深基坑对既有地铁隧道的变形影响_林秋明

108

低温建筑技术2014年第7期（总第193期）

深基坑对既有地铁隧道的变形影响

林秋明

（福州市勘测院，福州350003）

【摘要】基坑开挖对既有隧道的影响作用已成为近年来城市快速发展过程中所出现的新型问题。如何控

制与减小基坑施工期间所引起的既有隧道变形至关重要。本文于此背景下建立了数值计算模型，并从影响既有隧道变形的各种因素分析入手，研究分析基坑开挖对既有隧道衬砌的变形影响。论文通过ANSYS软件模拟基坑开挖施工，获得了隧道水平以及竖直方向上的位移变形沿隧道纵轴的变化曲线，分析了基坑开挖对既有隧道所产生的位移影响，并基于结论提出了减小隧道变形的施工控制措施。

【关键词】深基坑开挖；地铁隧道；变形；数值模拟【中图分类号】TU941

【文献标识码】B

【文章编号】1001－68（2014）07－0108－03

EFFECTSOFDEEPEXCAVATIONONEXISTINGTUNNELS

LINQiu-ming

（FuzhouInvestigationandSurveyingInstitute，Fuzhou350003，China）

Abstract：Withthedevelopmentofcity，anewproblemwhicharoseistheinfluenceoffoundationexcavationonexistingtunnel．Consequently，howtopredictandcontrolthedisplacementoftheexistingtunnelsbecomescrucial．Inthiscontext，startingwiththevariousinfluentialfactorsofexistingtunnelde-formation，thispaperanalyzesthedeformationinfluenceofconstructionofadjacentfoundationbysettingupanumericalcalculationmodel．ThroughtheresearchofANSYSsimulation，weachievethechangecurveofthedisplacementsofhorizontalandverticalalongthelongitudinalaxisoftunnel，thedisplace-mentimpactonexistingtunnelareanalyzed．Basedontheconclusion，itproposessomemeasurestominimizethetunnel’sdeformation．

Keywords：deepexcavation；tunnel；deformation；numericalsimulation

0

引言

随着我国国民经济持续且快速的发展，城市规模不断扩大，城市化进程逐步加快。然而城市人口的急剧增加及城市用地所呈现出的多样性使得人们对城市空间的需求越来越大。所以，如何有效利用土地及地下空间，成为人们日益重视的一个问题。为了满足城市发展对现代化交通体系的迫切需要，地下轨道交通成为人们的必然选择。但随着地铁隧道的建成、通车以及城市建设发展的需要，地铁沿线逐渐成为建筑商们竞相开发的黄金地段。故而在已建地铁附近不可避免地会出现各种各样的施工活动。由此所带来的影响也是不容忽视的。其中主要影响因素是（既有隧道附近）基坑的开挖。目前越来越多的基坑工程建设在已建地铁隧道的附近，且建设项目越来越向着“深、大、近”的方向发展。因此，进行基坑开挖对既有地铁隧道结构影响的研究，对我国城市地下空间的利用与开发有着重要的工程价值。

国内外也有众多学者结合工程实例和数值分析

对此进行了研究。

张昆（2005）

［1］

通过对成都地铁天府广场段基坑

降水、基坑开挖及围护结构三方面的分析总结了基坑

［2］

周围土体变形的特点。吴华、郑刚（2007）根据天津

市某基坑工程的实例，分析研究并指出，合理利用开挖过程中所产生的空间效应将会有效地减少维护结

［3］

构的变形。况龙川（2000）结合上海市某典型工程

分别对隧道一侧以及隧道上部实例（上海广场项目），

开挖基坑所引起的隧道变形及变位的监控数据进行了分析，得出基坑施工过程中隧道的变形趋势以及基

［4］

础板浇筑时间对变形的影响。朱姣利、潘健（2007）

以广州市一基坑工程为例，研究采用有限元分析法的结论来指导基坑施工的实用性与可行性。张治国等（2009）［5］采用两阶段分析方法，提出了邻近开挖对既有软土隧道纵向受力变形影响的简化计算方法，并结合离心模型试验结果和工程实例进行分析，验证了方法的有效性。

由于地铁在我国发展较晚且兴建城市不多，即便

林秋明：深基坑对既有地铁隧道的变形影响

109

是大规模城市建设也只是在近10年之内才开始兴起，所以对于地铁隧道附近的基坑工程来说，其设计与施工技术还处于发展及完善阶段，隧道的保护措施也没有系统的理论指导。故而本文通过模拟既有隧道附近的基坑开挖，分析对比其数据结果，研究施工对隧道所造成的变形影响，以期对地铁隧道旁基坑工程的设计以及施工提供有益的借鉴和参考。11．1

数值计算分析数值模型的建立

为了模拟基坑开挖对既有隧道的影响，必须建立一个数值计算模型。为此做出一些假设：①同一土层为均质、各向同性的理想弹塑性体；②计算变形时，假定土体已在自重作用下充分固结；③假定隧道衬砌、围护结构与土体之间的变形是协调的；④基坑开挖过程中不考虑时间效应；⑤假定隧道管片环为连续均质弹性环；⑥未考虑其他施工活动或因素的影响。在所采用的模型中：基坑位于隧道的侧方，基坑模型尺寸围护结构选为长30m（X）×宽20m（Z）×深25m（Y），

