地铁区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形影响的分析研究

摘要：北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间需设置竖井进行区间隧道的开挖。为了解竖井及区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，采用数值方法，计算分析了开挖过程中临近建筑结构内力及变形的变化情况。结果表明地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；地下开挖引起的地表沉降曲线近似于正态曲线；随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

关键词：竖井开挖；区间隧道开挖；建筑结构；数值分析；变形内力

中图分类号：TU924 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

随着城市地下轨道交通的发展，新建地铁线路的选择日益受到可用地下空间等因素的限制。新建地铁线路的施工会对邻近既有结构产生影响，一旦结构内力及变形控制不好，就可能会导致既有结构无法正常运营或发生安全事故。因此，正确分析、预测并控制新建地铁施工对既有结构内力及变形的影响是确保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道对地表及既有结构影响的方法主要包括理论研究、模型试验、经验法以及数值分析。理论方法多将建筑物简化成梁或框架结构，然后根据经典力学理论对模型进行分析，因涉及较多、较特别的简化和假设，所得结果往往有较明显的局限性。模型试验是通过建立物理模型来模拟实际的地层环境及施工过程，此方法往往因为有限的相似性而难以用于推测实际情况，并且比较耗时费力。经验法主要是以现场量测数据及直观推理为基础得到经验公式，进而应用于特定的工程问题，在地层沉降的预测中应用最多的是Peck经验公式。与前几种方法相比较，数值分析无论是在操作性还是在经济性方面都比较强，因而是目前最常用的计算手段之一。

本文主要研究竖井、横通道、区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，竖井和横通道是为增加施工断面以加快施工进度而设立的。

2 工程概况及施工方案

所研究的竖井、横通道及区间隧道位于北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间，受影响的建筑结构为一个地上4层、地下1层的框架结构，与竖井的最近距离约16米。竖井、横通道、区间隧道及建筑结构的相对位置关系如图1所示。

开挖工序依次为竖井开挖，横通道开挖，区间隧道开挖。其中竖井采用倒挂井壁施工，横通道及区间隧道采用暗挖法分布开挖。

3 计算模型

单元类型及约束条件的选择：采用实体单元模拟地层。对于框架结构，为了便于分析结构内力，采用二维梁单元模拟结构的梁、柱构件。框架结构分为地上4层和地下1层，为了考虑土体及未模拟结构对结构模型的约束作用，假设地下1层地面处及结构断开处的节点无水平位移，具体约束情况如图2所示。竖井衬砌、结构底板、地下一层竖墙、横通道及区间隧道衬砌采用板单元模拟。计算分析模型如图3所示。

4 计算结果分析

4.1 框架结构内力分析

如图4所示，为了便于内力分析，将框架结构分为3排。图5-图7为竖井、横通道、区间隧道施工前后各排、各列梁、柱弯矩图，表1、表2分别为竖井、横通道、区间隧道施工前后梁、柱的弯矩变化统计。

由梁、柱弯矩图、表可知，施工前结构梁的初始最大弯矩为122.2kN·m，竖井施工完成后梁的最大弯矩为125kN·m，分部弯矩增量为2.8kN·m，占增幅总量的35%；横通道、区间隧道施工完成后梁的最大弯矩为130.2kN·m，分部弯矩增量为5.2kN·m，占增幅总量的65%。施工前结构柱的初始最大弯矩为58.6kN·m，竖井施工完成后柱的最大弯矩为60.2kN·m，分部弯矩增量为1.6kN·m，占增幅总量的59%，横通道、区间隧道施工完成后柱的最大弯矩为61.3kN·m，分部弯矩增量为1.1kN·m，占增幅总量的41%。

通过以上分析可得以下结论：（1）地下开挖对结构梁弯矩的影响明显大于对结构柱的影响；（2）对于结构梁，竖井开挖对其内力的影响较大，而对于结构柱，横通道、区间隧道开挖对其内力影响较大。

