基坑開(kāi)挖引起盾構(gòu)隧道響應(yīng)研究綜述

孫華圣，張繼華，陳亞?wèn)|，王凌微，毛明暉

(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

基坑開(kāi)挖引起盾構(gòu)隧道響應(yīng)研究綜述

孫華圣，張繼華，陳亞?wèn)|，王凌微，毛明暉

(淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江蘇 淮安 223001)

基坑開(kāi)挖引起周?chē)罔F隧道的響應(yīng)問(wèn)題引起了很多學(xué)者的研究興趣。現(xiàn)有研究采用的方法多樣，包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、離心試驗(yàn)、數(shù)值模擬和解析解答等；研究?jī)?nèi)容豐富，包括基坑和隧道的幾何尺寸和物理性質(zhì)，結(jié)構(gòu)的受力和變形，周?chē)馏w的變形性狀以及加固方法和施工方案等。為了進(jìn)一步梳理現(xiàn)有研究成果，將基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響問(wèn)題按照研究方法進(jìn)行歸類(lèi)，對(duì)研究結(jié)論進(jìn)行分析，指出現(xiàn)有研究存在的不足，并給出研究展望。

基坑開(kāi)挖；隧道變形；研究綜述；相互作用

0 引言

隨著我國(guó)大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和城市地下空間的開(kāi)發(fā)，出現(xiàn)了大量位于城市地鐵沿線的基坑工程。開(kāi)挖施工必然對(duì)周?chē)罔F隧道產(chǎn)生不利作用而影響其正常使用，甚至?xí)?dǎo)致工程事故[1-4]。因此，鄰近地鐵隧道的基坑工程(如圖1所示)，對(duì)周?chē)h(huán)境非常敏感[5-6]。為此，我國(guó)上海地區(qū)以及英國(guó)倫敦地鐵有限公司都制定了嚴(yán)格的地鐵保護(hù)控制標(biāo)準(zhǔn)[7]?？梢?jiàn)，城市出現(xiàn)的鄰近地鐵隧道的基坑變形控制要求將越來(lái)越嚴(yán)格。因此，開(kāi)展基坑開(kāi)挖引起鄰近既有隧道變形分析具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文總結(jié)分析基坑開(kāi)挖引起隧道響應(yīng)的研究現(xiàn)狀，指出目前研究存在的不足，提出需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

圖1 基坑開(kāi)挖引起周?chē)淼雷冃喂こ虒?shí)例[2]

1 研究現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方面，Burford[8]對(duì)倫敦Shell Centre基坑開(kāi)挖引起的地鐵隧道變形進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)隧道變形持續(xù)發(fā)展。其原因可能是：開(kāi)挖過(guò)程挖去土重造成坑底的倫敦黏土卸荷量大于建筑物自重施加的壓力。隧道周邊土體在上部結(jié)構(gòu)施工完成后仍處于卸荷應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合倫敦黏土的滲透性很低，坑底土體的固結(jié)過(guò)程緩慢，導(dǎo)致坑底隧道一直產(chǎn)生上浮。其他學(xué)者[9-13]也相繼報(bào)道了基坑開(kāi)挖引起既有隧道變形的研究，部分工況如表1所示。從表中可見(jiàn)，大部分工程均位于黏土地區(qū)，研究黏土地區(qū)基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道的變形意義重大。

表1 基坑開(kāi)挖引起隧道變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工程

1.2 離心模型試驗(yàn)研究

魏少偉[14]在砂土中開(kāi)展離心試驗(yàn)研究同一水平面不同位置處的坑底隧道各個(gè)橫截面在基坑開(kāi)挖過(guò)程的彎矩、變形以及土壓力的變化。Huang等[15]針對(duì)上海地區(qū)的土層，開(kāi)展離心模型試驗(yàn)研究了不同埋深的隧道正上方基坑開(kāi)挖對(duì)既有隧道附加彎矩和變形的影響。研究結(jié)果表明，開(kāi)挖對(duì)隧道的主要影響區(qū)域發(fā)生在距基坑邊2.5倍開(kāi)挖寬度范圍內(nèi)。隧道隆起曲線可用高斯曲線模擬。隧道隆起的大小隨著基坑底部和隧道中心線之間的距離增大而指數(shù)遞減。隧道橫截面頂部和底部的附加彎矩較大。當(dāng)隧道彎矩位于距基坑中心1.5倍的開(kāi)挖深度處，隧道截面的附加彎矩可忽略不計(jì)。

