基坑开挖对临近既有盾构隧道影响的机理研究

基础与结构工程器　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　基坑开挖对临近既有盾构隧道影响的机理研究　魏纲，赵城丽，蔡吕路　（浙江大学城市学院土木工程系，浙江杭州　３１００１５）　摘　要：基坑开挖会对临近既有盾构隧道产生不利影响。分析了基坑开挖对临近既有隧道变形的影响机理，理论分析结　果表明：基坑开挖卸载使隧道水平方向压力减小，导致隧道产生朝向基坑侧的水平方向位移；收敛变形仍呈“水平向拉　伸、竖向压缩”，但变形会加剧；首次提　基坑开挖深度决定了隧道竖向产生隆起或沉降；降水会使隧道产生下沉。收集了　１１项同内基坑Ｔ程实例，对实测数据进行了统计分析，结果表明：隧道最大水平位移值与隧道和基坑的净距离呈幂函数　关系．提出了隧道最大水平位移值的经验公式，实测结果验证了影响机理理论分析的可靠性。　关键词：基坑：盾构隧道；开挖；变形　中图分类号：Ｕ　４５６．３１　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７６７（２０１３）０６一Ｏ１４１—０６　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｉｔ　Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ　Ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　Ｅｘｉｓｔｉｎｇ　Ｎｅａｒｂｙ　Ｓｈｉｅｌｄ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｗｅｉ　Ｇａｎｇ，Ｚｈａｏ　Ｃｈｅｎｇｌｉ，Ｃａｉ　Ｌｎ１“　随着我国地铁建设的快速发展，临近既有地铁盾　令Ｈ为隧道顶部覆土厚度，ｚ。为隧道轴线埋深，　为土　构隧道的基坑开挖Ｔ程越来越多。基坑降水和土方开　体重度，Ｋ。为静止土压力系数，则隧道顶部受到竖向压　　挖会打破周围土体的受力平衡。使旁边既有隧道产生　力为ｙＨ，隧道轴线处受到的水平向压力为Ｋｏｙｚ。。竖向和水平向位移，横截面产生收敛变形。而地铁对　隧道的变形要求极其严格，例如，上海市规定：地铁结　构最终绝对位移不能超过２０　ｍｍ，变形曲线的曲率半　径不小于１５　０００　ｍ，相对弯曲不大于１／２　５００④。因此，　研究基坑开挖对旁边既有盾构隧道的影响非常重要。　基坑开挖施Ｔ对临近既有隧道影响的研究方法　可归纳为：现场实测分析ｌｌ＿　２１、有限单元法＿１３　４１、两阶段　分析法ｌＩ５Ｊ和离心模型试验法ｌＩ６】。研究内容包括：隧道变　ａ）隧道处于初始受力平衡状态　形规律、基坑不同施工方案对比、基坑开挖控制措施、　降水影响等。但关于基坑开挖对临近既有盾构隧道影　响的机理还缺乏研究。笔者分析了基坑开挖对临近既　有盾构隧道影响的机理，利用实测数据对理论分析结　果进行了验证。　１影响机理分析　生向基坑　拘ｌ附加力　基坑开挖卸载　▲　。　ｂ）开挖卸载便隧遭受力失衡　基坑降水与土方开挖．会打破盾构隧道附近土体　的受力平衡，引起土体移动，导致隧道受到影响。　图１　基坑开挖对隧道水平向位移的影响　当基坑开挖土方后，土体应力释放（卸载），基坑　当盾构隧道在基坑旁边时．在基坑开挖前隧道受　围护结构产生向基坑内侧的移动．导致隧道靠近基坑　到周围水土压力和自重作用，保持受力平衡（见图ｌａ）。　①引白《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》　一侧的水平向受力（围压）减小，使隧道受到朝向基坑　侧的附加力作用，隧道产生向基坑一侧的水平位移　一２０１３－￣￥６棚（１１．１）第３１卷啼荭投术　１４１　器基础与结构工程　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（见图１ｂ）。