基坑開挖對臨近或下臥既有隧道的影響及研究進展

趙春偉

摘 要：隨著地下空間的綜合開發利用日益增加，基坑工程臨近或上跨既有隧道的現象時有發生。基坑施工勢必會引起周圍土體應力的重分布，使既有隧道產生附加內力和變形，進而影響運營隧道的安全。本文總結了基坑工程對既有隧道影響常用的研究方法，分析了每種研究方法的特點，歸納了當前研究工作的主要內容和成果，并指出了控制既有隧道變形的常用措施，可為類似問題的研究提供借鑒。

關鍵詞：基坑工程；既有隧道；控制措施；研究方法

中圖分類號：U456.3 中圖分類號：A

隨著我國地下空間綜合利用的迅速發展，越來越多的基坑工程鄰近或上跨既有的隧道，兩者之間的沖突日益突出。基坑開挖會造成周邊環境影響，主要為破壞原有平衡應力場，引起應力重分布，從而在既有隧道上產生附加內力和變形，嚴重威脅隧道的安全。因此如何控制基坑工程對既有隧的影響已經引起人們廣泛的關注。國內外學者從理論分析、數值模擬、現場監測及模型試驗等方面開展了廣泛的研究，并提出了控制既有隧道變形的有效措施。本文總結了基坑工程對既有隧道影響的4種常用研究方法，分析了每種研究方法的特點，歸納了當前研究工作的主要內容和成果，并總結了控制既有隧道變形的常用措施。

1.理論分析

理論分析具有概念明確，快捷、方便等優點。多采用兩階段分析法，首先分析開挖引起的附加場；然后將其施加到既有隧道上，并將隧道視為彈性地基梁進行內力與變形的分析。黃栩等將已建隧道視為Kerr彈性地基上的無限長梁，采用兩階段法研究基坑開挖卸荷引起下臥隧道的縱向變形。并對Winkler模型、Pasternak模型與Kerr模型3種地基模型的計算結果進行了對比。認為Kerr地基模型最為精確。雖然該方法原理明確，計算簡單，但由于土體的非線性，既有結構形式、剛度、施工條件等各不相同，因此兩階段分析法具有明顯的局限性，其計算結果只是解決基坑開挖引起隧道縱向內力和變形變化問題的一種近似解。

2.數值模擬

數值模擬通過對工程進行合理的簡化和假設，選擇適當的本構模型及參數，采用“生”、“死”單元來模擬開挖過程。該方法可以考慮土層的分布及其非線性，土體與既有隧道的相互作用，是目前分析基坑開挖對既有隧道影響的主要方法。黃宏偉等利用有限元建立三維模型，模擬了基坑施工對鄰近隧道的影響。唐仁等以廣州某臨近一號線的基坑工程為依托，模擬了基坑開挖各工況對地鐵隧道的影響。數值模擬可以對施工順序以及邊界條件進行模擬，能夠真實地反映工程實際，但是由于施工環境和條件的多變性以及和既有結構關系的多樣性，導致工作量大，建模復雜，計算時長，而且如何選擇合理的本構模型及計算參數來保證計算結果的準確性仍是數值模擬的重點和難點。

3.現場監測

基坑開挖對鄰近隧道的影響因素較多，現場監測數據可以綜合體現各種因素的影響，可以直接對隧道的狀態進行評估，也可以對隧道的變形趨勢進行合理預測。因此，現場監測是分析該問題最直接、有效、可靠的方法。郭鵬飛等總結了39例上跨隧道的基坑工程，對實測數據進行分析，提出了簡單實用的隧道隆起變形預測模型。劉庭金等以廣州地鐵一號線黃沙-長壽路站區間工程為依托，利用隧道變形三維監測數據，詳細研究了地鐵上基坑施工對區間隧道的變形影響。監測需要通過在現場設置監測點來獲取信息，但是既有隧道一般都處于運營狀態，監測點的布置比較困難，且現場監測無法測量既有結構內力及周圍土壓力變化。

4.模型試驗

室內試驗主要分為兩類：一類是離心機模型試驗，利用離心力場和重力場等效的方法，通過離心模型試驗法研究工程參數，進而預測隧道的變形情況。另一類模型試驗為相似性試驗，通過構造與實際工程結構、外部環境均相類似的模型，通過對模型進行試驗分析，研究基坑施工造成的隧道變形情況。模型試驗法為研究該問題最接近真實的方法。

姜兆華等通過室內模型試驗，進行基坑與近接隧道的相對橫向和縱向距離敏感性研究，對既有隧道的土壓力、彎矩和內徑的工作機理進行了研究，探索并總結了相鄰隧道內力與位移的相關變化情況。魏少偉等針對砂土中基坑開挖對坑底不同位置隧道橫截面變形的影響，采用離心機進行了兩組試驗研究。

模型試驗法能夠分析出一定條件下基坑施工造成隧道變形的規律。但是土體的各向異性，因此模型試驗不能精確反映原型的土層特性，且成本高，周期長，一般不經常使用。

5.控制措施

控制既有隧道變形的主要措施有：土體加固、分區開挖、堆載以及設置抗拔樁等。土體加固通過改善基坑底部及坑周土體性質，提高土體抗剪強度，達到減小隧道變形的目的；分區開挖既可以減少單次卸載量，也可以通過調整各區的開挖順序，充分利用“時空效應”減少隧道的變形；堆載可以平衡卸載的土方；抗拔樁通過與新建結構底板相連接，形成“保護箍”來抑制既有隧道的變形。魏綱等搜集了27個鄰近既有隧道的基坑工程實例，并進行統計分析，基坑加固控制措施是影響隧道最大隆起值的主要原因之一；抗拔樁、土體加固和堆載對防止隧道隆起都有比較不錯的效果，其中設置抗拔樁是最為有效的控制措施。為保證既有隧道結構的安全，實現安全運營，通常根據具體情況采取多種措施共同作用，控制既有隧道的變形。

結語

本文總結了基坑工程對既有隧道影響的研究方法：理論分析概念明確、方便、快捷，但其計算結果僅是一種近似解；數值模擬可以考慮土層的分布及非線性和土體與隧道間的相互作用，是目前最常用的方法；現場監測數據真實地反映了土體和隧道的實際情況，是最直接、可靠的方法；模型試驗主要分為離心模型試驗和相似性試驗兩類，是一種接近真實地方法。控制隧道變形的主要措施為：土體加固通過改善土體性質，減小土體變形控制既有隧道的變形；分區開挖通過減少單次開挖卸載量，利用“時空效應”減小基坑開挖對既有隧道的影響；堆載通過平衡開挖卸載的土方來控制既有隧道變形；抗拔樁通過與新建結構相連接，形成“門架”抑制既有隧道的隆起變形。

參考文獻

[1]黃栩，等.開挖卸荷引起下臥已建盾構隧道的縱向變形研究[J].巖土工程學報，2012，34（7）：1241-1249.

[2]黃宏偉，等.基坑開挖對下臥運營盾構隧道影響的數值模擬研究[J].土木工程學報，2012，45（3）：182-189.

[3]唐仁，等.基坑工程施工對鄰近地鐵盾構隧道的影響分析[J].地下空間與工程學報，2014，10（增1）：1629-1634.

[4]郭鵬飛，等.基坑開挖引起下臥隧道隆起變形的實測數據分析[J].巖土力學，2016，37（增2）：613-621.

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