基坑开挖引起盾构隧道响应研究综述

孙华圣，张继华，陈亚东，王凌微，毛明晖

(淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

基坑开挖引起盾构隧道响应研究综述

孙华圣，张继华，陈亚东，王凌微，毛明晖

(淮阴工学院 建筑工程学院，江苏 淮安 223001)

基坑开挖引起周围地铁隧道的响应问题引起了很多学者的研究兴趣。现有研究采用的方法多样，包括现场监测、离心试验、数值模拟和解析解答等；研究内容丰富，包括基坑和隧道的几何尺寸和物理性质，结构的受力和变形，周围土体的变形性状以及加固方法和施工方案等。为了进一步梳理现有研究成果，将基坑开挖对隧道的影响问题按照研究方法进行归类，对研究结论进行分析，指出现有研究存在的不足，并给出研究展望。

基坑开挖；隧道变形；研究综述；相互作用

0 引言

随着我国大型基础设施建设和城市地下空间的开发，出现了大量位于城市地铁沿线的基坑工程。开挖施工必然对周围地铁隧道产生不利作用而影响其正常使用，甚至会导致工程事故[1-4]。因此，邻近地铁隧道的基坑工程(如图1所示)，对周围环境非常敏感[5-6]。为此，我国上海地区以及英国伦敦地铁有限公司都制定了严格的地铁保护控制标准[7]。可见，城市出现的邻近地铁隧道的基坑变形控制要求将越来越严格。因此，开展基坑开挖引起邻近既有隧道变形分析具有十分重要的理论和现实意义。本文总结分析基坑开挖引起隧道响应的研究现状，指出目前研究存在的不足，提出需要进一步研究的问题。

图1 基坑开挖引起周围隧道变形工程实例[2]

1 研究现状

1.1 现场监测

现场监测方面，Burford[8]对伦敦Shell Centre基坑开挖引起的地铁隧道变形进行了长期观测，发现隧道变形持续发展。其原因可能是：开挖过程挖去土重造成坑底的伦敦黏土卸荷量大于建筑物自重施加的压力。隧道周边土体在上部结构施工完成后仍处于卸荷应力状态，结合伦敦黏土的渗透性很低，坑底土体的固结过程缓慢，导致坑底隧道一直产生上浮。其他学者[9-13]也相继报道了基坑开挖引起既有隧道变形的研究，部分工况如表1所示。从表中可见，大部分工程均位于黏土地区，研究黏土地区基坑开挖卸荷引起隧道的变形意义重大。

表1 基坑开挖引起隧道变形的现场监测工程

1.2 离心模型试验研究

魏少伟[14]在砂土中开展离心试验研究同一水平面不同位置处的坑底隧道各个横截面在基坑开挖过程的弯矩、变形以及土压力的变化。Huang等[15]针对上海地区的土层，开展离心模型试验研究了不同埋深的隧道正上方基坑开挖对既有隧道附加弯矩和变形的影响。研究结果表明，开挖对隧道的主要影响区域发生在距基坑边2.5倍开挖宽度范围内。隧道隆起曲线可用高斯曲线模拟。隧道隆起的大小随着基坑底部和隧道中心线之间的距离增大而指数递减。隧道横截面顶部和底部的附加弯矩较大。当隧道弯矩位于距基坑中心1.5倍的开挖深度处，隧道截面的附加弯矩可忽略不计。

Ng等[16]通过离心模型试验研究了地下室开挖对既有隧道的影响。重点分析了隧道位于基坑正下方以及位于坑外这两种情况下开挖引起的隧道响应。对隧道的横截面及纵截面的变形和位移进行了全面的监测。研究结果表明，当隧道位于基坑中心下方时，隧道纵向直径伸长，水平向直径压缩。在此基础上，Ng等[17]开展离心模型试验研究了砂土地基土体的相对密实度和支挡结构的刚度对基坑开挖卸荷引起隧道变形的影响，并分析了影响机理。详细试验过程可参见相关博士论文[18]。