相同条件下，隧道离基坑越近，受到的附加　基坑开挖前，南于软土地区土的侧压力系数Ｋｎ＜ｌ，　力越大，水平位移值也越大，容易超过报警值（１０ｍｍ）。　隧道顶部受到的竖向自重应力一般要大于起拱线处　当隧道在基坑旁边时，实测隧道竖向位移出现隆　的水平向自重应力，隧道产生“水平向拉伸、竖向　起和沉降两种情况，难以判断。笔者分析认为，隧道竖　缩”，隧道收敛变形类似“横椭圆”形状（见图４ａ）。基坑　向位移与基坑开挖深度和基坑降水有关。　开挖后，开挖卸载使隧道朝向基坑侧的水平向受力变　１）把基坑类型分为Ａ型和Ｃ型，Ａ型基坑的开挖　小，而竖向受力不变，从而加剧了隧道“横椭圆”式的　面在隧道底部以上，Ｃ型基坑的开挖面在隧道底部以　椭圆化变形，即产生“横向（水平向）拉伸、竖向压缩”，　下。基坑开挖后，隧道会产生斜向坑底的位移。Ａ型基　使隧道收敛值增大，容易超过报警值（见图４ｂ）。　坑开挖卸载，隧道上部压力减小，引起隧道产生隆起　（见图２ａ）。Ｃ型基坑开挖卸载，隧道下方支撑力减小．　引起隧道产生沉降（见图２ｂ）。　＼＿＼　基坑开挖卸载　，　Ｖ　，　ｒ占ｌ＃恃　侧的附加力　ａ）Ａ型基坑　／／　＼＼　产　生向基坑２一—　；　Ｉ　侧的　对加力—／　１］　基坑开挖卸载　▲　ｂ）Ｃ型基坑　图２基坑开挖深度对隧道竖向位移的影响　２）基坑降水会导致隧道所处土体的地下水位下降，　土体竖向有效白重应力增大，使隧道产生下沉（见图３）。　分析结果与文献ｆ１７１的研究结果相符。因此，隧道竖向　位移受基坑开挖深度和基坑降水两者共同影响，应综　合考虑　基坑开挖卸载　／／　＼＼　、　产生向基坑　▲　图３基坑降水对隧道竖向位移的影响　１４２，｛；荭技术２０１３　Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３１　竖向自重应力大　ａ）隧道初始收敛状态　基坑开挖卸载　水平向自重应力变小　、　ｂ）基坑开挖隧道收敛变形　图４基坑开挖对隧道收敛变形的影响　２力学分析　张治同等１　研究基坑开挖对临近地铁隧道的影响，　计算模型如图５所示，假定土体为弹性半空间内的均　质土体，隧道纵轴线方向平行于矩形荷载作用区域的　长边或短边，不考虑隧道存在对土体附加应力的计算　影响　考虑基坑开挖引起的坑底和四周坑壁土体同时　卸载产生的影响，基于Ｍｉｎｄｌｉｎ应力解，积分求得基坑　开挖作用在隧道轴线处的附加应力。　图５中基坑尺寸深度为ｄ、长度为『ｊ、宽度为８，　基坑４个侧壁分别编号为①、②、③、④，基坑巾心与　隧道轴线距离为　。，隧道外径为，）。侧壁ｉ角形等效　荷载为　，底部均布矩形荷载为　。在地表面处以　矩形荷载范围中心为原点建立坐标系（　，Ｙ，　），　为深　度，以向下为正。　笔者分析认为：图５中侧壁　角形等效倚载为　是错误的．原因是基坑开挖时有围护结构保护（包括井壁　基础与结构工程器　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　图５可进一步解释前面的机理分析：１）在侧壁三　基坑区域　ｏ　ｙ　海　角形等效荷载作用下，隧道会受到朝向基坑侧的附加　：Ｉ④　载　１　ｒ　应力作用：２）也能解释开挖深度对隧道竖向位移的影　响。即Ａ型基坑在底部向上荷载的作用下，会导致隧　、蔚　遂　Ｆ与　遭　道隆起：Ｃ型基坑的隧道则不受底部荷载的影响，而是　地铁隧道　由于地表沉降导致隧道沉降。　行隧　线道　参考张治国等［　的计算方法，笔者提出可以基于　Ｍｉｎｄｌｉｎ位移基本解，通过积分求得基坑开挖作用在隧　ａ）俯视图　基坑区域　ｏ　ｂ）前视图　道轴线上的位移。由于本文篇幅有限，具体的求解过　隧连Ⅱ远　程在另文中展开。　３实测数据验证　一一一一　下中【下舯　．线　底　部　３．