含約束圍巖有限層法在隧道施工地面沉降分析的應(yīng)用

田管鳳，余新盟

（東莞理工學(xué)院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學(xué)院 廣東東莞 523808）

0 引言

盾構(gòu)掘進(jìn)是地鐵隧道施工的主要工法，在復(fù)合地層圍巖的地質(zhì)環(huán)境下，地層變化復(fù)雜程度加劇，對(duì)地面沉降進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)有利于控制盾構(gòu)施工進(jìn)程，降低掘進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)。

50多年來(lái)，研究地面沉降預(yù)測(cè)的理論和方法不斷發(fā)展創(chuàng)新。工程界廣泛采用PECK 公式［1］，依據(jù)新的條件進(jìn)行修正，分析地面沉降量及其影響因素的變化規(guī)律［2-3］，推廣應(yīng)用直到現(xiàn)在。雖然應(yīng)用方便，然而面對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件和多變的掘進(jìn)參數(shù)，公式的物理依據(jù)不夠充分，經(jīng)驗(yàn)公式法的適用范圍存在一定局限性。隧道開(kāi)挖引起地面沉降的解析法則具備了比較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)。較多研究基于均質(zhì)彈性半空間地基模型［4］，能夠考慮地基的彈性材料參數(shù)或考慮土體損失率［5］，或者利用鏡像理論和Mindlin解推導(dǎo)曲線隧道的地面沉降預(yù)測(cè)公式［6］。然而，對(duì)于復(fù)雜的非均質(zhì)復(fù)合地層問(wèn)題，采用解析法難以得到完整解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法等數(shù)值分析法應(yīng)用到隧道掘進(jìn)的地面沉降研究［7-8］。數(shù)值模型能夠全面考慮隧道幾何特征、巖土材料和掘進(jìn)參數(shù)，具有普適性的優(yōu)勢(shì)。不足之處在于，隧道空間有限元分析的參數(shù)繁多，劃分單元數(shù)量巨大，影響到有限元法分析的效率和精度。目前人工智能飛速發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等方法應(yīng)用于地面沉降預(yù)測(cè)［9-12］，不同的數(shù)據(jù)集適應(yīng)不同的預(yù)測(cè)方法，對(duì)隧道施工的沉降控制提供指導(dǎo)。人工智能算法的優(yōu)勢(shì)在于能夠考慮高維參數(shù)和沉降之間的非線性關(guān)系，然而計(jì)算性能嚴(yán)重依賴于大量源數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性。

綜上所述，隧道施工地面沉降的各類研究方法都有其優(yōu)勢(shì)和局限。本文擬建立含約束的超級(jí)有限層法，是一種半解析半數(shù)值法，既具有解析法的優(yōu)點(diǎn)，能夠更好地模擬地層單元之間的接觸關(guān)系；同時(shí)具有數(shù)值解法的優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)巖土地層的多樣化特征，從而解決復(fù)合地層圍巖隧道施工地面沉降分析的課題。

1 圍巖有限層法計(jì)算模型

超級(jí)有限層法基本原理來(lái)源于田管鳳等人［13］的研究結(jié)果，地基層元的位移函數(shù)選擇包含6 個(gè)未知參數(shù)的5 次完全多項(xiàng)式，稱之為六參數(shù)位移函數(shù)。引入超級(jí)有限元思想后，建立了多地層分析的超級(jí)有限層法，可以解決多層地基在水平、豎向等多種荷載作用下計(jì)算地基應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的力學(xué)課題。本文將該方法應(yīng)用解決隧道開(kāi)挖的地面沉降分析，并考慮圍巖體域內(nèi)存在盾殼、襯砌、孤石等內(nèi)部約束的情形，形成考慮內(nèi)部約束的圍巖有限層法。沿隧道軸向和橫向的圍巖有限層法計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 圍巖有限層法計(jì)算模型Fig.1 Finite Layer Method Calculation Model for Surrounding Rock