1.3 数值模拟研究

数值模拟研究是一种有效的研究手段。为简化问题，很多学者从平面问题入手分析开挖对既有隧道的影响。

DoleŽalová[19]采用摩尔库伦模型对捷克布拉格硬土地区隧道上方基坑开挖及主体结构建造的整个过程进行了数值分析，给出了基坑施工及监测建议。Sharma等[20]报道了新加坡基坑开挖影响相邻隧道的案例，并应用数值方法与实测结果进行比较，分析了隧道自身刚度对隧道在开挖过程的变形与受力的影响，隧道刚度愈大，隧道变形愈小，但承受大的弯矩。

Zheng和Wei[21]采用二维有限元方法，对处于坑底不同水平位置的三个隧道进行了分析，分析了变形趋势和原因。位于基坑下方的隧道，开挖过程主要体现为竖向伸长，水平压缩；位于坑外的隧道，开挖过程主要为向坑内的水平位移与水平方向的拉伸变形。

基坑开挖不仅是一个动态的施工过程，而且是一个空间问题。相对平面问题，三维方法更能够反映基坑支护结构的空间效应，体现隧道在空间上的分布曲线，便于更加精细的模拟实际施工情况。

Lo和Ramsay[9]结合加拿大多伦多地区的工程案例，应用三维有限元方法分析了上部结构施工对其下方已有隧道的变形和内力的影响，提出了一系列保护地铁隧道的措施，如开挖之前应用数值方法进行预测；开挖过程对隧道进行监控；对隧道重点部位进行加固保护等。

王卫东等[22]通过数值模拟分析了隧道周围土体加固、时空效应开挖土方等因素对上海地区新建基坑工程的施工引起坑底已建隧道的影响。此外，王卫东等[23]分析了上海地区基坑工程中为控制隧道变形采取的设计技术措施：盆式开挖配合钢管斜坡撑代替大面积支撑、地铁侧坑内被动区采用水泥土搅拌桩加固和遵循时空效应原理的设计开挖工况等。

张治国等[24]结合上海地区临近地铁隧道的基坑工程，运用有限元分析方法对地铁隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行了分析。建议在设计过程中加大隧道的柔性以提高隧道适应土体变形的能力。

高广运[25]针对上海某邻近地铁隧道的基坑工程，建立了三维数值模型，对基坑施工进行了全过程动态模拟。提出并采用了坑外二次加固的施工新工艺，指出地基加固体和地下结构物对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用。

Liu等[13]在对南京地区某新建隧道基坑开挖工程对已建坑底双线隧道影响的现场监测案例的基础上，通过有限差分法研究了基坑开挖对隧道位移的影响。分析了基坑开挖顺序，加固措施等因素对隧道隆起的影响。

Huang等[26]结合上海软土地区邻近地铁隧道的基坑工程，通过三维有限元方法采用土体硬化模型分析了隧道与基坑的相对位置、隧道直径、基坑长度和宽度对既有地铁隧道隆起的影响。研究结果表明，当隧道位于基坑正下方时，随着隧道与基坑距离的增大，隧道隆起变小，隆起曲线变缓，当距离增大到隧道直径的1.5倍时，基坑开挖对隧道的影响可忽略不计。当隧道位于基坑外时，隧道隆起较小。不同隧道直径对应的隧道隆起曲线是相似的。当基坑开挖的宽度从5m增大到20m时，隧道隆起值随之线性增大。通过对基坑开挖长度的分析表明，距离隧道轴线10m外的开挖卸荷对隧道隆起基本没有影响。

Ng等[16]通过三维有限元分析了地下室基坑开挖对隧道的影响。初步研究了隧道埋深与隧道直径之比(C/D)，卸荷量等因素对隧道隆起的影响。研究结果表明，隧道隆起随着C/D的增大而减小，随着基坑开挖卸荷量的增大而增大。Shi等[27]通过开展数值模拟进行参数分析研究了基坑开挖尺寸、土体密度、隧道刚度以及隧道衬砌节点刚度等的影响。此外，Shi等[28]在大量数值模拟的基础上，提出了一种基坑开挖卸荷引起隧道变形的计算方法。

