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城市道桥与防洪2012年10月第10期隧道上方基坑工程施工技术研究孙昆仑（上海市建设工程安全质量监督总站，上海200023）摘要：随着城市建设的发展，许多工程的施工受城市其他构筑物的影响也越来越多，而对构筑物保护要求也越来越高。
该文以上海某工程为实例，结合有限元分析法，探索了隧道上方工程施工的方法。
施工监测的结果表明该工程所采用的施工工艺较好地控制了下伏隧道的位移，达到了设计和有关规范的要求。
关键词：隧道保护；基坑开挖；有限元；分块施工中图分类号：TU753文献标识码：A文章编号：1009-7716（2012）10-0118-03０引言本世纪以来，上海的城市发展已经进入一个崭新的阶段，轨道交通的建设达到了前所未有的高峰期。
大量地下构筑物（如隧道、管道等）的存在，给相邻区域的工程施工带来较大的困难。
越来越多的基坑工程面临空间的交叉施工，如何保护其影响区域内其他构筑物的安全已经是一个常见的重要问题。
因此，就基坑开挖施工对周围构筑物影响机理进行相关技术研究，并制定出有效的设计和施工措施具有很重要的工程实际意义。
本文以上海某基坑工程实例为基础，结合有限元数值模拟分析法，分析了基坑施工过程中不同施工阶段对下伏隧道的影响机理，探索了隧道上方基坑工程的施工方法。
目前在国内外数值模拟方法已经引起足够的重视，主要采用有限差分法、有限单元法、边界元法、半解析元法、离散元法等数值模拟方法。
王卫东等[1]采用整体有限元方法分析了深基坑开挖卸荷对临近已建隧道的影响。
吉茂杰[2]则研究了处于软土基坑之下的地铁隧道的位移变化规律，提出了隧道位移变形的实用计算方法。
季亚平[3]对盾构法施工的过程进行了数值模拟，应用有限单元法对地层位移和衬砌压力的变化规律进行了分析。
叶耀东[4]等运用了时空效应理论对运营地铁上方基坑施工进行了相关研究，得出了一些有参考价值的数据。
１工程概况所研究工程地点位于上海市徐汇区，有一条已建成隧道穿过该工程地下结构下方，与基坑底的最近距离约为5m ，工程施工的难点在于如何使该条隧道在施工期间确保安全。
基坑开挖卸载对轨道交通结构的影响1.1研究现状在基坑卸荷引起的地层回弹变形方面，国内外不少学者曾作过较深入的理论研究。
日本建筑规范推荐使用分层总和法，分层计算每层土体的回弹量，然后求和，得出地层总的回弹变形量。
陈永福[1]对上海地区围护结构插入深度比(D/H)为0.8的软土深基坑的基底隆起进行研究，认为在上海软土地区基坑卸载以后的回弹影响范围约为l倍的开挖深度。
徐方京，侯学渊[2]对基底隆起常用的各种计算模型（如分层总和法、超固结法等方法）进行了分析和对比，对基坑开挖面以下各层土回弹性状作了可贵的探索。
随着计算机技术不断应用于岩土工程领域，国内外有不少学者运用有限元法对基坑开挖回弹、地铁隧道与周围环境之间的相互影响等方面进行了深入的研究。
Hamdy Faheem、Feicai（2004）[3]等采用考虑剪力折减的三维有限元对软土中的矩形基坑开挖进行模拟，得出了影响基坑变形的几个重要参数。
李佳川等[4]利用平面有限元对采用地下连续墙与钢支撑作为围护结构的基坑工程的坑周位移场进行了计算，提出了坑底位移场的分布规律。
K.Y.LO and J.A.Ramsay [5]应用三维有限元分析了结构施工对其下方己存在隧道的变形、位移、内力的影响，并分析了不同施工方案对隧道不同程度的影响，为预测结构施工对隧道的影响提供了依据。
由于目前盾构法隧道管片设计均采用柔性衬砌设计理论，允许结构有一定程度的变形，利用土体自身的位移协调，减少外部土体对隧道衬砌结构的荷载作用，于是衬砌的厚度一般设计较小。
另一方面，隧道的区间长度较长，远远大于结构断面尺寸。
因此，地铁隧道本身为柔性衬砌结构，其纵向变形刚度较弱，导致隧道在长期使用过程中由于地层以及周边环境的不同产生不同的沉降变形。
