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第50卷增刊建筑结构Vol.50 S2既有地铁区间隧道上方深大基坑开挖安全影响分析*段忠辉（中国铁路设计集团有限公司，天津300308）［摘要］针对既有运营地铁区间隧道正上方进行深大基坑开挖影响进行了调研及数值模拟计算。
通过研究分析表明，基坑工程采用分期、分层和抽条开挖相结合的开挖方式，同时施作必要的钻孔灌注桩、锚索和角撑等支挡围护措施，由此引起的区间隧道水平和竖向位移、隧道收敛等各项指标均在控制标准要求的范围以内，结构内力变化满足安全性要求，由此保证了基坑施工对地铁的结构安全和运营安全影响，验证了开挖方式的合理性。
［关键词］区间隧道；基坑开挖；安全影响；数值模拟中图分类号：TU449 文献标识码：A 文章编号：1002-848X(2020)S2-0747-06Study on safety impact of excavation for deep and large foundation pit above existing subway tunnelDUAN Zhonghui(China Railway Design Group Co., Ltd., Tianjin 300308, China)Abstract: The influence of excavation of deep and large foundation pit directly above the existing metro section tunnel was investigated and simulated. Through the research and analysis, it is shown that the excavation method of stage, layer and strip excavation is adopted in the foundation pit engineering, and the necessary supporting and retaining measures such as bored pile, anchor cable and angle brace are applied. The horizontal and vertical displacement of the tunnel caused by this method and the convergence of the tunnel are all within the scope of the control standard. The internal force of the structure changes to meet the safety requirements. Therefore, the influence of foundation pit construction on the structural safety and operation safety of subway is ensured, and the rationality of excavation method is verified.Keywords: interval tunnel; foundation pit excavation; safety impact; numerical simulation0 引言在建筑基坑施工过程中，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降以及施工降水等因素会引起地层产生移动和变形，由此对地铁结构和运营安全以及建构筑物安全带来的影响不可估量，因此必须采取安全可靠的工程措施和方法从根本上减少甚至杜绝由此带来的影响。
论隧道上方基坑开挖过程对既有地铁隧道影响及保护措施摘要：近年来，地铁已成为大城市中家喻户晓的重要交通工具，在地铁旁建建筑物就不可避免的会对地铁隧道造成影响，由开挖引起的问题对既有地铁隧道的影响已成为基坑设计和施工中非常关心的问题之一。
地铁基坑开挖工程施工对周围环境的影响很大，需要采取合理措施对其进行保护。