隧道顶面距地面深用钻孔灌注桩（入土深度为20m），

度12m，基坑与隧道的水平距离为10m。见图1、图2。

表1

类型土体桩土复合体隧道衬砌

弹性模量E/MPa7.5100020700

元，模型涉及土体、隧道、隧道衬砌以及围护结构（钻孔灌注桩）。计算参数如表1所示。

在这一几何模型里，土体采用空间8节点的实体单元SOLID45模拟；隧道衬砌、围护结构（钻孔灌注桩）用SHELL63单元模拟，隧道用专门的隧道设计器模拟，整个模型的网格划分如图3、图4所示。

计算参数

密度/kg·m－3

193025002500

泊松比/v0.280.200.20

粘聚力c/kPa43.2－－

内摩擦角f/（°）19.8－－

模型的位移边界条件为：xy平面上z方向位移被x、y方向位移自由；yz平面上x方向位移被约约束，

y、z方向位移自由；模型底面xz面为固定约束。束，1．2

监测点的选择

结合基坑开挖对隧道衬砌的影响范围及程度，隧B、C、D、E、F道衬砌位移及应力的变化监控点选定A、

本文采用有限元计算软件ANSYS建立三维有限

六点，如图5所示。

1．3隧道变形控制标准

《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管根据

通过有限元分析软件对所建模型进行施工模拟，得出邻近基坑一侧的隧道衬砌在竖直方向和水平方向上的位移云图分别如图6、图7所示。

从图6和图7中可知，既有地铁隧道变形最大的并沿隧部位发生在离基坑中部最近断面（Z=60m），道纵向的两端方向，呈现出逐渐减小的趋势。

经过对隧道衬砌最终位移图的分析可知，各断面

，理暂行规定》各种卸载及加载活动对运营中地铁隧道的影响限度必须符合：①地铁结构设施绝对沉降量及水平位移量≤20mm；②隧道变形曲线的曲率半径Ｒ≥15000m；③相对弯曲≤l/2500。2

数值分析结果

110

低温建筑技术2014年第7期（总第193期）

移Uymax=50.2mm发生在平行于基坑一侧的中点（Z=60m）处，其位移量超出了最大允许值（20mm）的51%。同样的，从隧道衬砌中心沿隧道纵向的两端方向，竖向位移逐渐减小，但其变形值仍旧较大（Uymin=24.2mm）。

对比图8中水平及竖直方向上的位移数值发现：隧道衬砌的竖向位移远大于水平位移。这是由于在深基坑（开挖深度h=25m）的开挖过程中，深基坑侧向采取了支护措施，侧向土体变形受，仅发生塑性变形

［6］

，而竖直方向发生隆起，且基底隆起作用所

产生的影响大于土体开挖所造成的基坑侧壁土体塑性区增大的影响，这使得隧道衬砌表现出明显上抬的变形特征。3

结语（1）

既有地铁隧道变形最大的部位发生在离基

坑中部最近断面，并沿隧道纵向的两端方向，呈现出逐渐减小的趋势。

（2）

最大竖向位移发生在A位置（即拱顶位置），最大水平位移发生在C位置（即左边墙中点）。将基坑开挖之后，隧道各断面的拱顶竖向位移和左边墙中点水平位移，沿隧道纵向绘制最终的变形曲线，如图8所示。

当基坑开挖活动发生在既有隧道的侧边

时，隧道衬砌在水平方向上的位移均表现为衬砌向着基坑开挖的一侧靠近，竖直方向上的位移表现为衬砌明显上抬。且隧道衬砌的竖向位移远大于水平位移。

（3）

在地铁隧道附近进行的基坑开挖时，其最

大变形值均超出规范允许值，必须通过提高支护结构刚度，对坑底土体进行适当的预加固等措施，增大土体的刚度，来减小对地铁隧道的扰动，进行实时监测，并及时反馈监测数据，指导现场施工，保证隧道的安全稳定性。

参考文献

［1］张昆．深基坑施工引起周围土体位移监测分析［D］．成都：西

2005．南交通大学，

［2］吴华，J］．低温建郑刚．考虑空间效应的基坑开挖及数值模拟［

从图8可知，基坑开挖后隧道衬砌左边墙中点的水平位移值范围（沿隧道纵向方向）为－5.91～－20.79mm，即在隧道衬砌的C位置方向，隧道整体表现出向基坑方向靠近的趋势。其中，最大水平位移Uxmax=－20.79mm发生在平行于基坑一侧的中点（Z=60m）处，其位移量超出了变形的最大允许值（20mm）。且从隧道衬砌的中心沿隧道纵向的两端方向，水平位移呈现出逐渐减小的趋势。

从图8可知，基坑开挖后隧道衬砌拱顶处的竖向位移值范围为24.2～50.2mm，即在隧道衬砌的A位置方向，隧道整体表现出上抬的趋势，这主要是因为基坑开挖时，侧向土体被开挖，隧道向基坑方向发生位移，由于隧道衬砌具有较好的整体性，加上部分土体隆起，造成整个隧道发生上抬。其中，最大竖向位

2007，（2）．筑技术，

［3］况龙川．深基坑施工对地铁隧道的影响［J］．岩土工程学报，

2000，22（3）：284－288．

［4］朱姣利，潘健．某基坑开挖对临近地下隧道影响的有限元分析

［J］．广东土木与建筑，2007（7）：13－14．

［5］张治国，黄茂松，王卫东．邻近开挖对既有软土隧道的影响

［J］．岩土力学，2009，30（5）：563－566．

［6］蒋利明，周晓军，莫阳春．基坑开挖对邻近地铁隧道的影响研

B］．路基工程，1003－8825（2010）04－0194－03．究［

［收稿日期］2014－03－21

［作者简介］林秋明（1960－），高级工程师，男，福建莆田人，

研究方向：岩土工程。