特别是由于附近相关建设工程的加卸载影响，地铁隧道附近土体应力场以及位移场均会发生相应的变化，可能会导致地铁隧道局部的、短期的不均匀沉降变形，更进一步导致隧道结构或者接头部位的过大变形甚至破坏。
基坑开挖引起下方地铁隧道位移的控制措施随着城市建设的不断推进，许多地区的基础设施建设也在快速发展。
在建筑物的建设中，开挖基坑是一个必不可少的过程。
但是，基坑开挖过程中容易引起下方地铁隧道的位移，严重时可能导致事故，并对城市道路交通造成巨大影响。
因此，在进行基坑开挖过程中，必须采取相应的控制措施，防止下方地铁隧道位移，保障施工工人和周边居民的生命安全。
一、地铁隧道的探测与监测在基坑开挖之前，需要对地铁隧道的位置和结构进行探测和监测。
探测的主要目的是确定地铁隧道和基坑边界之间的距离和相对位置，以及地铁隧道的深度和形状等信息。
监测则是针对基坑开挖过程中地铁隧道进行实时监控，以确保地铁隧道的安全。
监测方案包括以下几个方面：1.地铁隧道表面应设置标志点，利用测距仪或测距仪进行实时测量，并记录数据。
2.在地铁隧道内部设置变形表示器或应变计，实时监测地铁隧道的位移情况，保证监测数据的准确性。
3.在地铁隧道两侧设置振动监测仪器，实时监测挖掘机械、拆除机械等工程所产生的振动，并采取相应的措施控制振动，以保证地铁隧道的安全。
二、基坑开挖的控制在基坑开挖过程中，应采取下列控制措施，以避免对下方地铁隧道的影响：1.先进行分期开挖，分别对不同区域进行挖掘，避免一次性开挖导致地铁隧道的移动。
2.采用先挖深度较浅的坑、后挖深度较大的坑的方式，控制基坑的开挖深度和宽度。
3.开挖时可以采用“段锦法”或“钢梁支撑法”等支护措施，以确保地铁隧道下方的土层稳定。
4.在基坑开挖过程中，及时清理和处理泥浆和灰尘，防止污染地铁隧道，并加强管理，控制噪声和扬尘污染等。
5.建立紧急应急预案，一旦发生地铁隧道位移，及时采取措施，确保现场人员安全，避免造成更大的损失。
在基坑开挖过程中采取相应的控制措施，是保障地铁隧道安全的关键。
通过进行探测和监测，及时采取措施，可以减小由基坑开挖导致的地铁隧道位移，确保现场人员和居民的安全。
基坑开挖对下方既有地铁隧道的影响分析和监测张启斌;霍知亮【摘要】随着城市发展和地下空间的开发,越来越多的基坑工程横跨在既有地铁隧道的上方,基坑开挖卸荷将改变下方地铁隧道的应力场,使其产生不均匀的回弹变形和附加应力,从而对其安全稳定构成威胁.结合天津西站交通枢纽工程,研究基坑开挖卸荷对土体物理力学指标的影响,建立了一种卸荷土体特性下的有限元模拟计算方法,并应用“电水平尺”沉降自动监测系统对地铁隧道道床进行监测.研究结果表明,两者数据匹配性较好,能够相互验证,实现了地铁运营期间智能化、信息化监测的目的.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)012【总页数】6页(P39-44)【关键词】基坑开挖;既有地铁隧道;影响分析;自动监测【作者】张启斌;霍知亮【作者单位】天津市市政工程设计研究院,300051,天津;天津大学建筑工程学院,300072,天津【正文语种】中文【中图分类】TU433随着城市建设项目数量和规模的迅速增大，常会出现基坑开挖对坑底下方的既有地铁隧道的影响问题。
天津西站综合交通枢纽的建设即为一例。
为了修建天津西站的相关运营设施，需要在既有天津地铁1号线上方大面积开挖基坑。
这是该项工程中遇到的关键技术难题之一。
国内许多学者对已建地铁隧道上方进行基坑开挖的工程进行了研究，主要研究方法可分为实测法、数值法和理论分析法。
文献［1］结合加拿大多伦多基坑工程位于已建隧道之上的工程案例，提出了有效保护地铁隧道的工程措施。
文献［2］研究了新加坡基坑开挖影响相邻隧道的力学理论，并应用数值法与实测结果进行比较，得出有效预测隧道变形的趋势。
文献［3］、［4］以上海广场基坑工程为背景，结合软土基坑回弹变形的残余应力法，探讨了应用坑内加固及利用基坑时空效应施工等措施控制坑底隧道位移的有效性。
