地鐵區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形影響的分析研究

摘要：北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間需設置豎井進行區間隧道的開挖。為了解豎井及區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，采用數值方法，計算分析了開挖過程中臨近建筑結構內力及變形的變化情況。結果表明地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；地下開挖引起的地表沉降曲線近似于正態曲線；隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

關鍵詞：豎井開挖；區間隧道開挖；建筑結構；數值分析；變形內力

中圖分類號：TU924 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

隨著城市地下軌道交通的發展，新建地鐵線路的選擇日益受到可用地下空間等因素的限制。新建地鐵線路的施工會對鄰近既有結構產生影響，一旦結構內力及變形控制不好，就可能會導致既有結構無法正常運營或發生安全事故。因此，正確分析、預測并控制新建地鐵施工對既有結構內力及變形的影響是確保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道對地表及既有結構影響的方法主要包括理論研究、模型試驗、經驗法以及數值分析。理論方法多將建筑物簡化成梁或框架結構，然后根據經典力學理論對模型進行分析，因涉及較多、較特別的簡化和假設，所得結果往往有較明顯的局限性。模型試驗是通過建立物理模型來模擬實際的地層環境及施工過程，此方法往往因為有限的相似性而難以用于推測實際情況，并且比較耗時費力。經驗法主要是以現場量測數據及直觀推理為基礎得到經驗公式，進而應用于特定的工程問題，在地層沉降的預測中應用最多的是Peck經驗公式。與前幾種方法相比較，數值分析無論是在操作性還是在經濟性方面都比較強，因而是目前最常用的計算手段之一。

本文主要研究豎井、橫通道、區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，豎井和橫通道是為增加施工斷面以加快施工進度而設立的。

2 工程概況及施工方案

所研究的豎井、橫通道及區間隧道位于北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間，受影響的建筑結構為一個地上4層、地下1層的框架結構，與豎井的最近距離約16米。豎井、橫通道、區間隧道及建筑結構的相對位置關系如圖1所示。

開挖工序依次為豎井開挖，橫通道開挖，區間隧道開挖。其中豎井采用倒掛井壁施工，橫通道及區間隧道采用暗挖法分布開挖。

3 計算模型

單元類型及約束條件的選擇：采用實體單元模擬地層。對于框架結構，為了便于分析結構內力，采用二維梁單元模擬結構的梁、柱構件。框架結構分為地上4層和地下1層，為了考慮土體及未模擬結構對結構模型的約束作用，假設地下1層地面處及結構斷開處的節點無水平位移，具體約束情況如圖2所示。豎井襯砌、結構底板、地下一層豎墻、橫通道及區間隧道襯砌采用板單元模擬。計算分析模型如圖3所示。

4 計算結果分析

4.1 框架結構內力分析

如圖4所示，為了便于內力分析，將框架結構分為3排。圖5-圖7為豎井、橫通道、區間隧道施工前后各排、各列梁、柱彎矩圖，表1、表2分別為豎井、橫通道、區間隧道施工前后梁、柱的彎矩變化統計。

由梁、柱彎矩圖、表可知，施工前結構梁的初始最大彎矩為122.2kN·m，豎井施工完成后梁的最大彎矩為125kN·m，分部彎矩增量為2.8kN·m，占增幅總量的35%；橫通道、區間隧道施工完成后梁的最大彎矩為130.2kN·m，分部彎矩增量為5.2kN·m，占增幅總量的65%。施工前結構柱的初始最大彎矩為58.6kN·m，豎井施工完成后柱的最大彎矩為60.2kN·m，分部彎矩增量為1.6kN·m，占增幅總量的59%，橫通道、區間隧道施工完成后柱的最大彎矩為61.3kN·m，分部彎矩增量為1.1kN·m，占增幅總量的41%。

通過以上分析可得以下結論：（1）地下開挖對結構梁彎矩的影響明顯大于對結構柱的影響；（2）對于結構梁，豎井開挖對其內力的影響較大，而對于結構柱，橫通道、區間隧道開挖對其內力影響較大。

