1、第 卷第 期 岩 土 力 学 Vol. No.2011 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2011收稿日期：2011-3-31作者简介：姓名，性别，出生年份，职务。主要从事哪方面的研究。文章编号：10007598(2011) 02030403基坑施工对邻近地铁隧道变形的影响研究张明远（华南理工大学土木与交通学院 广东 广州 510640）摘要：以广州市珠江新城 J2-2 地块工程北侧紧邻已运营的地铁五号线区间隧道为背景，采用 midas-GTS 有限元软件建立三维数值分析模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。笔者研究了基坑采用顺做法和逆做法两种不同施工工艺时
2、基坑围护结构与地铁隧道变形的相互关系，然后比较分析了隧道周边土体弹性模量的大小对隧道变形的影响，研究表明：（1）基坑施工使紧邻地铁隧道产生水平位移和竖向隆起；（2）逆作法相对于顺做法施工会明显减小基坑围护结构的侧向变形；（3）限制地铁隧道侧基坑围护结构的侧向变形是控制地铁隧道水平位移的一个重要因素；（4）地铁隧道周边土体的弹性模量对于控制隧道变形的大小较为重要。关键词：基坑施工 地铁隧道 围护结构 顺作法 逆作法 弹性模量中图分类号：TU 443 文献标识码：AStudy on the Influence of Pit Construction to Adjacent Subway Tunne
3、lZHANG Ming-yuan（South China University of Technology School of Civil Engineering and Transportation Guangdong Guangzhou 510640）Abstract: The excavation of foundation can destroy the integrity of the original soil, especially, the foundation which is closed to the subway tunnel, and it can make the
4、soil which is at one side of the subway tunnel ,uninstall the vertical loading and lateral loading ,so the tunnel will have displacement. Combining with the feature of the fifth tunnel which is north to the J2-2 of the Zhu Jiang New Town project ,I will adopt the three dimensional measure to analyze
5、 the security of the envelop and assess the effect from excavation which is during the pit construction, then I will propose series of effective measure to instruct the pit construction.Key Words: pit construction subway tunnel 1 引言随着城市轨道交通网络的迅速发展，较多的基坑工程会不可避免地在地铁结构沿线进行施工，而基坑施工是一项很复杂的工程，它会引起周围地层初始应力
6、发生改变，进而导致紧邻的地铁结构受力和变形发生改变。而地铁车站和区间隧道结构是对变形要求极为严格的地下结构物，特别是已运营的地铁线路对于变形要求更为严格，根据上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定要求：一般情况下，结构最大位移不能超过 20mm，隧道变形曲线的曲率半径必须大于 15000m，相对弯曲不大于 1/2500。因此，在基坑施工过程必须采取严格的工程措施，否则将会影响紧邻的地铁结构安全性和正常运营。曾远，李志高 1采用数值分析的方法研究了新建地铁车站基坑施工对已有地铁车站结构的影响，研究指出了车站开挖基坑时新旧两车站间距、源头变化、土体弹性模量三个因素对运营车站变形的影响，并指
7、出引起已有车站变形的主要原因是基坑内土体隆起导致围护结构后土体移动。朱正峰，陶雪梅 2等研究了地基加固，分块开挖等方案和施工措施来控制基坑施工对下方地铁区间隧道结构变形的影响，指出基坑施工过程“分块、分条、平衡、限时”对控制地铁隧道变形的重要作用。高广运，高盟 3等基于实测数据对紧邻地铁隧道侧的基坑施工提出了坑外二次加固的施工新工艺，并首次指出地基加固体和地下结构物作为异质体对邻近基坑开挖产生的位移传递具有阻断作用。因此，对临近的基坑施工所造成的地铁结构产生的影响进行分析研究，并提出相应的预防和保护措施具有很重要的工程实际意义。本文以广州市珠江新城 J2-2 地块工程深基坑北侧紧邻已建成运营的