由于基坑开挖卸荷将改变下方地铁隧道的应力场，使其产生不均匀的回弹变形和附加应力，从而对其安全稳定构成威胁。
基坑开挖引起下方地铁隧道位移的控制措施随着城市的不断发展，建筑物数量不断增加，为了扩大建筑面积，基坑开挖变得越来越普遍。
然而，在一些特定地区，基坑开挖的过程可能会对下方地铁隧道造成影响，甚至引起隧道的位移。
因此，采取必要的控制措施是至关重要的。
本文将探讨基坑开挖引起下方地铁隧道位移的控制措施。
基坑开挖对下方地铁隧道的影响基坑开挖的挖深通常在10米以上，甚至可能达到30米以上。
在挖掘时，隧道下方的土层受到了明显的影响，导致地层位移。
当地下开挖到达某个点时，可以观察到隧道表面的移动。
如果不采取充分的控制措施，隧道位移可能会越来越大，最终导致隧道失稳，给地下铁道的使用带来威胁。
控制措施安全监测在进行基坑开挖时，需要进行安全监测，以便及早发现隧道的位移并采取相应的措施。
安全监测包括垂直位移、水平位移、沉降和倾斜度等方面。
常见的监测技术包括全站仪监测、轴测法、振弦法等。
技术控制在基坑开挖过程中，一些技术措施也可以被采用以减少隧道的位移。
比如，在基坑开挖前，可以进行围岩加固和地下水处理，以减小地下水的影响。
在开挖过程中，可以采用盖板、卵石层、大直径置换桩和地下挡墙等技术，以减轻隧道位移引起的地震效应。
运营控制在构造工程项目开工前，应该先对场地进行优化，以减少地下的难度。
另外，为确保工程安全，应将施工过程与地铁运营相协调，并定期进行巡视和维护，避免出现地铁的损坏或中断。
结论基坑开挖的过程中，可能会对下方地铁隧道造成影响，甚至引起隧道的位移。
为了控制隧道位移，必须采取必要的控制措施。
安全监测、技术控制和运营控制是有帮助的手段，以减少到最小限度基坑开挖引起的隧道位移。
在实践中，无法完全预知基坑开挖对地下铁道的影响。
因此，在开工前，应经过全面考虑和分析，以选择合适的措施，并结合运营期的需求和协调方案，确保使用效果和安全。
紧邻地铁深基坑分坑开挖方案设计徐鹏於进进吴凯王改军钱昱涛聂伟平栾铭洋吕乐天发布时间：2023-06-14T02:01:44.759Z 来源：《工程建设标准化》2023年7期作者：徐鹏於进进吴凯王改军钱昱涛聂伟平栾铭洋吕乐天[导读] 以上海某紧邻地铁深基坑项目为例，介绍了在紧邻地铁深基坑分坑开挖施工过程中，基坑微小变形对地铁结构和周围建筑影响及相关控制措施。
临近地铁的深基坑工程群坑开挖施工在施工顺序和开挖时间上的控制对于单个基坑施工有更高的要求，由此才能保证基坑稳定性及地铁安全，结合工程自身特点及对变形监测数据研究分析，对分坑开挖方案合理设计。
中建八局第三建设有限公司上海 200120摘要：以上海某紧邻地铁深基坑项目为例，介绍了在紧邻地铁深基坑分坑开挖施工过程中，基坑微小变形对地铁结构和周围建筑影响及相关控制措施。
临近地铁的深基坑工程群坑开挖施工在施工顺序和开挖时间上的控制对于单个基坑施工有更高的要求，由此才能保证基坑稳定性及地铁安全，结合工程自身特点及对变形监测数据研究分析，对分坑开挖方案合理设计。
关键字：深基坑；地铁隧道；土方开挖；基坑监测；地下水1 概述1.1 工程概况及地质情况陆家嘴御桥04A-01项目位于上海市浦东新区北蔡镇御桥科创园区，四周均为市政道路，道路外侧为在建或已建项目，南侧为已建的地铁11号线严御路站及区间隧道。
整个用地为不规则梯形，工程建设中需确保场地北侧地铁安全，并控制对周边环境的不利影响，本工程深基坑总体开挖面积约35078m2，最深处开挖达18.7m。
本工程微承压含水层顶板埋深最浅为18.90m左右，承压含水层顶板埋深最浅为46.30m左右，本工程典型土层分布示如下图：图1 场地典型土层分布示意图微承压水主要赋存于第⑤2-1层粉质粘土与砂质粉土互层、第⑤2-2层砂质粉土夹粉质粘土中，第一承压含水层为第⑦2层灰色粉砂，本工程基坑开挖过程中需对微承压含水层减压降水。
