基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究.pdf

1、第3 5 卷第2 期2 0 1 2 年2 月合肥工业大学学报(自然科学版)J()U R N A L()FH E F E IU N I V E R S I T Y()F，r E C H N()I。()G YV 0 1 3 5N o 2F e b 2 0 1 2D o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 5 0 6 0 2 0 1 2 0 2 0 2 5基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究刘杰1，吴超平2，钱德玲1，陈震1，胡亮1，(1 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥2 3 0 0 0 9；2 中国中铁四局集团，安徽合肥梁中12 3 0 0 0 0)摘要：以南

2、京上跨地铁隧道的基坑工程为背景，文章运用M 1 I)A sG T s 软件建立三维数值分析模型，对基坑施工进行伞过程动态模拟，计算结果与工程监测数据基本吻合；通过理论分析和数值模拟计算得出r 基坑开挖过程中影响运营隧道变形的关键因素。计算结果表明，基坑开挖不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移；探讨r 减少基坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施。关键词：基坑开挖；运营隧道；变形研究；模拟计算中图分类号：T U 4 7 3文献标识码：A文章编号：l 0 0 3 5 0 6 0(2 0 1 2)0 2 一0 2 4 7 一0 5C o n t r o lo fe x c a V a

3、 t i o nc a u s e dd e f b r m a t i o no fl o w e rs u b w a yt u n n e lL I uJi e l，w uc h a 扩p i n 酽，Q I A ND e _ l i n g J，C H E Nz h e n l，H UI。i a n 9 1，L I A N GZ h o n g l(1 S c h 0 0 lo fC i“1a n dH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g，H e f e lU n i v e r s i t yo fT e c h n 0 1 0 9 y。H e

4、f e i2 3 0 0 0 9，C h i n a；2 C h i n aT i e s i j uC i v i lE n g i n e e r i n gG r o u p(：0，L t d，H e f e i2 3 0 0 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：f h s e do nt h ep r a c t i c eo fd e e pe x c a v a t i o na 曲a c e n tt ot h es u b、a yt u n n e li nN a n j i n g，t h es o f t w a r eM I m 峪(歹r Si s

5、e m p l o y e dt oe s t a b l i s han u m e r i c a lm。c I e l t os i m u l a t et h ew h o l ed y n a m i cp r O c e s so ft h ed e e pe x c a v a t i o 儿1、h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n t 谢t ht h ef i e l dm e a s u r e m e n t s T h ek e yf a c t o r si n n u e n

6、 c i n gt h eo p e r a t i n gt u 加e ld e f o m l a t i o nd u r i l l gt h ee x c a v a t i o na r ea m l y z e dt h r o u g ht h e o r e t i c a la m l y s i sa n dn u m e n c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o r LT h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x c a v a t i o nc a u s e st h ed i s

7、 p l a c e m e mo ft h es o i la tt h eb o t t o mo fp i ti n e、，i t a b l y，w h i c hr e s u l t si nt h et u n n e ld i s p l a c e m e n t T h em e a s u r e st or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ee x c a 一、m t i o no nt h ea d j a c e n ts u b w a yt u r u l e la r ed i s c u s s e d K e y

8、w o r d s：e x c a v a t i o n；o p e r a t i n gt u n n e l；d e f o r m a t i o nc o n t r o l；s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n基坑开挖使基坑下部地铁隧道的原有受力平衡被打破，使得地应力重新分布u ，从而引起地铁隧道产生相应的内力和变形，但是为了保证已经运营的地铁隧道的安全与正常使用，隧道衬砌结构对变形要求非常严格，因此基坑设计和施工过程中必须采取严格的地铁隧道变形控制措施，否则会影响地铁隧道的正常使用和安全L 2 。文献 3 利用三维有限元方法和监测数据