4.2 地層沉降分析

為了分析距離豎井邊緣不同位置處的地表沉降，選擇觀察斷面如圖8所示，6個斷面與豎井邊緣的水平距離分別為4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架結構距離豎井邊緣的距離為16米，此處由豎井開挖引起的地表最大沉降值為2.2mm，橫向最大差異沉降為2.05mm；由橫通道、區間隧道開挖引起的地表最大沉降值為1.5mm，橫向最大差異沉降為1.26mm。框架結構的縱深長度約為8米，對比距離豎井邊緣16米、24米處的最大地表沉降值，可知豎井開挖引起的縱向最大差異沉降為1.4mm，由橫通道、區間隧道開挖引起的縱向最大差異沉降為1.0mm。

通過以上分析可得以下結論：（1）無論是豎井還是橫通道、區間隧道開挖，所引起的地表沉降趨勢相同，地表沉降曲線類似于正太曲線；（2）豎井離建筑結構較近，開挖引起的最大地表沉降及差異沉降較橫通道、區間隧道要大；（3）隨著到豎井邊緣距離的增加，地表沉降值逐漸減小，當達到3-4倍豎井內徑時，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 結語

本文以北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間的豎井、橫通道及區間隧道為背景，通過數值計算，分析了地下開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響。

計算結果分析表明：（1）由梁、柱內力變化可知，地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；（2）地下開挖會引起地面凹陷，地表沉降曲線類似于正太曲線；（3）隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

參考文獻

[1] 項彥勇，馮山群.樁基對隧道開挖塑性區影響的一種理論預測方法[J].土木工程學報，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] 項彥勇，賀少輝，張彌，等.導洞隔離樁墻結構對淺埋暗挖隧道周邊地層移動的限制作用分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，項彥勇.地層環境變化對地鐵結構設計的影響分析[J].都市快軌交通，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] 向曉輝，王俐，李春光.復雜地質條件下水底礦山法隧道的圍巖位移分析[J].鐵道工程學報，2011，（2）：103-108.

[7] 徐禮華，艾心熒，余佳力等.廈門機場路隧道施工對砌體結構建筑物的影響分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，蘇華友，趙旭偉.成都地鐵盾構隧道地表沉降分析[J].城市軌道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，楊平，林水仙.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（2）：369-374.

[10] 賈曉云，林寶龍.隧道開挖引起的路面沉降預測及數值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者簡介：馮山群（1986—），男，河北保定人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司助理工程師，碩士，研究方向：隧道及地下工程。endprint

摘要：北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間需設置豎井進行區間隧道的開挖。為了解豎井及區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，采用數值方法，計算分析了開挖過程中臨近建筑結構內力及變形的變化情況。結果表明地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；地下開挖引起的地表沉降曲線近似于正態曲線；隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

關鍵詞：豎井開挖；區間隧道開挖；建筑結構；數值分析；變形內力

中圖分類號：TU924 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

隨著城市地下軌道交通的發展，新建地鐵線路的選擇日益受到可用地下空間等因素的限制。新建地鐵線路的施工會對鄰近既有結構產生影響，一旦結構內力及變形控制不好，就可能會導致既有結構無法正常運營或發生安全事故。因此，正確分析、預測并控制新建地鐵施工對既有結構內力及變形的影響是確保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道對地表及既有結構影響的方法主要包括理論研究、模型試驗、經驗法以及數值分析。理論方法多將建筑物簡化成梁或框架結構，然后根據經典力學理論對模型進行分析，因涉及較多、較特別的簡化和假設，所得結果往往有較明顯的局限性。模型試驗是通過建立物理模型來模擬實際的地層環境及施工過程，此方法往往因為有限的相似性而難以用于推測實際情況，并且比較耗時費力。經驗法主要是以現場量測數據及直觀推理為基礎得到經驗公式，進而應用于特定的工程問題，在地層沉降的預測中應用最多的是Peck經驗公式。與前幾種方法相比較，數值分析無論是在操作性還是在經濟性方面都比較強，因而是目前最常用的計算手段之一。

本文主要研究豎井、橫通道、區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，豎井和橫通道是為增加施工斷面以加快施工進度而設立的。