文章主要结合工程实例，针对该项目基坑开挖过程对既有地铁隧道影响进行了分析，并提出了相应的保护措施。
关键词：地铁隧道深基坑开挖影响保护措施Abstract: in recent years, the subway has become a household name in big cities of the important traffic tool, in the subway built building will inevitably impact on the subway tunnel, the excavation of the problems caused by the existing metro tunnel has become the influence of the design and construction of foundation pit is very concerned about one of the problems. The subway foundation pit excavation engineering construction on the surrounding the influence of the environment is very big, need to take reasonable steps to protect him. This article mainly with an engineering example, according to the foundation pit excavation project process on the existing metro tunnel was analyzed, and puts forward the corresponding measures to protect them.Key words: the subway tunnel excavation influence protection measures目前，随着我国地铁行业的发展，地铁建设项目日益增多。
盾构隧道开挖对既有地下管线的影响分析摘要：地铁隧道施工不可避免会对着周围环境产生一定影响，特别是当周围存在地下管线时，时常导致安全事故的发生。
本文以天津某地铁区间工程为背景，运用FLAC3D数值仿真软件建立了管线-土体-隧道相互作用的三维模型，结合现场监测数据，研究分析了隧道开挖对既有地下管线的位移以及内力的影响规律。
结果表明，水平管线竖向位移沿轴向不断增大，在管线远端达到最大；正交管线竖向位移在管线中心处达到最大沉降；平行管线变形以翘曲性状为主，正交管线变形以挠曲性状为主。
研究结果可为类似工程提供参考。
关键词：盾构隧道；数值模拟；地下管线；竖向位移；挠曲与翘曲变形1. 引言近年来，城市化进程不断加快，一二线城市人口密集度显著提高，交通堵塞成为制约区域经济发展的严重阻碍，因此大力发展城市地铁交通势在必行。
地铁修建大多数采用盾构法施工，不可避免会对沿线周边建构物产生一定影响，特别是下穿地下管线时，容易引起地层损失导致管线等结构失稳等灾害，造成巨大经济损失，甚至危及施工人员的生命，产生严重的社会影响，因此研究地铁隧道施工引起的管线变形规律具有重要的现实意义和深远的理论意义。
盾构隧道施工对地下管线影响主要包括管线的位移变形和管线的受力性状，即便是位移较小也可能会导致附加应力超过其破坏强度，管线发生挠曲或者翘曲变形破坏。
国内外学者对隧道开挖对地下管线的变形影响已经在做出许多研究，取得成果颇多。
O’Rourke[1-2]根据隧道施工导致的地层变形模式，给出了柔性管线的破坏形式，采用弹簧-滑块模拟了管土相互作用模型。
Attewell[3]基于弹性地基梁模型探究了隧道开挖对管线的影响，根据管线与隧道施工方向相对位置的不同以及管线直径大小的不同分别计算了管道的接头转角、拉压作用以及弯曲应力，较系统地给出了管线设计方法。
刘建航[4]提出了地下管线的经典计算微分方程，采用假定管线位移曲线方程方法，得出管线位移的公式。