8、地铁五号线隧道作为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。研究深基坑工程施工对紧邻地铁隧道的影响，探讨深基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。2 基坑卸载分析基坑开挖的过程就是基坑卸载的过程，在不断的开挖过程卸载也逐渐加大，由此会产生一种“空间效应” 4。由于卸载会引起坑底土体产生向上的隆起、基坑围护结构侧向变形以及基坑周边地层的移动，从而导致地面沉降及坑外地铁隧道的变形。在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体应力状态将发生改变，即由原来的静止土压力状态向主动或被动土压力状态转变，其改变将引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的
9、变形，围护结构的内力与变形中的任一量值超过容许范围，都将造成基坑的失稳破坏进而会使周围邻近建筑物及地下结构遭到破坏。因此，基坑稳定及变形对周围已有结构物的安全有着至关重要的作用，控制基坑变形尤其是复杂环境中的基坑变形成为工程界亟需解决的一个难题。近年来，基坑开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。实测表明，深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因，其开挖造成的基坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多，卸荷对邻近地铁结构以及其他市政设施的影响也要复杂得多。3 工程概况珠江新城 J2-2 地块项目位于广州市珠江新城核心区，地块北侧为花城大道，南侧为 J2-5 地块，西侧为东塔
10、地块，东侧为冼村路。该地块项目拟建建筑物为地面以上高度约 330 米左右，地下为 4 层地下室，并将与晚于本项目的 J2-5 项目（南侧）地下室打通。J2-2 场地深基坑工程北侧紧邻花城大道过街隧道和地下空间及地铁五号线珠江新城猎德区间隧道结构，基坑实际开挖深度为20.2m，围护结构深度为 24.2m，基坑与紧邻区间隧道结构的最小水平距离约为 6.0m，北侧基坑底面开挖标高与紧邻地铁区间隧道结构底面标高基本一致，基坑与地铁区间隧道结构的剖面位置关系如图 1 所示。图 1 深基坑与地铁五号线隧道的剖面位置关系场地地层的主要物理参数见表 1 所示。表 1 土层物理力学参数序号 地层描述层厚/m天然
11、密度/kN/m3粘聚力/kPa内摩擦角/。 杂填土 1.603.13 18.0 9 10.9 细砂、中砂夹杂有粗砂 1.706.50 18.5 / 30.5 可塑、硬塑状粉质粘土 1.104.60 19.2 31.4 14.2 全风化泥质 粉砂岩 1.503.50 22.0 100 30 强风化泥质 粉砂岩 0.8016.0 23.0 300 35 中风化泥质 粉砂岩 0.8011.8 23.5 800 36 微风化泥质 粉砂岩 3.206.70 25.0 2500 384 有限元模拟分析4.1 三维计算模型采用岩土隧道结构专用有限元分析软件 midas-GTS 建立三维数值模型，重点分析基坑
12、施工过程对临近地铁隧道结构变形的影响，因此，在计算分析中做了如下假设：（1）区间隧道结构变形与该处土体变形一致的假定。区间隧道结构刚度与土体相比极大，在实际情况下，结构的变形不会与土体变形保持一致，应小于土体变形。但在小变形情况下，可以认为两者近似相同，同时从保证安全的角度考虑，这样的假定也是合理的。（2）在小变形范围内，土体采用线弹性模型，更加方便进行模拟计算。在三维整体有限元建模过程，综合考虑了基坑开挖对周边地层及地铁隧道的影响，三维有限元模型的尺寸为 210 m195 m50 m，而且模型考虑了地铁隧道结构的起伏以及隧道沿线的土层变化情况。采用 3D 实体单元对土体进行应力变形分析，采用
13、2D 板壳单元模拟基坑围护结构、隧道衬砌和地下室结构，采用 1D 梁单元模拟基坑支护结构体系，三维有限元整体模型如图 2 所示。图 2 三维有限元整体模型4.2 计算结果分析基坑施工的主要工况流程如下：场地初始应力分析；修建地铁隧道结构；施工基坑围护结构和基坑立柱；基坑开挖至 2.0m；施做第一道内支撑和冠梁；基坑开挖至 8.0m；施做第二道内支撑和腰梁；基坑开挖至 13.7m；施做第三道内支撑和腰梁；基坑开挖至 20.2m。图 3 为基坑施工过程基坑围护结构的侧向变形，图 4、图 5 分别为基坑施工过程紧邻基坑北侧右线隧道结构的水平变形和竖向变形。由图 3 可以得出靠近隧道侧基坑围护结构的变