隧道圍巖分析的三維體域?yàn)閷挾菳×高度H×長(zhǎng)度L，分別沿三維坐標(biāo)軸的x，y，z方向。從地表沿深度z分析，隧道圍巖的地層厚度按照h1，h2，…，hn順序分布。每層的巖土材料參數(shù)分別為變形模量Esi，泊松比μi，i=1，2，…，n。隧道中心軸線所在地表以下的埋深hp，隧道外徑De。隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度包括盾殼段L1和襯砌段L2。隧道體域的邊界條件設(shè)置，底板約束條件按剛性粗糙支承考慮，四面采用簡(jiǎn)支約束。

隧道施工時(shí)圍巖體域內(nèi)的約束，指圍巖內(nèi)部存在的約束面對(duì)于巖土體沿某個(gè)方向位移的限制。根據(jù)約束的形成原因，主要分為兩類：①由于施工形成的隧道掘進(jìn)盾殼支護(hù)段和襯砌支護(hù)段，為支護(hù)約束，該約束面是圍巖與支護(hù)的接觸面，呈圓環(huán)形，可通過(guò)支護(hù)外徑尺寸換算得到；②天然存在于圍巖的孤石，為天然約束。如圖1 所示，孤石的形心位置通過(guò)與隧道軸線的相對(duì)距離來(lái)確定，沿隧道橫向x、縱向y和豎向z三個(gè)方向距離分別為es、ls和hs。

隧道盾構(gòu)施工時(shí)的荷載有巖土自重、支護(hù)壓力、掘進(jìn)推力、盾殼與圍巖的摩擦力、刀盤扭矩等多項(xiàng)。本文主要分析盾構(gòu)掘進(jìn)瞬間引起的地面沉降，采用含約束圍巖有限層法計(jì)算時(shí)做出以下假設(shè)：

⑴巖土自重不再主動(dòng)引起地面沉降，不計(jì)圍巖體自重荷載。

⑵盾殼、襯砌與圍巖接觸的徑向支護(hù)壓力呈放射形分布。經(jīng)過(guò)綜合分析對(duì)地面沉降的影響因素，認(rèn)為支護(hù)壓力的數(shù)值較小，可暫時(shí)不計(jì)。但是，會(huì)考慮支護(hù)約束對(duì)地面沉降的影響。

⑶將盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)總推力、盾殼與圍巖的摩擦力兩項(xiàng)綜合考慮，依有關(guān)資料［14］，經(jīng)過(guò)換算得到有效推力pe。

⑷作用于隧道開(kāi)挖面的盾構(gòu)刀盤扭矩對(duì)地層主要產(chǎn)生切削破碎功能，對(duì)于由掘進(jìn)推力引起圍巖應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的影響很小。因此在圍巖有限層法建模時(shí)，扭矩不作為外荷載計(jì)入。

這樣，通過(guò)盾構(gòu)掘進(jìn)在隧道開(kāi)挖面以有效推力pe對(duì)圍巖施加水平荷載，應(yīng)用含約束圍巖有限層法計(jì)算可得圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)以及地面沉降。

2 考慮內(nèi)部約束的圍巖有限層法

依據(jù)超級(jí)有限層法基本原理，可以解決均質(zhì)各向同性有限層地基在受到位于任意深度處的豎向力、水平力等荷載的位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)求解的課題。在隧道盾構(gòu)施工狀態(tài)應(yīng)用圍巖有限層法分析，主要解決內(nèi)部約束如何分析處理的問(wèn)題。首先假設(shè)僅有單個(gè)水平約束面的情形，如圖2所示。

圖2 圍巖體內(nèi)豎向單約束面Fig.2 Single Vertical Constraint Surface in Surrounding Rock

圍巖空間坐標(biāo)系xyz，作用任意外荷載P。內(nèi)部有一個(gè)垂直于z軸的水平約束面C，約束面中心坐標(biāo)為（x0，y0，z0），寬度△x，長(zhǎng)度△y。

據(jù)約束面的位移條件：z方向位移wc=0。假設(shè)該約束面法向反力pz均勻分布，基于超靜定結(jié)構(gòu)分析的力法原理計(jì)算步驟如下：