4.2 地层沉降分析

为了分析距离竖井边缘不同位置处的地表沉降，选择观察断面如图8所示，6个断面与竖井边缘的水平距离分别为4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架结构距离竖井边缘的距离为16米，此处由竖井开挖引起的地表最大沉降值为2.2mm，横向最大差异沉降为2.05mm；由横通道、区间隧道开挖引起的地表最大沉降值为1.5mm，横向最大差异沉降为1.26mm。框架结构的纵深长度约为8米，对比距离竖井边缘16米、24米处的最大地表沉降值，可知竖井开挖引起的纵向最大差异沉降为1.4mm，由横通道、区间隧道开挖引起的纵向最大差异沉降为1.0mm。

通过以上分析可得以下结论：（1）无论是竖井还是横通道、区间隧道开挖，所引起的地表沉降趋势相同，地表沉降曲线类似于正太曲线；（2）竖井离建筑结构较近，开挖引起的最大地表沉降及差异沉降较横通道、区间隧道要大；（3）随着到竖井边缘距离的增加，地表沉降值逐渐减小，当达到3-4倍竖井内径时，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 结语

本文以北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间的竖井、横通道及区间隧道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近建筑结构内力及变形的影响。

计算结果分析表明：（1）由梁、柱内力变化可知，地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；（2）地下开挖会引起地面凹陷，地表沉降曲线类似于正太曲线；（3）随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

参考文献

[1] 项彦勇，冯山群.桩基对隧道开挖塑性区影响的一种理论预测方法[J].土木工程学报，2012，12（45）：162-169.

[2] Yanyong Xiang，Shanqun Feng.Theoretical prediction of the potential plastic zone of shallow tunneling in vicinity of pile foundation in soils[J].Tunnelling and Underground Space Technology.2013，38：115-121.

[3] 项彦勇，贺少辉，张弥，等.导洞隔离桩墙结构对浅埋暗挖隧道周边地层移动的限制作用分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，项彦勇.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].都市快轨交通，2004增刊：46-52.

[5] Peck R. B. Deep excavations and tunneling in softground[C]. Proc 7th Int. conf. on Soil Mech.and Found.Eng.，Mexico City，1969：225-290.

[6] 向晓辉，王俐，李春光.复杂地质条件下水底矿山法隧道的围岩位移分析[J].铁道工程学报，2011，（2）：103-108.

[7] 徐礼华，艾心荧，余佳力等.厦门机场路隧道施工对砌体结构建筑物的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降分析[J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，杨平，林水仙.盾构隧道开挖对邻近桩基影响研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（2）：369-374.

[10] 贾晓云，林宝龙.隧道开挖引起的路面沉降预测及数值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者简介：冯山群（1986—），男，河北保定人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：隧道及地下工程。endprint

摘要：北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间需设置竖井进行区间隧道的开挖。为了解竖井及区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，采用数值方法，计算分析了开挖过程中临近建筑结构内力及变形的变化情况。结果表明地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；地下开挖引起的地表沉降曲线近似于正态曲线；随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

关键词：竖井开挖；区间隧道开挖；建筑结构；数值分析；变形内力

中图分类号：TU924 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

随着城市地下轨道交通的发展，新建地铁线路的选择日益受到可用地下空间等因素的限制。新建地铁线路的施工会对邻近既有结构产生影响，一旦结构内力及变形控制不好，就可能会导致既有结构无法正常运营或发生安全事故。因此，正确分析、预测并控制新建地铁施工对既有结构内力及变形的影响是确保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道对地表及既有结构影响的方法主要包括理论研究、模型试验、经验法以及数值分析。理论方法多将建筑物简化成梁或框架结构，然后根据经典力学理论对模型进行分析，因涉及较多、较特别的简化和假设，所得结果往往有较明显的局限性。模型试验是通过建立物理模型来模拟实际的地层环境及施工过程，此方法往往因为有限的相似性而难以用于推测实际情况，并且比较耗时费力。经验法主要是以现场量测数据及直观推理为基础得到经验公式，进而应用于特定的工程问题，在地层沉降的预测中应用最多的是Peck经验公式。与前几种方法相比较，数值分析无论是在操作性还是在经济性方面都比较强，因而是目前最常用的计算手段之一。

本文主要研究竖井、横通道、区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，竖井和横通道是为增加施工断面以加快施工进度而设立的。