2 工程概況及施工方案

所研究的豎井、橫通道及區間隧道位于北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間，受影響的建筑結構為一個地上4層、地下1層的框架結構，與豎井的最近距離約16米。豎井、橫通道、區間隧道及建筑結構的相對位置關系如圖1所示。

開挖工序依次為豎井開挖，橫通道開挖，區間隧道開挖。其中豎井采用倒掛井壁施工，橫通道及區間隧道采用暗挖法分布開挖。

3 計算模型

單元類型及約束條件的選擇：采用實體單元模擬地層。對于框架結構，為了便于分析結構內力，采用二維梁單元模擬結構的梁、柱構件。框架結構分為地上4層和地下1層，為了考慮土體及未模擬結構對結構模型的約束作用，假設地下1層地面處及結構斷開處的節點無水平位移，具體約束情況如圖2所示。豎井襯砌、結構底板、地下一層豎墻、橫通道及區間隧道襯砌采用板單元模擬。計算分析模型如圖3所示。

4 計算結果分析

4.1 框架結構內力分析

如圖4所示，為了便于內力分析，將框架結構分為3排。圖5-圖7為豎井、橫通道、區間隧道施工前后各排、各列梁、柱彎矩圖，表1、表2分別為豎井、橫通道、區間隧道施工前后梁、柱的彎矩變化統計。

由梁、柱彎矩圖、表可知，施工前結構梁的初始最大彎矩為122.2kN·m，豎井施工完成后梁的最大彎矩為125kN·m，分部彎矩增量為2.8kN·m，占增幅總量的35%；橫通道、區間隧道施工完成后梁的最大彎矩為130.2kN·m，分部彎矩增量為5.2kN·m，占增幅總量的65%。施工前結構柱的初始最大彎矩為58.6kN·m，豎井施工完成后柱的最大彎矩為60.2kN·m，分部彎矩增量為1.6kN·m，占增幅總量的59%，橫通道、區間隧道施工完成后柱的最大彎矩為61.3kN·m，分部彎矩增量為1.1kN·m，占增幅總量的41%。

通過以上分析可得以下結論：（1）地下開挖對結構梁彎矩的影響明顯大于對結構柱的影響；（2）對于結構梁，豎井開挖對其內力的影響較大，而對于結構柱，橫通道、區間隧道開挖對其內力影響較大。

4.2 地層沉降分析

為了分析距離豎井邊緣不同位置處的地表沉降，選擇觀察斷面如圖8所示，6個斷面與豎井邊緣的水平距離分別為4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架結構距離豎井邊緣的距離為16米，此處由豎井開挖引起的地表最大沉降值為2.2mm，橫向最大差異沉降為2.05mm；由橫通道、區間隧道開挖引起的地表最大沉降值為1.5mm，橫向最大差異沉降為1.26mm。框架結構的縱深長度約為8米，對比距離豎井邊緣16米、24米處的最大地表沉降值，可知豎井開挖引起的縱向最大差異沉降為1.4mm，由橫通道、區間隧道開挖引起的縱向最大差異沉降為1.0mm。

通過以上分析可得以下結論：（1）無論是豎井還是橫通道、區間隧道開挖，所引起的地表沉降趨勢相同，地表沉降曲線類似于正太曲線；（2）豎井離建筑結構較近，開挖引起的最大地表沉降及差異沉降較橫通道、區間隧道要大；（3）隨著到豎井邊緣距離的增加，地表沉降值逐漸減小，當達到3-4倍豎井內徑時，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 結語

本文以北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間的豎井、橫通道及區間隧道為背景，通過數值計算，分析了地下開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響。

計算結果分析表明：（1）由梁、柱內力變化可知，地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；（2）地下開挖會引起地面凹陷，地表沉降曲線類似于正太曲線；（3）隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

參考文獻

[1] 項彥勇，馮山群.樁基對隧道開挖塑性區影響的一種理論預測方法[J].土木工程學報，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] 項彥勇，賀少輝，張彌，等.導洞隔離樁墻結構對淺埋暗挖隧道周邊地層移動的限制作用分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，項彥勇.地層環境變化對地鐵結構設計的影響分析[J].都市快軌交通，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] 向曉輝，王俐，李春光.復雜地質條件下水底礦山法隧道的圍巖位移分析[J].鐵道工程學報，2011，（2）：103-108.