关于盾构隧道上方基坑开挖对运营线路影响摘要基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体的回弹，并且基坑围护结构在土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构向坑内位移，挤压坑内土体，加大了坑底土体的水平向应力，也使得坑底土体向上隆起。
……当基坑下方土层中有地铁隧道通过时，坑底土体的隆起必然带动基坑下方的隧道产生局部纵向变形……关键词基坑开挖盾构隧道差异沉降…基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体的回弹，并且基坑围护结构在土体压力作用下迫使基坑开挖面以下结构向坑内位移，挤压坑内土体，加大了坑底土体的水平向应力，也使得坑底土体向上隆起。
此外，随着基坑开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增大，该高差所形成的加载作用和地表的各种超载，将使得围护结构外侧土体产生向基坑内的移动，使基坑坑底产生向上的隆起。
当基坑下方土层中有地铁隧道通过时，坑底土体的隆起必然带动基坑下方的隧道产生局部纵向变形，该变形值随着坑底土体的隆起量增加而增大。
由于土体是一定程度密实的连续介质，基坑内土体开挖卸荷时，地层损失向隧道传递，从而引起隧道顶部土压力的变化，导致隧道的位移发生改变。
在防水等级为一级的地铁线路中，这种沉降可能导致结构开裂宽度超过规范限值，从而导致漏水现象，是不允许的。
从运营上说，不均匀沉降会影响轨道平整、行车安全和乘坐的舒适性。
为了限制岩土体的变形破坏，必须选用合适的开挖方法和相应的加固措施，正确预测开挖后地铁周围岩土体的位移变化、应力矢量分布以及结构的变形及影响范围。
本文采用MIDAS GTS有限元软件对华东地区某城市高架桥改地下隧道基坑开挖及已建成地铁隧道建立三维有限元模型，计算施工过程中引起的周围岩土应力变化、沉降变形以及地铁隧道差异沉降量，为该站的施工方案提供参考。
1 工程背景本工程为华东地区某城市拟建城市轨道交通地下线路，线路为东西走向，下穿市区某十字路口。
基坑开挖对邻近既有盾构隧道的影响分析摘要：随着我国城市建设的快速发展，用地资源愈加紧张，临近地铁的基坑工程越来越多。
为保证城市轨道交通的运营安全，需要研究基坑施工影响范围内的地铁隧道位移、变形和应力等的变化规律。
研究临近地铁基坑施工的主要方法包括理论计算、现场实测、模型试验和数值模拟等。
理论计算一般不考虑地铁隧道和周围土体的非线性作用，需进行大量简化，计算精度较低;对于已运营隧道，现场实测受到诸多限制，较难做到与基坑施工实时同步监测，数值计算逐渐成为基坑施工对临近地铁影响分析的有效手段。
基坑开挖深度对临近地铁隧道的影响规律，认为当基坑开挖深度与地铁隧道上覆土厚度之比大于0．5时，隧道竖向位移与基坑开挖深度近似呈线性变化。
利用数值模拟计算，并通过与现场实测数据进行对比分析，发现在一定的深度范围内采用人工抽条开挖可明显减小地铁隧道的隆起变形速率。
研究了渗流应力耦合作用下基坑开挖对临近地铁隧道的影响，并提出了结构优化方案。
关键词：基坑开挖；盾构隧道；数值模拟；位移；隆起变形引言随着城市交通的快速发展，城市地铁建设迅速普及。
新建建筑施工时，基坑开挖过程容易对周围既有盾构隧道造成影响，引起隧道周围土体扰动，隧道不同部位随之产生位移和隆起变形。
鉴于此，以某已建地铁建设项目为背景，通过有限元结构分析软件ＭＩＤＡＳＧＴＳ数值模拟的方法，计算开挖过程中隧道的位移及纵向隆起变形，并与现场实测数据进行对比，验证模拟的正确性。
1项目概况1.1工程概况某城市绕城高速改建采用半幅改造半幅通行方式进行，先南半幅路面改建、后北半幅改建。
改建工程与轨道交通运营1号线、在建5号线存在交叉。
交叉范围为改建绕城高速K31+840~K31+920段，对应轨道交通1号线左线K15+393~K15+468、右线K15+394~K15+470，对应5号线左右线K2+777~K2+852。
交叉范围内，高速公路路基基坑开挖深度约12.6~16.8m，开挖最底面距离1号线盾构隧道结构顶覆土厚度约4.15~5.07m，距离5号线盾构隧道结构顶覆土厚度约7.88~9.3m。
