基坑开挖对已有隧道的影响研究方法和应用

2019-05-05

福建质量管理 2019年8期

(中国地质大学工程学院湖北武汉 430074)

一、研究目的和意义：

进入21世纪以来，作为城市基础建设的重要组成部分，城市地下空间的开发和应用越来越被一线大城市所认可，随着越来越多的盾构区间隧道开通运营，城市地下各种可能发生互相扰动的工程越来越多，其中，一个较为广泛存在的问题是基坑开挖对于已有隧道的扰动，由于隧道是城市的重要公共财产，隧道的安全也关乎着每一个城市居民的生命安全，国家也对隧道可以产生的位移拟定了控制标准。所以基坑开挖对于已有隧道的影响显得尤为重要，它们的相互作用机理也被被各国学者通过不同方法进行了研究。

二、国内外研究现状

对既有隧道上方基坑开挖，国内外学者从经验预测、模型试验、现场实测、数值模拟、理论分析等方面进行了大量分析研究。

(一)经验预测

姚燕明[1]利用分层回弹总和法，结合宁波轨道交通两个案例，基于残余应力法原理，计算了下卧隧道管线处的经验变形。

戴博红等[2]采用半经验、半理论的方法，利用挡土墙变形的形状和大小来当做侧壁土体损失。在此基础上，得到侧壁围护结构墙后任意一点的水平位移和垂直位移。

李志高[3]等人通过对东方路下立交工程现场监测数据分析，考虑时空效应影响，采用公式s=4x^2/S来估算考虑基坑开挖时间和宽度因素下隧道隆起变形的最大值。

魏纲[4]结合国内外14个基坑的监测数据进行统计归纳，用理论分析的方法得到了隧道的长度、宽度、深度等各影响因子对隧道隆起变形的影响。

(二)模型试验

姜兆华[5]通过室内模型试验，研究了与现有隧道开挖相关的土压力，弯矩和内径的工作机理。在此基础上，提出了解决隧道水平和垂直方向内力和变形的具体方法。

剑桥大学Vorster等[6]和Marshall[7]、Mair[8]通过离心试验，分析了险道开挖对现有管道的影响规律。在试验中，排出相同数量的水来模拟隧道开挖引起的土体损失，并将管道埋深和地层损失率考虑进来，得到了管道在附加载荷下的变形规律。

郑刚等[9]通过离心试验，考虑了隧道与基坑的相对空间位置以及隧道相对于土体的刚度，研究了基坑开挖对下伏隧道影响的机理。

(三)数值模拟

吴怀娜[10]等人利用有限元方法结合一维固结理论和三维渗流理论，分析了隧道上方基坑降水对隧道结构的影响，发现基坑降水将导致隧道沉降，同时降水深度和隧道沉降呈线性正相关。

高广运[11]基于上海某邻近地铁隧道的基坑工程，运用FLAC3D软件对基坑施工进行全过程动态模拟，指出基坑底部加固体可以在基坑开挖过程中对产生的应力及位移传递具有阻断作用。因此，通过基坑底部地下连续墙的土体加固和主结构的逆筑施工可以有效地控制相邻隧道的变形。

(四)现场实测

邵华、王蓉[12]基于上海地铁1号线深基坑的工程，考虑时空效应原理，根据基坑与隧道的相对位置关系，将土方分为两部分：隧道侧面和非隧道侧，通过先挖掘非地铁侧再挖地铁测，有效地控制间隔隧道的变形时间，最后达到控制隧道变形的目的。

蒋洪胜、侯学渊[13]通过隧道的收敛测量结果和节点的开放值测量结果，发现邻近基坑的隧道由于自身刚度的存在将对开挖引起的位移场有一定的抵消作用。这种效果同时还使得隧道本身的横向变形进一步扩大。

(五)理论分析

隧道沉降的理论分析方法已经较为成熟，目前提出的理论解析方法主要有两种：残余应力法和两阶段分析方法。

1.残余应力法

刘国斌[14]最早引入残余应力系数的概念：残余应力系数是指残余应力与总卸荷应力的比值，它是一个介于0到1之间的数值，残余应力对土体的影响有一个深度限制，我们认为超过一定范围后，残余应力将不会对土体产生影响。

工程实测数据发现，基坑开挖深度、上覆土层厚度以及土的物理力学性质与α值有着密不可分的联系。对于特定的开挖深度，α值随着上覆土层的厚度H的增大逐渐增大，到某一深度以后，其值无限趋近于1.0,认为在这个深度之下的土体中不留有残余应力，处于初始应力状态。为便于研究，用残余应力影响深度表示≤0.95对应的覆土厚度。这里我们对这一计算过程作简要说明。

(1)根据上海地区大量的基坑工程实测资料，发现有如下经验关系存在：

式中：H为基坑的开挖深度(m)

α=1(hrh)

(2)土层的卸载应力

土层i所受的卸载应力平均值为σi(Kpa),利用初始时总卸荷应力减去该土层的残余应力求出。

σi=(1-αi)σ0