[7] 徐禮華，艾心熒，余佳力等.廈門機場路隧道施工對砌體結構建筑物的影響分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，蘇華友，趙旭偉.成都地鐵盾構隧道地表沉降分析[J].城市軌道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，楊平，林水仙.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（2）：369-374.

[10] 賈曉云，林寶龍.隧道開挖引起的路面沉降預測及數值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者簡介：馮山群（1986—），男，河北保定人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司助理工程師，碩士，研究方向：隧道及地下工程。endprint

摘要：北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間需設置豎井進行區間隧道的開挖。為了解豎井及區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，采用數值方法，計算分析了開挖過程中臨近建筑結構內力及變形的變化情況。結果表明地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；地下開挖引起的地表沉降曲線近似于正態曲線；隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

關鍵詞：豎井開挖；區間隧道開挖；建筑結構；數值分析；變形內力

中圖分類號：TU924 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）04-0116-05

1 概述

隨著城市地下軌道交通的發展，新建地鐵線路的選擇日益受到可用地下空間等因素的限制。新建地鐵線路的施工會對鄰近既有結構產生影響，一旦結構內力及變形控制不好，就可能會導致既有結構無法正常運營或發生安全事故。因此，正確分析、預測并控制新建地鐵施工對既有結構內力及變形的影響是確保安全施工的重要前提。

目前研究新建隧道對地表及既有結構影響的方法主要包括理論研究、模型試驗、經驗法以及數值分析。理論方法多將建筑物簡化成梁或框架結構，然后根據經典力學理論對模型進行分析，因涉及較多、較特別的簡化和假設，所得結果往往有較明顯的局限性。模型試驗是通過建立物理模型來模擬實際的地層環境及施工過程，此方法往往因為有限的相似性而難以用于推測實際情況，并且比較耗時費力。經驗法主要是以現場量測數據及直觀推理為基礎得到經驗公式，進而應用于特定的工程問題，在地層沉降的預測中應用最多的是Peck經驗公式。與前幾種方法相比較，數值分析無論是在操作性還是在經濟性方面都比較強，因而是目前最常用的計算手段之一。

本文主要研究豎井、橫通道、區間隧道開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響，豎井和橫通道是為增加施工斷面以加快施工進度而設立的。

2 工程概況及施工方案

所研究的豎井、橫通道及區間隧道位于北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間，受影響的建筑結構為一個地上4層、地下1層的框架結構，與豎井的最近距離約16米。豎井、橫通道、區間隧道及建筑結構的相對位置關系如圖1所示。

開挖工序依次為豎井開挖，橫通道開挖，區間隧道開挖。其中豎井采用倒掛井壁施工，橫通道及區間隧道采用暗挖法分布開挖。

3 計算模型

單元類型及約束條件的選擇：采用實體單元模擬地層。對于框架結構，為了便于分析結構內力，采用二維梁單元模擬結構的梁、柱構件。框架結構分為地上4層和地下1層，為了考慮土體及未模擬結構對結構模型的約束作用，假設地下1層地面處及結構斷開處的節點無水平位移，具體約束情況如圖2所示。豎井襯砌、結構底板、地下一層豎墻、橫通道及區間隧道襯砌采用板單元模擬。計算分析模型如圖3所示。

4 計算結果分析

4.1 框架結構內力分析

如圖4所示，為了便于內力分析，將框架結構分為3排。圖5-圖7為豎井、橫通道、區間隧道施工前后各排、各列梁、柱彎矩圖，表1、表2分別為豎井、橫通道、區間隧道施工前后梁、柱的彎矩變化統計。

