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简介（作者编辑）：基于改进随机介质理论的地铁盾构施工地表变形空间分布特征分析_周诚_余群舟.pdf
摘要（系统识别）：
2016年11月上
施工技术
第45卷第21期
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
127
D0L:10.7672/sjs2016210127
基于改进随机介质理论的地铁盾构施工地表变形
空间分布特征分析
周诚，余群舟
(华中科技大学土木学院工程管理研究所，湖北武汉430074)
摘要]以武汉地铁2号线越江盾构隧道实际工程为背景，根据盾构施工引起地表变形的产生机理，通过对传统随
机介质理论中的土体移动模型、挤土效应模型等系统误差的改进，分别给出了盾构隧道横断面和纵断面最终地表
变形的空间分布计算公式。基于MA MPSO算法，将空间分布特征参数作为待求未知量，根据现场实际测量数据，
基于最小二乘原理建立目标函数关系式，寻找目标函数的最小值进行求解，通过反演结果分析了空间分布特征参
数的合理性、工程意义和变化规律。
[关键词隧道工程；盾构；变形；空间分布；MAMPSO算法
[中图分类号]U451
文献标识码]A
[文章编号]10028498(2016)21012707
Analysis of Surface Deformation Caused by Shield Tunnel Construction
Based on the Improved Stochastic Medium Theory
Zhou Cheng,Yu Qunzhou
(School of Civil Engineering Mechanics,Huazhong University of Science
Technology,Wuhan,Hubei 430074,China)
Abstract:According to the mechanism of ground deformation induced by shield construction,this paper
offered the new formula for the spatial distribution of surface deformation of the shield tunnel cross-
sectional and longitudinal by improving the system error of ground movement model,soil compaction
effect model in the traditional stochastic medium theory in Wuhan Metro Line II Yangzi river-crossing
shield tunnel construction.Treating the main influence angle B and the ground loss parameters g as
unknown quantities,this paper found the minimum value of objective function based on MAMPSO
algorithm,field data and method of least squares,then analyzed the characteristics of spatial distribution
parameters that are reasonable,engineering significance and changes by the inversion results.
Key words:tunnels;shields;deformation;spatial distribution;MAMPSO algorithm
0引言
述其空间分布就是要确定该沉降盆的范围和大小。
据不完全统计，国外近百年来已建的跨海和越
对于地铁盾构隧道施工引起的地表变形空间
江隧道已逾百座。盾构法以其机械化程度高、掘进
分布问题的研究方法可以归结为经验公式法、理论
速度快、周围环境影响小、施工安全等优势，成为跨
解析法、反分析方法3类。Peck提出了地表横向槽
海越江隧道建设的首选施工方法。盾构施工引起
符合正态分布的Peck公式[)，Mair等2]建立了地
的地表变形是一个涉及不同土体的复杂力学性态
表以下地层位移的计算公式，经验公式法计算简
的转变和位移响应的空间三维过程。这个过程可
便，在实际工程中广泛应用，可用于粗略匡算盾构
近似理解随盾构推进而不断变化的地表沉降盆，描
施工引起的地表变形空间分布，但其局限性较大，
只能针对局部工程或地区使用；理论解析法[]是运
