基坑工程對既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響研究現(xiàn)狀分析

周澤棲 劉春 唐超

【摘要】隨著城市地鐵的迅速發(fā)展，運營地鐵沿線基坑工程日益增加，基坑工程對既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響已成為一個熱點研究課題。為全面分析深基坑開挖對側(cè)方運營隧道的變形影研究進展，文章通過理論研究、模型試驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等四個方面分別對深基坑施工鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀進行闡述。

【關(guān)鍵詞】深基坑工程; 隧道變形; 數(shù)值模擬; 現(xiàn)場監(jiān)測; 模型實驗

【中國分類號】U452.2+6【文獻標志碼】A

城市地下空間已成為未來城市發(fā)展的重要趨勢，如大城市中的地下綜合商場、地下街道、地下硐室、倉庫、車站等都是充分利用地下空間的例子。這些地下建筑需要面對深基坑施工的問題，特別是近年來城市基坑開挖規(guī)模和深度越來越大，開挖深度在15 m以上的深基坑工程已很普遍。城市地鐵線路越來越密集，許多深基坑工程出現(xiàn)在隧道周圍，給隧道正常運營造成不同程度的影響，如拱頂沉降、拱底隆起、隧道水平位移等。因此臨近運營隧道的深基坑施工已成為目前基坑工程的重難點問題。

1 隧道變形理論研究

理論研究主要用于對基坑開挖引起隧道變形的初步評估，目前國內(nèi)外學者主要采用兩階段理論對隧道變形進行分析，即首先對深基坑施工引起的隧道位移和荷載進行數(shù)學計算，然后將位移或荷載施加到運營隧道中，從理論上計算隧道變形對不同基礎(chǔ)梁的影響。

周澤林[1]將軟土地基視為三參數(shù)HK粘彈性體，并在內(nèi)部集中作用下推導了具有自由邊界的半無限粘彈性空間體的Mindlin時域解。并使用了集成和疊加的方法，將已建隧道視為帕斯捷爾納克粘彈性地基上的歐拉·伯努利長梁，并在附加荷載下建立隧道的平衡微分方程，以計算基坑開挖和邊坡開挖引起的鄰近隧道變形。該方法可以較好地反映軟土地區(qū)地鐵隧道附加變形和內(nèi)力的時間發(fā)展趨勢。沈國政[2]通過Mindlin計算出基坑開挖卸荷后引起隧道的附加荷載，并基于Pasternak地基模型建立地鐵隧道縱向變形的雙參數(shù)基本微分方程，根據(jù)Hermite插值方法構(gòu)建七點有限差分格式，從而對微分方程進行求解，求出鄰近隧道的縱向位移。深基坑開挖可以視為基坑內(nèi)部在豎直和水平荷載下的Mindlin問題，通過Mindlin基本解可以計算出基坑開挖引起的地鐵隧道上任意一點附加應力值，借助數(shù)學計算軟件使結(jié)果簡便易得。

2 隧道數(shù)值模擬

數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件的開發(fā)與應用可以極大的提高了隧道的模擬研究分析問題能力，研究者們主要通過模擬基坑開挖與隧道的不同環(huán)境因素工況下的影響。基于耦合發(fā)展理論，建立三維仿真數(shù)據(jù)模型，分析基坑開挖過程、基坑施工技術(shù)特性以及其對鄰近地鐵的影響。

陳志偉[3]利用Midas-GTS有限元軟件建立三維數(shù)值模型，分析基坑開挖和降水對緊鄰既有地鐵隧道產(chǎn)生的影響，分析出基坑降水造成的地下水滲流具有空間差異性，基坑長邊側(cè)滲流速度大于短邊一側(cè)，且地鐵隧道處水力梯度較大;最大總位移出現(xiàn)在地鐵隧道中部，最大水平位移發(fā)生在隧道側(cè)邊，最大沉降位移發(fā)生在隧道頂部;測斜位移曲線具有明顯的拐US學術(shù)型模擬深基坑圍護結(jié)構(gòu)與開挖過程。發(fā)現(xiàn)在計算圍護結(jié)構(gòu)側(cè)方位移時， ABAQUS軟件預測的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)方位移比，ABAQUS軟件預測的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)方位移與MIDAS GTS NX軟件相比更接近實測結(jié)果，即使用ABAQUS軟件中修正劍橋模型預測深基坑側(cè)方地基的變形時明顯優(yōu)于MIDAS GTS NX軟件。MIDAS GTS NX和ABAQUS兩種有限元軟件在模擬考慮周邊環(huán)境的深基坑開挖時，均能較好地反映地表沉降大小及其規(guī)律。陳輝[4]等利用MIDAS GTS NX工程型和ABAQ數(shù)值進行模擬可以極大提高隧道的模擬研究，研究者主要運用Midas-GTS有限元、MIDAS GTS NX工程型、MIDAS GTS NX工程等軟件分別對基坑開挖方式，尺寸、基坑支護結(jié)構(gòu)以及降水等影響隧道變形的因素進行模擬。得出各軟件的差異性。

