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在粘土质土壤中挖掘隧道后的长期隧道行为和地面运动
Kenichi Soga a, Richard George Laver b, Zili Li c,uArr;
美国加州大学伯克利分校土木与环境工程系，加州大学伯克利分校，CA 94720-1710。
香港湾仔告士打道88号17字楼(香港)有限公司
土木与环境工程学院，科克大学，科克大学，爱尔兰科克大学。
收到了2017年5月7日;于2017年7月31日收到订正表格;2017年8月2日接受了2017年9月5日上线。
摘要
在粘土质土中，随着隧道内的隧道效应，隧道内的长期地面运动可能会随着时间的推移而增加，因为隧道内的过度孔隙水压力会消失，而在隧道中改变的土压力会导致隧道在固结过程中进一步变形。此外，隧道本身引入了新的排水条件;也就是说，根据隧道衬砌的排水情况，隧道周围的有效应力随时间变化，从而导致进一步的土壤固结。低渗透粘性土的渗流率通常很小，渗入隧道的地下水会迅速蒸发。虽然隧道表面看起来很干燥，但可能看起来不透水，但隧道排水条件实际上是可以渗透的。本文总结了土-隧道固结相互作用的研究，重点关注地表运动和隧道衬砌变形的研究。分析结果表明，隧道衬砌介电常数与周围地面渗透率有关，对长期地面运动和隧道衬砌行为都有重要作用。在文献上发表的研究结果，从一个单一的隧道，双隧道到复杂的跨通道结构，一步一步地回顾。在此基础上，确定了隧道诱导土壤固结的机理，并在此基础上，提出了评估长期地面沉降量和隧道衬砌荷载大小的可能工程方法。
2017同济大学和同济大学出版社。由Elsevier B.V.代表业主生产和托管。这是一个开放存取的文章。根据CC BY-NC-ND许可(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。
关键词:径向渗流;长期水平应变;双通道交互;横通道变形;解决评价方法
通讯作者。
电子邮件地址:soga@berkeley.edu (K. Soga)， richlaver@cantab.net (R.G. Laver)， zili.li@ucc。例如李(z)。
同济大学和同济大学出版社的同行评议。
http://dx.doi.org/10.1016/j.undsp.2017.08.001
2467-9674/ 2017同济大学和同济大学出版社。由Elsevier B.V.代表业主生产和托管。
这是一个开放存取CC BY-NC-ND许可下文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。
K. Soga等人/地下空间2(2017)149-167。
命名法
ahd从隧道中心线最大水平位移的偏移量。
ARS相对沉降方程的系数。
BRS相对沉降方程的系数。
C隧道顶部的土盖。
Cclay粘土覆盖在隧道顶部的粘土。
D在各向同性加载和卸载过程中隧道直径或土壤参数控制非线性。
DS无量纲表面沉降。极端的渗透行为
Ed代表抽干土模量区无量纲的表面沉降与极端的渗透性行为。
E杨氏模量
e孔隙比
Hc在固结过程中发生水平位移。
Hc max巩固国内最大输出了横向表面分布
ks各向同性土壤渗透率;如果各向异性(khkv)
kh, kv土壤渗透性:水平和垂直。
KL固结沉降槽宽度参数。
Kt衬砌渗透系数
kt衬砌渗透
Lc隧道轴深在地下水位以下。
NHc max无量纲最大固结水平表面位移。
NHc max (ss) NHc max在稳态。
NSc max 无量纲最大固结面沉降。
NSc max (ss) NSc max在稳态。
RP soil-lining相对渗透率
RSc相对沉降作为稳态沉降的比例
Sc结算经历整合。
Sc max 横向槽内最大固结沉降。
Sc max (ss) Sc max在稳态。
t固结时间，或衬层厚度。
Tv无量纲化时间因子。
VL体积损失为隧道截面积的一部分。
x隧道中心线的横向距离
z0隧道轴线深度低于地面。
a修正高斯曲线的参数。
gamma;w水的体积单位重量。
εccmax .εcfmax在中线和远场峰固结水平应变:
εccmax(ss).εccmax ,εcfmax,εcfmax(ss)在稳态
mu;固结沉降槽宽度参数。
目录
介绍
在粘土质土中，隧道上方的地面运动可以继续施工，而隧道则随着土壤的固结而进一步变形(例如:Bowers, Hiller，amp; New, 1996;哈里斯,2002;Laver,Soga, Wright， amp; Jefferis, 2013;Nyren,1998;O #39; reilly,其余的,amp;奥德曼,1991;派克,1969;Shirlaw,1995)。如Harris(2002)所报道的，在伦敦的Jubilee线延伸隧道之上，不断增加的固结沉降可能导致地表建筑损害，而长期隧道变形则可能导致隧道安全的裂缝、渗水和差异位移(Shen, Wu, Cui， amp; Yin, 2014)。
Shirlaw(1995)指出，在固结过程中，长期地表位移可以占总沉降的30-90%。持续的地面沉降随着时间的推移，由周围粘土的固结引起，产生了过多的孔隙压力。
