理位置和地表环境。北京地铁“复－八”线王府井站西南风道位于东长安街下，其出口在北京饭店对面，中国远洋运输总公司和长安俱乐部大楼之间夹道中。风道结构距中远公司大楼仅3.0 m，该楼高6层，砖混结构；距长安俱乐部大楼4.5 m，该大楼8层，混凝土结构。在风道西侧有2根φ50煤气管线，距结构0.5 m。结构覆土内部有一根φ40污水管道，因年久失修，已渗漏严重。

…………

2.2 工程特点

(1)地表环境要求严、施工条件恶劣。王府井车站西南风道位于东长安街下，其出口在北京饭店对面、长安俱乐部和中国远洋运输总公司大楼之间。风道所处地理位置显要，施工场地极其狭窄，风道距中国远洋公司办公楼净距仅3.0 m，长安俱乐部围墙与风道净间距仅2.5 m，隧道施工与邻近建筑物的相互影响极大。

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第二章 工程背景

2.3 施工方法

(1)风道施工方案。根据实际地面环境、工程地质

及水文地质、断面大小和地表沉降的控制要求。

(2)风道开挖方法。根据风道净空高、跨度大，地

下水丰富、地层松散、浅埋及地表沉降的控制要求，

采用临时中隔壁三层六部法施工，如图2-3所示。

(3)工序安排。据实际地质、水文和结构断面情况，

特别是降水井无法保证其数量和位置的准确性，降水

水位不能到达风道底板以下，故采用分部施工，分部

降水和止水的工序。

(4)主要辅助施工方法。楼房段的楼房基础与风道

结构间施作钻孔灌注桩隔断墙(如图2-4所示)。 ⑥ ⑤ ④ ③ ② ① 图2-3 风道开挖施工工序分部

150

19 000 中国远洋公司

00 (b)桩体立面

(a)钻孔桩设置 (c)桩横断面

图2-4 王府井站西南风道钻孔桩隔断墙加固图(单位：mm)

-4- 50

第二章 工程背景

……插图并排

图4-1 潜水井降水漏斗

H图4-2 承压井的降水漏斗 图4-3 承压－潜水井降水漏斗

算结果汇总于表3-5。由表可知，开挖循环进尺小，相应格栅钢架间距小，支护刚度大，其地表沉降、洞室变形及支护内力相应减少。而在设置隔断墙时，与无隔断墙相比，施工引起的地表沉降、洞室变形及支护内力均有所减少。

表3-5 不同施工方案计算模拟结果汇总

拱顶下沉/cm 收敛/cm 工况 地表沉降/cm 1点 2点 1线 2线 3线 4线

19.17 28.23 26.10 -15.71 -13.67 -20.37 -22.32 Ⅰ

16.53 26.80 20.61 -15.47 -12.20 -18.05 -19.45 Ⅱ

16.47 22.91 19.51 -13.46 -11.46 -18.57 -22.34 Ⅲ

注：收敛值取向洞外的变形为正。 最大支护应力/MPa 压应力 拉应力 4.70 3.88 4.12 2.46 2.98 2.18

……

表3-6 沿主风道中心线各点由降水引起的总沉降值计算结果表 mm

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第二章 工程背景

基于稳定流理论的抽水井降水曲线计算，均应由达西定律出发，即

Q=KAJ (4-1)

式中，Q为单位时间的渗流水量(m3/d)；K为土层的渗透系数(m/d)；A为渗流断面积(m2)；J为水力坡度。

式中，

Q——单位时间的渗流水量(m3/d)；

K——土层的渗透系数(m/d)；

A——渗流断面积(m2)；

J——水力坡度。

n

S∞=∑i=1

na0.1~0.2∆PH0 (4-29a) 1+e0n∆PH0∆hγwH0 (4-29b) S∞=∑=∑EEi=1i=10.1~0.20.1~0.2

式中，e0——土层开始时孔隙比；

H0——计算土层厚度(m)；

∆P——由于水位变化而作用于土层上的应力增量(kPa)；

a0.1~0.2——压缩系数，当水位回升时取回弹系数as；

E0.1~0.2——当水位下降时为体积压缩模量E0.1~0.2=

1+e0。 as1+e0(kPa)，当水位回a0.1~0.2升时应取回弹模量Es'=

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第六章 结 论

第六章 结 论

地铁施工期间的开挖和人工降水，以及运营期间的涌水是引起地面沉降的主要因素，如何合理地预测各种因素引起的地面沉降，对于建筑物密集、交通繁忙的城市来说是至关重要的研究课题。论文主要以北京地铁王府井站西南风道工程为背景，在本工程中由于采用了钻孔灌注桩隔断墙技术保护建筑物，大大降低了地铁施工引起的临近建筑物不均匀沉降，采用人工井点降水技术降低地下水位，实现了无水的顺利施工。本论文研究了地铁施工的环境效应，以及人工井点降水、地铁坑道涌水的水位预测及相应环境效应问题，主要结论为：

(1)在城市中地下工程的修建，地面沉降是主要的环境危害。造成地面沉降的原因主要有施工和地下水的渗流。在人口、建筑物密集的城市的特定条件下，要严格控制地表环境、建筑物的沉降、地下管线的保护，就必须对由施工、地下水渗流引起的环境效应进行合理的预测和分析。

(2)利用地下工程中最先进的3D-σ三维有限元软件，采用增量变弹性与增量叠代的混合法，模拟计算了紧邻建筑物软弱围岩地铁的施工作业流程，考虑围岩介质的复杂性态、施工作业方式(包括分步开挖步序、支护结构形式和施工时机)和开挖面推进过程中的空间效应。得出了各步序拱顶下沉、收敛、地表沉降与开挖步的关系曲线。同时证明了对邻近建筑物一侧设置隔断墙后的地面沉降明显低于无隔断墙情况的地面沉降，说明对于邻近建筑物的地铁修建中采取隔断墙的保护措施是切实有效的。

(3)针对实际工程地质、水文地质情况需要，根据地下水动力学、水文地质学原理，基于稳定流理论自行推导完成了对于非规则排列的承压－潜水井群的降水漏斗计算，编制了相应程序，并应用于实际工程中。对施工场地狭窄情况下布置的非规则排列的群井降水给了合理的计算结果，计算结果与实际情况吻合良好，解决了实际工程中的降水问题，对类似工程具有重要的参考价值。这一成果弥补了水文地质学中，对基于稳定流理论的干扰井群计算中，承压－潜水干扰井群计算理论公式的空白，经实际验证结果合理准确，进一步发展了任意排列的干扰井群计算理论。

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参 考 文 献

参 考 文 献

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……………

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个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文

致 谢

论文从选题、工程素材、计算机模拟、模型建立、计算推导到论文的撰写成文，都是在导师***教授的悉心指导下完成的。***教授在本硕士学位论文的成稿过程中倾注了大量的心血，并在工作、学习、生活多方面对我关怀备至，令我永难忘怀；他渊博的知识、严谨治学的作风、孜孜不倦的求索精神是我今后的榜样。在此谨向***教授及其家人表示崇高的敬意和衷心的感谢。

同时，我要向石家庄铁道大学的***副教授、***教授等表示我诚挚的谢意，感谢他们对本论文的大力支持和帮助。

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