⑴圍巖在無(wú)約束原荷載P狀態(tài)下，采用超級(jí)有限層法計(jì)算約束面產(chǎn)生的水平位移為w0。

⑵圍巖在僅有約束面無(wú)外荷載狀態(tài)下，設(shè)約束反力pz的單位分布力pz=1 kPa 作用于約束面上產(chǎn)生位移wˉ。

⑶根據(jù)約束面對(duì)豎向位移約束條件wc=0，有

因此，約束面反力值為pz=w0/wˉ。后續(xù)將約束力和原荷載疊加作用于圍巖，采用超級(jí)有限層法，即可以獲得考慮該約束面的計(jì)算結(jié)果。該水平約束面垂直于z軸，阻止圍巖在z方向豎向位移，定義為“W”型豎向約束。同理，分別垂直于x、y軸的豎直約束面，阻止圍巖在隧道水平橫向x、隧道水平縱向y方向的位移，分別定義為“U”型橫向約束、“V”型縱向約束。

在實(shí)際應(yīng)用中，沿隧道軸向的單位長(zhǎng)度盾構(gòu)襯砌為圓環(huán)形，在與圍巖的接觸面處產(chǎn)生的約束面為圓環(huán)面，可以分兩個(gè)步驟近似處理。如圖3所示，先將襯砌外徑的圓弧形1-2-3-4-5-6-7-8-1，簡(jiǎn)化多邊折線形，再將每條折線所在斜面約束沿與x、z軸垂直的平面投影，1-1'-2-2'-3-3'-4-4'-5-5'-6-6'-7-7'-8-8'-1，分解為“U”型、“W”型約束面組，最后疊加計(jì)算分析。同理，對(duì)于孤石約束的分析，也可以將孤石的實(shí)際幾何形體分解為多個(gè)規(guī)則的U、V、W 型約束面進(jìn)行疊加計(jì)算。

圖3 隧道支護(hù)約束面分解Fig.3 Constraint Surface Decomposition of Tunnel Support

隧道施工荷載主要分析作用于開(kāi)挖面的盾構(gòu)掘進(jìn)有效推力pe。如圖4所示，推力作用面為圓形，直徑為盾構(gòu)機(jī)外徑De，依等面積折算為邊長(zhǎng)0.886De的正方形。將pe按照水平均布荷載作用于開(kāi)挖面。

圖4 隧道有效推力作用面Fig.4 Action Plane of Tunnel Effective Thrust

3 盾構(gòu)隧道施工地面沉降分析實(shí)例

廣州市軌道交通13 號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)里程ZDK60+258.191～ZDK62+089.976，總長(zhǎng)1 831.785 m，選擇前1 050 m 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，剩余段進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試。采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾殼外徑De=6 260 mm，管片外徑DSe=6 000 mm，內(nèi)徑DSi=5 400 mm。隧道圍巖計(jì)算模型體域B=60 m，L=60 m，H=30 m。隧道軸線位于地面以下hp=18 m。隧道洞頂覆蓋層包含粉質(zhì)粘土，局部含淤泥質(zhì)土軟土層；可塑～硬塑狀砂質(zhì)粘土層。隧道基巖為中風(fēng)化～微風(fēng)化混合花崗巖。沿線圍巖地層變化復(fù)雜，將隧道開(kāi)挖面劃分8個(gè)類別的地層組段，編號(hào)GS1～GS8。每一個(gè)組段代表一段地質(zhì)條件相近的圍巖地層，巖土分布特征、物理力學(xué)指標(biāo)以及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)都是經(jīng)過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)獲得每個(gè)組段的平均值，如表1所示。

表1 地層組段的巖土性質(zhì)參數(shù)Tab.1 Property Parameters of Stratigraphic Segments

據(jù)文獻(xiàn)［14］，盾構(gòu)掘進(jìn)有效推力可以采用盾構(gòu)千斤頂總推力扣除盾構(gòu)機(jī)外殼與土體間、盾尾與管片間的摩阻力計(jì)算得到。收集盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)獲得每個(gè)地層組段的貫入度f(wàn)；并結(jié)合表1 巖土性質(zhì)參數(shù)，計(jì)得有效推力pe，如表2所示。

表2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及開(kāi)挖面水平位移理論值Tab.2 Shield Tunneling Parameters and Theoretical values of Horizontal Displacement of Excavation Surface

