云南大学建筑与规划学院 云南 昆明 650599
摘要：地铁结构在基坑开挖过程中的影响因素而复杂，加上基坑周围工程地质、水文地质及土体的物理力学性质各异，基坑开挖的时间效应和空间效应对周围地层的影响都不容忽视，这就使基坑开挖影响下的隧道受力和变形问题变得非常复杂。对于这个问题，国内外已经做了大量研究，文章对主要的研究方法包括理论计算、数值模拟、模型试验等进行了总结和归纳。
关键词：深基坑，地铁隧道，理论计算，数值模拟
引言
从上个世纪中叶开始，国外就开始对已运营地铁周边进行基坑施工的工程做了一定研究。由于目前城市飞速发展，土地资源也越来越紧缺，在已建地铁隧道周边开挖基坑已经越来越常见。由大量文献资料可知，多年来国内外学者通过理论计算、数值模拟、模型试验、现场监测等相结合的方法，在基坑施工对临近地铁区间结构的危害方面做出了大量研究，为实际问题的解决提供了许多有价值的成果。
1.理论研究方面
目前主要采用两种理论方法研究基坑施工对邻近地铁区间结构的影响[1]：一类是附加荷载法，根据Boussinesq、Flamant等解答推导得基坑施工在坑外土层对应地铁结构位置产生的附加应力，将其施加于地铁结构上，随后依照弹性地基梁理论，解得地铁结构产生的内力和变形响应。该方法针对二维情况时用Flamant解答求解开挖卸载在土中引起的附加应力，针对三维情况时一般运用Mindlin解答求解。另一种方法是附加变形法，首先不考虑地铁结构的存在，计算基坑施工诱发地铁结构处土体的变形。然后把计算求得的土体附加位移作用在地铁结构上，假定两者变形协调，进而就可依照相应理论求解地铁结构产生的内力和变形响应，进而判断隧道的安全性。Zhang Jun-feng[2]提出了能够评价地铁隧道受深基坑开挖影响的半解析解，根据Boussinesq和Mindlin理论解答，在构建土体黏弹塑性模型的基础上，计算了了地铁隧道受基坑开挖影响产生的位移值。在模型基础上，进一步研究了基坑施工参数对隧道变形的影响。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆张治国，张孟喜等[3]采用两阶段递进方式研究基坑开挖对周边地铁隧道纵向受力变形的作用，并且分析了坑底和侧壁卸荷的影响。
2.数值模拟研究
基坑施工对地铁区间结构的影响具有时间效应[4]，理论研究方法一般仅针对基坑开挖到底后，地铁结构产生的响应，无法对基坑开挖整个过程中地铁结构变形发展过程给出解答。同时理论研究方法对实际情况做了大量简化，计算精度不够，且计算过程繁琐，不适合工程应用。数值模拟则能够针对基坑施工全过程中周边地铁区间结构的内力和位移响应作合理分析，并可以考虑任意形状的地铁结构[5]。由于计算机技术的成熟，越来越多的学者借助于有限元计算软件来研究复杂的基坑与临近地铁相互作用问题。
Dolezalova Marta[6]采用CRISP-90软件对深基坑下卧隧道工程进行分析，用M-C屈服面模型模拟土体，用弹性模型模拟围护结构和隧道，并考虑了土体的应力路径，模拟结果与实测数据比较接近。高广运，高盟等[7]采用FLAC-3D软件对基坑施工进行全过程动态模拟，认为基坑开挖可造成邻近地铁隧道结构的不对称变形。研究基坑与隧道之间二次加固工法，提出坑外加固体和地铁结构相较于土体其较大的刚度可以阻隔基坑开挖对坑外结构的影响。郑刚，刘庆晨等[8]在监测数据的基础上，运用ABAQUS软件研究了隧道箱体结构两侧土体加固、施工基坑底板与抗浮桩以及结构上方堆载等手段对箱体隧道变形的影响。裴行凯，倪小东[9]采用数值模拟手段动态分析了深基坑施工对临近既有地铁隧道的影响，在此基础上研究了不同保护措施的有效性；结果表明加固坑底土体能在很大程度上控制周边隧道位移，但加固强度也有一个合适取值范围。
3.试验研究方面
采用试验模拟基坑开挖对邻近地铁结构影响可以直观真实地反映地铁结构在基坑开挖卸载过程中的力学和变形响应，目前主要可采取的试验方法包括室内模型试验以及离心机模型试验[10]。室内试验硬件要求较低，便于实施，但精确度可能不够；离心机模型试验同样操作比较方便，而在模拟相似性方面比室内试验高了一个等级，现在正被普遍推广。姜兆华[11]通过室内模型试验，调整基坑与邻近隧道之间的相对水平及竖向距离，分析了基坑开挖对既有隧道受力的作用机理，研究了在基坑开挖过程中邻近隧道内力与变形的变化规律。魏少伟[12]通过砂土的离心模型试验研究了基坑开挖对坑底不同位置盾构隧道的弯矩和竖向直径改变的影响，试验表明：相同埋深条件下，隧道在基坑开挖过程中的自身变形较为接近，靠近地连墙的隧道其相对变形有向基坑中心旋转的趋势。
4.结语
1.目前学者大多采用数值模拟研究基坑开挖对地铁影响，而数值模拟方法大多只分析隧道横截面上产生的应力和变形，不能评价管片环缝张开情况。
2.深基坑施工对邻近的地铁区间结构影响的理论研究基本运用附加荷载法，且大多数研究坑底应力释放对基坑下卧隧道结构的影响，很少研究基坑侧向卸载作用以及围护结构施工加载的影响，评价地铁结构的水平变形时有局限。同时这种方法由于简化分析导致其精度较低，可考虑的工况也有限。
3.研究基坑施工对周边地铁区间结构影响时，大多数只针对顺做法基坑工程，而在城市复杂的环境下，逆作法可以更好的控制基坑变形，降低基坑施工对邻近建筑的危害，逆作基坑开挖对临近的地铁区间结构的影响目前还不多见。
4.基坑开挖都要做降水处理，而人工降水会导致周围土层发生固结沉降，进而对地铁隧道产生附加沉降和变形。而现有的研究大多对地下水变化时隧道所受影响的分析不够深入，且多采用数值模拟的办法，没有建立一种可以考虑邻近地铁区间结构受基坑降水影响的变形计算方法和预测模型。
参考文献
[1] 姜兆华.基坑开挖时邻近既有隧道的力学响应规律研究[D].博士学位论文.重庆:重庆大学,2013.
[2] Zhang J-F, Chen J-J,Wang J-H,Zhu Y-F. Prediction of tunnel displacement induced by adjacent excavation in soft soil[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 36: 24-33.
[3] 高广运,高盟等.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):453-459.
[4] 郑刚,刘庆晨等.基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究[J].岩土力学,2013,34(5):1459-1468.
[5] 裴行凯,倪小东.深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策[J].水利与建筑工程 学报,2013 11(3):45-48.
[6] 闫兴宝.复杂地层条件下深基坑施工对下卧地铁隧道结构影响研究[D].长安大学,2015.
[7] 姜峥.基坑开挖引起邻近管线变形的理论解析[J].地下空间与工程学报,2014,(02):362-368.
[8] 魏少伟.基坑开挖对坑底已建隧道影响的数值与离心试验研究[D].天津大学博士学位论文,2010.
论文作者:张水兵,李金,林海威
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/24
标签：基坑论文; 地铁论文; 隧道论文; 结构论文; 数值论文; 模型论文; 区间论文; 《防护工程》2017年第17期论文;