摘要
随着我国城市基础设施建设进一步推进，新建地铁浅埋暗挖隧道大多需要在地层土体软弱、地下水位高的富水环境下进行施工，科学合理的预测地表沉降，准确及时的反馈监测信息，掌握隧道施工过程中地层损失体系，对城市地下工程的设计与施工及确保周围建构筑的安全有重要意义。本文以北京地铁光熙门车站～西坝河车站区间典型富水砂层大断面暗挖隧道工程为研究背景，运用理论研究、数值模拟以及三维激光扫描仪获取的现场沉降监测点云数据三种方法，分别分析了开挖扰动引起的地层沉降损失、地层孔隙水压力损失以及地表沉降的精准监测，建立了城市地铁富水砂层大断面暗挖隧道施工过程中的地层损失体系。 (1)基于随机介质理论地层损失概念，结合有效应力原理，建立了考虑失水固结的大断面暗挖隧道分部施工过程中地层损失的模型计算公式，利用MATLAB数值计算软件对施工过程进行了全计算，并将计算结果与现场监测数据进行了对比。结果表明:建立的计算模型能够准确预测施工过程中的地层损失，对隧道断面范围内的地层损失预测准确度极高，预测误差最大仅为2％。通过对计算模型参数进行敏感性分析，得到各参数的敏感性从大到小依次为:tanβ＞隧道埋深H＞失水半径R＞固结度Cc＞地下水位H0。 (2)借助Flac3D有限差分软件，对典型工程的施工支护方案进行模拟，得到了施工过程中地层孔隙水压力损失、地层竖向位移和支护结构的演化过程。结果表明:施工掌子面孔隙水压力主要在隧道上方注浆形成的“注浆拱”的拱顶以及断面未注浆的范围;隧道施工过程中，沿施工掘进方向在每个导洞施工掌子面前、后10m到掌子面位置的范围内，是易发生涌水的位置;施工过程中地层沉降沿隧道中轴线对称分布;导洞1施工掌子面处的地表沉降值稳定在12mm左右;地面损失与支护结构的收敛也具有一定的相关性，在支护结构变形达到稳定20天后，其地表沉降也基本达到稳定;管棚竖向位移与导洞施工距离也呈现明显的相关性，管棚施工接处应力较为薄弱，位移相对较大。 (3)为探究三维激光扫描仪在复杂条件下城市地铁隧道沉降变形监测上的应用，利用正交试验方法设计出了以有无模拟车载、不同水平测距及测量环境为因素水平的扫描误差拟水平试验;运用基线比较模型的方法建立了两种误差改正模型。研究表明:水平测距及模拟车载是影响扫描仪误差的显著因素;结合建立的误差改正模型，改正后的点位误差与扫描仪测距的系统相关性明显降低，点位坐标符合后期点云拼接及规范中监测点位的精度要求，为三维激光扫描技术在地铁隧道沉降变形监测上的应用提供了理论依据。 (4)通过扫描仪获取的沉降曲面点云沉降数值，用MATLAB对施工过程的沉降曲面进行曲面拟合，定量分析了富水砂层大断面暗挖隧道施工过程中地表沉降情况，该研究方法和给出的地面沉降曲面与施工时间的关系式可为同类工程施工提供经验。
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