2 工程概况及施工方案

所研究的竖井、横通道及区间隧道位于北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间，受影响的建筑结构为一个地上4层、地下1层的框架结构，与竖井的最近距离约16米。竖井、横通道、区间隧道及建筑结构的相对位置关系如图1所示。

开挖工序依次为竖井开挖，横通道开挖，区间隧道开挖。其中竖井采用倒挂井壁施工，横通道及区间隧道采用暗挖法分布开挖。

3 计算模型

单元类型及约束条件的选择：采用实体单元模拟地层。对于框架结构，为了便于分析结构内力，采用二维梁单元模拟结构的梁、柱构件。框架结构分为地上4层和地下1层，为了考虑土体及未模拟结构对结构模型的约束作用，假设地下1层地面处及结构断开处的节点无水平位移，具体约束情况如图2所示。竖井衬砌、结构底板、地下一层竖墙、横通道及区间隧道衬砌采用板单元模拟。计算分析模型如图3所示。

4 计算结果分析

4.1 框架结构内力分析

如图4所示，为了便于内力分析，将框架结构分为3排。图5-图7为竖井、横通道、区间隧道施工前后各排、各列梁、柱弯矩图，表1、表2分别为竖井、横通道、区间隧道施工前后梁、柱的弯矩变化统计。

由梁、柱弯矩图、表可知，施工前结构梁的初始最大弯矩为122.2kN·m，竖井施工完成后梁的最大弯矩为125kN·m，分部弯矩增量为2.8kN·m，占增幅总量的35%；横通道、区间隧道施工完成后梁的最大弯矩为130.2kN·m，分部弯矩增量为5.2kN·m，占增幅总量的65%。施工前结构柱的初始最大弯矩为58.6kN·m，竖井施工完成后柱的最大弯矩为60.2kN·m，分部弯矩增量为1.6kN·m，占增幅总量的59%，横通道、区间隧道施工完成后柱的最大弯矩为61.3kN·m，分部弯矩增量为1.1kN·m，占增幅总量的41%。

通过以上分析可得以下结论：（1）地下开挖对结构梁弯矩的影响明显大于对结构柱的影响；（2）对于结构梁，竖井开挖对其内力的影响较大，而对于结构柱，横通道、区间隧道开挖对其内力影响较大。

4.2 地层沉降分析

为了分析距离竖井边缘不同位置处的地表沉降，选择观察断面如图8所示，6个断面与竖井边缘的水平距离分别为4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架结构距离竖井边缘的距离为16米，此处由竖井开挖引起的地表最大沉降值为2.2mm，横向最大差异沉降为2.05mm；由横通道、区间隧道开挖引起的地表最大沉降值为1.5mm，横向最大差异沉降为1.26mm。框架结构的纵深长度约为8米，对比距离竖井边缘16米、24米处的最大地表沉降值，可知竖井开挖引起的纵向最大差异沉降为1.4mm，由横通道、区间隧道开挖引起的纵向最大差异沉降为1.0mm。

通过以上分析可得以下结论：（1）无论是竖井还是横通道、区间隧道开挖，所引起的地表沉降趋势相同，地表沉降曲线类似于正太曲线；（2）竖井离建筑结构较近，开挖引起的最大地表沉降及差异沉降较横通道、区间隧道要大；（3）随着到竖井边缘距离的增加，地表沉降值逐渐减小，当达到3-4倍竖井内径时，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 结语

本文以北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间的竖井、横通道及区间隧道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近建筑结构内力及变形的影响。

计算结果分析表明：（1）由梁、柱内力变化可知，地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；（2）地下开挖会引起地面凹陷，地表沉降曲线类似于正太曲线；（3）随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

参考文献

[1] 项彦勇，冯山群.桩基对隧道开挖塑性区影响的一种理论预测方法[J].土木工程学报，2012，12（45）：162-169.

[2] Yanyong Xiang，Shanqun Feng.Theoretical prediction of the potential plastic zone of shallow tunneling in vicinity of pile foundation in soils[J].Tunnelling and Underground Space Technology.2013，38：115-121.