由梁、柱彎矩圖、表可知，施工前結構梁的初始最大彎矩為122.2kN·m，豎井施工完成后梁的最大彎矩為125kN·m，分部彎矩增量為2.8kN·m，占增幅總量的35%；橫通道、區間隧道施工完成后梁的最大彎矩為130.2kN·m，分部彎矩增量為5.2kN·m，占增幅總量的65%。施工前結構柱的初始最大彎矩為58.6kN·m，豎井施工完成后柱的最大彎矩為60.2kN·m，分部彎矩增量為1.6kN·m，占增幅總量的59%，橫通道、區間隧道施工完成后柱的最大彎矩為61.3kN·m，分部彎矩增量為1.1kN·m，占增幅總量的41%。

通過以上分析可得以下結論：（1）地下開挖對結構梁彎矩的影響明顯大于對結構柱的影響；（2）對于結構梁，豎井開挖對其內力的影響較大，而對于結構柱，橫通道、區間隧道開挖對其內力影響較大。

4.2 地層沉降分析

為了分析距離豎井邊緣不同位置處的地表沉降，選擇觀察斷面如圖8所示，6個斷面與豎井邊緣的水平距離分別為4米、8米、12米、16米、20米、24米。

框架結構距離豎井邊緣的距離為16米，此處由豎井開挖引起的地表最大沉降值為2.2mm，橫向最大差異沉降為2.05mm；由橫通道、區間隧道開挖引起的地表最大沉降值為1.5mm，橫向最大差異沉降為1.26mm。框架結構的縱深長度約為8米，對比距離豎井邊緣16米、24米處的最大地表沉降值，可知豎井開挖引起的縱向最大差異沉降為1.4mm，由橫通道、區間隧道開挖引起的縱向最大差異沉降為1.0mm。

通過以上分析可得以下結論：（1）無論是豎井還是橫通道、區間隧道開挖，所引起的地表沉降趨勢相同，地表沉降曲線類似于正太曲線；（2）豎井離建筑結構較近，開挖引起的最大地表沉降及差異沉降較橫通道、區間隧道要大；（3）隨著到豎井邊緣距離的增加，地表沉降值逐漸減小，當達到3-4倍豎井內徑時，最大沉降值不足1mm，沉降量基本可以忽略。

5 結語

本文以北京地鐵15號線安立路站與大屯路東站之間的豎井、橫通道及區間隧道為背景，通過數值計算，分析了地下開挖對臨近建筑結構內力及變形的影響。

計算結果分析表明：（1）由梁、柱內力變化可知，地下開挖對臨近建筑結構梁的影響明顯大于對柱的影響；（2）地下開挖會引起地面凹陷，地表沉降曲線類似于正太曲線；（3）隨著到開挖位置距離的增大，地表沉降值逐漸減小，當距離達到3-4倍開挖內徑時，沉降量基本可以忽略。

參考文獻

[1] 項彥勇，馮山群.樁基對隧道開挖塑性區影響的一種理論預測方法[J].土木工程學報，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] 項彥勇，賀少輝，張彌，等.導洞隔離樁墻結構對淺埋暗挖隧道周邊地層移動的限制作用分析[J].巖石力學與工程學報，2004，23，（19）：3317-3323.

[4] 姜智平，項彥勇.地層環境變化對地鐵結構設計的影響分析[J].都市快軌交通，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] 向曉輝，王俐，李春光.復雜地質條件下水底礦山法隧道的圍巖位移分析[J].鐵道工程學報，2011，（2）：103-108.

[7] 徐禮華，艾心熒，余佳力等.廈門機場路隧道施工對砌體結構建筑物的影響分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29，（3）：583-592.

[8] 李博，蘇華友，趙旭偉.成都地鐵盾構隧道地表沉降分析[J].城市軌道交通研究，2010，13（4）：64-66.

[9] 朱逢斌，楊平，林水仙.盾構隧道開挖對鄰近樁基影響研究[J].地下空間與工程學報，2010，6（2）：369-374.

[10] 賈曉云，林寶龍.隧道開挖引起的路面沉降預測及數值分析[J].路基工程，2010，（3）：108-110.

作者簡介：馮山群（1986—），男，河北保定人，鐵道第三勘察設計院集團有限公司助理工程師，碩士，研究方向：隧道及地下工程。endprint