基坑工程施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響研究現(xiàn)狀與展望

陳 盨，孫斌彬，顧鳳祥，李益斌，唐 強

（1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州215137；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局第四地質(zhì)大隊，江蘇蘇州215129）

基坑工程施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響研究現(xiàn)狀與展望

陳 盨1，孫斌彬1，顧鳳祥2，李益斌2，唐 強1

（1.蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，江蘇蘇州215137；2.江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局第四地質(zhì)大隊，江蘇蘇州215129）

針對基坑工程會對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的附加變形、內(nèi)力等，從而可能影響地鐵正常運營甚至危及運營安全，采用理論計算、數(shù)值模擬及實測分析等手段，從基坑圍護結(jié)構(gòu)體系、基坑平立面尺寸、地基加固型式、土方開挖方式及基坑與既有地鐵隧道的相互位置關(guān)系等不同的角度，分析了基坑工程對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題.在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，進一步展望了未來發(fā)展方向，即研究土方卸載、基坑圍護體及地鐵結(jié)構(gòu)剛度三者的耦合作用，選擇恰當?shù)挠嬎闩c分析模型和參數(shù)等，并深入探討基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響機理和因素，改進監(jiān)測工作方法，提高監(jiān)測儀器精度，同時應(yīng)擴大監(jiān)測范圍及增加監(jiān)測內(nèi)容等.

鄰近地鐵結(jié)構(gòu)；基坑工程；影響因素；變形；內(nèi)力

商業(yè)化要求和城市空間限制，使得很多房屋建筑不得不緊鄰甚至上覆于地鐵結(jié)構(gòu)，其建設(shè)活動不可避免地會對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而地鐵結(jié)構(gòu)過大的變形將引起其自身開裂、滲漏等現(xiàn)象，從而影響地鐵正常運營，甚至危及運營安全.相對于一般的地下建筑結(jié)構(gòu)，地鐵隧道的縱向剛度和整體結(jié)構(gòu)剛度都比較小，自身抵抗外部荷載的能力也較差［1］，因此，對地鐵結(jié)構(gòu)變形和受力的控制要求比較嚴格.

隨著我國地鐵運營里程的不斷增加，對鄰近地鐵的建設(shè)活動引起的地鐵結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力變化，以及相應(yīng)的對地鐵結(jié)構(gòu)保護措施的研究越來越受到重視.本研究簡要闡述基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力影響的機理和因素，回顧總結(jié)基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響的研究方法和成果，在此基礎(chǔ)上，提出進一步探討研究的問題.

1 基坑工程的影響機理及因素

基坑工程包括支護結(jié)構(gòu)、降止水及土方開挖與回填等設(shè)計與施工.

1.1 影響機理

基坑工程施工過程中，由于圍護體（地下連續(xù)墻等設(shè)置）、支撐體（對撐、角撐等拆除）施工引起的土體應(yīng)力釋放；基坑開挖卸荷產(chǎn)生的不平衡力，使得坑底土體向上隆起和圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形；施工期間的降水活動可能會引起地下水滲流及土體固結(jié)等原因，都會引起周邊地層應(yīng)變場和應(yīng)力場變化，進而對地鐵結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力產(chǎn)生影響［2］.

1.2 影響因素

基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響與基坑和地鐵結(jié)構(gòu)都有關(guān)，總體包括基坑規(guī)模（平面尺寸和挖深）、圍護結(jié)構(gòu)體系、地基加固與否及加固型式、土方開挖順序與方式、基礎(chǔ)墊層（或底板）澆筑時間與面積、降止水方式與施工質(zhì)量、隧道結(jié)構(gòu)剛度與尺寸、隧道與基坑相對位置（水平與豎直距離）關(guān)系等［3］.

2 基坑工程對地鐵結(jié)構(gòu)的影響

2.1 理論計算

1）殘余應(yīng)力法.文獻［4］提出了殘余應(yīng)力概念、應(yīng)用殘余應(yīng)力原理與應(yīng)力路徑方法建立的基坑隆起變形計算模型，并以此計算其下臥隧道上抬變形.文獻［5］在基底隆起殘余應(yīng)力法的基礎(chǔ)上，進一步提出了考慮基坑開挖時空效應(yīng)的隧道位移實用計算方法.文獻［6］考慮坑底加固，采用修正的土體卸荷模量，基于殘余應(yīng)力法分析了某基坑工程開挖引起的下臥隧道變形，計算結(jié)果與實測結(jié)果較吻合.文獻［7］基于殘余應(yīng)力方法，假定盾構(gòu)隧道橫斷面上下方土體抗力的分布形式為不相等的三角形分布，提出了盾構(gòu)隧道在上方卸荷作用條件下橫向變形的簡化計算方法.

