基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響分析

摘要：在有限的城市地下空間中，地鐵隧道在其使用階段不可避免地會受到臨近工程活動影響�；�坑開挖對臨近地鐵隧道會產(chǎn)生較大的不利影響，關(guān)系到地鐵隧道的正常使用及安全性問題。將基坑開挖施工對鄰近既有隧道影響的研究方法歸納為：理論法、數(shù)值分析方法和現(xiàn)場實(shí)測方法，對發(fā)展概況及研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，提出了目前該領(lǐng)域中需要研究的一些課題。

關(guān)鍵詞：既有隧道；基坑開挖；變形；卸荷

Abstract: In the limited city underground space of subway tunnel in the using stage, inevitably will be close to engineering activities. Foundation pit excavation on adjacent metro tunnel will have a larger adverse effects related to the subway tunnel, the normal use and safety problems. The excavation of foundation pit on adjacent existing tunnel effect research methods summarized as: theory, numerical analysis and field measurement method, the development survey and research progress were summarized, put forward the need to study in some project.

Key words: tunnel; excavation; deformation; unloading

中圖分類號 : TV551.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：

前言

處于城市環(huán)境中的地鐵隧道，在其使用階段不可避免地會受到這樣或那樣的工程活動影響。臨近基坑工程是較常見的影響因素之一。由于開挖基坑將引起坑底回彈（隆起）、墻后土體側(cè)移以及坑外地面沉降等，顯然會影響甚至改變其近處地鐵隧道的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。由于隧道本身剛度很大，隧道會對土體的這種變形趨勢產(chǎn)生一種抵抗作用，這種抵抗作用使得作用在隧道上的偏差應(yīng)力進(jìn)一步增大，從而使得隧道的橫向變形增大。另外，坑底土體加固、地下連續(xù)墻施工以及基坑降水等對土體的擾動同樣也會對隧道產(chǎn)生較為顯著的影響。

因此，基坑工程對地鐵隧道的影響，是在進(jìn)行基坑開挖過程中需要密切關(guān)注的問題，它關(guān)系到地鐵隧道的正常使用及安全性問題。地鐵隧道沿線的工程建設(shè)盡管有規(guī)劃，但從長遠(yuǎn)看仍具有一定的不可預(yù)見性，目前尚無法在地鐵隧道設(shè)計階段就從理論上考慮地鐵周圍工程建設(shè)對其變形的影響。因此，研究基坑施工對臨近既有隧道的影響規(guī)律，進(jìn)而提出優(yōu)化方案，具有重要意義。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

基坑與既有隧道的相對位置，主要是基坑在隧道上方，或是基坑在隧道旁側(cè)。研究內(nèi)容包括：基坑卸載、降水對臨近隧道影響研究，基坑坑底加固（如攪拌樁施工等）對臨近隧道影響研究，基坑施工優(yōu)化方案等。查閱國內(nèi)外主要文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)基坑開挖對鄰近既有隧道影響的研究方法主要分為：理論法、數(shù)值分析法和現(xiàn)場實(shí)測方法。

2.1 理論法

陳郁等(2005)[1]以上海東方路下立交工程為背景，由Mindlin解推導(dǎo)出由于開挖卸荷引起隧道結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，進(jìn)而通過彈性地基梁理論得到隧道隆起的定量計算方法，并根據(jù)此方法求得隧道最大隆起值，與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比分析。提出：在荷載作用時隧道周邊土體的地基基床系數(shù)k的取值是影響計算結(jié)果的關(guān)鍵，須既要考慮基坑開挖卸荷影響又要考慮坑底土體回彈影響，這樣計算結(jié)果方能與實(shí)際較吻合。

張治國等(2011)[2]考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產(chǎn)生的影響，提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。首先計算基坑開挖作用在地鐵隧道上的附加荷載，然后基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據(jù)Galerkin方法將該方程轉(zhuǎn)換為一維有限元方程進(jìn)行計算，同時研究了不同隧道埋深、距離基坑開挖現(xiàn)場遠(yuǎn)近、不同地基土質(zhì)和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響。結(jié)合大型三維有限元數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比，得到較好的一致性。

劉濤等(2009)[3]結(jié)合上海市浦東新區(qū)東方路-張揚(yáng)路地下立交工程，在考慮隧道等效剛度、施工卸荷以及加固抑制回彈的效果等因素的基礎(chǔ)上，對上方攪拌樁施工擾動引起正在運(yùn)營地鐵隧道的豎向隆起變形進(jìn)行了機(jī)理分析，推導(dǎo)出基于Winkler模型計算隧道豎向位移的方法，并進(jìn)行了理論計算。結(jié)果表明：上層加固擾動引起隧道的豎向位移是非常可觀的，需引起足夠重視。并將計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。在此基礎(chǔ)上提出了一系列控制上層攪拌樁施工引起運(yùn)營地鐵隧道位移的施工方法。