應(yīng)用含內(nèi)部約束的圍巖有限層法，計(jì)算每個(gè)地層組段在有效推力作用下產(chǎn)生的圍巖空間位移場(chǎng)。開(kāi)挖面水平位移理論值u如表2 所示。將地面沉降最大理論值w和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大實(shí)測(cè)值w0進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。地層組段GS3 和GS4 的沉降理論值與實(shí)測(cè)值非常接近，GS1 和GS2 的理論值大于實(shí)測(cè)值；而GS5～GS8 則是理論值小于實(shí)測(cè)值。結(jié)合表1 的地層分布特點(diǎn)，地層組段的整體剛度隨著編號(hào)逐漸增大，說(shuō)明含約束圍巖有限層法采用彈性參數(shù)計(jì)算得到沉降的方法可以很好的適用于砂質(zhì)黏土層圍巖。然而對(duì)于較軟弱的軟黏土和硬質(zhì)的風(fēng)化混合花崗巖層圍巖，還需要考慮能夠影響地面沉降的其它因素進(jìn)行綜合分析。

圖5 地面沉降最大實(shí)測(cè)值和理論值比較Fig.5 Comparison between the Maximum Measured and Theoretical Values of Ground Settlement

分析盾構(gòu)掘進(jìn)的力學(xué)機(jī)制，盾構(gòu)刀盤作用于開(kāi)挖面的力效應(yīng)有兩組。一組是有效推力的壓力作用，刀盤在盾構(gòu)掘進(jìn)瞬時(shí)施加水平方向的壓應(yīng)力，作用于隧道開(kāi)挖面，使開(kāi)挖面巖土層發(fā)生壓縮變形。另一組是刀盤扭矩的旋切作用，在開(kāi)挖面施加剪切應(yīng)力使巖土層發(fā)生剪切破碎。兩組力作用效應(yīng)同時(shí)作用于圍巖，因此分析地面沉降也需要綜合考慮兩方面力效應(yīng)。據(jù)上文圍巖有限層法假設(shè)，計(jì)算不計(jì)入扭矩，有效推力所引起的地面沉降理論值w只能夠反映出壓力作用效應(yīng)。因此，考慮刀盤扭矩的旋切作用對(duì)地面沉降值的影響，可以引入掘進(jìn)參數(shù)貫入度f(wàn)來(lái)分析。貫入度f(wàn)是刀盤旋轉(zhuǎn)一周盾構(gòu)水平掘進(jìn)的入土深度，數(shù)值上等于掘進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速的比值。如果刀盤扭矩越大，f越大，會(huì)引起圍巖水平位移的增大。在數(shù)據(jù)分析時(shí)，構(gòu)造u/f作為自變量，w/w0作為因變量，可獲得兩者之間關(guān)系如圖6所示。

圖6 u/f與w/w0的關(guān)系Fig.6 The Relationship between u/f and w/w0

可見(jiàn)，盡管8個(gè)組段的地層分布完全不同，然而所有組段的兩個(gè)變量之間的線性關(guān)系非常顯著。采用EXCEL擬合得到以下關(guān)系式：

同時(shí)，相關(guān)系數(shù)R2=0.944 3，表明擬合效果很好。由此說(shuō)明，地面沉降雖然由圍巖地質(zhì)特征和盾構(gòu)有效推力起決定作用，但同時(shí)也與刀盤扭矩產(chǎn)生的貫入度相關(guān)，可以用來(lái)解釋圖5 的現(xiàn)象。依據(jù)圍巖有限層法原理，在有效推力單獨(dú)作用的工況下，產(chǎn)生的開(kāi)挖面水平位移理論值為u，同時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的地面沉降最大理論值為w。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，在有效推力和刀盤扭矩共同作用工況下產(chǎn)生的水平位移實(shí)測(cè)值設(shè)為u0，同時(shí)地面沉降最大實(shí)測(cè)值為w0。其中，有效推力產(chǎn)生的開(kāi)挖面巖土壓縮變形引起的水平位移設(shè)為u01，相應(yīng)的地面最大沉降值w01；刀盤扭矩對(duì)巖土層的切削破巖作用使開(kāi)挖面產(chǎn)生的水平位移設(shè)為u02，但由于扭矩對(duì)圍巖豎向位移場(chǎng)的影響很小，則產(chǎn)生相應(yīng)的地面沉降值可近似忽略，w02≈0。這樣，u0=u01+u02，w0=w01。如果在理想狀況下，僅考慮有效推力作用，理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)的那部分沉降值應(yīng)該相等，即u=u01，w=w01。

