1.1 项目背景

当前，我国经济的不断发展，为顺应立体城市的建设，城市地铁交通设施发展迅速，其中盾构法在隧道工程中的应用越来越多，盾构法施工不可避免地会引起地面和地下土体的移动，当土体位移过大时，甚至导致地面沉陷、周边建筑物损害、基坑垮塌、重要地下管线等城市生命线工程损害事故，往往造成严重的经济损失和社会影响^[1–3]。此外，盾构穿过的房屋地下室外墙基础的附近区域，由于地层损失的影响，建筑物基础及其挡土结构土压力出现非线性变化，从而引起结构内力和变形的变化，对已建和在建构筑物的安全产生影响。

由于地层变形计算的难度较大，国内外关于隧道施工引起地面沉降的计算广泛采用经验法，其中Peck^[4]通过对大量的地表沉降数据和有关工程资料进行分析后，得到地表沉降槽呈似正态分布的结论，并提出地表沉降分布和地表最大沉降量的估算公式。由于 Peck 公式是基于有限地区的实测资料提出的经验公式，其使用具有一定的局限性。刘建航和侯学渊^[5]，Attewell和Woodman^[6]，尹旅超等人^[7]等对该公式进行了修正和补充。王建秀等人^[8]等对地层损失概念进行了重新界定，建立了基于沉降预测-施工控制的地层损失概念模型，提出了基于"地面沉降-地层损失-施工参数"联系通道的地面沉降控制流程。阳军生^[9]使用随机介质理论，分析和预测盾构法隧道引起的地表沉降。张玉军和熊传义^[10]等以武汉地铁重点地质剖面为例，采用平面弹塑性有限元方法分析了盾构施工过程土体中的塑性区、位移、应力分布及地面下沉情况。姜忻良和赵志民^[11]根据土体损失的空间分布规律，应用镜像法、源汇法原理，采用数值积分方法，对隧道推进过程中由土体损失产生的位移场进行空间分析，得到隧道周围土体的位移场分布。

挡土结构土压力问题一直是土力学的热门问题，Terzaghi等通过大量的模型试验^{[12, 13]}对经典土压力理论提出了质疑，明确了土体达到极限状态和挡土结构变形之间的关系，认为只有当土体水平位移达到一定值，土体产生剪切破坏时，经典的库仑和朗肯土压力值才几乎正确，并给出了摩擦影响下的土压力计算方法。对于一侧受限的条件，Janssen在谷仓试验中研究了侧压力随填料高度的变化并推导了土压力计算方法^[14]，揭示了受双侧壁摩擦影响的条件下，土压力的非线性分布特征。Chen和Fang^[15]进行了挡土墙土压力的室内模型试验，Take和Valsangkar^[17]开展了离心机试验。叶晓明^[18]根据卸载拱原理推导出了柱板结构挡土墙墙板上的土压力计算公式，计算结果表明，作用在板上的侧压力并不随埋深线性增长，此结论与工程实际情况较为一致。

面对城市越来越复杂的工程边界条件，现有的地层变形预测方法和土压力计算方法存在不能适用的情况，盾构隧道临近建筑基础穿越引起的地面沉降与土压力问题还缺少专门的研究。模型试验是探讨这一问题最为直接方法，侧向土压力试验一般采用土压力盒作为测试手段，但是土压力盒测试精度受介质类型与相对密度影响很大^[19]。由于侧向填料难以密实，且在变形中密实度持续发生变化。因此，其测试精度难以保证。目前，模型试验还需要采用更为可靠的测试方法。

1.2 研究意义

进入21世纪，城市地下空间在加强城市功能，改善城市环境，实现城市集约化和可持续发展中将发挥越来越重要的作用。在地铁、公路、铁路、输气、输水等国家大型公共地下工程建设中， 盾构法的使用最为广泛。盾构隧道穿越城市高层建筑的深基础时，不可避免的扰动了土层原来的状态并产生地层损失，造成了不同程度的地面沉降，对地表建构筑物以及地下浅埋的管道等带来不良影响。此外，在盾构穿过的隧道周围地层就会产生变形或错动，因而产生应力释放现象，这种应力释放现象本质是隧道周围应力向临近地层传递，即土拱效应的结果。土拱效应以及贯穿的盾构隧道出现在建筑物的深基础周边，使得基础侧向受到的土压力分布出现了明显的改变。

针对越来越多的盾构隧道临近建筑基坑、基础的单侧或双侧受限条件，由于其边界条件的复杂性，目前的变形预测与土压力理论难以给出准确的评价结果，很大程度上存在不能适用的问题，给安全评价与设计施工带来了不确定性。基于此现状，利用二维模型试验方法模拟盾构穿越城市受限场地的工况条件，得到更为完善准确的沉降槽沉降量分布规律以及盾构引起的附近建筑物基础上土压力分布变化规律，十分具有实际意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容

在目前对盾构引起地面沉降与土压力研究现状认识的基础上，通过模型试验、数值模拟、理论分析，对盾构穿越受限场地的地面沉降规律与土压力分布进行研究，得到沉降预测与土压力计算方法。主要内容如下：