软黏土地基开挖引起已建隧道变形时空演化规律研究

Tunnel deformation caused by pit excavation in soft clay is characterized with the development of time and space. Current research has not yet described the tunnel deformation pattern and its space-time evolution progress caused by excavation effectively. Based on the true triaxial apparatus, the stress-strain behavior of normal consolidation of saturated soft clay due to stress relief is studied by simulating the stress path caused by excavation. An improved constitutive model is constructed based on hypoplasticity model and consolidation theory combining laboratory tests. Three-dimensional finite element analysis is then carried out by adopting the improved constitutive model in which stress path and small-strain stiffness and consolidation characteristics of soft clay can be captured. Effects of relative distance between excavation and tunnel, the stiffness of the tunnel and the retaining structure, soil stiffness and the consolidation parameters on tunnel deformation are studied. The space-time evolution of tunnel deformation caused by excavation in soft clay foundation is revealed and the mechanism is explained. Based on systematic analysis of laboratory tests and numerical analysis, a formula is proposed lastly to predict tunnel long-term deformation combining stress relief theory and non-linear consolidation theory. The validity of the formula can be verified by in-situ monitoring. The research will provide an important scientific basis and practical analysis method for the analysis and safety evaluation of tunnel deformation caused by excavation.

软黏土地基中的隧道变形具有随时间和空间变化不断发展的特点。已有研究尚不能有效地描述软黏土中基坑开挖引起的隧道变形模式及其时空演变过程。本项目拟以正常固结饱和软黏土为研究对象，开展真三轴试验模拟基坑开挖作用下的应力路径，研究卸荷条件下软黏土的应力-应变特性，并基于亚塑性黏土模型和固结理论，建立考虑软黏土劲度应力-应变依赖以及固结特性的本构模型。在此基础上，开展基坑-隧道-土体相互作用的数值模拟，研究基坑与隧道的相对空间位置、隧道和支挡结构的刚度、土体劲度和固结参数等因素对隧道变形的影响，揭示软黏土地基基坑开挖引起隧道变形的时空演化规律，阐明隧道变形机理。基于系统的室内试验和数值分析，结合土体卸荷变形的解析理论和固结理论，推导预测隧道变形随时间变化的简化计算公式，通过与现场实测结果的对比分析，验证计算方法的有效性。研究成果可为开挖卸荷引起隧道变形的分析和安全评价提供科学依据和实用分析方法。

软黏土地基中的隧道变形具有随时间和空间变化不断发展的特点。本项目通过开展三轴试验模拟基坑开挖作用下的应力路径，研究了卸荷条件下软黏土的应力-应变特性，并基于亚塑性黏土模型和固结理论，建立了考虑软黏土劲度应力-应变依赖以及固结特性的计算模型。在此基础上，开展基坑-隧道-土体相互作用的数值模拟，研究了基坑与隧道的相对空间位置、隧道和支挡结构的刚度、土体劲度和固结参数等因素对隧道变形的影响，揭示了软黏土地基基坑开挖引起隧道变形的时空演化规律，阐明了隧道变形机理。基于室内试验和数值分析，结合土体卸荷变形的解析理论和固结特点，提出了隧道变形计算方法，通过与工程案例的对比分析，验证了计算方法的有效性。为了控制隧道变形，提出了一系列隧道变形控制方法，并进行了评估和优化分析。项目重要研究结果及关键数据：（1）相对于常规三轴试验得到的压缩模量或弹性模量，软黏土卸荷模量相对较大，应力路径对软黏土卸荷模量的影响显著，平均固结压力与初始卸荷模量线性相关。（2）基坑开挖导致应力释放，引起坑底下方隧道隆起。基坑开挖完成后，孔隙水压力消散，有效应力增长导致隧道隆起进一步增大，土体固结完成时引起的基坑隆起比基坑开挖完成时增大了1.18倍,引起隧道横截面衬砌直径变形增大1.48倍。固结效应对隧道纵向和横向变形影响均较显著。（3）黏土地基基坑开挖引起的隧道变形随着基坑开挖深度的增大而逐渐增大，但增速变缓；随着衬砌刚度的对数而线性增大；随着固结时间的自然对数增长而线性增大；而随土体渗透系数的变化不显著。（4）提出了能够预测黏土地基基坑开挖引起隧道变形从短期到长期的数值和解析预测方法。研究成果可为开挖卸荷引起隧道变形的分析和安全评价提供科学依据和实用分析方法。