*国家自然科学基金(51408249；“十二五”国家科技支撑计划课题
用各种数学力学理论求解地表变形空间分布，该方
(2012BAK24B01);高等学校博士学科点专项科研基金
(20100142110061)
法应用的主要问题在于解析过程的复杂程度和对
[作者简介]周诚，博士，副教授，Emil:charleschou(@163.com
研究对象的近似简化假定条件之间的矛盾；上述两
[收稿日期120160426
种方法为正分析法，反分析法能较好地解决正分
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.//www.cnki.net
128
施工技术
第45卷
析法面临的“本构模型给不准”和“岩土体参数给不
500~1000m3/d,渗透系数大者为25~38m/d,小者
准”等制约瓶颈，经过几十年的发展，国内外众多学
为2.6~4.9m/d。
者提出了利用现场监控量测数据的岩土工程反分
1.3风险分析
析方法，由于以工程现场实测数据为基础，反分析
由于地质水文条件不确定性、盾构选型适应性
法在求解盾构隧道施工引起的地表变形空间分布
及设备可靠性、工作面稳定性、掘进姿态操作合理
问题上相对经济方便，且精度可靠，应用较为广泛。
性、注浆及拼装质量等问题的出现，一旦盾构施工
本文以武汉地铁2号线越江地铁隧道实际工程
过程中产生不允许的土层变形位移和过大的地表
为背景，通过对传统随机介质理论中的移动模型、
差异沉降，可能造成地表建筑物倾斜开裂、地下管
挤土效应模型等系统误差的改进，分别给出了盾构
线破损，严重时路面塌陷甚至冒顶，从而造成人员
隧道横断面和纵断面最终地表变形的空间分布计
伤亡并引发公共安全问题。
算公式。根据现场实测数据，基于MAMPSO算法，
1.4监测点布设
反演出未知量主要影响角B和地层损失参数g,并
《盾构隧道施工验收规范》GB50446一2008明
通过反演结果分析了空间分布特征参数的合理性、
确规定了必须对盾构隧道线路地表进行变形测量。
工程意义和变化规律。
根据相关规范要求，综合考虑隧道埋深及盾构施工
1工程概况
影响范围，武汉越江地铁盾构隧道左右线沿纵向在
1.1地铁盾构隧道地理位置
有条件的位置布设地表监测横断面，每断面8~15
武汉市轨道交通2号线越江盾构隧道工程是长
个监测点，横向监测范围为隧道中线H+2D;同时
江流域首条越江地铁盾构隧道工程，位于武汉长江
沿武汉越江地铁盾构隧道左右线纵向拱顶位置每
一、二桥之间。武汉越江地铁盾构隧道西起江汉路
5~10m布设1个地表监测点，并在盾构进出洞及重
站，在武汉关轮渡码头附近越江，东岸在武昌新河
要敏感地段适当加密布设，地表监测点布设如图2
街、江南明珠园附近转向南，沿和平大道到达积玉
所示。
桥站，全长约100m,盾构需要分别穿越汉口及武昌
-A横断面
长江防洪堤、江南明珠园、汉口苗家码头等重要建
隧道右线
0
00
(构)筑物，如图1所示。
盾构始发
端头井
江汉路站
汉口风井
隧道左线
联络通道
B一B横断面
a监测点布设平面
武昌风井
地面
联络通道及泵房
12钢筋
P
、12钢筋
联络通道
积玉桥站
套筒
bA一A横断面监测点布设剖面cB一B横断面监测点布设剖面
图1武汉越江地铁盾构隧道工程地理位置
图2武汉越江地铁盾构隧道左右双线
Fig.1 Tunnel engineering geographical location
地表监测点布置示意
1.2工程地质水文条件
Fig.2 Monitoring points layout
武汉越江地铁盾构隧道隧址段长江宽约
2基于改进的随机介质理论的盾构施工地表变形
1300m,两岸为长江冲积一级阶地，地形平坦，地面
空间分布计算
标高23.000~26.000m,主要为第四系全新统冲积
2.1随机介质理论
黏性土、粉土、淤泥质土、粉细砂、含砾中粗砂、粉细
随机介质理论被认为是计算地下少开采、城市
砂夹粉质黏土透镜体，厚35~60m。越江隧道段下
地铁隧道开挖引起的地表沉降的有效方法之一)。
伏基岩主要为志留系泥质粉砂岩、泥岩和白垩第三
对于平面应变问题，地下埋深H处开挖任意断面的
系砾岩等地层。阶地表层多为人工填土，覆盖厚约
单孔隧道，支护措施的时空效应使得隧道周围岩土
1.1~5.0m,汉口岸厚达11.0m。该地区地表水系
体向开挖空间运动，开挖断面由2收缩为ω，如图3
主要有长江水系、汉江水系、沙湖水系。含水岩组
所示。假定施工过程不排水、土体体积不可压缩条
渗透系数一般是阶地前缘大，后缘小，其富水性在
件下，隧道开挖引起土体最终沉降盆地的体积等于
平面上有明显的规律性，一级阶地前缘为水量丰富
地层损失的体积，根据随机介质理论和叠加原理，
和较丰富地段，单井涌水量1000~2000m3/d或
该断面的隧道中心线地表最终沉降为：
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.//www.cnki.net