郑刚等[29]采用能够考虑土体小应变特性的有限元方法，研究了隔离桩对土体深层位移及隧道位移的控制机制。郑刚等[30]还采用有限元方法对基坑开挖引起坑外既有隧道变形影响规律进行了分析，划分了不同围护结构变形模式以及最大水平位移条件下坑外已建隧道变形影响区。研究结果表明，坑外变形影响区大致可简化为直角梯形形状。

1.4 解析研究

林永国[31]利用明德林弹性半空间解分别推导出基坑开挖卸荷引起隧道纵轴线上的附加应力，进而求出隧道的纵向沉降(隆起)。

刘国彬等[32]利用残余应力原理和应力路径法，建立了计算基坑开挖引起隧道隆起变形的解析模型，并以上海地区工程实例进行了计算。同时，用布辛奈斯克公式计算了基坑开挖引起的土体回弹。考虑到布辛奈斯克公式仅适用于作用于地表的荷载情况，而基坑开挖卸载有一定的深度，因此采用布辛奈斯克公式是不合理的。

吉茂杰和刘国彬[33]以上海广场基坑工程为背景，在刘国彬等[32]对基坑回弹残余应力法研究的基础上提出了基底土体隆起残余应力计算方法。该方法过多依赖经验系数的选取，且忽略了隧道的存在，需要进一步的验证。

青二春[34]结合人民广场的基坑工程，研究了卸荷参数对隧道回弹变形量与纵向沉降变形的影响，提出了大面积卸载作用下纵向沉降曲线模式。

陈郁[35]先利用明德林解求得基坑开挖引起隧道轴线处的附加应力，再结合弹性地基梁理论推导隧道最大隆起值和纵向曲率半径的计算公式。刘浩[36]在陈郁[35]研究的基础上，提出将残余应力系数的概念引入明德林基本解计算附加应力，再结合弹性地基梁理论求解卸荷附加应力引起的地下构筑物响应。然而，陈郁[35]和刘浩[36]都假定仅考虑坑底荷载为均布荷载，方向向上的情况，对于坑壁的水平荷载忽略不计，与实际情况不符合。

Zhang等[37]同时考虑基坑开挖引起的坑底和四周坑壁土体同时卸荷产生的影响，提出了基坑开挖引起临近地铁隧道纵向变形预测的两阶段分析方法。该方法首先计算基坑开挖作用在地铁隧道上的附加荷载，然后基于Winkler 地基模型建立地铁隧道纵向变形影响的基本微分方程，根据Galerkin 方法将该方程转换为一维有限元方程进行计算。

周泽林等[38]推导了自由边界半无限黏-弹性空间体在内部集中荷载作用下的Mindlin时域解，并采用积分、叠加的方法，提出了一种用于计算基坑开挖及工程降水所引起的邻近隧道附加应力的方法;然后，将已建隧道视为Pasternak黏-弹性地基上的欧拉伯努利长梁，建立了隧道在附加荷载作用下的平衡微分方程，求得了隧道纵向附加变形和内力的表达式;最后，将所提方法运用于某近接既有地铁隧道的基坑工程中，并与三维数值模拟流变分析结果和现场实测结果进行了对比分析。

表2 数值模拟研究现状

2 存在问题分析

关于基坑开挖对隧道影响问题的研究甚多。研究方法主要有现场实测法、离心模型试验法、数值分析方法以及解析方法。研究因素众多，包括隧道衬砌刚度(隧道直径)、隧道和基坑的水平或竖向距离、结构施工及施工方案、设计技术措施、基坑开挖顺序、加固措施、基坑尺寸、影响区域等。现场监测主要依附于某一具体工程进行部分数据的监测，缺乏现场试验的系统研究，即缺乏针对基坑开挖及后期建造过程引起隧道内力和变形影响的全过程监测。

