基坑工程對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀分析

周澤棲 劉春 唐超

【摘要】隨著城市地鐵的迅速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)地鐵沿線(xiàn)基坑工程日益增加，基坑工程對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響已成為一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。為全面分析深基坑開(kāi)挖對(duì)側(cè)方運(yùn)營(yíng)隧道的變形影研究進(jìn)展，文章通過(guò)理論研究、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等四個(gè)方面分別對(duì)深基坑施工鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

【關(guān)鍵詞】深基坑工程; 隧道變形; 數(shù)值模擬; 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè); 模型實(shí)驗(yàn)

【中國(guó)分類(lèi)號(hào)】U452.2+6【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

城市地下空間已成為未來(lái)城市發(fā)展的重要趨勢(shì)，如大城市中的地下綜合商場(chǎng)、地下街道、地下硐室、倉(cāng)庫(kù)、車(chē)站等都是充分利用地下空間的例子。這些地下建筑需要面對(duì)深基坑施工的問(wèn)題，特別是近年來(lái)城市基坑開(kāi)挖規(guī)模和深度越來(lái)越大，開(kāi)挖深度在15 m以上的深基坑工程已很普遍。城市地鐵線(xiàn)路越來(lái)越密集，許多深基坑工程出現(xiàn)在隧道周?chē)?，給隧道正常運(yùn)營(yíng)造成不同程度的影響，如拱頂沉降、拱底隆起、隧道水平位移等。因此臨近運(yùn)營(yíng)隧道的深基坑施工已成為目前基坑工程的重難點(diǎn)問(wèn)題。

1 隧道變形理論研究

理論研究主要用于對(duì)基坑開(kāi)挖引起隧道變形的初步評(píng)估，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用兩階段理論對(duì)隧道變形進(jìn)行分析，即首先對(duì)深基坑施工引起的隧道位移和荷載進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，然后將位移或荷載施加到運(yùn)營(yíng)隧道中，從理論上計(jì)算隧道變形對(duì)不同基礎(chǔ)梁的影響。

周澤林[1]將軟土地基視為三參數(shù)HK粘彈性體，并在內(nèi)部集中作用下推導(dǎo)了具有自由邊界的半無(wú)限粘彈性空間體的Mindlin時(shí)域解。并使用了集成和疊加的方法，將已建隧道視為帕斯捷爾納克粘彈性地基上的歐拉·伯努利長(zhǎng)梁，并在附加荷載下建立隧道的平衡微分方程，以計(jì)算基坑開(kāi)挖和邊坡開(kāi)挖引起的鄰近隧道變形。該方法可以較好地反映軟土地區(qū)地鐵隧道附加變形和內(nèi)力的時(shí)間發(fā)展趨勢(shì)。沈國(guó)政[2]通過(guò)Mindlin計(jì)算出基坑開(kāi)挖卸荷后引起隧道的附加荷載，并基于Pasternak地基模型建立地鐵隧道縱向變形的雙參數(shù)基本微分方程，根據(jù)Hermite插值方法構(gòu)建七點(diǎn)有限差分格式，從而對(duì)微分方程進(jìn)行求解，求出鄰近隧道的縱向位移。深基坑開(kāi)挖可以視為基坑內(nèi)部在豎直和水平荷載下的Mindlin問(wèn)題，通過(guò)Mindlin基本解可以計(jì)算出基坑開(kāi)挖引起的地鐵隧道上任意一點(diǎn)附加應(yīng)力值，借助數(shù)學(xué)計(jì)算軟件使結(jié)果簡(jiǎn)便易得。

2 隧道數(shù)值模擬

數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用可以極大的提高了隧道的模擬研究分析問(wèn)題能力，研究者們主要通過(guò)模擬基坑開(kāi)挖與隧道的不同環(huán)境因素工況下的影響。基于耦合發(fā)展理論，建立三維仿真數(shù)據(jù)模型，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程、基坑施工技術(shù)特性以及其對(duì)鄰近地鐵的影響。