摘要（系统识别）：
2016年11月上
施工技术
第45卷第21期
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
127
D0L:10.7672/sjs2016210127
基于改进随机介质理论的地铁盾构施工地表变形
空间分布特征分析
周诚，余群舟
(华中科技大学土木学院工程管理研究所，湖北武汉430074)
摘要]以武汉地铁2号线越江盾构隧道实际工程为背景，根据盾构施工引起地表变形的产生机理，通过对传统随
机介质理论中的土体移动模型、挤土效应模型等系统误差的改进，分别给出了盾构隧道横断面和纵断面最终地表
变形的空间分布计算公式。基于MA MPSO算法，将空间分布特征参数作为待求未知量，根据现场实际测量数据，
基于最小二乘原理建立目标函数关系式，寻找目标函数的最小值进行求解，通过反演结果分析了空间分布特征参
数的合理性、工程意义和变化规律。
[关键词隧道工程；盾构；变形；空间分布；MAMPSO算法
[中图分类号]U451
文献标识码]A
[文章编号]10028498(2016)21012707
Analysis of Surface Deformation Caused by Shield Tunnel Construction
Based on the Improved Stochastic Medium Theory
Zhou Cheng,Yu Qunzhou
(School of Civil Engineering Mechanics,Huazhong University of Science
Technology,Wuhan,Hubei 430074,China)
Abstract:According to the mechanism of ground deformation induced by shield construction,this paper
offered the new formula for the spatial distribution of surface deformation of the shield tunnel cross-
sectional and longitudinal by improving the system error of ground movement model,soil compaction
effect model in the traditional stochastic medium theory in Wuhan Metro Line II Yangzi river-crossing
shield tunnel construction.Treating the main influence angle B and the ground loss parameters g as
unknown quantities,this paper found the minimum value of objective function based on MAMPSO
algorithm,field data and method of least squares,then analyzed the characteristics of spatial distribution
parameters that are reasonable,engineering significance and changes by the inversion results.
Key words:tunnels;shields;deformation;spatial distribution;MAMPSO algorithm
0引言
述其空间分布就是要确定该沉降盆的范围和大小。
据不完全统计，国外近百年来已建的跨海和越
对于地铁盾构隧道施工引起的地表变形空间
江隧道已逾百座。盾构法以其机械化程度高、掘进
分布问题的研究方法可以归结为经验公式法、理论
速度快、周围环境影响小、施工安全等优势，成为跨
解析法、反分析方法3类。Peck提出了地表横向槽
海越江隧道建设的首选施工方法。盾构施工引起
符合正态分布的Peck公式[)，Mair等2]建立了地
的地表变形是一个涉及不同土体的复杂力学性态
表以下地层位移的计算公式，经验公式法计算简
的转变和位移响应的空间三维过程。这个过程可
便，在实际工程中广泛应用，可用于粗略匡算盾构
近似理解随盾构推进而不断变化的地表沉降盆，描
施工引起的地表变形空间分布，但其局限性较大，
只能针对局部工程或地区使用；理论解析法[]是运
*国家自然科学基金(51408249；“十二五”国家科技支撑计划课题
用各种数学力学理论求解地表变形空间分布，该方
(2012BAK24B01);高等学校博士学科点专项科研基金