對(duì)于地層組段GS3和GS4，主要是砂質(zhì)黏土層，含有砂粒含量高，塑性較低，質(zhì)地疏松且顆粒較大。在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切摩擦力較小，開(kāi)挖面土顆粒被切削后，沿盾構(gòu)前進(jìn)方向的原狀土顆粒在側(cè)壓力下即刻會(huì)向開(kāi)挖面移動(dòng)過(guò)來(lái)填充，從而扭矩引起水平位移實(shí)測(cè)值會(huì)很小，u02≈0。這樣，u=u0=u01，w=w0，地面沉降最大理論值和實(shí)測(cè)值符合。

對(duì)于地層組段GS1、GS2，主要是軟黏土層，含水量大，可塑性高，開(kāi)挖后易變形。對(duì)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的剪切摩擦力較大，甚至出現(xiàn)泥餅現(xiàn)象。從而引起u02出現(xiàn)負(fù)值，u0=u01+u02＜u01。這樣，u=u01＞u0，w＞w0，地面最大沉降理論值大于實(shí)測(cè)值。

對(duì)于地層組段GS5～GS8 全風(fēng)化至微風(fēng)化混合巖花崗巖地層，軟至硬巖，隨著風(fēng)化程度降低，抗壓強(qiáng)度增高。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的切削作用，使開(kāi)挖面巖土破碎掉落而自然產(chǎn)生水平位移，引起u02為正值，u0=u01+u02＞u01。從而u=u01＜u0，w＜w0，因此地面最大沉降理論值小于實(shí)測(cè)值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證擬合關(guān)系式⑵的可靠性，基于依托工程隧道線路段的測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)每類地層組段隨機(jī)選取相應(yīng)的隧道開(kāi)挖面進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)。例如，地層組段GS1對(duì)應(yīng)開(kāi)挖面編號(hào)為S1，具有相近的地層巖土特征。采用圍巖有限層法計(jì)算隧道開(kāi)挖面S1～S8 在盾構(gòu)掘進(jìn)有效推力作用下產(chǎn)生的水平位移u和地面沉降最大理論值w，結(jié)合盾構(gòu)貫入度f(wàn)，通過(guò)式⑵可計(jì)算得到“w0”作為預(yù)測(cè)值w*。將w*和現(xiàn)場(chǎng)沉降實(shí)測(cè)值w0進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示?？梢?jiàn)，沉降預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值的一致性良好。因此，也可以應(yīng)用式⑵進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)的地面沉降預(yù)測(cè)。

圖7 地面沉降最大預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較Fig.7 Comparison between the Maximum Predicted and Measured Values of Ground Settlement

4 討論

通過(guò)對(duì)圖5 的規(guī)律分析和機(jī)理解釋，各地層組段的地面沉降理論值相比實(shí)測(cè)值有偏大、相近和偏小的3 種情況。分別選擇GS2、GS4、GS6 三類圍巖的含約束圍巖有限層法理論計(jì)算結(jié)果繼續(xù)分析，對(duì)地面沉降沿隧道縱向和橫向分布的特點(diǎn)進(jìn)行討論。

4.1 隧道縱向的地面沉降分布

沿隧道軸線正上方在地面對(duì)應(yīng)y軸上取計(jì)算點(diǎn)，以計(jì)算點(diǎn)與隧道豎直開(kāi)挖面的距離為橫坐標(biāo)，沿隧道縱向的地面沉降理論值分布曲線如圖8 所示，分布范圍0 ～30 m?？梢?jiàn)，GS2、GS4、GS6地層組段圍巖的3條地面沉降縱向分布曲線的變化規(guī)律相似，而且都在距開(kāi)挖面12 m 處達(dá)到最大值，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)最大沉降值距開(kāi)挖面11 ～15 m 范圍一致性良好。隨著圍巖剛度提高，沉降值減小，沉降縱向變化曲線更趨于平緩。在開(kāi)挖面附近0～0.2 m 段，地面有微微向上隆起，位移量不超過(guò)-0.05 mm。

圖8 隧道縱向及橫向地面沉降分布曲線Fig.8 Ground Settlement Curves along the Tunnel Longitudinal Direction and Transverse Direction