１国内工程案例实测数据收集　临近既有地铁隧道的基坑Ｔ程，大都会对隧道变　形进行现场监测，监测内容主要有：隧道竖向位移（人　ｅ）右视图　工或静力水准仪）、隧道水平向位移、隧道收敛变形、　图５基坑开挖对旁边隧道影响的计算模型ｌｌ５１　轨道沉降以及隧道渗水等。根据文献［１卜一【１　２］，笔者收集　了１ｌ项有实测数据的国内基坑工程实例（见表１）。通　来验证理论分析的正确性　１　１项　和内支撑或外支撑），因此不会全部卸载，应乘以１个折　过对实测数据的分析，减系数（　＜１），变为ｃ￣Ｋｏｙｚ。　的取值需作进一步研究。　＿［程有１０项位于上海，仅１项工程位于广州。　表１　临近旁边既有隧道的基坑工程实例　下行线：向基坑侧水平位　地下三层，向　．１５．１～１６ｍ　畏　移２５．２ＩＴＩＩＴＩ；竖向位移较小，　总体有少量隆起；收敛变形　２７　ｍｍ（横椭圆变形）。上行　形　线：竖向总体有少量下沉　２０１３￣６期（１１一）第３１整啼荭技术１４３　器基础与结构工程　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　续表　基坑　１霉　４．７～１６－４ｍ　裹三’近侧隧晋遍区为Ｍｍ　…移　平道近均：下侧隆沉隧起３道２．８：５隆　ｍ起ｍ５：．远５　侧ｍｍ隧，淤土杂、泥淤填质７．尼土质粉、黏质土黏、　．５　ｍｍ，平均下沉黏土、粉质黏土、　粉质黏土、细粉　砂　２．４　ｒｎｌ￣３　基坑围护结　上行线：竖向　上行线：下沉１７．３７ｍｍ，向泥质粉质黏土、　盏喜　５．４ｍ　－深￣部１位９３ｍ为，　川・　ｍ　线：季茎　嘉　竖向位移　变形）；下行线：下沉８ｍｍ　粉质黏土夹砂　３．２隧道水平向位移数据分析　数据。实测数据的统计结果表明：隧道水平向位移均　在表１的ｌ１项Ｔ程中，８项工程有隧道水平位移　朝向基坑一侧，证明了笔者机理分析的正确性。　１４４啼　技术２０１３　Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３１　基础与结构工程器　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　取隧道的最大水平位移数据作研究。表２所示的　１）序号１、２、６工程属于Ａ型基坑，开挖面均高于　８项工程中，有２项工程的位移超过报警值（１０　ｍｍ）：　隧道底部．由理论分析可知隧道会产生隆起。实测值　１）序号１　Ｔ程的最大水平位移为２５．２　ｍｍ，超过控制值　确实为隆起，但数值不大，均＜１０　ｍｍ。　（２０　ｉｆｌｍ），最后采取了注浆纠偏措施；２）序号１０　程　２）序号３、４、７、９、ｌｌ工程属于Ｃ型基坑，开挖面均　的最大水平位移为１７．１　ｍｍ，超过报警值。　表２最大水平位移实测数据　从实测数据可以发现，隧道与基坑的水平净距离　５是一个重要的影响因素，随着５减小，隧道的最大水　平位移有明显增大的趋势（见图６）。通过对８组实测数　据的拟合发现：隧道的最大水平位移值Ｕ（ｍｍ）与Ｓ（ｍ）　近似呈幂函数关系，与文献ｆ１８１的研究结果一致，但该　文献仅６个数据。图６数据的拟合公式为：　Ｕ＝６９．２１１Ｓ～　瑚　（１）　由于实测数据较少，该公式可靠性还需作进一步　验证。同时，由于８组数据中有７组来自上海地区，所　以该公式比较适用于类似上海的软土地区　由表ｌ可　知，上海土质以粉质黏土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏　土、黏土、砂质粉土、粉细砂为主。　图６隧道最大水平位移值与　关系　３．３隧道竖向位移数据分析　１　１个工程均有隧道竖向位移数据，分析表明有３例　隆起、８例沉降。具体分析可知：　低于隧道底部位置，由理论分析可知隧道会产生沉降。　实测值确实均为沉降，其中有１个数据（１７．３７　１７１１７１）超　过报警值；有１个数据（２３　ｍｍ）超过控制值。　３）序号５、８、１０工程，其开挖深度高于隧道底部　位置，分别高１、３．２、６，４　ｍ，属于Ａ型基坑。