殘余應(yīng)力法計算公式簡單，但該方法通常只用于分析下臥基坑的地鐵隧道變形，同時認為地鐵隧道變形和土層位移基本一致，而忽略了隧道結(jié)構(gòu)剛度對變形的抵抗調(diào)節(jié)作用，再者不同工程土性差異變化較大，需通過大量試驗確定相應(yīng)土體回彈模量.

2）Peck經(jīng)驗曲線.文獻［8］對于隧道開挖引起的鄰近隧道變形、內(nèi)力影響問題，采用Peck經(jīng)驗曲線擬合土體自由位移，然后將土體自由位移施加于既有鄰近隧道，并采用文獻［9］Winkler地基模型分析其縱軸位移和內(nèi)力，即所謂兩階段位移分析方法.文獻［10］認為某些情況下，Peck經(jīng)驗曲線不能準確描述隧道開挖引起的土體自由位移.因此，文獻［11］采用修正的Peck經(jīng)驗曲線擬合土體自由位移.

3）兩階段應(yīng)力分析法.由于缺乏比較合理的基坑開挖引起的土體自由位移預(yù)測公式，對于基坑開挖引起的鄰近既有地鐵隧道位移和內(nèi)力變化，多采用兩階段應(yīng)力分析方法，計算基坑開挖等效荷載引起的既有鄰近地鐵隧道附加應(yīng)力，然后將附加應(yīng)力施加于既有鄰近隧道，并采用Winkler地基模型分析其縱軸位移和內(nèi)力.文獻［11］等采用兩階段應(yīng)力法，分析了基坑開挖卸載引起的鄰近地鐵隧道縱向位移和內(nèi)力，并與實測結(jié)果進行對比分析，但計算中僅考慮了坑底應(yīng)力釋放對鄰近地鐵隧道的影響，未考慮坑壁應(yīng)力釋放的影響.在文獻［11］研究基礎(chǔ)上，文獻［12－13］分別考慮了坑底和四周坑壁應(yīng)力釋放、坑底和鄰近地鐵隧道三邊坑壁應(yīng)力釋放對鄰近地鐵隧道變形和內(nèi)力的影響.文獻［1］在計算基坑圍護結(jié)構(gòu)底部平面處土體殘余應(yīng)力的同時，考慮力在向下傳遞時圍護結(jié)構(gòu)側(cè)壁的摩阻力影響.

兩階段應(yīng)力方法中，采用Winkler地基上彈性地基梁的解答，由于Winkler地基模型假定地基上任一點的位移僅與該點的壓力有關(guān)，即僅由一系列獨立的彈簧單元來體現(xiàn)土體性質(zhì)（即基床系數(shù)）.因此，該地基模型無法考慮地基土的剪切剛度，運用在非軟土的地層中存在一定誤差，同時將地鐵隧道視為等效均質(zhì)彈性地基梁，假設(shè)其沿縱向發(fā)生彎曲變形，但是這種假設(shè)并不符合地鐵隧道縱向變形模式為頂部、底部剛性張開和環(huán)間錯臺的實際情況.

為克服兩階段分析方法的不足，文獻［13］建立了位于Kerr三參數(shù)地基上的盾構(gòu)隧道受荷變形平衡微分方程，得到了上方卸荷作用下地鐵隧道縱向變形解析解，并將Kerr三參數(shù)地基模型結(jié)果與Win kler單參數(shù)地基模型、Pasternak雙參數(shù)地基模型結(jié)果進行對比.結(jié)果表明：采用Kerr地基模型計算隧道縱向變形精度最好，Pasternak地基模型次之，Winkler地基模型最差，但Kerr三參數(shù)地基模型中相關(guān)地基參數(shù)合理選取較為困難，且至關(guān)重要.文獻［14］推導(dǎo)了自由邊界半無限黏-彈性體的Mindlin時域解、隧道總豎向附加應(yīng)力時域解及隧道上抬變形時域解，得到的隧道總豎向附加應(yīng)力時域解不僅考慮了基坑地面和側(cè)面上土體卸荷效應(yīng)，還考慮了圍護墻體、支承結(jié)構(gòu)及工程降水等影響.采用的Pasterank地基模型考慮地基彈簧之間的相互作用.文獻［15］利用Mindlin基本解，計算基坑開挖卸荷引起的盾構(gòu)隧道附加應(yīng)力，然后將盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)視為由剪切彈簧連接的彈性地基短梁，利用最小勢能原理建立變分控制方程，求解可得到環(huán)間錯臺效應(yīng)下基坑開挖引起鄰近盾構(gòu)隧道的位移和環(huán)間錯臺量.文獻［14－15］進一步拓展了兩階段應(yīng)力分析方法，但還需得到更多的工程實踐檢驗.