1.2 基坑周边复杂环境概况1.2.1 地铁车站概况轨道11号线严御路站及区间隧道位于基坑南侧，车站附属底埋深约9.6m，距基坑边最近约9.2m，严御路站车站顶埋深约3.0m，车站主体底埋深约17.6m，距基坑边最近约35m；区间隧道顶埋深约8.79~9.70m，隧道结构外边距基坑边最近约24.5m。
收稿日期:2000-09-26作者简介:吉茂杰(1977-),男,河南柘城人,硕士生.开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法吉茂杰,刘国彬(同济大学地下建筑与工程系,上海 200092)摘要:目前越来越多的基坑工程位于已建地铁隧道之上或两侧.近距离基坑开挖土体卸荷势必引起隧道的位移变化,因此如何预测和控制隧道变形、确保隧道使用安全日趋重要.为此研究了处于软土基坑之下的地铁隧道的位移变化规律,分析了基坑工程中时间、空间效应对隆起的影响规律,提出了时间、开挖宽度影响系数,推导出考虑基坑施工影响的隧道位移变形的实用计算方法.关键词:软土;隆起;地铁隧道;时空效应;卸荷模量;残余应力中图分类号:U 459.3 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2001)05-0531-05Prediction Method of Displacement of SubwayTunnel Due to ExcavationJ I M ao 2jie ,L IU Guo 2bi n(Department of G eotechnical Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :More and more excavation projects are built above or adjacent to the tunnel ,which ,in such a close distance ,will induce tunnel ’s displacement.How to control the displacement and protect tunnel is a very im 2portant thing.This paper studies the displacement rule of tunnel under excavation ,the influence of time and space on the heave during the excavation ,and proposes the affection coefficient of time and of excavation width as well.The paper also deduces theoretically a simple ,convenient and feasible method of calculating tunnel ’s displacement in unsiderration of the influence of excavation construction.Key words :soft clay ;heave ;tunnel ;time and space effect ;unloading modulus ;residual stress 随着地铁的建成通车,地铁沿线就成为商业、住宅建筑等开发的黄金地带,因而越来越多的工程位于已运行地铁隧道之上或两侧.其基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动,导致隧道位移变化,严重威胁地铁安全.而且地铁隧道的变形要求极其严格,结构绝对最大位移不能超过20mm ,变形曲线的曲率半径不小于15000m ,相对弯曲不大于1/2500.