基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析

基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析

摘要：在有限的城市地下空间中，地铁隧道在其使用阶段不可避免地会受到临近工程活动影响。基坑开挖对临近地铁隧道会产生较大的不利影响，关系到地铁隧道的正常使用及安全性问题。将基坑开挖施工对邻近既有隧道影响的研究方法归纳为：理论法、数值分析方法和现场实测方法，对发展概况及研究进展进行了综述，提出了目前该领域中需要研究的一些课题。

关键词：既有隧道；基坑开挖；变形；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

中图分类号 : TV551.4文献标识码： A 文章编号：

前言

处于城市环境中的地铁隧道，在其使用阶段不可避免地会受到这样或那样的工程活动

影响。临近基坑工程是较常见的影响因素之一。由于开挖基坑将引起坑底回弹（隆起）、墙后土体侧移以及坑外地面沉降等，显然会影响甚至改变其近处地铁隧道的应力应变状态。由于隧道本身刚度很大，隧道会对土体的这种变形趋势产生一种抵抗作用，这种抵抗作用使得作用在隧道上的偏差应力进一步增大，从而使得隧道的横向变形增大。另外，坑底土体加固、地下连续墙施工以及基坑降水等对土体的扰动同样也会对隧道产生较为显著的影响。

因此，基坑工程对地铁隧道的影响，是在进行基坑开挖过程中需要密切关注的问题，它关系到地铁隧道的正常使用及安全性问题。地铁隧道沿线的工程建设尽管有规划，但从长远看仍具有一定的不可预见性，目前尚无法在地铁隧道设计阶段就从理论上考虑地铁周围工程建设对其变形的影响。因此，研究基坑施工对临近既有隧道的影响规律，进而提出优化方案，具有重要意义。

国内外研究现状

基坑与既有隧道的相对位置，主要是基坑在隧道上方，或是基坑在隧道旁侧。研究内容包括：基坑卸载、降水对临近隧道影响研究，基坑坑底加固（如搅拌桩施工等）对临近隧道影响研究，基坑施工优化方案等。查阅国内外主要文献资料，发现基坑开挖对邻近既有隧道影响的研究方法主要分为：理论法、数值分析法和现场实测方法。

2.1 理论法

陈郁等(2005)[1]以上海东方路下立交工程为背景，由Mindlin解推导出由于开挖卸荷引起隧道结构的附加应力，进而通过弹性地基梁理论得到隧道隆起的定量计算方法，并根据此方法求得隧道最大隆起值，与实测结果进行对比分析。提出：在荷载作用时隧道周边

土体的地基基床系数k的取值是影响计算结果的关键，须既要考虑基坑开挖卸荷影响又要考虑坑底土体回弹影响，这样计算结果方能与实际较吻合。

张治国等(2011)[2]考虑基坑开挖引起的坑底和四周坑壁土体同时卸荷产生的影响，提出了基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响的两阶段分析方法。首先计算基坑开挖作用在地铁隧道上的附加荷载，然后基于Winkler 地基模型建立地铁隧道纵向变形影响的基本微分方程，根据Galerkin方法将该方程转换为一维有限元方程进行计算，同时研究了不同隧道埋深、距离基坑开挖现场远近、不同地基土质和不同隧道外径等因素对隧道纵向变形的影响。结合大型三维有限元数值模拟以及现场实测数据与理论计算结果进行了对比，得到较好的一致性。

刘涛等(2009)[3]结合上海市浦东新区东方路-张扬路地下立交工程，在考虑隧道等效刚度、施工卸荷以及加固抑制回弹的效果等因素的基础上，对上方搅拌桩施工扰动引起正在运营地铁隧道的竖向隆起变形进行了机理分析，推导出基于Winkler模型计算隧道竖向位移的方法，并进行了理论计算。结果表明：上层加固扰动引起隧道的竖向位移是非常可观的，需引起足够重视。并将计算结果与实测数据进行了对比。在此基础上提出了一系列控制上层搅拌桩施工引起运营地铁隧道位移的施工方法。

2.2 数值分析方法

Marta Dolezˇalova(2001)[4]运用二维有限元方法模拟了市政府办公大楼基坑开挖对于布拉格市中心地下隧道的影响。为了在开挖前得到合适的参考状态，对整个隧道建设过程都建立了有限元模型，并且预测了由基坑开挖引起的应力应变变化。还采用了现场测试的方法加以检验。最终发现使用有限元法预测的隧道变形数值和办公大楼基坑开挖过程中实测数据惊人的吻合。并且评估了地下建筑物的承载力、变形和水密性，对建设速度和监

控程序提出建议。最终用四条应力路径，分析展示了建设过程中岩土强度的变化和相关的实验室测试数值。

毛朝辉等(2005)[5]结合上海东方路下立交工程，对坑底土样进行室内卸载实验，在此基础上运用三维有限元模拟，与实测变形较一致。同时对不同分块大小和数目的开挖方式进行比较分析，得到隧道变形与上方分块数目的关系以及抗拔桩所起到的作用，并认为这是基坑开挖过程中空间效应的“纵向”发挥。有限元分析得到的结果说明了分块开挖，分块浇注底板，并与抗拔桩相连起到的作用正是基坑空间效应的纵向发挥。采取一定数目的分块和纵向的“拉锚”，对控制坑底下隧道或者管线变形有很大作用。提出在类似的工程和环境保护中，可以考虑利用基坑在纵向的空间效应，优化设计与施工。