9、对比，通过理论分析和数值模拟计算，得出了基坑开挖过程中影响运营隧道变形的关键因素；文献 4 分析了基坑开挖卸荷对下部隧道变形的力学机理并进行了数值模拟，同时分析了隧道管片的应力变化，取得了很好的效果；文献 5 对地铁隧道监测数据进行了分析，总结了在上部基坑快速开挖的情况下，下卧既有隧道结构变形的时空分布规律，分析了影响下卧隧道结构变形的主要因素。文献 6 通过对南京地区的盾构隧道隆起位移的控制分析，提出了盾构隧道绝对最大沉降不超过1 5m m，盾构隧道最大隆起量不超过1 0m m，盾构隧道的变形曲率半径必须大于1 50 0 0m 的控制要求。本文结合南京宁芜货线改线基坑上跨地铁1 号线工程实例

10、，采用有限元软件建立三维模型，收稿日期：2 0 1 l 0 3 2 8；修回日期：2 0 1 1 一0 6 1 1基金项目：合肥工业大学产学研校企合作资助项目(0 9 9)作者简介：刘杰(1 9 8 6 一)，男，甘肃洒泉人合肥一I：业大学硕士生；钱德玲(1 9 5 6 一)，女，安徽安庆人，博士，合肥工业大学教授。博士生导师万方数据2 4 8合肥工业大学学报(自然科学版)第3 5 卷对横跨运营地铁的基坑开挖过程进行了数值模拟，讨论了影响运营地铁隧道变形的主要施工措施，提出了在已运行地铁隧道上部和侧面开挖基坑时分块开挖、迅速施工、堆载回压等保护措施，在实际工程中取得了良好的效果。1 工程概况新

11、建宁芜改线基坑工程在与地铁1 号线交叉处采用钻孔桩进行基坑围护，宁芜货线隧道基坑上跨地铁1 号线处开挖深度为1 3m，分5 步开挖，竖向设4 道支撑，基坑底部距地铁1 号线结构顶部净距分别为7 0 4m 和6 9 0m，洞身依次穿过素填土、硬塑粉质黏土、软塑粉质黏土、粉质黏土及强一弱风化钙泥质粉砂岩层，基坑底部已达到强风化泥质粉砂岩，因此上跨地铁1 号线处的9m 范围内，为减小围护结构对地铁1 号线的影响，嵌入深度减小为3 4m，两侧嵌入深度为5m。宁芜改线隧道与地铁3 号线在相互交叉处上下2 层合建，基坑开挖深度约1 9 5m，围护桩嵌入深度为6m，交叉段基坑分7 步开挖。竖向设6 道支撑。

12、除第1 道支撑为o 6m o 8m 的混凝土支撑外，其余均为郦0 9m m、一1 6m m 的钢管支撑。宁芜货线上跨南京地铁1、3 号线隧道处基坑围护剖面如图1 所示。图1 宁芜改线工程与地铁l 号隧道剖面关系既有地铁l 号线隧道在该区间为矿山法施工隧道，线路与宁芜货线隧道明挖基坑夹角约为9 0。本段已运营地铁隧道围岩分级为级，初期支护厚度为2 0 0m m，二衬厚度为3 0 0m m。拱墙部位设置税2 砂浆锚杆，锚杆长2 5m，纵距O 7 5m，环距1 Om。该工程难度大、施工风险性高，新建宁芜货线及地铁3 号线隧道施工过程中进行施工常规监测和既有1 号线隧道内动态监测。1 号线区间隧道的变

13、形监测的水平位移和拱顶变形的控制值定为2 0m m，预警值为1 4m m。2 开挖卸荷对隧道影响的原理与措施基坑开挖对开挖面以下土体具有明显的垂直方向的卸荷作用，会引起坑底土体的回弹，基坑围护结构在两侧土压力作用下迫使基坑开挖面两侧隧道结构向坑内位移，加大了坑底土体的水平向应力，使坑底土体向上隆起。随着基坑开挖深度的增加，基坑内外土面高差不断增大，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向基坑内移动，使坑底产生向上隆起。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隧道产生局部纵向变形。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