由理论分析　可知隧道会产生隆起．但实测值为沉降，不符合理论　分析。原因是这３个基坑均采取了降水措施：序号５　工程，采用基坑内侧降水：序号８＿［程，采用真空深井　泵降水，达到开挖面以下１　ｍ内；序号１０工程，采用基　坑降水。开挖与降水的综合作用，导致隧道最终产生下　沉。这３项工程的６个实测沉降值总体不大，平均值为　６．８　ｒｒｌｌＴｌ，仅有１个数据（１２．３　ｍｍ）超过报警值。　ｌｌ项工程中有８项完全符合笔者所做的机理分　析，仅有３项工程不太符合，证明了笔者的机理分析　结果有一定可靠性。同时也说明Ｃ型基坑一般为沉　降，而Ａ型基坑可能隆起或沉降，较难判断。文献［１８１　收集到的隧道竖向位移数据均为沉降，所以其结论不　可靠。　３．４隧道收敛变形数据分析　隧道收敛变形实测数据较少，１　１项工程中仅有５项　＿Ｔ程有实测数据（共６个数据）。数据分析结果表明：　隧道收敛变形均呈“水平向拉伸、竖向压缩”，即“横椭　圆”形状加剧。有４例位移超过报警值：１）序号１工程　最大收敛变形２７　ｍｌＴｌ，超过控制值，最后采取注浆纠偏　措施；２）序号３工程最大收敛变形２１．１５　ｍｉｌｌ，也超过　控制值；３）序号５工程最大收敛变形为１３．８　ｍｍ，超过　报警值；４）序号１　１工程最大收敛变形为１８　ｍｌｎ，超过报　警值。　实测数据表明当隧道在基坑旁边时，隧道的收敛　变形值较大，易超过报警值。实测结果验证了笔者影响　机理理论分析结果的正确性。从案例中也发现．对隧道　收敛的监测相对较少，建议应加强。　４结语　１）当隧道在基坑旁边时，基坑开挖卸载导致隧道　朝向基坑侧的水平向压力减小，使隧道产生向基坑侧　的水平位移（容易超报警值）。隧道离基坑越近，水平　位移越大，最大水平位移值与隧道和基坑的净距离近　２ｏ１３卑第６期（１１一）第３１巷　荭投术　１４５　器基础与结构工程　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ＆Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　似呈幂函数关系　下空间与工程学报，２０１１，７（５）：１０１３—１０１７．　８］邵华，王蓉．基坑开挖施工对邻近地铁影响的实测分析『Ｊ］．地　２）南于隧道朝向基坑侧的水平向压力减小，隧道　【仍产生“水平向拉伸、竖向压缩”的收敛变形，但变形　比开挖前明显加剧（容易超报警值）　３）隧道的竖向位移与基坑开挖深度有关，当开挖　面在隧道底部上方时，隧道产生隆起趋势：当开挖面　下空间与　【程学报，２０Ｉ１，７（Ｓ１）：１４ｏ３—１４０８．　［９］章　财，梁广彦，江权兵，等．打浦路隧道复线浦东深基坑施　Ｔ与环境保护［ＣＪ／／中　土木Ｔ程学会，等．地下工程建设与　环境和谐发展：第四届中国罔际隧道Ｔ程研讨会文集．上海：　同济大学出版社，２００９：７９３—８０３．　在隧道底部下方时，隧道产生沉降趋势　基坑降水会　【１０】张治罔，张谢东，乇卫东．临近基坑施下对地铁隧道影响的　导致隧道沉降。最终隧道的竖向位移需要综合考虑基　数值模拟分析『Ｊ］．武汉理上大学学报，２００７，２９（１】）：９３—９７．　坑开挖深度和降水的影响　由于笔者收集的实测数据较少，隧道最大水平位　理还需作进一步研究。建｝义基坑开挖时应重点控制隧　『ｌ１】万鹏，魏刚，朱蕾，等．邻近运营地铁隧道的超深基坑开挖　实测数据分析Ⅲ．城市轨道交通研究，２０１０（Ｓ）：３２２—３２５．　１２】汪小兵，贾坚．深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控　移值的经验公式还需完善，同时对隧道竖向位移的机　【制措施ｆＪ］．城市轨道交通研究，２００９（５）：５２—５７．　『１３］李平，杨挺，刘汉龙，等．基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆　起变形分析『Ｊ］．