为保护地铁的正常营运,研究隧道隆起变形的计算方法,准确预测及控制隧道位移变形便成为急需解决的问题.1 基坑施工影响隧道位移计算方法地铁隧道局部结构刚度与土体相比极大,但是相当长一段隧道的整体变形刚度较小,接近于影响土层的刚度,基本上随周围土体位移的变化而变化.在小位移变形的情况下,经大量工程实践、现场实测,发现地铁隧道变形和土层位移基本一致.因此,可以用开挖卸荷土体位移变化来计算小变形地铁隧道的位移.1.1 隧道上基坑开挖影响土层位移的计算方法土体是典型的弹塑性材料,在很小的加荷应力下即进入塑性状态,而卸荷时土体应力应变呈现瞬时弹第29卷第5期2001年5月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY Vol.29No.5 May.2001性变化.根据弹塑性力学,加荷再卸荷土体中应该存在残余应力.为了描述土体中的残余应力,可以定义一点处的残余应力与该点总卸荷应力的比值为残余应力影响系数,记为α,其值与基坑开挖深度、上覆土层厚度和土性有密切关系.实测发现,当基坑开挖深度一定,α随着上覆土厚度h 的增加而逐渐增大,到某一深度后,其值趋向于极限1.0,说明在这一深度以下土体中没有卸荷应力,处于初始应力状态[1].本文将α=0.95时的深度定义为残余应力影响深度(h r ).对于上海地区软土,经大量工程实测数据整理分析,可得残余应力影响深度与某点处的残余应力系数的经验公式如下:h r =H/(0.0612H +0.19)(1)式中:H 为基坑开挖深度m ;h r 为残余应力影响深度,mα=0.30+0.65h 2/h 2r (0≤h ≤h r )(2)式中:h 为计算点处上覆土层厚度,m ,当h >h r 时,α=1.0.由式(1)确定卸荷影响深度h r ,然后类似土体压缩沉降的分层总和法,将此计算深度分成多层,分层计算隆起量,然后求和.基底土体位移的残余应力计算法具体如下:δ=∑ni =1σr i E u ih i (3)式中:δ为坑底土体的隆起量,m ;n 为计算土层厚度的分层数;σr i 为第i 层土的卸荷应力平均值,kPa ,σr i=σ0(1-αi );h i 为第i 层土的厚度,m ;E u i 为第i 层土的卸荷模量,kPa[1].本文将在土体轴向应力方向上进行卸荷应力试验所得变形模量称为卸荷模量.对于上海地区软土,经试验研究可得考虑土性参数和卸荷应力路径等影响的土体卸荷模量计算公式如下[2]:E u i =1+(σvi -σHi )(1+K 0)(1+sin <)-3(1-K 0)(1+sin <)σm2(c cos <+σHi sin φ)(1+K 0)+3(1-K 0)(1+sin <)σm )R f E u i σm i(4)式中:K 0为静止土压力系数;C ,<为土的粘聚力和内摩擦角;σ0为基坑开挖总的卸荷应力,等于开挖深度内各层土的自重应力总和;R f 为破坏比;E u i 为初始卸荷模量系数(对于上海地区软土,经试验研究以及工程实测反算分析,一般灰色淤泥质粘土E u i =212.3;灰色淤泥质粉质粘土E u i =241.2;灰色粘土E u i =265.4);σvi ,σHi ,σm i 分别为第i 层土的垂直应力、水平应力和平均固结应力,对于窄基坑(B ≤2.5H ),由式(5a )计算;对于宽基坑(B >2.5H ),由式(5b )计算式中R 表示垂直向与水平向加卸荷增量的比值,随基坑宽窄在2.0～∞之间变化,且基坑越窄,R 值越大.σvi =αi σ0+∑ij =1γj h jσHi =K 0σ0+∑ij =1γj h j -1R σ0(1-αi )(5a )σm i=1+2K 03σ0+∑ij =1γj h j σvi =αi σ0+∑ij =1γj h jσHi =K 0σ0αi +∑ij =1γj h j -1Rσ0(1-αi )(5b )σm i=1+2K 03σ0+∑ij =1γj h j 上述基坑土体隆起量计算方法,可以计算坑底任意土层的位移变化,克服了已有计算方法不能考虑实际卸荷应力路径影响的缺陷.