(20100142110061)
法应用的主要问题在于解析过程的复杂程度和对
[作者简介]周诚，博士，副教授，Emil:charleschou(@163.com
研究对象的近似简化假定条件之间的矛盾；上述两
[收稿日期120160426
种方法为正分析法，反分析法能较好地解决正分
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.//www.cnki.net
128
施工技术
第45卷
析法面临的“本构模型给不准”和“岩土体参数给不
500~1000m3/d,渗透系数大者为25~38m/d,小者
准”等制约瓶颈，经过几十年的发展，国内外众多学
为2.6~4.9m/d。
者提出了利用现场监控量测数据的岩土工程反分
1.3风险分析
析方法，由于以工程现场实测数据为基础，反分析
由于地质水文条件不确定性、盾构选型适应性
法在求解盾构隧道施工引起的地表变形空间分布
及设备可靠性、工作面稳定性、掘进姿态操作合理
问题上相对经济方便，且精度可靠，应用较为广泛。
性、注浆及拼装质量等问题的出现，一旦盾构施工
本文以武汉地铁2号线越江地铁隧道实际工程
过程中产生不允许的土层变形位移和过大的地表
为背景，通过对传统随机介质理论中的移动模型、
差异沉降，可能造成地表建筑物倾斜开裂、地下管
挤土效应模型等系统误差的改进，分别给出了盾构
线破损，严重时路面塌陷甚至冒顶，从而造成人员
隧道横断面和纵断面最终地表变形的空间分布计
伤亡并引发公共安全问题。
算公式。根据现场实测数据，基于MAMPSO算法，
1.4监测点布设
反演出未知量主要影响角B和地层损失参数g,并
《盾构隧道施工验收规范》GB50446一2008明
通过反演结果分析了空间分布特征参数的合理性、
确规定了必须对盾构隧道线路地表进行变形测量。
工程意义和变化规律。
根据相关规范要求，综合考虑隧道埋深及盾构施工
1工程概况
影响范围，武汉越江地铁盾构隧道左右线沿纵向在
1.1地铁盾构隧道地理位置
有条件的位置布设地表监测横断面，每断面8~15
武汉市轨道交通2号线越江盾构隧道工程是长
个监测点，横向监测范围为隧道中线H+2D;同时
江流域首条越江地铁盾构隧道工程，位于武汉长江
沿武汉越江地铁盾构隧道左右线纵向拱顶位置每
一、二桥之间。武汉越江地铁盾构隧道西起江汉路
5~10m布设1个地表监测点，并在盾构进出洞及重
站，在武汉关轮渡码头附近越江，东岸在武昌新河
要敏感地段适当加密布设，地表监测点布设如图2
街、江南明珠园附近转向南，沿和平大道到达积玉
所示。
桥站，全长约100m,盾构需要分别穿越汉口及武昌
-A横断面
长江防洪堤、江南明珠园、汉口苗家码头等重要建
隧道右线
0
00
(构)筑物，如图1所示。
盾构始发
端头井
江汉路站
汉口风井
隧道左线
联络通道
B一B横断面
a监测点布设平面
武昌风井
地面
联络通道及泵房
12钢筋
P
、12钢筋
联络通道
积玉桥站
套筒
bA一A横断面监测点布设剖面cB一B横断面监测点布设剖面
图1武汉越江地铁盾构隧道工程地理位置
图2武汉越江地铁盾构隧道左右双线
Fig.1 Tunnel engineering geographical location
地表监测点布置示意
1.2工程地质水文条件
Fig.2 Monitoring points layout
武汉越江地铁盾构隧道隧址段长江宽约
2基于改进的随机介质理论的盾构施工地表变形
1300m,两岸为长江冲积一级阶地，地形平坦，地面
空间分布计算
标高23.000~26.000m,主要为第四系全新统冲积
2.1随机介质理论
黏性土、粉土、淤泥质土、粉细砂、含砾中粗砂、粉细
随机介质理论被认为是计算地下少开采、城市
砂夹粉质黏土透镜体，厚35~60m。越江隧道段下
地铁隧道开挖引起的地表沉降的有效方法之一)。
伏基岩主要为志留系泥质粉砂岩、泥岩和白垩第三
对于平面应变问题，地下埋深H处开挖任意断面的
系砾岩等地层。阶地表层多为人工填土，覆盖厚约
单孔隧道，支护措施的时空效应使得隧道周围岩土
1.1~5.0m,汉口岸厚达11.0m。该地区地表水系
体向开挖空间运动，开挖断面由2收缩为ω，如图3
主要有长江水系、汉江水系、沙湖水系。含水岩组
所示。假定施工过程不排水、土体体积不可压缩条
渗透系数一般是阶地前缘大，后缘小，其富水性在
件下，隧道开挖引起土体最终沉降盆地的体积等于
平面上有明显的规律性，一级阶地前缘为水量丰富
地层损失的体积，根据随机介质理论和叠加原理，
和较丰富地段，单井涌水量1000~2000m3/d或
该断面的隧道中心线地表最终沉降为：
?1994-2016 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.//www.cnki.net
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