俞缙等(2007)[6]结合南京龙蟠路隧道（南侧）西段上跨既建成的地铁1号线双线盾构隧道的基坑工程，针对未经加固以及运用高压旋喷法加固基坑坑内地基两种工况，采用ANSYS对已建地铁盾构隧道隆起位移进行三维弹塑性有限元数值模拟。计算结果表明：坑内未经加固基坑开挖后下部隧道隆起位移过大；坑内加固后基坑开挖不会造成下部隧道过大的隆起位移，是安全可行的。该结论与工程实际监测结果相符。

胡国新等(2007)[7]应用数值分析手段，采用流-固耦合计算模式，对某基坑施工过程的渗流场和变形场进行三维模拟，分析了场地的水位下降规律和区间隧道的变形规律。并通过建立能反映止水条和螺栓作用的三维管片环实体计算模型，计算了管片变形和接头纵缝张开量。研究结果表明：该基坑施工诱发的最大水位下降约为2m；水位下降2m时管片的纵缝张开增量为0.13mm，为纵缝张开控制总量的4.3%。因此，认为该基坑施工诱发的三维渗流对紧邻地铁区间隧道的影响较小。

刘庭金(2008)[8]运用同济大学曙光软件，采用荷载结构法和盾构隧道修正惯用法，以

广州地铁黄沙车站上建设物业商住发展项目为研究背景，计算了隧道外壁侧向土压力、水位下降、土层基床系数和隧道上方超载四种因素不同组合工况下的隧道结构受力，分析了基坑施工对紧邻地铁盾构隧道的影响。研究结果表明，影响紧邻盾构隧道受力的最主要因素为隧道外壁侧向土压力释放程度，当外壁侧向土压力由静止土压力进入主动土压力状态，将导致隧道弯矩增大143%，并致使管片开裂，环缝接头张开增量136mm，影响隧道正常使用。在其它不利因素共同作用下，将危及隧道结构安全。

张玉成等(2010)[9]建立了海珠广场发展项目基坑工程的三维数值分析模型。计算结果表明，基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移，同时隧道管片的应力状态也有所改变。

高广运等(2010)[10]以上海某邻近地铁隧道的基坑工程为背景，运用FLAC-3D软件建立三维数值分析模型，对基坑施工进行全过程动态模拟。结果表明：计算结果与工程监测数据基本吻合，邻近地铁隧道单侧基坑开挖可引起隧道结构的不对称变形。为保护邻近隧道，提出并采用了坑外二次加固的施工新工艺，首次指出地基加固体和地下结构物作为异质体对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用。并对不同的施工方案进行数值模拟，对比分析表明，对紧贴基坑地下连续墙的土体进行二次加固及结构逆筑施工，可有效控制相邻隧道变形。

2.3 现场实测

况龙川(2000)[11]对上海广场项目进行研究，分析隧道旁侧深基坑施工对地铁隧道的影响。实测了隧道水平向和竖向位移，以及隧道环片弦向变形。研究结果表明：(1)在地铁隧道旁侧开挖深基坑将引起隧道向基坑方向产生较明显侧移并使隧道断面呈横椭圆形状的变形，直接影响到隧道的使用功能和安全性；(2)隧道侧移对其旁侧土方开挖十分敏感且与

开挖部位具有比较明确的对应性，支撑(垫层)及时浇筑完成能够有效地控制隧道侧移的进一步发展；(3)临近深基坑施工的地铁隧道侧移对由支撑爆破引起的地层震动比较敏感；(4)深基坑开挖结束后，在基础承台板施工期间隧道侧移虽然不再发展但还不稳定，只有完成基础板后才能从根本上控制隧道侧移发展使其达到稳定；(5)在隧道外部注浆纠偏够及时纠正地铁隧道因深基坑施工引发的较大侧移量，化解险情，但其综合效果还不甚理想。

蒋洪胜等(2002)[12]通过对某基坑周围土体位移场的理论分析，及其临近的地铁隧道由基坑开挖引发的变形监测结果的分析，从隧道的垂直沉降、水平移动以及隧道的横向变形等角度探讨了基坑开挖对临近地铁隧道的影响。研究认为：一方面基坑临近隧道由于自身刚度会对基坑开挖引发的位移在一定程度上产生抵抗作用，另一方面这种作用使得隧道自身的横向变形进一步加剧，这一结论是通过隧道的收敛量测结果以及接缝的张开值量测结果得出的。