陳志偉[3]利用Midas-GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析基坑開(kāi)挖和降水對(duì)緊鄰既有地鐵隧道產(chǎn)生的影響，分析出基坑降水造成的地下水滲流具有空間差異性，基坑長(zhǎng)邊側(cè)滲流速度大于短邊一側(cè)，且地鐵隧道處水力梯度較大;最大總位移出現(xiàn)在地鐵隧道中部，最大水平位移發(fā)生在隧道側(cè)邊，最大沉降位移發(fā)生在隧道頂部;測(cè)斜位移曲線(xiàn)具有明顯的拐US學(xué)術(shù)型模擬深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與開(kāi)挖過(guò)程。發(fā)現(xiàn)在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)方位移時(shí)， ABAQUS軟件預(yù)測(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)方位移比，ABAQUS軟件預(yù)測(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)方位移與MIDAS GTS NX軟件相比更接近實(shí)測(cè)結(jié)果，即使用ABAQUS軟件中修正劍橋模型預(yù)測(cè)深基坑側(cè)方地基的變形時(shí)明顯優(yōu)于MIDAS GTS NX軟件。MIDAS GTS NX和ABAQUS兩種有限元軟件在模擬考慮周邊環(huán)境的深基坑開(kāi)挖時(shí)，均能較好地反映地表沉降大小及其規(guī)律。陳輝[4]等利用MIDAS GTS NX工程型和ABAQ數(shù)值進(jìn)行模擬可以極大提高隧道的模擬研究，研究者主要運(yùn)用Midas-GTS有限元、MIDAS GTS NX工程型、MIDAS GTS NX工程等軟件分別對(duì)基坑開(kāi)挖方式，尺寸、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及降水等影響隧道變形的因素進(jìn)行模擬。得出各軟件的差異性。

3 隧道模型實(shí)驗(yàn)

目前，該模型的實(shí)驗(yàn)部分分為長(zhǎng)重力模型實(shí)驗(yàn)和離心模型實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)重力模型試驗(yàn)通過(guò)模擬實(shí)際工程荷載，研究隧道在荷載作用下的變形規(guī)律，離心模型試驗(yàn)是為了補(bǔ)償由于離心機(jī)尺寸減小而造成的重量損失。

張玉偉[5]為了闡明基坑施工過(guò)程對(duì)既有隧道的干擾效果，采用了巖土離心試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，考慮了非對(duì)稱(chēng)基坑開(kāi)挖的裝卸過(guò)程以及基坑與隧道的相互作用，結(jié)合卸載-再裝過(guò)程的樁-土-隧道荷載傳遞機(jī)制，分析了不同開(kāi)挖步驟和荷載施加對(duì)既有隧道位移和力的影響。結(jié)論表明，基坑開(kāi)挖會(huì)引起明顯的地層損失，隧道在非對(duì)稱(chēng)卸荷作用下會(huì)上浮并發(fā)生偏斜?；拥某跏奸_(kāi)挖對(duì)隧道的干擾較小，但隨著開(kāi)挖深度的增加，擾動(dòng)效果將逐漸增大。在基坑中心線(xiàn)附近的左隧道的擾動(dòng)效果更強(qiáng)。胡欣[6]為了探討基坑開(kāi)挖過(guò)程對(duì)既有隧道內(nèi)力和變形的影響，室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)M了截面彎矩，土壓力和直徑的變化?，F(xiàn)有隧道在三種工作條件下。同時(shí)，比較分析了各種工況下隧道的內(nèi)力和變形特性。結(jié)論是基坑的開(kāi)挖將使現(xiàn)有隧道段的縱向彎矩變小，而橫向彎矩變大，從而導(dǎo)致現(xiàn)有隧道的橫向直徑增大，縱向直徑在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，現(xiàn)有隧道橫向土壓力的減小導(dǎo)致橫向內(nèi)徑的增加和縱向土壓力的增大，從而導(dǎo)致隧道段的縱向內(nèi)徑的減小;隧道的埋深越大，開(kāi)挖影響隧道結(jié)構(gòu)的彎矩和位移就越小;基坑的水平間距越小，彎矩和受基坑開(kāi)挖影響的隧道位移的變化越大。