但基坑施工时间、土体空间作用等影响土体隆起显著,该方法并未考虑.本文在基坑土体位移残余应力法基础上,考虑基坑开挖土体卸荷的时空效应规律,预估不同施工情况下的基底土体隆起.1.2 现场实测研究及改进1.2.1 基坑开挖空间影响由于基坑开挖会引起基坑周围地层和坑内土体的移动,这清楚地表明基坑开挖是一个与周围土体密切相关的空间问题.基坑土体的空间作用,早在三四十年代已被重视,Tergzaghi 等就注意到小的开挖段产生的回弹量比大的开挖段要小的事实.如图1所示,上海地区两个不同长度开挖的基坑影响下方隧道隆起变形比较图,从图中可明显看出,小的基坑开挖段(如图1中符号2所示范围)其坑底土体回弹较小,影响范围也较小;大基坑开挖段其坑底土体回弹量较大而且影响范围也较大,主要是因为小的开挖段的土体空间作用强于大的开挖段的土体空间作用.可见,土体的空间作用对于基坑周围地层位移与坑底土体回弹的影响是显著的.235 同 济 大 学 学 报第29卷 图1 上海某地下墙两个不同长度开挖段的坑底回弹比较图Fig.1 Comparison betw een tw o excavations of differentlength in Shanghai 基坑土体的空间作用主要取决于基坑的形状、深度、大小等.例如,在上海宝钢最大的铁皮坑工程中,由于采用圆形地下连续墙施工,呈圆形进行土体开挖,从而大大减小了坑底土体的隆起量[3].由于基坑形状复杂,且很多基坑工程形状不规则、也各不相同,考虑土体空间作用比较复杂,所以本文仅以规则矩形基坑隆起为例进行研究.矩形基坑的坑底土体回弹的空间影响因素主要有基坑的长度、宽度、深度三方面因素.基坑空间作用对土体回弹的影响人们研究较少,而空间作用对基坑的稳定影响研究较为深入.Eide 等曾对长条形、方形和长宽比为2的矩形基坑的抗隆起进行了研究,发现方形基坑的抗隆起安全系数比H/B =1及B /L <0.1的条形基坑大21%[4].当抗隆起安全系数较大时,基坑隆起量较小;当抗隆起安全系数较小时,基坑隆起变形较大.由以上研究可以看出,当基坑开挖探度、宽度已确定,基坑的长宽比变化时,开挖长度对基坑土体回弹量影响较小,相对误差较小,满足工程需要,所以基坑开挖长度引起土体回弹变化量可以忽略不计,而开挖深度已在基坑隆起残余应力法中予以考虑,本文主要考虑基坑开挖宽度这个因素对原基坑隆起残余应力计算方法进行修正.基坑尺寸越小则其三维空间效应越显著,限制基坑隆起和围护结构位移作用越强.根据大量基坑影响下方地铁隧道隆起实测分析,隧道最大隆起量随开挖宽度的增大而增大,但达到一定宽度时隆起将基本上不再变化,而且二者之间基本近似双曲线关系收敛变化.由基坑隆起残余应力法可知,卸荷应力σr i 、土层厚度h r i 等不随基坑尺寸变化而变化,土体卸荷模量E u 是与土性、卸荷应力路径有关的参数,其可以反映基坑下隧道隆起的空间效应影响,所以考虑对E u 进行宽度影响系数修正.开挖宽度修正系数αB 应该与基坑宽度成双曲线关系.根据大量基坑工程下方隧道隆起变形实测分析经验,αB 计算确定如下:αB =0.717H/B +0.512(6)式中:αB 为卸荷模量宽度修正系数;H 为基坑开挖深度,m ;B 为基坑开挖的宽度,m .由式(6)可以看出基坑宽度修正系数αB 随着开挖宽度的增大而减小,软土卸荷模量随宽度的增大而减小,则地铁隧道隆起量随宽度的增加而变大,符合工程实际隧道隆起变化规律.式(6)中引进了基坑开挖深度参数,确定在相同的宽度与深度比值下,基坑的长宽比在符合实际情况的范围内的变化对宽度修正系数αB 的影响为零.图2 开挖延误20h 与正常施工比较图Fig.2 Comparison betw een the norm al constructionand the 20h protracted excavation1.2.2 基坑开挖时间影响土体在外力作用下,由于固体颗粒与孔隙水之间的粘滞力,孔隙水的渗出受到阻碍,土体变形和应力变化被延迟,土体的应力和变形与时间有关这种特性称为土的流变性.