14、递，引起隧道顶部土压力的变化，导致隧道的位移发生改变 7 。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。对于宁芜铁路改线项目，卸荷规模已既定，基坑的卸荷范围及基坑与已建地铁隧道的距离已确定。在同一地区或近似相同的地质条件、场地环境，同时土体具有相似应力历史的条件下，开挖卸荷对地铁隧道附加应力的变化和结构变形起主要作用。为达到控制运行地铁隧道变形的要求，在施万方数据第2 期刘杰，等：基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究2 4 9工过程中采取的措施有：(1)分部、分条均匀开挖避免偏载。基坑开挖过程中周围土体与其有密切的空间作用，为了减小回弹量，应该考虑卸荷面积的大小、形

15、状的影响，采用合理的开挖面积和开挖形状，l 号线隧道顶部的开挖应均匀分层，避免偏载 6 。(2)基坑开挖根据“时空效应”原理，分段、分块、限时进行。由于不存在放坡开挖的条件，基坑采用钻孔桩围护。(3)快速施工，迅速消除上部开挖卸载对地铁1 号线带来的影响，在底板混凝土初凝后，利用砖砌块进行堆载回压。3 基坑开挖的数值计算与分析3 1 计算模型采用大型有限元软件M【D A sG 1 S 进行三维有限元计算。M 吼峪G，r S 软件提供了对计算单元进行“激活”与“钝化”的处理功能，因此，可以用该功能来模拟隧道的掘进过程与基坑开挖过程。所谓单元的“钝化”，并不是将其从模型中删除，只是钝化单元的刚度、

16、载荷和质量等设为o，从而不对载荷向量生效(但仍然在单元载荷的列表中出现)。将荷载释放系数为1 0 0 的单元删除(钝化)时，钝化掉的单元内部应力将全部分配给留下的其他单元，从而引起剩余单元的应力发生变化。与此相反，将荷载释放系数为o 的单元删除(钝化)时，钝化掉的单元的内部应力将不分配给剩余的单元；单元的“激活”并不是将单元加到模型中去，而是在计算过程中将钝化的单元在适当的载荷步中重新启用，使单元的刚度、质量及载荷等恢复其原来的数值。在任意阶段添加(激活)的单元不受前面阶段作用的荷载或应力影响，即新添加的单元在激活阶段时的内部应力为零。在岩土工程数值模拟中，莫尔一库仑模型采用了弹塑性理论，相对

17、于弹性模型而言具有质的飞跃，能较好地描述土体的破坏行为，适合于本文所述问题的分析。本文隧道结构部分选用弹性模型是由于地铁隧道结构材料应力、应变都在材料的线应变范围之内，变形符合虎克定律，所以弹性模型能够准确地模拟隧道混凝土衬砌和喷混的力学性质。在建模过程中，既有隧道初喷混凝土采用板壳单元模拟，二次衬砌采用实体单元，基于保守考虑，建模计算不考虑既有隧道的径向锚杆。该模型沿宁芜货线隧道纵向长7 8m，宽6 0m，模型高度取地面以下4 0m。计算采用宁芜项目地质勘查钻孔的地层资料，具体岩土层参数见表l 所列。表l 计算采用的土层参数在有限元建模中，基坑开挖施工工况分析为施工阶段分析。现场的实际施工阶

18、段非常复杂，也经常发生变化，施工阶段分析一般是将其简化，取比较重要的施工阶段进行分析。根据实际基坑开挖施工工况将其抽象为数值分析所采用的施工步骤，再将所有的土体与结构物离散为网格后，定义这些网格的起始施工步和终止施工步起止施工步的不同体现了不同区域的开挖和主体结构的施工进度。在分析时，程序则从初始步开始，按所定义的施工顺序分步进行分析，实现了施工全过程的动态模拟。计算模型和完成所有开挖步骤后的计算模型如图2 所示。啮瞳2 基坑与开挖后计算模型由于地铁1 号线南延线开通运营时间不长，因此计算过程考虑了其开挖引起的应力变化。具体计算步骤为：初始地应力；地铁1 号万方数据2 5 0合肥工业大学学报(