2.2 數(shù)值模擬

文獻［3］利用CRISP有限元程序，建立基坑三維模型，分析了基坑尺寸、開挖方式及支護型式等對周圍巖土體變形的影響.文獻［16］基于PLAXIS有限元程序，建立基坑三維模型，分析了影響基坑開挖的各因素力學(xué)效應(yīng).基坑開挖對周圍土層應(yīng)力和應(yīng)變場的影響不僅與支護型式、基坑尺寸、開挖方式及降止水等有關(guān)，還與其鄰近有無地鐵結(jié)構(gòu)有關(guān).文獻［17］采用FLAC2D程序進行二維有限元數(shù)值模擬，認為在有無地鐵車站的情況下，坑周土體的位移場會出現(xiàn)很大不同，由于地鐵車站的存在，對車站與基坑之間土層的水平和豎向位移均有一定的影響，車站具有遮攔作用.

1）基坑工程對其下臥既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響.文獻［18］針對相關(guān)工程進行有限元模擬，利用平截面假定計算的管片彎矩和內(nèi)力結(jié)果表明，基坑開挖卸載后，隧道管片的應(yīng)力狀態(tài)有所改變，但其強度能夠滿足要求.文獻［19］采用二維有限元模擬，分析了上覆基坑開挖方式不同對地鐵隧道變形的影響，結(jié)果表明：通過將遠離和靠近地鐵隧道的基坑平面分成Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，并采取先Ⅰ區(qū)、后Ⅱ區(qū)的順序分區(qū)開挖措施，可有效地將隧道變形控制在允許的范圍內(nèi).文獻［20］結(jié)合某工程采用FLAC3D進行三維有限元模擬，結(jié)果表明：采用隧道樁板支護結(jié)合坑底旋噴樁滿堂的措施，相對于不進行加固、僅隧道樁板支護措施而言，對控制地鐵隧道的隆起位移更有效，該措施中板樁支護和坑底旋噴樁滿堂加固分別起到主要作用和輔助工效.文獻［21］通過ABAQUS程序建立三維整體數(shù)值模型，分析了采取隧道和站體兩側(cè)增加三軸水泥土攪拌樁對土體加固、將隧道和站體兩側(cè)建筑工程樁加長和基坑土方分塊開挖等措施后上覆基坑工程對其下地鐵結(jié)構(gòu)的變形的影響，認為上述措施可有效地控制地鐵隧道變形，土體加固措施效果最為明顯.文獻［22］采用FLAC3D軟件模擬某工程巖質(zhì)基坑開挖，認為巖質(zhì)基坑開挖會對其下隧道產(chǎn)生整體上浮現(xiàn)象，開挖深度越大，回彈變形量也越大，完全對稱開挖，則隧道位移呈對稱分布；基坑開挖邊界附近豎向位移變化劇烈，隧道襯砌結(jié)構(gòu)變化更容易造成襯砌產(chǎn)生擠壓和張裂.