14、形规律如下：（1）基坑开挖深度较浅时，围护结构顶部发生最大的侧向位移，而下部仅发生很微小的变形；（2）随着基坑开挖深度的不断增加，基坑围护结构最大侧移的位置开始下移，基坑围护结构出现了“鼓肚”现象，到基坑开挖至 20.2m 深度时，最大侧移位置出现在 10m 深度左右，最大侧移量为 9.8mm。由图 4 和图 5 得到隧道随着基坑开挖过程的变形规律如下：（1）基坑施工造成了紧邻区间隧道结构发生朝向基坑方向的水平位移，并且随着基坑开挖深度的增加而不断增加，基坑开挖到底时隧道发生最大的水平位移约为 3.9mm；（2）基坑开挖深度较浅时，隧道结构发生了很小量的下沉，约0.3mm，而随着基坑开挖深度的
15、增加，隧道结构发生了竖向隆起变形，且随着基坑开挖深度的增加而不断增大，基坑开挖到底时发生最大的竖向变形，约 1.3mm；（3）隧道结构在靠近基坑开挖段发生竖向隆起，而远离基坑部分发生很微小的沉降，说明基坑开挖对隧道变形影响较大范围主要发生在基坑开挖区域附近，远端影响非常微小。0510152025-12-9-6-30水 平 侧 移 /mm围护结构深度/m开 挖 至 2.0m开 挖 至 8.0m开 挖 至 13.7m开 挖 至 20.2m图 3 基坑围护结构的侧向变形-5-4-3-2-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140距 离 /m隧
16、道水平位移/mm开 挖 至 2.0m 开 挖 至 8.0m开 挖 至 13.7m 开 挖 至 20.2m图 4 右线隧道结构的水平位移-0.500.511.520 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140距 离 /m隧道竖向位移/mm开 挖 至 2.0m 开 挖 至 8.0m开 挖 至 13.7m 开 挖 至 20.2m图 5 右线隧道结构的竖向位移4.2 不同施工方式的变形分析临近地铁隧道基坑施工，确保已有地铁隧道的安全和正常运行至关重要。在基坑设计和施工中提出了逆做法施工等针对性的保护措施，为了将其与顺作法施工进行比较，采用数值模拟手段对
17、二者进行比较分析。图 6 为基坑采用两种不同的施工方式基坑开挖到底时基坑围护结构的水平侧移对比，图 7、图8 分别为基坑采用两种不同的施工方式基坑开挖到底时隧道结构右线的水平位移和竖向位移。由图 6 可知基坑采取逆作法施工可以明显减小基坑围护结构的侧向变形，基坑围护结构的最大侧移由 9.8mm 减小为 5.9mm，减小了近4.0mm，因此，逆作法施工对于控制基坑围护结构的侧向变形是十分有效的。由图 8 和图 9 可知基坑采取逆作法施工能减小紧邻隧道结构的水平位移和竖向位移，而对于控制隧道结构的水平位移比竖向位移更加明显。逆做法在基坑开挖过程进行结构施工，增大了基坑的整体刚度，使围护结构的侧向变
18、形减小，限制了周围土体的移动，从而可以控制隧道结构的位移。0510152025-12-9-6-30水 平 侧 移 /mm围护结构深度/m逆 作 法顺 作 法图 6 两种不同施工方式基坑围护结构侧向变形-5-4-3-2-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140距 离 /m隧道水平位移/mm逆 作 法顺 作 法图 7 两种不同施工方式右线隧道结构水平变形-0.500.511.520 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140距 离 /m隧道竖向位移/mm 逆 作 法顺 作 法图 8 两种不
19、同施工方式右线隧道结构竖向变形5 结论基于 midas-GTS 软件建立的三维有限元模型，分析了临近地铁隧道结构的基坑工程实例，模拟了基坑施工方式和施工参数，并将模拟结果与实测数据进行对比分析，得到以下结论：1、基坑施工使隧道结构一侧的土体发生了水平卸载和竖向卸载，导致隧道产生了朝向基坑方向的水平位移和竖向隆起，且隧道以水平位移为主。2、基坑施工引起隧道结构变形较大范围主要发生在基坑开挖区域附近，离基坑较远处的隧道变形十分微小。3、逆作法相对于顺作法施工会明显减小基坑围护结构的侧向变形，且限制基坑围护结构的侧向变形对于控制紧邻地铁隧道结构的水平位移较竖向位移更加有效。参考文献1 曾远，李志高，
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21、128-131.ZHU Zheng-feng，TAO Xue-mei，XIE Hong-shuaiThe influence and control of dip excavation on deformation of operating metro tunnelJ.Chinese Journal of Underground Space and Engineering. 2006, 2(1): 128-131.3 高广运，高盟，杨成斌等.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，2010，32(3): 453-458. GAO Guang-yun,GAO Meng,YAN
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