19、自然科学版)第3 5 卷线隧道开挖；施工地铁l 号线隧道喷射混凝土；施工地铁1 号线隧道二次衬砌，位移清零；施工基坑围护钻孔桩，钻孔桩径为1 o 1 2m；开挖步骤l，开挖土层为素填土；施工第1 道混凝土支撑；开挖步骤2，开挖土层为硬塑粉质黏土与软塑粉质黏土；施工第2道钢支撑；开挖步骤3，开挖土层为软塑粉质黏土和粉质黏土；施工第3 道钢支撑；开挖步骤4，开挖土层为全风化钙泥质粉砂岩和强风化钙泥质粉砂岩；施工第4 道钢支撑；开挖步骤5，开挖土层为强风化钙泥质粉砂岩和弱风化钙泥质粉砂岩；施工第5 道钢支撑；开挖至基坑底，开挖土层为弱风化钙泥质粉砂岩；施工第6 道钢支撑；施工宁芜货线与地铁3 号线主

20、体结构；拆撑与回填。3 2 计算结果分析宁芜货线基坑开挖完成与拆撑回填后地铁l 号线隧道二次衬砌的竖向位移如图3 所示。乡莲乡一一一一_ t“：h o，围4 隧道二次衬砌开挖前后最大主应力对比上海市浦东新区东方路一张杨路下立交工程基坑下部上海地铁2 号线隧道顶部与基坑底部的距离只有2 8m，卸荷比例达到7 0，文献 8 利用数值模拟方法对其进行了各种工况下隧道变形的研究。与该项目数值模拟的结果对比发现，该上海地铁项目的隧道顶部隆起值约为2 2n m，可见基坑开挖后隧道顶部土体厚度和基坑开挖的卸荷规模的大小对隧道变形有很大的影响。对于宁芜深基坑项目，利用有限元数值模拟的方法模拟在不同开挖量不同基

21、坑开挖后隧道顶部土体厚度的几种工况，结果表明，随着开挖深度的增加，隧道顶部的上抬量在不断地增加，隧道的二次衬砌最大主应力也不断增大。在上海软土地区已有工程开挖后隧道顶部土体达到了2 8m，因此在基坑开挖过程中，只要采取的工程措施可行，在大规模卸荷下隧道安全是可以保证的。圈3 隧道二次村舢晌位移对比圈4监测结果与计算结果对比分析从图3 可以看出，基坑完成全部开挖步骤后，地铁l 号线隧道二次衬砌在与基坑交叉部位出现最大的上抬位移，其最大值为o 5 7m m，在上部结构完成并回填后，既有隧道最大上抬位移值仅为o 0 2 5m m。文献 7 采用数值仿真分析了海珠广场发展项目基坑工程的基坑开挖卸荷对下

22、方既有地铁隧道影响，该工程与本文所述的工程地质条件完全不同，其隧道位移变化最大值达到1 7m m；对宁芜改线工程不同地质条件标段监测资料进行分析发现，地质条件对基坑下部隧道以及维护结构变形影响很大。地铁1 号线隧道二次衬砌在基坑开挖前、基坑开挖后以及拆撑回填后的最大主应力如图4 所示，从图4 可以看出，二次衬砌最大主应力分别为1 0 3、3 2 4、5 3 9k P a。由以上计算结果可以得出，上部基坑开挖对地铁1 号线隧道的位移及受力影响很小，满足隧道安全和正常运营控制要求。为保证已运营地铁隧道的安全，基坑施工过程中对基坑维护桩安装测斜管进行桩体水平位移监测和隧道附近土体深部测斜等施工常规监