解放军理＿ｒ大学学报：ｆｊ然科学版，２０１１，１２　（５）：４８０—４８５．　道的水平位移和收敛变形。　＿　参考文献：　【１］况龙川．深基坑施　对地铁隧道的影响『Ｊ１．岩土　程学报，　２０００，２２（３）：２８４—２８８．　【１４］周建昆，李志宏，紧邻隧道基坑工程对隧道变形影响的数值　分析ｆＪＩ．地下空间与丁程学报，２０１０，６（Ｓ１）：１３９８—１４０３．　［１５］张治国，张孟喜，王卫东．基坑开挖对临近地铁隧道影响的　【２１王卫东，沈健，翁其　，等．基坑　程对邻近地铁隧道影响的　两阶段分析方法『Ｊ］．岩土力学，２０１　１，３２（７）：２０８５—２０９２．　『１６］梁发云，褚峰，宋著，等．紧邻地铁枢纽深基坑变形特性离　心模型试验研究ＩＪ１．岩土力学，２０１２，３３（３）：６５７—６６４．　【１７］刘庭金，邓飞皇，莫海鸿．水位下降对地铁盾构隧道的影响　分析［Ｊ】．现代隧道技术，２００８（Ｓ）：２０７—２１０．　『１８］孔令荣，崔永高，隋海波．基坑开挖对邻近地铁变形的影响　分析与对策Ⅲ．岩土工程学报，２００６，２８（Ｓ）：１３４０—１３４５．　【３］蒋洪胜，侯学渊．基坑开挖对临近软土地铁隧道的影响『Ｊ］．］　业建筑，２００２．３２（５）：５３—５６．　［４】高广运，高盟，杨成斌，等．基坑施工对运营地铁隧道的变形　影响及控制研究『Ｊ１．岩上　程学报，２０１０，３２（３）：４５３—４５９．　［５　Ｊ刘庭金．基坑施Ｔ对盾构隧道变形影响的实测研究［Ｊ］．岩石　力学与Ｔ程学报，２００８，２７（Ｓ２）：３３９３—３４００．　分析『Ｊ】．工程勘察，２０１０（６）：１５—２０．　【６１李进军，王卫东．紧邻地铁区间隧道深基坑工程的设计和实　收稿日期：２０１３—０７—１４　践【Ｊ１．铁道ｒ程学报，２０ｌ１（１１）：１０４一ｌｌ１．　作者简介：魏纲　男，副教授，硕士导师，博士，串要从事地下隧道施１　［７１肖同刚．基坑开挖施Ｉ＝龄控对临近地铁隧道影响分析【Ｊ］．地　对周边环境影响及风险控制研究丁作。　云南：今后３年将投资１　５００亿建设１　５００　ｋｉｎ高速公路　近年来，云南省委、省政府紧紧抓住国家实施西部大开发的战略机遇，全力加快高速公路建设步伐。云南省高速公路通车里　程达２　９４３　ｋｍ，但仍存在通车里程少、覆盖面小，部分卅ｌ、（市）未通高速公路，与周边省（区）连接不畅、连接通道不足等问题。　为加快高速公路建没，云南省人民政府决定围绕桥头堡国际大通道建设，突出打通和增加出省高速公路通道这个重点，实现　所有州（市）通高速公路，统筹协调高速公路建设与经济丰十会发展、　ｒ业化、城镇化和农业现代化的关系，加强与铁路、航空、水运　各种运输方式的有效衔接。今后３年，云南将投资ｌ　５００亿元建设ｌ　５００　ｋｍ高速公路，使全省高速公路通车里程到２０１５年年底达　４　５００　ｋｍ，确保南北大通道全线贯通，实现连接内外、通江达海、沟通两洋、　家高速公路网云南段基本建成。到２０１７年，云南将完　成“七　省、四出境”大通道高速公路建设，使全省高速公路通车里程达６　０００　ｋｍ。　为实现上述目标．云南省人民政府决定完善通行费收费标准定价机制，优化投融资环境，埘符合《收费公路管理条例》的经营　性收费公路，按照“一路一测、桥隧分开、还本付息、投资回报”的定价机制制定收费标准，收费期限不超过３０年，资金同报率以人　民银行规定的中长期货款基准利率加２个百分点．确保经营主体在经营期内获得合理回报，增强银行放贷信心．　．云南将进一步加大高速公路建设领域开放合作力度，完善和规范招商引资机制，积极稳妥地推进高速公路存量资产租赁、合　作、Ｈ｛让：积极引进有实力、有信誉、有资质的投资者，以合资、合作、合股、独资等形式，采取ＢＯＴ（建设一经营一转｝　）、ＢＴ（建设一移　交）、ＴＯＴ（移交一经营一移交）等方式开发高速公路项目。　１４６　荭技术２０１３　Ｎｏ．６（Ｎｏｖ．）Ｖｏ１．３１