[3] 项彦勇，贺少辉，张弥，等.导洞隔离桩墙结构对浅埋暗挖隧道周边地层移动的限制作用分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，项彦勇.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].都市快轨交通，2004增刊：46-52.

[5] Peck R. B. Deep excavations and tunneling in softground[C]. Proc 7th Int. conf. on Soil Mech.and Found.Eng.，Mexico City，1969：225-290.

[6] 向晓辉，王俐，李春光.复杂地质条件下水底矿山法隧道的围岩位移分析[J].铁道工程学报，2011，（2）：103-108.

[7] 徐礼华，艾心荧，余佳力等.厦门机场路隧道施工对砌体结构建筑物的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降分析[J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，杨平，林水仙.盾构隧道开挖对邻近桩基影响研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（2）：369-374.

[10] 贾晓云，林宝龙.隧道开挖引起的路面沉降预测及数值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者简介：冯山群（1986—），男，河北保定人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：隧道及地下工程。endprint

摘要：北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间需设置竖井进行区间隧道的开挖。为了解竖井及区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，采用数值方法，计算分析了开挖过程中临近建筑结构内力及变形的变化情况。结果表明地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；地下开挖引起的地表沉降曲线近似于正态曲线；随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

关键词：竖井开挖；区间隧道开挖；建筑结构；数值分析；变形内力

中图分类号：TU924 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

随着城市地下轨道交通的发展，新建地铁线路的选择日益受到可用地下空间等因素的限制。新建地铁线路的施工会对邻近既有结构产生影响，一旦结构内力及变形控制不好，就可能会导致既有结构无法正常运营或发生安全事故。因此，正确分析、预测并控制新建地铁施工对既有结构内力及变形的影响是确保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道对地表及既有结构影响的方法主要包括理论研究、模型试验、经验法以及数值分析。理论方法多将建筑物简化成梁或框架结构，然后根据经典力学理论对模型进行分析，因涉及较多、较特别的简化和假设，所得结果往往有较明显的局限性。模型试验是通过建立物理模型来模拟实际的地层环境及施工过程，此方法往往因为有限的相似性而难以用于推测实际情况，并且比较耗时费力。经验法主要是以现场量测数据及直观推理为基础得到经验公式，进而应用于特定的工程问题，在地层沉降的预测中应用最多的是Peck经验公式。与前几种方法相比较，数值分析无论是在操作性还是在经济性方面都比较强，因而是目前最常用的计算手段之一。

本文主要研究竖井、横通道、区间隧道开挖对临近建筑结构内力及变形的影响，竖井和横通道是为增加施工断面以加快施工进度而设立的。

2 工程概况及施工方案

所研究的竖井、横通道及区间隧道位于北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间，受影响的建筑结构为一个地上4层、地下1层的框架结构，与竖井的最近距离约16米。竖井、横通道、区间隧道及建筑结构的相对位置关系如图1所示。

开挖工序依次为竖井开挖，横通道开挖，区间隧道开挖。其中竖井采用倒挂井壁施工，横通道及区间隧道采用暗挖法分布开挖。

3 计算模型

单元类型及约束条件的选择：采用实体单元模拟地层。对于框架结构，为了便于分析结构内力，采用二维梁单元模拟结构的梁、柱构件。框架结构分为地上4层和地下1层，为了考虑土体及未模拟结构对结构模型的约束作用，假设地下1层地面处及结构断开处的节点无水平位移，具体约束情况如图2所示。竖井衬砌、结构底板、地下一层竖墙、横通道及区间隧道衬砌采用板单元模拟。计算分析模型如图3所示。

4 计算结果分析

4.1 框架结构内力分析

如图4所示，为了便于内力分析，将框架结构分为3排。图5-图7为竖井、横通道、区间隧道施工前后各排、各列梁、柱弯矩图，表1、表2分别为竖井、横通道、区间隧道施工前后梁、柱的弯矩变化统计。