4.2 隧道橫向的地面沉降分布

據(jù)圖8?所示，沿地面沉降最大值所在的隧道橫向選擇計(jì)算點(diǎn)，與隧道軸線水平距離為x坐標(biāo)，地面沉降理論值分布如圖8?所示，計(jì)算范圍-30～30 m。GS2、GS4 和GS6 地層組段圍巖條件下，3 條沉降槽的變化規(guī)律相似，在隧道軸線正上方地面沉降達(dá)到最大值，向兩側(cè)逐漸減小，符合PECK 提出的正態(tài)分布規(guī)律［1］。隨著圍巖剛度提高，沉降值減小，橫向變化曲線更趨于平緩。在x=±12 m 時(shí)，沉降值趨于0。后繼續(xù)向外側(cè)擴(kuò)展，12 m＜|x|≤30 m，地面向上微微隆起?？梢?jiàn)，隧道軸線左右1.5De≈9 m 范圍為主沉降區(qū)，占沉降曲線的80%，1.5De范圍至2De≈12.52 m 范圍為次沉降區(qū)，2De距離范圍之外地表沉降小于1 mm。這些沉降分布規(guī)律都與盾構(gòu)工程實(shí)踐監(jiān)測(cè)情況相符［15］。通過(guò)以上討論，說(shuō)明了應(yīng)用基于含約束圍巖有限層法分析盾構(gòu)隧道地面沉降的合理性和可靠性。

此外，對(duì)開(kāi)挖面前方存在孤石的情況也進(jìn)行了分析。將孤石設(shè)置為邊長(zhǎng)1 m 的立方體，形成6 個(gè)約束平面，U、V、W 型各為2個(gè)。然而，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：將體積為1 m3的孤石置于開(kāi)挖面正前方2 m 處，引起地面沉降最大值變化不超過(guò)3%。因此，將無(wú)法從沉降變化來(lái)推測(cè)孤石的存在，故未進(jìn)行詳細(xì)分析。

5 結(jié)論

對(duì)復(fù)合地層圍巖進(jìn)行合理模擬和精準(zhǔn)計(jì)算，一直是隧道施工地面沉降分析的關(guān)鍵。含約束圍巖有限層法，可以適應(yīng)巖土地層的多樣化幾何特征，考慮襯砌對(duì)圍巖的約束作用，獲得在盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)時(shí)圍巖的位移場(chǎng)。通過(guò)工程實(shí)例分析獲得以下結(jié)論。

⑴ 采用含約束圍巖有限層法計(jì)得地面沉降最大理論值w和開(kāi)挖面水平位移u，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)貫入度f(wàn)以及沉降實(shí)測(cè)值w0存在相關(guān)性。即使對(duì)于不同地層組段圍巖，u/f與w/w0具有顯著的線性關(guān)系。將擬合公式⑵用于沉降預(yù)測(cè)，具有良好效果。

⑵如果不考慮掘進(jìn)參數(shù)貫入度的影響，含約束圍巖有限層法可直接用于砂質(zhì)黏土層圍巖隧道的地面沉降分析。不同地質(zhì)特征圍巖隧道，刀盤扭矩對(duì)地面沉降值的影響程度不同。對(duì)于砂質(zhì)黏土層，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的地面沉降主要由有效推力作用產(chǎn)生，刀盤扭矩以及貫入度對(duì)地面沉降的影響很小以至可以忽略，因此適用含約束圍巖有限層進(jìn)行計(jì)算，獲得精準(zhǔn)度高。然而，對(duì)于軟黏土層和巖質(zhì)層圍巖隧道，刀盤扭矩的影響不可忽略，會(huì)導(dǎo)致地面沉降的理論值與實(shí)測(cè)值相差較大。

⑶通過(guò)應(yīng)用含約束圍巖有限層法分析不同地層組段圍巖隧道的地面沉降沿縱向和橫向的分布規(guī)律發(fā)現(xiàn)，沉降最大值發(fā)生在距開(kāi)挖面后方12 m 處，這些特征都與工程實(shí)踐情況相符合。進(jìn)一步說(shuō)明了含約束圍巖有限層法分析復(fù)合地層圍巖的合理性和可靠性。