4 隧道安全現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

隧道的安全服役離不開(kāi)安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警，地鐵隧道具有狹長(zhǎng)、曲線(xiàn)、隧道內(nèi)管線(xiàn)設(shè)備眾多等特點(diǎn)，許多學(xué)者通過(guò)三維激光掃描、分布式光纖、測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)等技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。目前，研究者利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)隧道影響區(qū)分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)后，基坑工程立即停止施工，增加監(jiān)測(cè)頻率，隧道監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)劃分如表1所示。

沈雯[7]等通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)獲取了地鐵交通車(chē)站及區(qū)間隧道在鄰近超深基坑分區(qū)開(kāi)挖下的變形響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對(duì)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)展開(kāi)了我們深入的分析和研究。結(jié)果表明，地鐵站在開(kāi)挖基坑時(shí)出現(xiàn)凸起變形，相鄰地鐵站兩側(cè)的間隔隧道出現(xiàn)沉降變形。同時(shí)，地鐵站和區(qū)間隧道在基坑方向上產(chǎn)生水平位移，間隔隧道在橫向產(chǎn)生水平拉伸，基坑挖掘?qū)Φ罔F站和間隔隧道的影響大于地鐵站和間隔隧道的基坑開(kāi)挖橫向放電效果，在基坑的挖掘過(guò)程中，地鐵站的上下區(qū)域大于下線(xiàn)間隔，導(dǎo)致地鐵站整體向基坑傾斜。段清超[8]在研究三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用時(shí)，給出了一種適用于隧道數(shù)據(jù)采集的多站共用靶標(biāo)連續(xù)拼接法。研發(fā)了適用于復(fù)雜環(huán)境的運(yùn)營(yíng)階段隧道變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，檢查和分析，以驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。根據(jù)隧道變形的特點(diǎn)，陳麗佳[9]利用光纖光柵傳感技術(shù)對(duì)隧道安全進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，為隧道的安全運(yùn)行提供了全新的技術(shù)保證。靳羽西[10]采用多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人，結(jié)合多臺(tái)測(cè)量機(jī)器人的ATR功能，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過(guò)多臺(tái)測(cè)量站的聯(lián)合測(cè)量調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)測(cè)?；诙鄠€(gè)測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測(cè)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)測(cè)量方法效率低，數(shù)據(jù)反饋滯后等缺點(diǎn)，克服了一站式測(cè)量無(wú)法長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn)。距離地鐵隧道。它滿(mǎn)足了地鐵隧道的統(tǒng)一，實(shí)時(shí)，高效和高精度監(jiān)控。根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范中對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)做出了具體要求，可作為確定隧道的容許變量依據(jù)，具體如表2所示。

5 總結(jié)與展望

（1）基坑開(kāi)挖時(shí)空效應(yīng)。地下建筑工程位置信息比較分析復(fù)雜，基坑開(kāi)挖與運(yùn)營(yíng)隧道不同空間位置的影響還沒(méi)本文總結(jié)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近運(yùn)營(yíng)隧道變形影響的研究成果，在此基礎(chǔ)上提出以下研究問(wèn)題和有系統(tǒng)的研究。

（2）理論與模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)有相關(guān)理論問(wèn)題分析均考慮了不同環(huán)境因素對(duì)隧道的影響但公式復(fù)雜難懂，工程實(shí)用性不高，對(duì)公式的簡(jiǎn)化修正需要進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)展?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)只能作為輔助研究，離心實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用需要進(jìn)一步的研究和發(fā)展。

（3）降水和地下水對(duì)基坑開(kāi)挖的影響。如何控制水對(duì)基坑的影響以及水滲流的多場(chǎng)耦合效應(yīng)等影響因素是基坑工程發(fā)展的一大趨勢(shì)。

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