3 隧道模型實驗

目前，該模型的實驗部分分為長重力模型實驗和離心模型實驗。長重力模型試驗通過模擬實際工程荷載，研究隧道在荷載作用下的變形規(guī)律，離心模型試驗是為了補償由于離心機尺寸減小而造成的重量損失。

張玉偉[5]為了闡明基坑施工過程對既有隧道的干擾效果，采用了巖土離心試驗系統(tǒng)進行了離心模型試驗。在試驗中，考慮了非對稱基坑開挖的裝卸過程以及基坑與隧道的相互作用，結(jié)合卸載-再裝過程的樁-土-隧道荷載傳遞機制，分析了不同開挖步驟和荷載施加對既有隧道位移和力的影響。結(jié)論表明，基坑開挖會引起明顯的地層損失，隧道在非對稱卸荷作用下會上浮并發(fā)生偏斜。基坑的初始開挖對隧道的干擾較小，但隨著開挖深度的增加，擾動效果將逐漸增大。在基坑中心線附近的左隧道的擾動效果更強。胡欣[6]為了探討基坑開挖過程對既有隧道內(nèi)力和變形的影響，室內(nèi)模型試驗模擬了截面彎矩，土壓力和直徑的變化。現(xiàn)有隧道在三種工作條件下。同時，比較分析了各種工況下隧道的內(nèi)力和變形特性。結(jié)論是基坑的開挖將使現(xiàn)有隧道段的縱向彎矩變小，而橫向彎矩變大，從而導致現(xiàn)有隧道的橫向直徑增大，縱向直徑在基坑開挖過程中，現(xiàn)有隧道橫向土壓力的減小導致橫向內(nèi)徑的增加和縱向土壓力的增大，從而導致隧道段的縱向內(nèi)徑的減小;隧道的埋深越大，開挖影響隧道結(jié)構(gòu)的彎矩和位移就越小;基坑的水平間距越小，彎矩和受基坑開挖影響的隧道位移的變化越大。

4 隧道安全現(xiàn)場監(jiān)測

隧道的安全服役離不開安全監(jiān)測和預警，地鐵隧道具有狹長、曲線、隧道內(nèi)管線設(shè)備眾多等特點，許多學者通過三維激光掃描、分布式光纖、測量機器人監(jiān)測等技術(shù)對隧道進行變形監(jiān)測。目前，研究者利用自動化監(jiān)測系統(tǒng)對隧道影響區(qū)分進行實時監(jiān)控，自動監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出警報后，基坑工程立即停止施工，增加監(jiān)測頻率，隧道監(jiān)測預警等級劃分如表1所示。