相关学者开展离心模型试验研究了基坑开挖引起隧道响应的问题，但大多基于砂土地基，基于粘土地基的离心模型试验较少。缺乏针对基坑开挖引起隧道长期变形规律和机理的研究。

数值模拟研究已从二维发展到三维，如表2所示。目前，数值模拟所采用的本构模型有邓肯-张模型(DC)[39]，摩尔库伦模型[9,13,19-20]，修正剑桥模型[21,23]，土体硬化模型[26]，以及亚塑性模型[16,40]。可见，目前采用较多的研究基坑开挖引起隧道变形的本构模型是摩尔库伦弹塑性模型，而采用能够综合考虑土体基本性质(土体劲度的应力路径依赖以及应变依赖)的本构模型较少。

基坑开挖对周围已建隧道影响的解析研究主要基于弹性地基梁或其相关理论，缺乏考虑土体劲度应力以及应变依赖的计算方法研究。

对基坑开挖引起隧道变形问题研究的最终目的在于控制开挖引起的隧道变形，保证隧道的安全和正常使用。目前，相关学者进行了研究，但缺乏系统的分析，缺乏针对不同条件的经济合理的加固措施和施工方案。

3 研究展望

(1)开展现场试验研究，系统研究基坑开挖全过程引起的隧道内力和变形响应，从而为工程实践提供有效的参考和借鉴；

(2)加强对黏土地基中基坑开挖引起隧道变形的离心模型试验研究，研究开挖引起隧道长期变形规律，揭示变形机理；

(3)提出能够考虑土体劲度应力和应变依赖的数值和解析计算方法，从而提高预测的准确性；

(4)优化现有的基坑开挖引起隧道响应加固方法，努力做到安全可靠，技术可行，经济合理。

[1] Finno R. J., Voss F. T., Rossow E. Evaluating damage potential in buildings affected by excavations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005(10): 1199-1210.

[2] Chang C. T., Sun C. W., Duann S. W. Response of a Taipei Rapid Transit System (TRTS) Tunnel to adjacent excavation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001(3): 151-158.

[3] Kung G. T. C., Hsiao E. C. L., Schuster M. A neural network approach to estimating deflection of diaphragm walls caused by excavation in clays[J]. Computers and Geotechnics, 2007(5): 385-396.

[4] 龚晓南. 关于基坑工程的几点思考[J].土木工程学报, 2005(9): 99-102.

[5] Leung E. H. Y., Ng C. W. W. Wall and ground movements associated with deep excavations supported by case in situ wall in mixed ground conditions[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007(2): 129-143.

[6] Wright P. Assessment of London underground tube tunnels-investigation, monitoring and analysis[J]. Smart Structures and Systems, 2010(3): 239-262.

[7] Long M. A case history of a deep basement in London Clay[J].Computers and Geotechnics, 2001(6): 397-423.

[8] Burford D. Heave of tunnels beneath the Shell Centre, London, 1956-1986[J]. Géotechnique, 1986(1): 155-157.

[9] Lo K. Y., Ramsay J. A. The effect of construction on existing subway tunnels-a case study from Toronto[J]. Tunnels and Deep Space, 1991(3): 287-297.

[10] 况龙川,李智敏,殷宗泽. 地下工程施工影响地铁隧道的实测分析[J].清华大学学报:自然科学版, 2000(S1): 79-82.

[11] 温锁林. 近距离上穿运营地铁隧道的基坑明挖施工控制技术[J].岩土工程学报,2010(S2): 451-454.

[12] 郑刚,刘庆晨,邓旭. 基坑开挖对下卧运营地铁既有箱体影响的实测及分析[J].岩土力学, 2012(4): 1109-1116, 1140.

[13] Liu H. L., Li P., Liu J. Y. Numerical investigation of underlying tunnel heave during a new tunnel construction[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010(2): 276-283.

[14] 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:天津大学, 2010.

[15] Huang H., Huang X., Zhang D. Centrifuge modelling of deep excavation over existing tunnels[J]. Geotechnical Engineering, 2014(1): 3-18.

[16] Ng C. W. W., Shi J. W., Hong Y. Three-dimensional centrifuge modelling of basement excavation effects on an existing tunnel in dry sand[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013(8): 874-888.