建筑物开挖施工对既有下穿地铁盾构隧道影响分析摘要：近年来，我国城市地铁建设发展迅速，依托地铁沿线的商业开发日趋密集，如何减小建筑物开挖施工工与地铁工程施工相互影响，对地铁盾构隧道后期运营安全至关重要。
本文针对地面建筑物开挖施工对地铁盾构隧道的影响进行数值模拟分析，并根据数值计算结果提出了相应处理措施。
关键词：地铁工程；商业开发；盾构隧道；数值模拟；处理措施中图分类号：u45 文献标识码：a 文章编号：随着我国经济飞速发展，兴建地铁的城市越来越多，伴随地铁沿线商业开发相应增加，工程建设所面临的周边环境愈发复杂。
地铁工程施工时既需对在建建筑物进行保护，同时又要考虑建筑物施工对地铁工程的影响，研究地铁盾构隧道施工与上方在建建筑物开挖施工相互影响十分必要。
本文结合华东某城市商业开发地块建筑物开挖施工对既有下穿地铁盾构隧道的情况建立二维数值模型进行了数值分析，并根据计算结果提出了相应处理措施。
1、工程概况1.1 区间隧道与建筑物相互关系区间隧道工程采用盾构法施工。
隧道内径5500mm，衬砌厚度350mm。
隧道上方商业开发建筑物为地上3层、地下2层框架结构，筏板基础，基坑开挖深度约10m，考虑到建筑物施工时对地铁影响，在区间隧道周边布置3排抗拔桩，桩长原设计为35m。
建筑物位于地铁正上方，其中1、2号楼基础底距隧道顶约5.6m。
因建设时序不同，区间盾构已经施工完成，商业开发地块工程尚处于施工准备阶段。
区间隧道与建筑物平面及1、2号楼纵断面关系图如图1所示。
图1 区间隧道与在建建筑物平面关系图1.2 工程地质区间隧道穿越建筑物段隧道上覆土层由上至下依次为①1杂填土、③1粘土、③2粉质粘土夹粉土、③3-1粉质粘土、③3粉土夹粉质粘土和⑥1-1粉质粘土层，隧道穿越土层主要为⑥1粘土层，隧道下卧土层主要为⑥2-1粉质粘土夹粉土层。
各土层物理力学指标见表1。
表1各土层主要物理力学指标综合建议值2、地铁隧道及轨道变形控制标准2.1 地铁隧道变形控制标准目前我国修建地铁较早的城市，如北京、上海、广州等在相关的建设项目中，针对具体的工程项目，提出过具体的保护要求。
基坑开挖对临近运营地铁盾构隧道的影响随着城市的发展,地铁线路的网络越来越密集,城市中基坑开挖往往紧邻地铁隧道,且基坑开挖对周围运营的地铁隧道总会产生影响,需要进行深入的研究,因此研究基坑开挖对已运营地铁隧道的影响具有非常重要的现实意义。
首先,论文利用数值正交试验方法,研究了基坑与隧道距离、基坑开挖深度、围护桩结构位移三个因素对隧道变形敏感性的影响。
所选三个因素对管片水平变形影响的敏感性由大到小依次为：基坑开挖深度>基坑与隧道间距>围护结构位移；所选三个因素对管片拱顶变形影响的敏感性次序为：基坑与隧道间距>围护结构位移>基坑开挖深度；对拱底变形影响的敏感性次序为：基坑与隧道间距>开挖深度>围护结构位移。
其次,文中采用数值模拟方法研究了上述三个因素对管片变形的影响程度及规律。
当基坑开挖到管片拱顶埋深以上位置时,管片水平位移较小,竖向出现少量上浮,但开挖超过拱顶埋深时,管片水平变形急剧增加,竖向拱顶开始出现下沉。
当基坑与隧道间距超过20米后,隧道超出基坑开挖影响范围,水平及竖向位移均可满足规范要求。
隧道水平位移与支护结构桩体位移关系约成三次方关系增长。
最后,论文将研究成果应用于沈阳中环广场基坑开挖对临近盾构隧道影响项目,验证本文结论的正确性,研究成果为沈阳地区同类工程提供参考。
隧道盾构开挖对邻近管线的影响摘要：随着城市地铁建设的不断兴起，盾构法因其施工速度快、安全性高以及对地层扰动小等特点而得到广泛使用。
本文就盾构隧道侧穿临近建筑物施工手段与监测数据进行了对比分析，希望能够对今后的地铁盾构施工控制土层扰动，保证临近建筑物的安全有所帮助。
关键词：隧道盾构开挖；邻近管线；影响在隧道施工中，盾构开挖往往会对邻近地下管线造成影响，而这些施工的影响问题就现今城市建设的发展趋势来看，不仅不可避免，而且在数量上会不断增加。
及时地对管线做好相应的保护措施，以保证地下管线的安全正常运行，显得尤为重要。
1数值模拟1.1基本假定为了模型计算的简便并能更好的分析其主要规律，计算中需要做如下假定：1）土体符合弹塑性材料特性，满足mohr-coulomb强度准则；2）管线为等直径，等壁厚，由于管线变形很小，本构关系按线弹性考虑；3）由于是对刚性管线进行分析，假定管节与管线接头刚度相同，同时为了简化计算，管线按无内压工况考虑。