由梁、柱弯矩图、表可知，施工前结构梁的初始最大弯矩为122.2kN·m，竖井施工完成后梁的最大弯矩为125kN·m，分部弯矩增量为2.8kN·m，占增幅总量的35%；横通道、区间隧道施工完成后梁的最大弯矩为130.2kN·m，分部弯矩增量为5.2kN·m，占增幅总量的65%。施工前结构柱的初始最大弯矩为58.6kN·m，竖井施工完成后柱的最大弯矩为60.2kN·m，分部弯矩增量为1.6kN·m，占增幅总量的59%，横通道、区间隧道施工完成后柱的最大弯矩为61.3kN·m，分部弯矩增量为1.1kN·m，占增幅总量的41%。

通过以上分析可得以下结论：（1）地下开挖对结构梁弯矩的影响明显大于对结构柱的影响；（2）对于结构梁，竖井开挖对其内力的影响较大，而对于结构柱，横通道、区间隧道开挖对其内力影响较大。

4.2 地层沉降分析

为了分析距离竖井边缘不同位置处的地表沉降，选择观察断面如图8所示，6个断面与竖井边缘的水平距离分别为4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架结构距离竖井边缘的距离为16米，此处由竖井开挖引起的地表最大沉降值为2.2mm，横向最大差异沉降为2.05mm；由横通道、区间隧道开挖引起的地表最大沉降值为1.5mm，横向最大差异沉降为1.26mm。框架结构的纵深长度约为8米，对比距离竖井边缘16米、24米处的最大地表沉降值，可知竖井开挖引起的纵向最大差异沉降为1.4mm，由横通道、区间隧道开挖引起的纵向最大差异沉降为1.0mm。

通过以上分析可得以下结论：（1）无论是竖井还是横通道、区间隧道开挖，所引起的地表沉降趋势相同，地表沉降曲线类似于正太曲线；（2）竖井离建筑结构较近，开挖引起的最大地表沉降及差异沉降较横通道、区间隧道要大；（3）随着到竖井边缘距离的增加，地表沉降值逐渐减小，当达到3-4倍竖井内径时，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 结语

本文以北京地铁15号线安立路站与大屯路东站之间的竖井、横通道及区间隧道为背景，通过数值计算，分析了地下开挖对临近建筑结构内力及变形的影响。

计算结果分析表明：（1）由梁、柱内力变化可知，地下开挖对临近建筑结构梁的影响明显大于对柱的影响；（2）地下开挖会引起地面凹陷，地表沉降曲线类似于正太曲线；（3）随着到开挖位置距离的增大，地表沉降值逐渐减小，当距离达到3-4倍开挖内径时，沉降量基本可以忽略。

参考文献

[1] 项彦勇，冯山群.桩基对隧道开挖塑性区影响的一种理论预测方法[J].土木工程学报，2012，12（45）：162-169.

[2] Yanyong Xiang，Shanqun Feng.Theoretical prediction of the potential plastic zone of shallow tunneling in vicinity of pile foundation in soils[J].Tunnelling and Underground Space Technology.2013，38：115-121.

[3] 项彦勇，贺少辉，张弥，等.导洞隔离桩墙结构对浅埋暗挖隧道周边地层移动的限制作用分析[J].岩石力学与工程学报，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，项彦勇.地层环境变化对地铁结构设计的影响分析[J].都市快轨交通，2004增刊：46-52.

[5] Peck R. B. Deep excavations and tunneling in softground[C]. Proc 7th Int. conf. on Soil Mech.and Found.Eng.，Mexico City，1969：225-290.

[6] 向晓辉，王俐，李春光.复杂地质条件下水底矿山法隧道的围岩位移分析[J].铁道工程学报，2011，（2）：103-108.

[7] 徐礼华，艾心荧，余佳力等.厦门机场路隧道施工对砌体结构建筑物的影响分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，苏华友，赵旭伟.成都地铁盾构隧道地表沉降分析[J].城市轨道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，杨平，林水仙.盾构隧道开挖对邻近桩基影响研究[J].地下空间与工程学报，2010，6（2）：369-374.

[10] 贾晓云，林宝龙.隧道开挖引起的路面沉降预测及数值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者简介：冯山群（1986—），男，河北保定人，铁道第三勘察设计院集团有限公司助理工程师，硕士，研究方向：隧道及地下工程。endprint