Ng等[16]通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了地下室開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響。重點(diǎn)分析了隧道位于基坑正下方以及位于坑外這兩種情況下開(kāi)挖引起的隧道響應(yīng)。對(duì)隧道的橫截面及縱截面的變形和位移進(jìn)行了全面的監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果表明，當(dāng)隧道位于基坑中心下方時(shí)，隧道縱向直徑伸長(zhǎng)，水平向直徑壓縮。在此基礎(chǔ)上，Ng等[17]開(kāi)展離心模型試驗(yàn)研究了砂土地基土體的相對(duì)密實(shí)度和支擋結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道變形的影響，并分析了影響機(jī)理。詳細(xì)試驗(yàn)過(guò)程可參見(jiàn)相關(guān)博士論文[18]。

1.3 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬研究是一種有效的研究手段。為簡(jiǎn)化問(wèn)題，很多學(xué)者從平面問(wèn)題入手分析開(kāi)挖對(duì)既有隧道的影響。

Dole?alová[19]采用摩爾庫(kù)倫模型對(duì)捷克布拉格硬土地區(qū)隧道上方基坑開(kāi)挖及主體結(jié)構(gòu)建造的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，給出了基坑施工及監(jiān)測(cè)建議。Sharma等[20]報(bào)道了新加坡基坑開(kāi)挖影響相鄰隧道的案例，并應(yīng)用數(shù)值方法與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，分析了隧道自身剛度對(duì)隧道在開(kāi)挖過(guò)程的變形與受力的影響，隧道剛度愈大，隧道變形愈小，但承受大的彎矩。

Zheng和Wei[21]采用二維有限元方法，對(duì)處于坑底不同水平位置的三個(gè)隧道進(jìn)行了分析，分析了變形趨勢(shì)和原因。位于基坑下方的隧道，開(kāi)挖過(guò)程主要體現(xiàn)為豎向伸長(zhǎng)，水平壓縮；位于坑外的隧道，開(kāi)挖過(guò)程主要為向坑內(nèi)的水平位移與水平方向的拉伸變形。

基坑開(kāi)挖不僅是一個(gè)動(dòng)態(tài)的施工過(guò)程，而且是一個(gè)空間問(wèn)題。相對(duì)平面問(wèn)題，三維方法更能夠反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)，體現(xiàn)隧道在空間上的分布曲線，便于更加精細(xì)的模擬實(shí)際施工情況。

Lo和Ramsay[9]結(jié)合加拿大多倫多地區(qū)的工程案例，應(yīng)用三維有限元方法分析了上部結(jié)構(gòu)施工對(duì)其下方已有隧道的變形和內(nèi)力的影響，提出了一系列保護(hù)地鐵隧道的措施，如開(kāi)挖之前應(yīng)用數(shù)值方法進(jìn)行預(yù)測(cè)；開(kāi)挖過(guò)程對(duì)隧道進(jìn)行監(jiān)控；對(duì)隧道重點(diǎn)部位進(jìn)行加固保護(hù)等。