沈雯[7]等通過進行現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測獲取了地鐵交通車站及區(qū)間隧道在鄰近超深基坑分區(qū)開挖下的變形響應數(shù)據(jù)，并對該監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)展開了我們深入的分析和研究。結(jié)果表明，地鐵站在開挖基坑時出現(xiàn)凸起變形，相鄰地鐵站兩側(cè)的間隔隧道出現(xiàn)沉降變形。同時，地鐵站和區(qū)間隧道在基坑方向上產(chǎn)生水平位移，間隔隧道在橫向產(chǎn)生水平拉伸，基坑挖掘?qū)Φ罔F站和間隔隧道的影響大于地鐵站和間隔隧道的基坑開挖橫向放電效果，在基坑的挖掘過程中，地鐵站的上下區(qū)域大于下線間隔，導致地鐵站整體向基坑傾斜。段清超[8]在研究三維激光掃描技術(shù)在隧道變形監(jiān)測中的應用時，給出了一種適用于隧道數(shù)據(jù)采集的多站共用靶標連續(xù)拼接法。研發(fā)了適用于復雜環(huán)境的運營階段隧道變形實時監(jiān)測系統(tǒng)，對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)和人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了比較，檢查和分析，以驗證其準確性。根據(jù)隧道變形的特點，陳麗佳[9]利用光纖光柵傳感技術(shù)對隧道安全進行監(jiān)測和預警，為隧道的安全運行提供了全新的技術(shù)保證。靳羽西[10]采用多臺測量機器人，結(jié)合多臺測量機器人的ATR功能，無線通信技術(shù)，計算機技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過多臺測量站的聯(lián)合測量調(diào)整，實現(xiàn)了自動監(jiān)測。基于多個測量機器人系統(tǒng)的地鐵隧道監(jiān)測，彌補了傳統(tǒng)測量方法效率低，數(shù)據(jù)反饋滯后等缺點，克服了一站式測量無法長期監(jiān)測的缺點。距離地鐵隧道。它滿足了地鐵隧道的統(tǒng)一，實時，高效和高精度監(jiān)控。根據(jù)CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》技術(shù)標準。規(guī)范中對城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標做出了具體要求，可作為確定隧道的容許變量依據(jù)，具體如表2所示。

5 總結(jié)與展望

（1）基坑開挖時空效應。地下建筑工程位置信息比較分析復雜，基坑開挖與運營隧道不同空間位置的影響還沒本文總結(jié)近年來國內(nèi)外關(guān)于深基坑開挖對鄰近運營隧道變形影響的研究成果，在此基礎(chǔ)上提出以下研究問題和有系統(tǒng)的研究。

（2）理論與模型進行實驗研究。現(xiàn)有相關(guān)理論問題分析均考慮了不同環(huán)境因素對隧道的影響但公式復雜難懂，工程實用性不高，對公式的簡化修正需要進一步發(fā)展擴展。現(xiàn)有的實驗只能作為輔助研究，離心實驗的開發(fā)和應用需要進一步的研究和發(fā)展。

（3）降水和地下水對基坑開挖的影響。如何控制水對基坑的影響以及水滲流的多場耦合效應等影響因素是基坑工程發(fā)展的一大趨勢。

參考文獻

[1] 周澤林，陳壽根，涂鵬，等.基坑開挖對鄰近隧道影響的耦合分析方法[J].巖土力學，2018，39（4）： 1440-1449.

[2] 沈國政，趙宏華，趙凱，等.深基坑開挖引起隧道縱向位移的Hermite差分法[J].地下空間與工程學報，2020，127（16）：337-344.

[3] 陳志偉， 繆海波. 深基坑開挖和降水對緊鄰既有地鐵隧道的影響[J].科學技術(shù)與工程，2019，499（19）：302-307.

[4] 陳輝，薛栩超，郭建剛，等. 基于不同軟件模擬深基坑開挖變形的對比分析[J].南京工業(yè)大學學報，2020，203（42）：101-107.

[5] 張玉偉， 翁木生. 非對稱基坑開挖對下臥地鐵隧道影響的離心試驗[J]. 巖土力學，2018， 39（7）：2555-2562.

[6] 胡欣. 模型試驗模擬不同工況下基坑開挖對既有隧道的影響[J]. 路基工程， 2015（16）： 151-155.

[7] 沈雯， 沈蓉， 孫廉威.超深基坑分區(qū)開挖對側(cè)方地鐵影響的實測分析[J].地下空間與工程報，2019， 118（15）：358-364.

[8] 段清超， 劉濤.軟巖隧道三維掃描變形監(jiān)測技術(shù)的試驗研究[J].隧道建設(shè)（中英文）， 2019（39）： 190-197.

[9] 陳麗佳.基于光纖光柵傳感技術(shù)的電力隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與精度分析[J].測繪地理信息，2020，209（45）：54-56.

[10] 靳羽西， 紀萬， 坤孫立. 多臺測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)在地鐵隧道中的應用[J]. 北京測繪， 2020（34）： 40-44.