2）基坑工程對其側(cè)鄰既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響.文獻［23］結(jié)合相應(yīng)工程，采用有限元模型，分析了基坑工程對其側(cè)鄰既有地鐵結(jié)構(gòu)變形和受力的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)在基坑開挖的影響下，左右隧道結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)出上下受壓、左右受拉趨勢，隧道最大剪力均出現(xiàn)在左偏上45°和右偏下45°，最小剪力則均出現(xiàn)在左偏下45°和右偏上45°，均有上下擠壓、左右凸起的扁平橢圓狀變形趨勢.文獻［24］采用有限元分析法，探討了坑內(nèi)外水泥土樁加固對地鐵隧道的影響，研究結(jié)果表明坑內(nèi)基底抽條尤其是滿堂加固，能有效地抑制基坑開挖引起的周邊土體變形，減小對鄰近地鐵隧道的影響.文獻［25］結(jié)合實際工程采用PLAXIS程序，分析了不同水平支撐道數(shù)對鄰近地鐵隧道的影響，認為坑基坑圍護結(jié)構(gòu)剛度對水平位移影響較大，靠近地鐵側(cè)基坑需加強支撐.文獻［26］對軟土基坑引起的鄰近地鐵隧道變形采用二維有限元進行了分析，發(fā)現(xiàn)在原基坑支護設(shè)計體系下，地鐵隧道不能滿足變形要求，提出了加大水泥土的樁長、減小基坑開挖深度、增加鋼管斜拋撐、加大圍護灌注樁直徑及坑外降水等措施，并對上述5種措施的不同組合進行了優(yōu)化分析，認為減小基坑開挖深度和坑外降水效果最為明顯.文獻［27］采用三維有限元軟件建立相應(yīng)數(shù)值分析模型，分析了基坑逆作法施工及襯砌與土的相互作用對地鐵隧道變形的影響，認為逆作法相對于順作法施工會明顯減小基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移與緊鄰地鐵隧道的水平位移，限制基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移對于控制緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)的水平位移較豎向位移更為顯著.文獻［28］模擬了隧道位于基坑一側(cè)情形下不同的隧道側(cè)基坑寬度對隧道位移的影響，結(jié)果表明基坑寬度對隧道豎向位移的影響大于對水平位移的影響，基坑深度對隧道水平位移的影響大于對豎向位移的影響，基坑深度對隧道的影響大于基坑寬度對隧道的影響.文獻［29］基于大量工程案例，以天津市某鄰近既有隧道深基坑實測資料為基礎(chǔ)，采用二維有限元模型，就基坑施工對坑外既有隧道變形影響規(guī)律進行了參數(shù)分析，結(jié)合不同規(guī)范中對容許變形值的相關(guān)要求，劃分了不同圍護結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下坑外既有隧道變形影響區(qū)，并認為在圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移和變形控制值相同的條件下，圍護結(jié)構(gòu)懸臂變形模式下變形影響區(qū)范圍最小，內(nèi)凸型和復(fù)合型次之，踢腳型最大.

3）降水對鄰近地鐵隧道的影響.文獻［30］采用FLAC3D軟件模擬降水對鄰近隧道變形的影響，通過不考慮流固耦合和考慮流固耦合的對比分析，認為降水對隧道豎向位移和水平位移均有較大影響，不能忽視降水對周圍土體擾動及區(qū)間隧道變形的作用.文獻［31］采用有限元法，結(jié)合一維固結(jié)理論和三維滲流理論，分析越江隧道上方基坑降水對其結(jié)構(gòu)的影響，探討降水水位、抽水層次、降水時間及方式等對越江隧道沉降的影響.文獻［32］針對某工程，采用三維有限差分模型，模擬分析了地下水位降至坑底下2 m和4 m時對鄰近地鐵隧道的影響，得到不同降水深度時的隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、隧道底部土體孔隙水壓力和隧道結(jié)構(gòu)變形等規(guī)律.

數(shù)值模擬可以完整地模擬每一個施工工況對應(yīng)的隧道變形和受力狀態(tài)，可以考慮實際工程中某些工況條件，可以通過修改參數(shù)來考慮不同因素對隧道變形和受力的影響程度等.但由于計算分析中某些參數(shù)具有地區(qū)性、經(jīng)驗性，有必要結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗、工程經(jīng)驗，通過實測進一步合理確定.實際工程中施工條件通常較為復(fù)雜，而計算模型通常經(jīng)過了假設(shè)和簡化處理，難以完全模擬實際工況，尤其是對于復(fù)雜工程.因此，計算結(jié)果的準確性受到影響，有限元模擬一般只能定性研究，難以定量分析.

2.3 監(jiān)測分析

文獻［33］對不同施工階段地鐵隧道變形進行了實測及資料分析，結(jié)果表明：在地鐵隧道沿線附近進行基礎(chǔ)灌注樁和基坑圍護地下連續(xù)墻施工將使隧道產(chǎn)生沉降；在地鐵隧道旁側(cè)開挖深基坑，將引起隧道向基坑方向產(chǎn)生明顯側(cè)移，并使隧道橫截面呈側(cè)向拉伸、豎向壓縮的變形特征；在地鐵隧道上部開挖基坑，將使隧道產(chǎn)生明顯上移，并使隧道橫截面呈側(cè)向壓縮、豎向拉伸的變形特征.文獻［34］對相應(yīng)實際基坑工程的鄰近地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測資料進行了分析研究，結(jié)果表明：基坑支護應(yīng)確保足夠的剛度以控制變形，條件允許時應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)撐式，當場地受限時可考慮采用雙排樁支護體系結(jié)合“中心島”法施工，并嚴格進行施工控制；隧道與基坑距離的變化對隧道水平位移的影響比對隧道沉降的影響要大，正交支撐體系和鋼筋混凝土板帶更能限制土體的位移和變形.