23、测，同时在隧道内进行隧道自动化监测。通过对现场踏勘，对既有隧道进行了拱顶隆起、隧道净空收敛等项目的监测，以监控既有隧道在上方基坑开挖过程中的变形，保证既有隧道的施工安全和结构安全。拱顶上隆直接体现了下卧隧道的纵向变形，是监测的关键项目。施工完成后的监测结果与计算结果的对比如图5 所示。由图5 可以看出，计算值与实测值基本一致，说明M I D A sG T s 模型是基本准确的，所选计算参数是合理的；同时说明基坑开挖对远离基坑侧的隧道侧向位移影响较小，开挖使隧道内衬结构产生不对称变形，隧道水平位移和竖向位移云图中不对称变形表现得更为直观。由于基坑维护结构的存在，阻挡了由基坑开挖引起的土体位移传递

24、，使远基坑一侧土体的变形远小于近基坑一侧的变形。同时随着上方土体的开挖，下万方数据第2 期刘杰，等：基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究2 5 1卧隧道的侧墙基本上以均匀的速率向内侧收敛。图5 隧道变形实测数据与计算数据对比维护桩与土体深部侧向变形实测与计算数据对比如图6 所示，图6 表明，隧道变形沿纵向呈不均匀性，从而产生。定的弯曲变形。当隧道变形超过一定值时，容易对其正常运营产生影响。图6 中结果显示位移比较小，但表明隧道衬砌结构的变形基本以拉为主，拱部受拉明显；也说明基坑维护桩侧向位移在维护桩的中部最大，向远离中部的两侧逐渐减小。飞h 美l 曩够遂图6 罐护桩与土体深部侧向变形实测与计算

25、数据对比由于施工过程中开挖与支撑安装有一定的时间差和施工工艺问题，计算数据与实测数据有一定差距，体现了基坑开挖过程遵守“时空效应”，可以减少对下步隧道的影响。另外，通过土体深部测斜实测数据与计算数据可以看出，随着基坑离隧道的距离越来越远，同一横断面土体的位移越小，说明由于土体的散状结构和岩石的力学性质对隧道抵御基坑带来的影响有一定的保护作用。其次，由运算结果可以看出，主体结构回筑后由于结构的自重作用，使隧道的上抬略有回落o 。5 结论宁芜货线改线工程超大，本文对于深基坑开挖卸荷对下方地铁隧道的影响进行数值分析，并与实际监测资料进行对比，可得结论如下：(1)基坑开挖对开挖面以下土体具有显著的垂直

26、方向卸荷作用，不可避免地引起坑底土体发生变位，带动土体中的隧道产生位移，由于隧道结构相对土层来说刚度较大，所以隧道的变形以刚体变位为主，且主要体现为竖向上隆。(2)经计算分析，隧道埋深处土体最大竖向位移约为o 5 7m m，隧道变形后的曲率半径为8 4o o om，均在地铁保护条例允许范围内。(3)基坑开挖后暴露的时间越长，基坑的隆起量就越大，从而造成基坑下既有隧道的上抬变形也越大，因此基坑开挖采用分层、分段、对称、平衡、限时开挖的原则，要做到随挖随撑；同时加快施工速度可以减小上部开挖卸载对基坑下部隧道带来的影响。(4)建议类似工程施工中应对隧道的位移、应力、沉降等进行跟踪监测，发现问题及时调

27、整，以确保工程质量和周边环境安全n 。参考文献 1 K o n t o g i m VA tS t i sscI n d u c e dd e f o r I n a t i 曲d u d T l gt u l l r I e l a t i o n：e v i d c ef r o mg e o d e t i cm a n i t o 五I l g J E|l g i n 盹d n gG l o g y 2 0 0 5，7 9：1 1 5 1 2 6 2 K 舳0 9 i a n 血VA，1 b n z i sA，S t i r o sscD e f o m m t i o na n df