1.2建立数值模型隧道地下管线在隧道轴线上方7550mm偏右1250mm处，管线与隧道平行；内径5.7m，衬砌采用装备是钢筋混凝土单层衬砌，厚0.3m，隧道中心埋深为15.85m，计算模型长宽高为50m，40m，25m，管线为方形混凝土排水管，壁厚0.1m，长宽高分别为50m，2m，1.8m，将隧道中心位置设为坐标原点，X轴与隧道轴线正交，Y轴为隧道轴向，地下管线与隧道管片选用Shell63单元来模拟，用Solid45单元来模拟土体，网格为自由划分网格。
2计算结果分析2.1数值模拟分析选取X=10m处管线上方土层沉降进行分析，管线的沉降规律接近于累计分布函数，在隧道开挖面前方10m和5m处，管线沉降为+1.95mm和+0.94mm，即有一定的上升隆起现象，这与实际开挖下地表沉降规律相吻合，最终沉降约为45.4mm，与现场实测数据最终沉降相差不大。
在本章下面的分析中，均采用1.2节模拟方法来分析各影响因素下的管线沉降，通过改变某一影响因素的值，对模型进行修改后再分析，得到各影响因素下管线的沉降变化规律。
关于盾构隧道上方基坑开挖对运营线路影响
【摘要】基坑开挖首先要对基槽的土质进行设计规划，决定了基槽的土质才能开展下一步的工作，选择合适的基坑开挖手段是十分重要的，对于基坑情况进行评估之后选择合适的开挖手段可以有效的坚守施工难度和施工强度。
对基坑开挖施工将要遇到的障碍要制定合适的方法去处理，并且选用合适的器械对基坑进行规范的开挖。
土质、地下水位的高度、开挖方法、开挖机械、运输道路、施工过程中的季节与天气、地下管线及文物等，施工前应确定一套由监理单位认可的施工方案，深基坑应由专家论证。
另外基坑开挖时的土质问题一旦与设计好的土质有偏差，应该立刻制定完善计划。
施工过程中如发现与地质报告或预定的施工方案不符应报建设单
位或监理单位，必要时还要报设计单位进行设计变更。
【关键词】基坑结构；基坑施工
在基础设计位置按基底标高和基础平面尺寸所开挖的土坑。
开挖前应根据地质水文资料，结合现场附近建筑物情况，决定开挖方案，并作好防水排水工作。
开挖不深者可用放边坡的办法，使土坡稳定，其坡度大小按有关施工规程确定。
开挖较深及邻近有建筑物者，可用基坑壁支护方法，喷射混凝土护壁方法，大型基坑甚至采用地下连续墙和钻孔灌注桩连锁等方法，防护外侧土层坍入；在附近建筑无影响者，可用井点法降低地下水位，采用放坡明挖；在寒冷地区可采用天然冷气冻结法开挖等等。
在基坑开挖的过程中防水的重要性是不可忽视的，如果工程因为
防水问题而出现事故就是极重大的.一般来说在做基坑防水的时候应该先打垫层，趁天气还未完全进入雨季，先打垫层。
在垫层铺设完毕之后还要在基坑开挖地点挖盲沟，集水坑，准备工程抽水机，准备随时抽水。
另外如果以上两条都不进行的话，就要等到等下完雨换土。
再做垫层在继续向上做。
会耽误工程的进度，在一定程度上影响工程的质量，此外如果放坡的话，要处理护坡，覆膜或者打砂浆，是一种比较繁琐的防水做法，建议还是在雨季之前做最初的两条好准备。
1、工程介绍
本工程的施工方案目的是为了缓解华东某城市的交通压力，以隧道式架设来缓解此城市巨大的交通压力以隧道绕过地铁高架桥的
方式增加交通流动量，但城市规划决定以盾构隧道取代高架用以缓解交通十字路口枢纽处的交通压力，达到更加顺畅的交易通目的。
根据规划施工顺序，高架改地下方案将于拟建地铁运营后实施，地下基坑开挖时将位于已投入运营的地铁隧道上方。
为保证在运营中已建成地铁线路的安全，对基坑开挖对既有盾构隧道影响进行分析并采用相应工程措施保护，决定了设计方案是否可行。
由于开挖地点的多方面因素都会影响到施工的复杂性，所以我们尽量要求在建立模型的时候越贴近实际情况越好，可以有利的避免施工现场与计划不符合的复杂情况出现。
2、工程施工背景具体情况
工程所处为长江冲积平原区，地势低平，地面高程一般在8～10m，
上覆全新统松软粘性土层（q4），主要由粉质粘土、淤泥质粉质粘土组成；基岩为浦口组（k2p）泥岩，基岩埋深25m左右。
3、限元模型构建
计算采用midas gts软件进行，采用地层结构法，以solid实体单元模拟土层，以plate壳单元模拟连续墙以及管片的结构，以beam 梁单元模拟内支撑体系。