地鐵結(jié)構(gòu)的人工監(jiān)測由于受到地鐵運行時間限制，較難做到與基坑施工同步實時監(jiān)測.地鐵結(jié)構(gòu)的自動化監(jiān)測可全天候?qū)崟r動態(tài)監(jiān)測，可靠性較高，但對儀器設(shè)備等要求較嚴.目前現(xiàn)場實測主要內(nèi)容是監(jiān)控地鐵結(jié)構(gòu)變形，但對地鐵結(jié)構(gòu)內(nèi)力、管片張開及隧道附近土壓力和超孔隙水壓力等的監(jiān)測結(jié)果報道較少，應(yīng)該擴大監(jiān)測的范圍與內(nèi)容，對地鐵隧道的變形、受力及臨近土體的土壓力和超孔隙水壓力等進行全面監(jiān)測；同時還應(yīng)改進監(jiān)測方法、手段及儀器設(shè)備，提高監(jiān)測的準確性與有效性.

3 未來研究方向

1）基坑開挖卸載引起的周邊地層及地鐵結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力，不僅與基坑土方開挖方量、與地鐵結(jié)構(gòu)的相對位置有關(guān)，還受到基坑圍護體遮攔效應(yīng)及地鐵結(jié)構(gòu)自身剛度的影響，因此有必要深入研究土方卸載、基坑圍護體及地鐵結(jié)構(gòu)剛度三者的耦合作用.

2）積累更多的地區(qū)經(jīng)驗、工程經(jīng)驗，選擇恰當?shù)挠嬎闩c分析模型和參數(shù)，使得理論計算的假定和有限元模型的建立更趨合理，計算分析結(jié)果更準確.

3）在對大量實測資料統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論計算和有限元分析，進一步深入探討基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響機理和影響因素.

4）改進監(jiān)測工作方法，提高監(jiān)測儀器精度，保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性與精確性，同時實測過程中應(yīng)擴大和增加監(jiān)測范圍與內(nèi)容，進一步為理論研究和數(shù)值分析提供堅實的基礎(chǔ).

4 結(jié) 論

本研究首先分析并總結(jié)基坑工程對地鐵結(jié)構(gòu)的影響機理及因素，前期研究者主要利用理論計算、數(shù)值模擬和監(jiān)測分析等手段，從基坑規(guī)模、基坑圍護體系、地基加固型式、土方開挖方式及基坑與既有地鐵隧道的相對位置等不同的角度，分析了基坑工程施工對鄰近既有地鐵結(jié)構(gòu)的影響問題.基于現(xiàn)有研究成果，未來研究可在以下幾個方向進一步深化：研究土方卸載、基坑圍護體及地鐵結(jié)構(gòu)剛度三者的耦合作用；選擇恰當?shù)挠嬎闩c分析模型和參數(shù)等；深入探討基坑工程對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的影響機理和因素；改進監(jiān)測工作方法及提高監(jiān)測儀器精度，并應(yīng)擴大監(jiān)測范圍及增加監(jiān)測內(nèi)容等.

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Research progress of foundation pit project im pact on neighboring subway structure

CHEN Su1，SUN Binbin1，GU Fengxiang2，LIYibin2，TANG Qiang1

（1.School of Rail Transportation，Soochow University，Suzhou，Jiangsu 215137，China；2.4thGeological Brigade of Jiangsu Geology＆Mineral Exploration Bureau，Suzhou，Jiangsu 215129，China）

The foundation pit project can cause additive deformation and internal force towards surrounding existing subway structure and bring troubles to metro operation and securities.According to the literature review，current studies mainly focus on foundation pit supporting system，horizontal and vertical size，reinforcement type to foundation，excavation method and relative position between foundation pit and existing subway tunnel.Based on previous achievements，further research direction and contents were provided with coupled effect of deep excavation foundation pit retaining structural stiffness，calculation model and parameter selection.The influence factor，themechanism and the enhancing accuracy ofmonitor instrumentwere discussed，and themonitor range and content expanding should be conducted.

neighboring subway structure；foundation pit project；influencing factors；deformation；internal force

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.018

2016－09－28

江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)勘察局科技項目（2014－KY－7）

陳 盨（1962—），男，江蘇蘇州人，教授（xiaowozi＠hotmail.com），主要從事巖土及環(huán)境巖土工程的研究.

唐 強（1985—），男，江蘇南京人，副教授（通信作者，tangqiang＠suda.edu.cn），主要從事巖土及環(huán)境巖土工程的研究.

TS73

A

1671－7775（2018）01－0108－07

陳 盨，孫斌彬，顧鳳祥，等.基坑工程施工對鄰近地鐵結(jié)構(gòu)影響研究現(xiàn)狀與展望［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，39（1）：108－114.

（責(zé)任編輯 趙 鷗）