28、 a i l u r eo ft h eT y r d r i s t o st u n n e l G r e e c e J J o u r l l a lo fG e o t e c h n l c a lE n g i n e e d n g tA s c E 2 0 0 4，1 3 0(1 0)：1 0 0 4 1 0 1 3 3 彭敏基坑开挖引起下卧运营隧道变形的研究 J 中国市政工程。2 0 1 0(1 0)：7 2 7 4 4 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D 岩土工程学报2 0 1 0(3)：4 5 3 4 5 9 5 曰朝霞，李东海郑知斌基

29、坑开挖时对既有隧道监测的时空分析 J 市政技术。2 0 0 8(3)：1 5 2 一1 5 3 6 杨挺，王心联，许琼鹤，等箱形隧道基坑下已建地铁盾构隧道隆起位移的控制分析与设计 J 岩土力学，2 0 0 5，2 6(Z 1)：1 8 7 1 9 9 7 张小平张青林，包承纲等卸荷模量数取值的研究 J 岩土力学，2 0 0 2，2 3(1)：2 7 3 0 8 张玉成，杨光华，姚捷，等基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析口 岩土工程学报2 0 1 0(7)：1 0 9 1 1 5 9 祥鹏刘国彬廖少明明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响口 岩石力学与工程学报2

30、 0 0 4，2 3(5)：8 2 1 8 2 5(责任编辑闫杏丽)万方数据基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究基坑开挖引起下部地铁隧道变形控制研究作者：刘杰，吴超平，钱德玲，陈震，胡亮，梁中，LIU Jie，WU Chao-ping，QIAN De-ling，CHENZhen，HU Liang，LIANG Zhong作者单位：刘杰,钱德玲,陈震,胡亮,梁中,LIU Jie,QIAN De-ling,CHEN Zhen,HU Liang,LIANG Zhong(合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽合肥,230009)，吴超平,WU Chao-ping(中国中铁四局集团,安徽合肥,230000)

31、刊名：合肥工业大学学报（自然科学版）英文刊名：Journal of Hefei University of Technology(Natural Science)年，卷(期)：2012,35(2)参考文献(9条)参考文献(9条)1.张玉成;杨光华;姚捷 基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析 2010(07)2.张小平;张青林;包承纲 卸荷模量数取值的研究期刊论文-岩土力学 2002(01)3.杨挺;王心联;许琼鹤 箱形隧道基坑下已建地铁盾构隧道隆起位移的控制分析与设计 2005(z1)4.闫朝霞;李东海;郑知斌 基坑开挖时对既有隧道监测的时空分析 2008(03)5.高广运;高盟;

32、杨成斌 基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究6.彭敏 基坑开挖引起下卧运营隧道变形的研究 2010(10)7.样鹏;刘国彬;廖少明 明珠线二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响期刊论文-岩石力学与工程学报2004(05)8.Kontogianni V A;Tzortzis A;Stiros S C Deformation and failure of the Tymfristos tunnel,Greece 2004(10)9.Kontogianni V A;Stiros S C Induced deformation during tunnel excavation:ev

33、idence from geodetic monitoring 2005 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.潘明一.闫成彧 浅议基坑开挖施工中的动态监测方法期刊论文-商品与质量：建筑与发展2011(10)2.吴建华 深基坑开挖施工中的动态监测方法期刊论文-四川建筑2006,26(4)3.赵占厂.杨虹.谢永利 基坑支护系统受力计算与动态监测期刊论文-长安大学学报(自然科学版)2002,22(6)4.王广富 基坑施工监测分析期刊论文-江苏建筑2012(1)5.陈安生.张丽君.CHEN An-sheng.ZHANG Li-jun 某深基坑工程施工安全监测与险情排除期刊论文-建筑技术2011,42(7)6.杨华伟.李亮.Yang Huawei.Li Liang 复杂环境下城市地铁深基坑开挖实测与分析期刊论文-岩土工程技术2011,25(6)7.麦锐潮 深基坑围护结构的动态监测期刊