土体的蠕动和流动特性都是表示土体的变形与时间之间的关系,蠕动特性是在恒定的荷载下变形随时间发展的特性,而流动特性是变形速率随时间的变化规律.软弱粘性土流变性比较大,上海地区地下20m 深度以内的地层多属软弱的粘性土,土的强度低,含水量高,有很大的流变性,尤以深基坑下所处的淤泥质粘土的流变性为大,对土体回弹变形有较大的影响.在具有流变性的软土地层中进行基坑开挖,开挖施工周期和基坑暴露的时间对地层位移的影响十分明显.软粘土按非线性流变模型计算,对上海徐家汇地铁车站深基坑工程基底隆起变形进行三维非线性流变性有限元分析.基坑开挖深度17m ,土层自上而下为褐黄色粉质粘土、淤泥质粘土和暗绿色粉质粘土.计算结果如图2所示,图中给出了335 第5期吉茂杰,等:开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法基坑开挖正常施工结束时的坑底隆起实测值和有限元计算值,以及开挖施工延误20h 时最终坑底隆起的变化曲线.由图2可看出,延误施工20h 基底隆起比正常施工基底隆起约增加了19.5%.由于土的流变性,基坑开挖卸载后,土体回弹变形随着施工时间的延续而逐渐增大.根据土体流变模型研究和基坑隆起变形实测分析,隆起与基坑搁置时间呈指数关系变化.上述计算方法没有考虑基坑开挖的时间效应,本文考虑对卸荷模量进行时间系数修正.由于基坑隆起量与卸荷模量成反比,开挖时间修正系数αt 的倒数应该与基坑开挖时间成指数关系.根据大量基坑影响下方隧道隆起实测分析经验,研究确定如下:αt =1/(1-0.462e-0.012t)(8)式中:αt 为软土卸荷模量的开挖时间修正系数;t 为基坑施工时间h.由式(8)知,随着基坑暴露时间的增长,时间影响系数逐渐减小,即计算得到的软土卸荷回弹模量逐渐减小,在开挖深度不变的条件下,土体的卸荷应力不变,由式(3)计算所得的隆起变化量随着时间逐渐增大,与工程实际相符.考虑基坑施工时间、空间效应的隧道隆起计算采用经αt ,αB 修正后的卸荷模量,即为E u =αt αB E u0(9)式中:E u0为由式(4)计算所得的初始卸荷模量.图3 基坑与隧道相对位置和开挖分块图(单位:mm)Fig.3 R elative location betw een the excavation and thetunnels and divisiory excavation (unit :mm)2 工程实例世纪大道杨高路立交工程基坑近似正方形,开挖宽度为34m ,深度为7.4m.地铁二号线两条隧道在基坑正下方穿越,距离基坑开挖面仅有7m 左右.地铁保护极其严格,要求控制隧道位移在20mm 以内,常规大面积开挖将影响地铁正常运行.为了确保地铁安全,应用时空效应原理的施工方法,沿垂直隧道纵向施工三排厚度600mm 的地下连续墙围护,将基坑分为东西两侧分别施工.西侧基坑又分为D7a -1～D7a -3,D8a -1～D8a -3,六个小块,东侧基坑分为D7b -1～D7b -3,D8b -1～D8b -3六小块分别开挖,具体位置分布如图3.由图3可以看出,隧道隆起变化不仅与基坑大小、时间有关,而且与基坑开挖中心的距离有关,如上行线隧道隆起主要受D7a ,D7b 影响,D8a ,D8b 各小块由于距离上行线隧道较远,根据实测分析表明,对隧道隆起影响很小,计算时可以忽略不计.场地的工程地质概况如表1.表1 工程地质概况T ab.1 E ngineering geological condition土层底板埋深/m土层名称重度/(kN ・m -3)粘聚力/kPa内摩擦角/(°)静止土压力系数K 04.8灰色砂质粉土18.7 6.031.00.418.6灰色淤泥质粉质粘土17.313.017.00.4717.4灰色淤泥质粘土16.914.012.50.6120.8灰色粉质粘土18.218.516.00.58435 同 济 大 学 学 报第29卷 计算基坑开挖段D7a -1影响隧道隆起,基坑开挖宽度B =5m ,基坑搁置时间72h.