王衛(wèi)東等[22]通過(guò)數(shù)值模擬分析了隧道周?chē)馏w加固、時(shí)空效應(yīng)開(kāi)挖土方等因素對(duì)上海地區(qū)新建基坑工程的施工引起坑底已建隧道的影響。此外，王衛(wèi)東等[23]分析了上海地區(qū)基坑工程中為控制隧道變形采取的設(shè)計(jì)技術(shù)措施：盆式開(kāi)挖配合鋼管斜坡?lián)未娲竺娣e支撐、地鐵側(cè)坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)采用水泥土攪拌樁加固和遵循時(shí)空效應(yīng)原理的設(shè)計(jì)開(kāi)挖工況等。

張治國(guó)等[24]結(jié)合上海地區(qū)臨近地鐵隧道的基坑工程，運(yùn)用有限元分析方法對(duì)地鐵隧道在基坑施工過(guò)程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析。建議在設(shè)計(jì)過(guò)程中加大隧道的柔性以提高隧道適應(yīng)土體變形的能力。

高廣運(yùn)[25]針對(duì)上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程，建立了三維數(shù)值模型，對(duì)基坑施工進(jìn)行了全過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬。提出并采用了坑外二次加固的施工新工藝，指出地基加固體和地下結(jié)構(gòu)物對(duì)鄰近基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的位移傳遞具有阻斷作用。

Liu等[13]在對(duì)南京地區(qū)某新建隧道基坑開(kāi)挖工程對(duì)已建坑底雙線隧道影響的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)案例的基礎(chǔ)上，通過(guò)有限差分法研究了基坑開(kāi)挖對(duì)隧道位移的影響。分析了基坑開(kāi)挖順序，加固措施等因素對(duì)隧道隆起的影響。

Huang等[26]結(jié)合上海軟土地區(qū)鄰近地鐵隧道的基坑工程，通過(guò)三維有限元方法采用土體硬化模型分析了隧道與基坑的相對(duì)位置、隧道直徑、基坑長(zhǎng)度和寬度對(duì)既有地鐵隧道隆起的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)隧道位于基坑正下方時(shí)，隨著隧道與基坑距離的增大，隧道隆起變小，隆起曲線變緩，當(dāng)距離增大到隧道直徑的1.5倍時(shí)，基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響可忽略不計(jì)。當(dāng)隧道位于基坑外時(shí)，隧道隆起較小。不同隧道直徑對(duì)應(yīng)的隧道隆起曲線是相似的。當(dāng)基坑開(kāi)挖的寬度從5m增大到20m時(shí)，隧道隆起值隨之線性增大。通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖長(zhǎng)度的分析表明，距離隧道軸線10m外的開(kāi)挖卸荷對(duì)隧道隆起基本沒(méi)有影響。

Ng等[16]通過(guò)三維有限元分析了地下室基坑開(kāi)挖對(duì)隧道的影響。初步研究了隧道埋深與隧道直徑之比(C/D)，卸荷量等因素對(duì)隧道隆起的影響。研究結(jié)果表明，隧道隆起隨著C/D的增大而減小，隨著基坑開(kāi)挖卸荷量的增大而增大。Shi等[27]通過(guò)開(kāi)展數(shù)值模擬進(jìn)行參數(shù)分析研究了基坑開(kāi)挖尺寸、土體密度、隧道剛度以及隧道襯砌節(jié)點(diǎn)剛度等的影響。此外，Shi等[28]在大量數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，提出了一種基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道變形的計(jì)算方法。

鄭剛等[29]采用能夠考慮土體小應(yīng)變特性的有限元方法，研究了隔離樁對(duì)土體深層位移及隧道位移的控制機(jī)制。鄭剛等[30]還采用有限元方法對(duì)基坑開(kāi)挖引起坑外既有隧道變形影響規(guī)律進(jìn)行了分析，劃分了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式以及最大水平位移條件下坑外已建隧道變形影響區(qū)。研究結(jié)果表明，坑外變形影響區(qū)大致可簡(jiǎn)化為直角梯形形狀。

1.4 解析研究

林永國(guó)[31]利用明德林彈性半空間解分別推導(dǎo)出基坑開(kāi)挖卸荷引起隧道縱軸線上的附加應(yīng)力，進(jìn)而求出隧道的縱向沉降(隆起)。