对于土层与各结构之间的接触采用共用节点的方式进行模拟。
对土层，采用mohr-coulomb本构关系进行模拟，对连续墙、管片及支撑体系则按照linear elastic本构关系进行模拟。
4、施工过程模拟与计算结果
4.1 计算与估测初应力
考虑岩土体的自重应力，忽略其构造应力，在分析第一步首先计算岩土体的自重应力场，并且在自重应力场中还产生了初始位移。
在继续分析后续施工时，得到的位移结果中累加了初始位移；而现实中的初始位移已经结束，对基坑开挖没有影响，因此在后面的每个施工阶段分析位移时，需要减去初始位移场。
4.2 现实开挖的情况
可以采用单元激活和钝化技术来实现材料的消除和添加。
对于基坑开挖和支护，采用此项技术可有效达到目的。
在计算过程中科直接选择将被挖去的单元进行钝化，以实现开挖过程的模拟。
增加支护时，将相应支护部分激活，单元激活时具有零应变状态。
4.3 工程应对方案
由于本工程涉及到的土质土层为淤泥质粉质粘土其稳定性不高，在工程开展之后极容易因为地层变化及一系列的地质灾变而发生
意外，因此对于其采取措施是必然的。
卸荷规模是影响地铁隧道周围位移场、应力场和隧道变形隆起量的一个重要因素。
对于既有隧道上方的基坑开挖，卸荷规模已既定，基坑的卸荷范围及基坑与己建轨道交通隧道的距离也已确定。
虽然随着卸荷规模以及方式的不同，对隧道的响应不尽相同，但是在同一地区或近似相同的地质条件、场地环境，且土体具有相当应力历史的条件下，开挖卸荷对地铁隧道产生的附加应力和自身变形起主要作用。
基坑开挖，对隧道而言是卸除拱顶覆土，当覆土较深的情况下，基坑开挖对隧道影响会较少，但项目工程基坑较深，基底至拱顶覆土深度有限，且隧道拱顶及周边土体主要为淤泥质粉质粘土，开挖造成的地层扰动对这种自稳性差、压缩性高的土体极易造成地质灾害。
盾构施工时常用的端头加固主要是解决始发（或到达）段止水及增强掌子面以上土体稳定性作用，本工程拟将该加固体范围增大至整个基坑开挖范围，使未来高架改地下基坑开挖时处于加固体中进行。
通过对基坑内土体改良避免发生地质灾害的可能，同时控制既有隧道的变形减少对运营线路的影响。
4.4 分析工况
为了体现采用加固体和未采用加固的区别，在基坑开挖过程的模
拟中分别采用原状地质开挖及加固后开挖两种情况进行计算，计算采用了下列工况：
工况一：初始状态为地铁盾构隧道已投入运营，周边土体已基本完成功后变形沉降，处于稳定状态，地层应力场主要由土体自身及地面车辆超载形成。
工况二：在施工场地内施作基坑围护结构（地下连续墙），并开挖基坑内土体至第一道支撑下0.5m，并架设第一道支撑。
工况三：开挖基坑内土体至第二道支撑下0.5m，并架设第二道支撑。
工况四：开挖至基坑底。
4.5 分析结果
有限元数值计算为基坑开挖过程造成的地面沉降（终态）提供了重要的设计依据。
计算结果表明但采用原状土开挖造成基底隆起超过5.7cm，基坑顶地面隆起超过3cm，均不符合基坑设计的沉降要求；而才用地层加固改良土体条件后开挖造成基底隆起不超过
0.3cm，基坑顶地面隆起不超过0.2cm，均符合基坑设计的沉降要求。
由于坑内的开挖卸载，使隧道发生向上的位移，引起的位移变化量在6.0mm～ 31.0mm之间，利用隧道向上的变形计算了隧道变形后的曲率半径，由于坑内的开挖卸载，使隧道发生向上的位移，引起的位移变化量在0.5mm～2.0mm之间，利用隧道向上的变形计算了隧道变形后的曲率半径。
以开挖卸荷引起隧道结构的向上附加变形小于20.0mm，附加曲率
半径大于20000m，为满足隧道安全和正常运营控制要求的条件，原状土体开挖不满足要求，而加固后土体可满足要求。
5、结语
对于不同的地质结构开展的地质工程是需要多方面考虑的，因为盾构隧道虽然可以减轻此处交通压力但是施工方面对于计算和设计的要求就格外严格，因为此地的土质土层容易受到外界影响而导致隧道坍塌，因此对于此工程的设计方案就要着重审核后期隧道加固和防止坍塌的手段，争取做到百年工程的口号，减少工程施工疏忽的问题而引发的安全隐患。
参考文献：
[1]孙钧.地下工程设计理论与实践[m].上海：上海科学技术出版社，1996.
[2]潘景副；李泽光；杨秀仁.北京地铁五号线盾构法隧道施工的三维有限元数值模拟 [j]. 岩土工程界，2004（7）：79.。