2.2 數(shù)值分析方法

Marta Dolezˇalova(2001)[4]運(yùn)用二維有限元方法模擬了市政府辦公大樓基坑開挖對于布拉格市中心地下隧道的影響。為了在開挖前得到合適的參考狀態(tài)，對整個隧道建設(shè)過程都建立了有限元模型，并且預(yù)測了由基坑開挖引起的應(yīng)力應(yīng)變變化。還采用了現(xiàn)場測試的方法加以檢驗(yàn)。最終發(fā)現(xiàn)使用有限元法預(yù)測的隧道變形數(shù)值和辦公大樓基坑開挖過程中實(shí)測數(shù)據(jù)驚人的吻合。并且評估了地下建筑物的承載力、變形和水密性，對建設(shè)速度和監(jiān)控程序提出建議。最終用四條應(yīng)力路徑，分析展示了建設(shè)過程中巖土強(qiáng)度的變化和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)值。

毛朝輝等(2005)[5]結(jié)合上海東方路下立交工程，對坑底土樣進(jìn)行室內(nèi)卸載實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用三維有限元模擬，與實(shí)測變形較一致。同時對不同分塊

大小和數(shù)目的開挖方式進(jìn)行比較分析，得到隧道變形與上方分塊數(shù)目的關(guān)系以及抗拔樁所起到的作用，并認(rèn)為這是基坑開挖過程中空間效應(yīng)的“縱向”發(fā)揮。有限元分析得到的結(jié)果說明了分塊開挖，分塊澆注底板，并與抗拔樁相連起到的作用正是基坑空間效應(yīng)的縱向發(fā)揮。采取一定數(shù)目的分塊和縱向的“拉錨”，對控制坑底下隧道或者管線變形有很大作用。提出在類似的工程和環(huán)境保護(hù)中，可以考慮利用基坑在縱向的空間效應(yīng)，優(yōu)化設(shè)計與施工。

俞縉等(2007)[6]結(jié)合南京龍蟠路隧道（南側(cè)）西段上跨既建成的地鐵1號線雙線盾構(gòu)隧道的基坑工程，針對未經(jīng)加固以及運(yùn)用高壓旋噴法加固基坑坑內(nèi)地基兩種工況，采用ANSYS對已建地鐵盾構(gòu)隧道隆起位移進(jìn)行三維彈塑性有限元數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明：坑內(nèi)未經(jīng)加固基坑開挖后下部隧道隆起位移過大；坑內(nèi)加固后基坑開挖不會造成下部隧道過大的隆起位移，是安全可行的。該結(jié)論與工程實(shí)際監(jiān)測結(jié)果相符。

胡國新等(2007)[7]應(yīng)用數(shù)值分析手段，采用流-固耦合計算模式，對某基坑施工過程的滲流場和變形場進(jìn)行三維模擬，分析了場地的水位下降規(guī)律和區(qū)間隧道的變形規(guī)律。并通過建立能反映止水條和螺栓作用的三維管片環(huán)實(shí)體計算模型，計算了管片變形和接頭縱縫張開量。研究結(jié)果表明：該基坑施工誘發(fā)的最大水位下降約為2m；水位下降2m時管片的縱縫張開增量為0.13mm，為縱縫張開控制總量的4.3%。因此，認(rèn)為該基坑施工誘發(fā)的三維滲流對緊鄰地鐵區(qū)間隧道的影響較小。

劉庭金(2008)[8]運(yùn)用同濟(jì)大學(xué)曙光軟件，采用荷載結(jié)構(gòu)法和盾構(gòu)隧道修正慣用法，以廣州地鐵黃沙車站上建設(shè)物業(yè)商住發(fā)展項目為研究背景，計算了隧道外壁側(cè)向土壓力、水位下降、土層基床系數(shù)和隧道上方超載四種因素不同組合工況下的隧道結(jié)構(gòu)受力，分析了基坑施工對緊鄰地鐵盾構(gòu)隧道的影響。研究結(jié)果表明，影響緊鄰盾構(gòu)隧道受力的最主要因素為隧道外壁側(cè)向土壓力釋放程度，當(dāng)外壁側(cè)向土壓力由靜止土壓力進(jìn)入主動土壓力狀態(tài)，將導(dǎo)致隧道彎矩增大143%，并致使管片開裂，環(huán)縫接頭張開增量136mm，影響隧道正常使用。在其它不利因素共同作用下，將危及隧道結(jié)構(gòu)安全。

張玉成等(2010)[9]建立了海珠廣場發(fā)展項目基坑工程的三維數(shù)值分析模型。計算結(jié)果表明，基坑開挖對開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土體發(fā)生變位，帶動土體中的隧道產(chǎn)生位移，同時隧道管片的應(yīng)力狀態(tài)也有所改變。

高廣運(yùn)等(2010)[10]以上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程為背景，運(yùn)用FLAC-3D軟件建立三維數(shù)值分析模型，對基坑施工進(jìn)行全過程動態(tài)模擬。結(jié)果表明：計算結(jié)果與工程監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，鄰近地鐵隧道單側(cè)基坑開挖可引起隧道結(jié)構(gòu)的不對稱變形。為保護(hù)鄰近隧道，提出并采用了坑外二次加固的施工新工藝，首次指出地基加固體和地下結(jié)構(gòu)物作為異質(zhì)體對鄰近基坑開挖產(chǎn)生的位移傳遞具有阻斷作用。并對不同的施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析表明，對緊貼基坑地下連續(xù)墻的土體進(jìn)行二次加固及結(jié)構(gòu)逆筑施工，可有效控制相鄰隧道變形。