金华职业技术学院 建筑工程学院 浙江 金华 321000
摘要：随着地下工程的急剧发展，地下软土中结构的安全性已成为亟需解决的问题。卸载作用下基坑正下方软土盾构隧道变形的机理能够为建立软弱土区域邻近地铁施工保护规程提供理论依据，对地铁隧道的正常运营及使用起预测、保护作用，因此，将该部分内容加入到建筑工程技术专业的教学内容中也是行业的需求。本文论述了该项研究的意义以及所需要加入的教学内容。
关键词：软土；盾构隧道；教学
Keywords: weak soil， shield tunnel， teaching
随着城市交通量的增长，地铁成为解决交通堵塞的一个有效手段，目前我国已经有大量城市开通地铁或者正在进行地铁建设。同时，在已运营盾构隧道附近或者上方，不可避免地会有越来越多的地下工程紧邻。地下工程的修建影响相邻地铁隧道的受力平衡，应力将会重分布，很可能对地铁隧道产生不利的内力和变形。而已运营地铁线路有着极为严格的变形要求。候学渊等[1]指出：基坑工程周边的建筑物或抵抗变形的能力是有一定限度的。如当基坑邻近地铁隧道时，地铁隧道要求绝对变形一般不能超过20mm，曲率必须小于1/15000。基坑的开挖卸载最终将会影响到地铁的安全运营。而在软弱土地区，深基坑开挖卸载影响地铁隧道的变形问题显得尤为重要。因此，将卸载作用下基坑正下方软土盾构隧道变形机理研究作为主要着眼点。
将基坑开挖卸载过程中软土盾构隧道的变形机理加入到建筑工程技术专业的教学内容中有以下意义：
(l)为建立软弱土区域邻近地铁施工保护规程提供理论依据。对于任何建筑物，都需要满足正常使用功能的要求，不同领域都有其相关的规范或规程。针对杭州乃至浙江省软弱土区域邻近已运营地铁施工影响还没有相应规范和规程特点，通过本课题的研究，为相应规程提供理论依据和实测分析。
(2)对地铁隧道的正常运营及使用起预测、保护作用。由于地下工程的复杂性，到目前为止还没有很好的计算方法能分析和解决基坑开挖对邻近隧道的影响。通过研究基坑开挖对地铁隧道的影响范围及影响因素，有助于找到基坑开挖过程的危险时刻及危险区域，及时提供反馈分析和安全保护手段，保护地铁隧道结构，防止意外发生。
1.国内外研究现状
基坑等工程施工时，土体开挖卸荷引起的作用于既有隧道顶部的附加应力是导致隧道结构纵向上浮变形的主要原因。因此，开挖卸荷引起下方既有隧道的位移过程包括两个重要方面:一方面是开挖卸荷引起的附加应力场或位移场；另一方面是既有隧道对开挖卸荷引起的附加应力场或位移场的变形响应。这两者之间存在相互作用。针对这两方面，国内外不少学者通过不同方法作过较深入的理论研究。
首先是针对开挖卸荷引起的地层附加应力场和位移场的研究，部分研究主要集中于对基坑等工程开挖卸荷下方土体回弹的分析，并认为开挖卸荷引起的地层回弹变形是导致下方既有隧道结构上浮变形的原因，相关研究主要有:
张国霞、张乃瑞等[2]针对北京某工程基坑回弹和地基沉降的实测资料，提出了适用于北京地区第四纪土，考虑地基不均匀和非线性的计算基底回弹量的压剪计算模型。
陈永福[3]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1倍的开挖深度。
徐方京、侯学渊[4]对基底隆起的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。
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孙钧[5]通过按环境土力学学科的原理与上海市近年来广为流行的"时空效应"方法，对基坑问题作分析探讨，并对土层沉降、变形进行理论预测。
刘国彬、侯学渊等[6]在分析了大量的实测资料后，提出了残余应力的概念。在模拟基坑开挖过程中的应力路径基础上，研究了上海地区的几种典型软土的卸荷变形模量与应力路径的关系。应用残余应力原理以及应力路径方法，提出了一种半经验半解析的基坑隆起变形计算模型。