劉國(guó)彬等[32]利用殘余應(yīng)力原理和應(yīng)力路徑法，建立了計(jì)算基坑開(kāi)挖引起隧道隆起變形的解析模型，并以上海地區(qū)工程實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算。同時(shí)，用布辛奈斯克公式計(jì)算了基坑開(kāi)挖引起的土體回彈?？紤]到布辛奈斯克公式僅適用于作用于地表的荷載情況，而基坑開(kāi)挖卸載有一定的深度，因此采用布辛奈斯克公式是不合理的。

吉茂杰和劉國(guó)彬[33]以上海廣場(chǎng)基坑工程為背景，在劉國(guó)彬等[32]對(duì)基坑回彈殘余應(yīng)力法研究的基礎(chǔ)上提出了基底土體隆起殘余應(yīng)力計(jì)算方法。該方法過(guò)多依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的選取，且忽略了隧道的存在，需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

青二春[34]結(jié)合人民廣場(chǎng)的基坑工程，研究了卸荷參數(shù)對(duì)隧道回彈變形量與縱向沉降變形的影響，提出了大面積卸載作用下縱向沉降曲線模式。

陳郁[35]先利用明德林解求得基坑開(kāi)挖引起隧道軸線處的附加應(yīng)力，再結(jié)合彈性地基梁理論推導(dǎo)隧道最大隆起值和縱向曲率半徑的計(jì)算公式。劉浩[36]在陳郁[35]研究的基礎(chǔ)上，提出將殘余應(yīng)力系數(shù)的概念引入明德林基本解計(jì)算附加應(yīng)力，再結(jié)合彈性地基梁理論求解卸荷附加應(yīng)力引起的地下構(gòu)筑物響應(yīng)。然而，陳郁[35]和劉浩[36]都假定僅考慮坑底荷載為均布荷載，方向向上的情況，對(duì)于坑壁的水平荷載忽略不計(jì)，與實(shí)際情況不符合。

Zhang等[37]同時(shí)考慮基坑開(kāi)挖引起的坑底和四周坑壁土體同時(shí)卸荷產(chǎn)生的影響，提出了基坑開(kāi)挖引起臨近地鐵隧道縱向變形預(yù)測(cè)的兩階段分析方法。該方法首先計(jì)算基坑開(kāi)挖作用在地鐵隧道上的附加荷載，然后基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據(jù)Galerkin 方法將該方程轉(zhuǎn)換為一維有限元方程進(jìn)行計(jì)算。

周澤林等[38]推導(dǎo)了自由邊界半無(wú)限黏-彈性空間體在內(nèi)部集中荷載作用下的Mindlin時(shí)域解，并采用積分、疊加的方法，提出了一種用于計(jì)算基坑開(kāi)挖及工程降水所引起的鄰近隧道附加應(yīng)力的方法;然后，將已建隧道視為Pasternak黏-彈性地基上的歐拉伯努利長(zhǎng)梁，建立了隧道在附加荷載作用下的平衡微分方程，求得了隧道縱向附加變形和內(nèi)力的表達(dá)式;最后，將所提方法運(yùn)用于某近接既有地鐵隧道的基坑工程中，并與三維數(shù)值模擬流變分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

表2 數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

2 存在問(wèn)題分析

關(guān)于基坑開(kāi)挖對(duì)隧道影響問(wèn)題的研究甚多。研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法、離心模型試驗(yàn)法、數(shù)值分析方法以及解析方法。研究因素眾多，包括隧道襯砌剛度(隧道直徑)、隧道和基坑的水平或豎向距離、結(jié)構(gòu)施工及施工方案、設(shè)計(jì)技術(shù)措施、基坑開(kāi)挖順序、加固措施、基坑尺寸、影響區(qū)域等?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要依附于某一具體工程進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，缺乏現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的系統(tǒng)研究，即缺乏針對(duì)基坑開(kāi)挖及后期建造過(guò)程引起隧道內(nèi)力和變形影響的全過(guò)程監(jiān)測(cè)。

