基坑开挖对临近或下卧既有隧道的影响及研究进展

赵春伟

摘 要：随着地下空间的综合开发利用日益增加，基坑工程临近或上跨既有隧道的现象时有发生。基坑施工势必会引起周围土体应力的重分布，使既有隧道产生附加内力和变形，进而影响运营隧道的安全。本文总结了基坑工程对既有隧道影响常用的研究方法，分析了每种研究方法的特点，归纳了当前研究工作的主要内容和成果，并指出了控制既有隧道变形的常用措施，可为类似问题的研究提供借鉴。

关键词：基坑工程；既有隧道；控制措施；研究方法

中图分类号：U456.3 中图分类号：A

随着我国地下空间综合利用的迅速发展，越来越多的基坑工程邻近或上跨既有的隧道，两者之间的冲突日益突出。基坑开挖会造成周边环境影响，主要为破坏原有平衡应力场，引起应力重分布，从而在既有隧道上产生附加内力和变形，严重威胁隧道的安全。因此如何控制基坑工程对既有隧的影响已经引起人们广泛的关注。国内外学者从理论分析、数值模拟、现场监测及模型试验等方面开展了广泛的研究，并提出了控制既有隧道变形的有效措施。本文总结了基坑工程对既有隧道影响的4种常用研究方法，分析了每种研究方法的特点，归纳了当前研究工作的主要内容和成果，并总结了控制既有隧道变形的常用措施。

1.理论分析

理论分析具有概念明确，快捷、方便等优点。多采用两阶段分析法，首先分析开挖引起的附加场；然后将其施加到既有隧道上，并将隧道视为弹性地基梁进行内力与变形的分析。黄栩等将已建隧道视为Kerr弹性地基上的无限长梁，采用两阶段法研究基坑开挖卸荷引起下卧隧道的纵向变形。并对Winkler模型、Pasternak模型与Kerr模型3种地基模型的计算结果进行了对比。认为Kerr地基模型最为精确。虽然该方法原理明确，计算简单，但由于土体的非线性，既有结构形式、刚度、施工条件等各不相同，因此两阶段分析法具有明显的局限性，其计算结果只是解决基坑开挖引起隧道纵向内力和变形变化问题的一种近似解。

2.数值模拟

数值模拟通过对工程进行合理的简化和假设，选择适当的本构模型及参数，采用“生”、“死”单元来模拟开挖过程。该方法可以考虑土层的分布及其非线性，土体与既有隧道的相互作用，是目前分析基坑开挖对既有隧道影响的主要方法。黄宏伟等利用有限元建立三维模型，模拟了基坑施工对邻近隧道的影响。唐仁等以广州某临近一号线的基坑工程为依托，模拟了基坑开挖各工况对地铁隧道的影响。数值模拟可以对施工顺序以及边界条件进行模拟，能够真实地反映工程实际，但是由于施工环境和条件的多变性以及和既有结构关系的多样性，导致工作量大，建模复杂，计算时长，而且如何选择合理的本构模型及计算参数来保证计算结果的准确性仍是数值模拟的重点和难点。

3.现场监测

基坑开挖对邻近隧道的影响因素较多，现场监测数据可以综合体现各种因素的影响，可以直接对隧道的状态进行评估，也可以对隧道的变形趋势进行合理预测。因此，现场监测是分析该问题最直接、有效、可靠的方法。郭鹏飞等總结了39例上跨隧道的基坑工程，对实测数据进行分析，提出了简单实用的隧道隆起变形预测模型。刘庭金等以广州地铁一号线黄沙-长寿路站区间工程为依托，利用隧道变形三维监测数据，详细研究了地铁上基坑施工对区间隧道的变形影响。监测需要通过在现场设置监测点来获取信息，但是既有隧道一般都处于运营状态，监测点的布置比较困难，且现场监测无法测量既有结构内力及周围土压力变化。

4.模型试验

室内试验主要分为两类：一类是离心机模型试验，利用离心力场和重力场等效的方法，通过离心模型试验法研究工程参数，进而预测隧道的变形情况。另一类模型试验为相似性试验，通过构造与实际工程结构、外部环境均相类似的模型，通过对模型进行试验分析，研究基坑施工造成的隧道变形情况。模型试验法为研究该问题最接近真实的方法。

姜兆华等通过室内模型试验，进行基坑与近接隧道的相对横向和纵向距离敏感性研究，对既有隧道的土压力、弯矩和内径的工作机理进行了研究，探索并总结了相邻隧道内力与位移的相关变化情况。魏少伟等针对砂土中基坑开挖对坑底不同位置隧道横截面变形的影响，采用离心机进行了两组试验研究。

模型试验法能够分析出一定条件下基坑施工造成隧道变形的规律。但是土体的各向异性，因此模型试验不能精确反映原型的土层特性，且成本高，周期长，一般不经常使用。

5.控制措施

控制既有隧道变形的主要措施有：土体加固、分区开挖、堆载以及设置抗拔桩等。土体加固通过改善基坑底部及坑周土体性质，提高土体抗剪强度，达到减小隧道变形的目的；分区开挖既可以减少单次卸载量，也可以通过调整各区的开挖顺序，充分利用“时空效应”减少隧道的变形；堆载可以平衡卸载的土方；抗拔桩通过与新建结构底板相连接，形成“保护箍”来抑制既有隧道的变形。魏纲等搜集了27个邻近既有隧道的基坑工程实例，并进行统计分析，基坑加固控制措施是影响隧道最大隆起值的主要原因之一；抗拔桩、土体加固和堆载对防止隧道隆起都有比较不错的效果，其中设置抗拔桩是最为有效的控制措施。为保证既有隧道结构的安全，实现安全运营，通常根据具体情况采取多种措施共同作用，控制既有隧道的变形。

结语

本文总结了基坑工程对既有隧道影响的研究方法：理论分析概念明确、方便、快捷，但其计算结果仅是一种近似解；数值模拟可以考虑土层的分布及非线性和土体与隧道间的相互作用，是目前最常用的方法；现场监测数据真实地反映了土体和隧道的实际情况，是最直接、可靠的方法；模型试验主要分为离心模型试验和相似性试验两类，是一种接近真实地方法。控制隧道变形的主要措施为：土体加固通过改善土体性质，减小土体变形控制既有隧道的变形；分区开挖通过减少单次开挖卸载量，利用“时空效应”减小基坑开挖对既有隧道的影响；堆载通过平衡开挖卸载的土方来控制既有隧道变形；抗拔桩通过与新建结构相连接，形成“门架”抑制既有隧道的隆起变形。

参考文献

[1]黄栩，等.开挖卸荷引起下卧已建盾构隧道的纵向变形研究[J].岩土工程学报，2012，34（7）：1241-1249.

[2]黄宏伟，等.基坑开挖对下卧运营盾构隧道影响的数值模拟研究[J].土木工程学报，2012，45（3）：182-189.

[3]唐仁，等.基坑工程施工对邻近地铁盾构隧道的影响分析[J].地下空间与工程学报，2014，10（增1）：1629-1634.

[4]郭鹏飞，等.基坑开挖引起下卧隧道隆起变形的实测数据分析[J].岩土力学，2016，37（增2）：613-621.

[5]刘庭金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（增2）：3393-3400.

[6]姜兆华.基坑开挖时邻近既有隧道的力学响应规律研究[D].重庆大学，2013.

[7]魏少伟.基坑开挖对坑底已建隧道影响的数值与离心试验研究[D].天津大学，2010.

[8]魏纲等.不同的基坑开挖措施对既有隧道影响的研究[J].市政技术，2014，32（6）：122-125.