青二春[7]基于上海人民广场大型下沉式广场基坑工程背景，将隧道隆起变形等同于其所处的土层回弹变形，通过理论解析方法研究了主要卸荷参数对于隧道竖向变形的影响。
另有部分学者从卸荷面周围土体和支护结构组成的系统入手对基坑等工程开挖卸荷引起的应力场或位移场进行了研究。
胡蒙达[8]对基坑开挖支护外侧土体应力、位移场进行过初步推导，杨松林[9]在此基础上深入探讨了坑周土的附加应力(土压力)的变化，并利用应力应变关系对土体位移进行了求解。
另外，徐凌[10]，林永国[11]，陈郁[12]等人基于经典Mindlin半空间理论解推导得到了基坑工程挖卸荷引起的下方土层中的附加应力。
通过对上述文献的研究学习，关于开挖卸荷引起的下方既有隧道竖向变形的相关研究尚存在以下几个问题:
①目前所采用的本构模型和计算参数往往和实际情况有较大的差别，主要表现在采用常规试验得到的本构模型和计算参数没有考虑盾构法隧道施工土体中的实际应力路径，而土体(特别是软土)的变形特性和应力路径密切相关。软土在加荷条件和卸荷条件下的变形特性完全不一样，而现在的计算模型往往是采用前者研究成果而忽略了后者。
②基于Winkler地基模型的位移控制分析方法中，将自由土体位移作为外部荷载即被动位移施加于管线上，管线与土体的相互作用采用Winkler地基弹簧模拟，弹簧常数一般根据Vesic公式得到。在基于弹性理论的推导中，Vesic公式的前提条件是弹性地基梁置于弹性半空间地表，竖向集中力或弯矩(主动荷载)置于梁的中心位置，这与地埋管线的一定埋深以及位移的施加情况是不一样的。
因此，对卸载作用下基坑正下方软土盾构隧道变形机理加入到教学内容中有重要意义。
2.相关教学内容
（1）针对杭州地区软土，通过室内卸荷应力路径试验研究得到典型卸荷应力路径下的计算土体变形模量所需的相关参数，同时得到考虑埋深及卸载影响下的被动地基模量理论计算公式。
（2）基于Mindlin理论，将基坑简化为在基坑上方的均布荷载，得出在均布荷载作用下软土盾构隧道所受的附加应力计算式。
（3）利用弹性地基梁理论，对隧道的竖向变形进行计算。
（4）选取杭州地铁工程实例，运用Plaxis软件进行数值模拟，并与理论解对比，分析理论公式的准确性。
参考文献
[1]侯学渊，刘国彬，黄院雄.城市基坑工程发展的几点看法.施工技术.2000，29(1)
[2]郑颖人，沈珠江，龚晓南.广义塑性力学岩土塑性力学原理[M].北京:中国建筑工业出版社，2002.
[3]陈永福.深基坑开挖回弹计算的探讨[C].首届全国岩土工程博士学术讨论会论文集，上海:同济大学出版社，1990:12-21.
[4]徐方京，侯学渊.基坑回弹性状分析与预估[C].首届全国岩土工程博士学术讨论会论文集，上海:同济大学出版社，1990:249-256.
[5]孙钧.市区基坑开挖施工的环境土工问题[J].地下空间，1999，19(4):257-266.
[6]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.
[7]青二春.地铁隧道上方大面积卸载下的变形及控制模式研究[D].上海:同济大学，2007
[8]胡蒙达.深基坑工程开挖土体移动的准解析解研究[D].上海:同济大学，2000.
[9]杨林松.基坑施工引起坑周土体应力与位移场变化特征研究[D].上海:同济大学，2007.
（浙江省教育厅一般科研项目Y201534472）
论文作者:李晓珍
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/16
标签：基坑论文; 隧道论文; 应力论文; 地铁论文; 盾构论文; 位移论文; 同济大学论文; 《防护工程》2018年第27期论文;