基坑开挖深度:H =7.4m ;宽度B 小于2.5H =18.5m ,故基坑定义为窄基坑.土体卸荷回弹计算土层厚度:h r =f (H )=(H/(0.0612H +0.19)=11.5107m地铁隧道的隆起值变化是受土体卸荷影响深度以上至隧道顶部范围内土层卸荷回弹的影响,与此影响土层厚度的隆起变化基本一致,运用上述隧道隆起计算方法将此影响土层分层计算可得隧道隆起量.具体分层见表2,第一层灰色淤泥质粘土,厚度4.06m ;第二层灰色粉质粘土,厚度0.54m.残余应力系数计算公式:α=0.3+0.00491h 2(0≤h ≤h r ,单位:m );静止土压力系数:灰色淤泥质粘土K 0=0.61,灰色粉质粘土K 0=0.58;初始卸荷模量系数:灰色淤泥质粘土E u i =212.3,灰色粉质粘土E u i =241.2;破坏比R f =0.79;施工时间影响系数αt =1.24;开挖宽度影响系数αB =1.57.基坑开挖段D7a -1影响隧道隆起变化,计算成果见表2.表2 隧道隆起计算结果T ab.2 C alculating results of tunnel ’s heave上覆土厚度h /m土层厚度h i /m残余应力系数αi土体垂直应力σv /kPa土体水平应力σHi /kPa平均固结压力σm i /kPa总卸荷应力σ0/kPa卸荷回弹模量Εu0/kPa隆起量δ/mm8.93 4.060.688279.62175.22238.227.94139930 2.20011.230.540.915320.25186.67238.862.158489530.065 同理,利用上述考虑基坑施工影响的地铁隧道隆起计算方法分别计算其它各个分块基坑开挖影响地铁隧道的隆起量,然后根据其影响范围分别叠加求和,可以得到隧道理论计算最大隆起量,并与实测隧道隆起量进行比较,其结果如表3所示.表3 计算结果与实测值比较T ab.3 Comparison betw een the calculated results and the practicality基坑开挖分块地铁隧道上行线/mm 实测隆起量计算隆起量误差/mm地铁隧道下行线/mm 实测隆起量计算隆起量误差/mm西侧基坑开挖结束7.09.32 2.328.88.740.06基坑工程全部结束10.915.154.2513.015.122.12 经以上对比分析可知,考虑时空效应规律的基坑影响其下隧道隆起计算方法得出的结果与实测较为接近,能够满足工程施工预测需要,可以应用于工程实际.3 结论本文从理论分析着手,在基底土体隆起残余应力法的基础上,研究了规则矩形基坑的开挖时间、空间对基底土体回弹及其下地铁隧道隆起的影响规律.时间、空间对基底土体隆起的影响主要反映在土体卸荷模量的时空变化规律上.本文提出对卸荷模量进行时间、空间影响系数修正;提出了基坑开挖时间影响系数αt ,开挖宽度影响系数αB ;分析得出系数αt ,αB 的计算公式;最后推导出考虑基坑施工影响的隧道位移变形的实用计算方法.本方法简便、实用,计算准确,适宜于工程实际.参考文献:[1] 刘国彬,侯学渊.软土基坑隆起变形的残余应力法[J ].地下工程与隧道,1996(2):2-7.[2] 刘国彬,侯学渊.软土的卸荷模量[J ].岩土工程学报,1996,18(6):18-23.[3] 刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M ].北京:中国建筑工业出版社.1997.[4] 上海时空软土工程研究咨询中心.基坑工程时空效应理论与实践[R].上海:上海时空软土工程研究咨询中心,1997.535 第5期吉茂杰,等:开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法。