相關(guān)學(xué)者開(kāi)展離心模型試驗(yàn)研究了基坑開(kāi)挖引起隧道響應(yīng)的問(wèn)題，但大多基于砂土地基，基于粘土地基的離心模型試驗(yàn)較少。缺乏針對(duì)基坑開(kāi)挖引起隧道長(zhǎng)期變形規(guī)律和機(jī)理的研究。

數(shù)值模擬研究已從二維發(fā)展到三維，如表2所示。目前，數(shù)值模擬所采用的本構(gòu)模型有鄧肯-張模型(DC)[39]，摩爾庫(kù)倫模型[9,13,19-20]，修正劍橋模型[21,23]，土體硬化模型[26]，以及亞塑性模型[16,40]?？梢?jiàn)，目前采用較多的研究基坑開(kāi)挖引起隧道變形的本構(gòu)模型是摩爾庫(kù)倫彈塑性模型，而采用能夠綜合考慮土體基本性質(zhì)(土體勁度的應(yīng)力路徑依賴(lài)以及應(yīng)變依賴(lài))的本構(gòu)模型較少。

基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)呀ㄋ淼烙绊懙慕馕鲅芯恐饕趶椥缘鼗夯蚱湎嚓P(guān)理論，缺乏考慮土體勁度應(yīng)力以及應(yīng)變依賴(lài)的計(jì)算方法研究。

對(duì)基坑開(kāi)挖引起隧道變形問(wèn)題研究的最終目的在于控制開(kāi)挖引起的隧道變形，保證隧道的安全和正常使用。目前，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究，但缺乏系統(tǒng)的分析，缺乏針對(duì)不同條件的經(jīng)濟(jì)合理的加固措施和施工方案。

3 研究展望

(1)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，系統(tǒng)研究基坑開(kāi)挖全過(guò)程引起的隧道內(nèi)力和變形響應(yīng)，從而為工程實(shí)踐提供有效的參考和借鑒；

(2)加強(qiáng)對(duì)黏土地基中基坑開(kāi)挖引起隧道變形的離心模型試驗(yàn)研究，研究開(kāi)挖引起隧道長(zhǎng)期變形規(guī)律，揭示變形機(jī)理；

(3)提出能夠考慮土體勁度應(yīng)力和應(yīng)變依賴(lài)的數(shù)值和解析計(jì)算方法，從而提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性；

(4)優(yōu)化現(xiàn)有的基坑開(kāi)挖引起隧道響應(yīng)加固方法，努力做到安全可靠，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理。

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(責(zé)任編輯：孫文彬)

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Literature Review of Metro Tunnel Response Caused by Pit Excavation

SUN Hua-sheng，ZHANG Ji-hua，CHEN Ya-dong，WANG Ling-wei， MAO Ming-hui

(Faculty of Architecture and Civil Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an Jiangsu 223001，China)

The response of the metro tunnel caused by pit excavation has aroused the interest of many s7cholars. A number of methods have been adopted, such as in-situ monitoring, centrifuge test, numerical simulation, and analytical solution, etc. The research content is rich varying from geometry and physical properties of pit foundation and tunnel, the stress and deformation of the tunnel structure, soil stress and deformation around tunnel, to reinforcement methods and construction schemes. In order to further clarify the existing research results, in this paper, the interaction between pit excavation and tunnel is classified according to the research methods, results of the existing study are analyzed, and the shortcomings of existing studies are pointed out, and suggestions for future study are provided in the end.

pit excavation; tunnel deformation; literature review; interaction

2016-08-18

江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20160426)；大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(Z205C16486)，博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(402315002)

孫華圣(1984-)，男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事巖土工程與地下空間開(kāi)發(fā)研究。

TD853.34

A

1009-7961(2017)03-0048-06