在隧道开挖和减小孔隙水压力的过程中，通过渗流来提高隧道的有效应力。大的差异沉降可以发生在交叉通道和斜坡段，通常比主要的隧道部分更容易渗透(Shen et al.， 2014)。例如,重大隧道累积微分定居点观察在上海地铁1号线建设超过12.5年之后(Ng,Liu amp;李,2013),和这些微分定居点导致严重的纵向变形和地下水渗透的安全隧道衬里(I.T.A.工作组2号(ITA),2000;沈et al .,2014)。
合并引起的沉降的幅度和速率与以下相关(如马丁内斯，施罗德，和Potts, 2014;2002年，辛波兹，波茨，兹德拉夫科维奇;翁沙罗，索加，amp; Mair, 2007;Wongsaroj、苏amp;其余的,2013)。
● 介电常数(渗透率除以厚度)，也考虑了沿关节的引流，
● 隧道周围的孔隙水压力条件(在隧道施工前后，贯穿其一生)，
● 粘土的渗透性和压缩性及其各向异性的特点,
● 地面条件，如粘土的厚度和排水条件，以及。
● 在施工过程中产生的过度孔隙压力的大小。
为了预测固结诱导的长期地面位移，吴、徐、沈、柴(2011)、张、刘、黄(2013)进行了土壤-流体耦合有限元分析，建立了地表沉降与隧道渗流的线性关系。然而,
在实际应用中，很难将渗漏率量化到粘土质土的隧道中。也就是说，一旦暴露在空气中，少量的渗入隧道的水很可能会蒸发，而在隧道安全的利益下，很少允许大量的渗水。Wang, Wong, Li, and Qiao(2012)对软土地上浅层隧道上方的长期地表沉降进行了有限元分析。他们研究了土壤蠕变、固结和衬砌渗透性的影响，并特别指出软粘土的蠕变行为对长期沉降具有重要作用。然而，在非常低的渗透性土壤中，隧道周围的固结沉降可能需要几十年或更长的时间，因此很难将任何时间依赖的运动分离到合并诱导的和蠕变诱发的运动中。
由于难以量化隧道衬砌的介电常数(由于节流节点的复杂水入口)，提出了一种基于监测的长期固结沉降预测方法(Laver, Li， amp; Soga, 2016)。这项工作最初基于Wongsaroj等人(2007)，Wongsaroj等人(2013)，他们设计了一种方法，根据有限元素参数研究和现场数据解释的结果，对伦敦粘土建造的单个隧道的长期地表沉降进行预测。这项工作表明了合并。
通过修正的高斯曲线可以很好地适应地表的沉降，并且随着时间的推移，沉降量以对数递减的速度增加。他们使用了来自圣詹姆斯公园的现场数据作为庆祝活动的一部分(Nyren, 1998)和在希斯罗高速公路(Bowers et al.， 1996)。悬浮，Psomas和Eddie(2015)最近报告了伦敦白教堂站隧道上方的实地测量，其中的固结沉降率与对数趋势一致。在建筑被用于预测10年和120年的进一步沉降时，在达到稳定状态时，这些定居点被用来预测进一步的定居点。
对于隧道结构本身而言，土体固结过程中土压力的发展会引起进一步的结构变形。Addenbrooke(1996)和Tube Lines(2007)报告说，伦敦地铁隧道衬砌通常维持在60%左右。
当土壤固结时，在稳态条件下的负担过重。完成和隧道往往是长期的。在上海大部分地铁隧道中也发现了类似的变形模式(Shen et al.， 2014)，在施工后的2.5个月里，隧道内的隧道效应产生的最严重的孔隙压力全部消失。李、冀、沈、刘、白(1999)在上海地铁2号线报道。特别地，在交叉通道附近的环上出现了最大的隧道椭圆形和直径畸变(Shen et al.， 2014)。同样地，旧的交叉通道之间的工程条件。最近的评估(Wright, 2010)也发现了伦敦地铁附近的铸铁隧道。李、索加和莱特(2015)试图研究伦敦黏土的双隧道固结相互作用行为，进而研究铸铁交叉通道。他们研究了交叉通道和相对土壤衬里渗透率对地面响应和隧道衬砌行为的影响，发现应用于隧道衬砌的土荷载剖面在很大程度上受跨通道存在的影响。
本文总结了在粘土质土中隧道掘进后长期地面运动和隧道衬砌行为的研究结果。首先介绍了隧道排水和土壤固结机理，其次是无量纲参数的定义，使不同的隧道条件具有可比性。土壤-隧道相互作用机理的认识有助于我们了解长期地面运动和隧道结构的性能。本文描述了由数值模拟和有限现场观测所推导出的一种简单单隧道情况下的双隧道和隧道交叉通道案例(Li, Soga， amp; Wright, 2016;李et al .,2015)。
隧道排水机制
一些早期的研究表明，隧道在低渗透粘性土中可以作为新的排水边界，这是基于对隧道周围的孔隙压力的测量(例如，Palmer amp; Belshaw 1980;沃德amp;托马斯1965)。Nyren(1998)和Harris(2002)报告了在Jubilee线延伸(JLE)隧道中注入水的情况，确认这些隧道在本例中充当排水沟，如图1所示。
作为第一次尝试，Wongsaroj(2005)和Wonsaroj et al.(2013)设计了一种方法来预测在伦敦粘土中建造的单一隧道的长期地面沉降。其有限元参数研究结果表明，隧道诱导的长期土壤固结主要取决于隧道相对于周围土
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