陈郁等(2004)[13]结合东方路下立交工程实例，利用现场监测数据，分析了基坑开挖对下卧隧道的影响。结果表明：(1)在上方基坑开挖影响下，地铁隧道随着土体的回弹而隆起变形，并近似为正态曲线分布，曲线顶点即隧道最大隆起点接近基坑开挖中心，由此向两侧延伸，至围护结构处隆起量变小，越过后隆起略有增加趋势；(2)在基坑开挖结束后相当长的一段时间内，基坑内土体继续呈现回弹趋势，又由于底板施工时有结构荷载的影响，对隧道的回弹变形有一定的限制作用。两种因素影响相叠加，底板施工阶段坑内土体仍有回弹变形，隧道的隆起量相应增加，但量值均小于基坑开挖阶段的变化；(3)基坑开挖时间、开挖距离到隧道轴线水平距离等施工参数对基坑隆起及其下卧隧道位移的影响显著，且随着基坑开挖时间、空间的增大，隧道隆起呈非线性增大；(4)可以通过改进施工参数、合理施工、信息化管理，即遵循“加固土体、小块开挖、快速施工、信息管理”的指导方针，有效地控制地铁隧道的隆起。

李志高等(2005)[14]通过对东方路下立交工程现场监测数据的分析，得到了基坑开挖卸荷引起下方隧道纵向变形的总体规律和时空效应规律，推导了考虑时空效应影响的隧道隆起经验计算方法。结果表明：(1)上方卸荷引起隧道纵向隆起曲线都近似正态分布曲线；(2)由于土体具有流变性，因此上方卸荷引起隧道的隆起值在基坑开挖结束后依然会随时间而增大。当不进行地基加固时，隧道隆起值在基坑开挖完后随时间增长的后续变形相当大，甚至超过基坑开挖中产生的变形；当进行地基加固后，隧道隆起值在基坑开挖完后绝大部分变形已经发生，随时间增长的后续变形较小，此时在施工中可不必太在意施工时间；(3)基坑开挖宽度越大时，隧道纵向隆起最大值也越大。通过实测数据的回归分析发现，隧道隆起最大值与开挖宽度呈双曲线关系S = A1* eA2/ B。极值系数A1表示在一定开挖放置时间下隧道隆起最大值随开挖宽度增加所能达到的极大值；A2则表示开挖时间或开挖宽度变化时隧道隆起值对时间或宽度变化的敏感性。另外，该公式可以简单估算任意开挖时间和开挖宽度下基坑开挖引起的隧道隆起最大值。

刘庭金(2008)[15]利用广州地铁一号线黄沙—长寿路站区间隧道变形监测数据，从隧道各测点与隧道中心绝对位移、道床绝对位移、道床与隧道中心相对位移、各测点与隧道中心相对位移、隧道收敛以及隧道变形曲率半径出发，详细研究了地铁上盖物业建筑群基坑施工对区间隧道的变形影响，解析了诱发道床开裂和水沟翻浆冒泥病害的原因。研究结果表明：(1)上行线隧道已朝西北角基坑发生侧向移动，隧道处于不利的扭转受力状态，下行线隧道水平方向变形则呈现明显的腰鼓形态；(2)上、下行线隧道沉降主要集中在离车站北端0～70m区段，沉降曲线均呈现明显的勺子形状，且下行线隧道沉降量明显大于上行线；(3)道床最大沉降量在地铁正常运营控制范围内，但道床与隧道底部间存在一定程度的脱空，导致道床开裂和水沟翻浆冒泥；(4)隧道纵向沉降最小曲率半径为19500m，按等效轴向刚度模型计算，其对应的管片环环缝最大接头张开增量为0.33mm。

不足之处及进一步研究趋势

综上所述，在国内外研究中，基坑开挖施工对邻近地铁隧道影响的研究方法以数值模拟方法居多，从二维有限元发展到三维有限元，但关于基坑开挖的动态模拟还不多。有限元模拟有许多优点，但参数取值对计算结果影响较大，模型难以验证，数据的可靠性也较差。目前主要用于定性分析，了解隧道在基坑开挖过程中的受力与变形规律。理论方法均基于弹性地基梁法，但地铁隧道埋深与直径均较大，不符合弹性地基梁法的假定，地基基床系数k的取值较难，还有缺陷。现场实测目前仅测试隧道变形，没有测试受力。缺乏室内模型试验。主要研究基坑施工过程对隧道的影响，施工结束后的研究较少，需要作进一步研究。

基坑开挖施工是一个三维动态过程，因此，对邻近既有隧道的影响也是一个动态发展的过程。一般情况下，邻近隧道首先受地表隆起的影响(正曲率)，然后受下沉的影响(负曲率)，而且邻近隧道的破坏往往是几种变形共同作用的结果，地表的拉伸和正曲率同时出现，地表的压缩和负曲率同时出现，从而造成隧道开裂、沉降和倾斜甚至于倒塌。因此在基坑开挖期间切实作好基坑的支护工作，严格控制基坑周围土体位移则具有更为现实的意义。同时，如何利用地面沉降（隆起）值来反映邻近结构物的位移和变形确是一个值得深入研究的课题。加强对基坑开挖期间隧道变形的监测与分析，逐渐积累类似问题的工程实践经验，可以为进一步的理论分析提供依据。

参考文献

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