[17] Ng C. W. W., Shi J. W., Ma?ín, D., Sun H. S., et al. Influence of sand density and wall stiffness on three-dimensional tunnel responses due to basement excavation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2015(11): 1811-1829.

[18] 孙华圣.基坑开挖卸荷对既有隧道变形影响的三维解析、离心试验及数值模拟研究[D].南京:河海大学, 2015.

[19] Doležalová M. Tunnel complex unloaded by a deep excavation[J]. Computers and Geotechnics, 2001(6): 469-493.

[20] Sharma J. S., Hefny A. M., Zhao J., et al. Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001(2): 93-98.

[21] Zheng G. Wei S. W. Numerical analyses of influence of overlying pit excavation on existing tunnels[J]. Journal of Central South University of Technology, 2008(S2):69-75.

[22] 王卫东,吴江斌,翁其平.基坑开挖卸荷对地铁区间隧道影响的数值分析[J].岩土力学,2004(S2): 251-225.

[23] 王卫东,沈健,翁其平.基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策[J].岩土工程学报,2006,28(增刊): 1340-1345.

[24] 张治国,张谢东,王卫东.临近基坑施工对地铁隧道影响的数值模拟分析[J].武汉理工大学学报, 2007(11): 93-97.

[25] 高广运,高盟,杨成斌. 基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报, 2010(3) : 453-459.

[26] Huang X., Schweiger H. F., Huang H.W. Influence of deep excavations on nearby existing tunnels[J]. International Journal of Geomechanics, ASCE, 2013(2): 170-180.

[27] Shi J. W., Ng C. W. W, Chen Y. Three-dimensional numerical parametric study of the influence of basement excavation on existing tunnel[J].Computers & Geotechnics, 2015:146-158.

[28] Shi J. W., Ng C. W. W. A simplified method to estimate three-dimensional tunnel responses to basement excavation[J].Tunnelling & Underground Space Technology, 2017:53-63.

[29] 郑刚,杜一鸣,刁钰.隔离桩对基坑外既有隧道变形控制的优化分析[J].岩石力学与工程学报, 2015(S1):3499-3509.

[30] 郑刚,杜一鸣,刁钰.基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究[J].岩土工程学报, 2016(4): 599-612.

[31] 林永国.地铁隧道纵向变形结构性能研究[D].上海:同济大学, 2001.

[32] 刘国彬,黄院雄,侯学渊. 基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报, 2001(2): 202-207.

[33] 吉茂杰,刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法[J].同济大学学报, 2001(5): 531-535.

[34] 青二春.地铁隧道上方大面积卸载下的变形及控制模式研究[D].上海：同济大学, 2007.

[35] 陈郁.基坑开挖引起下卧隧道隆起的研究分析[D].上海：同济大学, 2005.

[36] 刘浩.地下建构筑物上方卸荷的影响研究[D].上海：同济大学, 2005.

[37] Zhang Z. G., Huang M. S., Wang W. D. Evaluation of deformation response for adjacent tunnels due to soil unloading in excavation engineering[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2013(3): 244-253.

[38] 周泽林,陈寿根,陈亮. 基坑施工对下卧地铁隧道上抬变形影响的简化理论分析[J]. 岩土工程学报，2015(12): 2224-2234.

[39] Huang A. J., Wang D. Y., Wang Z. X. Rebound effects of running tunnels underneath an excavation[J]. unnelling and Underground Space Technology, 2006(3): 399-399.

[40] Ng C. W. W., Sun H. S., Lei G. H., et al. Ability of three different soil constitutive models to predict a tunnel’s response to basement excavation[J].Canadian Geotechnical Journal, 2015(11): 1685-1698.

(责任编辑：孙文彬)

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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

江苏省自然科学基金项目(BK20160426)；大学生创新训练项目(Z205C16486)，博士科研启动基金项目(402315002)

孙华圣(1984-)，男，江苏徐州人，讲师，博士，主要从事岩土工程与地下空间开发研究。

TD853.34

A

1009-7961(2017)03-0048-06