李楊秋
(中煤科工集團重慶設計研究院有限公司,重慶 400042)
樁和隧道之間的相互作用是一個復雜的基礎(chǔ)-巖土-隧道結(jié)構(gòu)相互作用問題,一直都是巖土工程界研究的熱點和難點。以往研究工作主要包括2個方面:1)隧道施工對已有樁基的影響;2)樁基施工和加載對已有隧道的影響。如文獻[1-4]對第1類問題進行了深入研究,文獻[5-8]對第2類問題進行了深入研究。邱陳瑜等[4]對樁基荷載作用下隧洞破壞模式進行安全分析,認為樁-巖土-結(jié)構(gòu)在共同作用下可能發(fā)生3種破壞模式,即隧洞破壞、樁基破壞、襯砌破壞,并針對樁基荷載作用下隧洞穩(wěn)定性的各種影響因素,有巖體強度、樁基荷載、樁與隧洞距離及樁的埋深等采用有限元強度折減法求其穩(wěn)定安全系數(shù),分析其內(nèi)在規(guī)律,認為樁與隧洞之間存在臨界距離與臨界埋深,當樁位于臨界距離或臨界埋深范圍之內(nèi)時,樁對隧洞穩(wěn)定性有較大影響,隧洞先發(fā)生破壞,反之則樁對隧洞影響較小,樁基先發(fā)生破壞。閆靜雅等[5]進行了樁基礎(chǔ)全壽命期對鄰近已有隧道影響的研究,針對上海軟土地基利用有限元程序重點分析了群樁基礎(chǔ)位于隧道單側(cè)時沉降對鄰近隧道的影響,研究得出鉆孔灌注樁施工造成鄰近隧道的變形及受力變化量值很小,樁基礎(chǔ)加載完成時產(chǎn)生的樁基沉降以及隧道沉降占最終沉降的75%左右的結(jié)論。以往的文獻中研究巖石地基中群樁基礎(chǔ)不同樁長對大斷面隧道的偏壓影響程度的工程實例較少,因此尋求合理群樁樁長,以確保隧道安全的研究很有必要。本文以地鐵1號線車站隧道旁修建某項目為工程實例,采用ANSYSY有限元軟件首先對巖石地基中基坑開挖和群樁加載對相鄰車站隧道襯砌內(nèi)力及位移影響進行了分析;而后針對群樁基礎(chǔ)埋深對隧道結(jié)構(gòu)的不同影響進行對比分析計算,定量分析了樁長對隧道內(nèi)力影響的變化規(guī)律,提出了有利于隧道安全的樁長建議。
項目位于重慶市渝中區(qū),為4棟超高層、-4F地下車庫及商業(yè)組成的綜合體建筑,項目影響范圍內(nèi)有已運營地鐵1號線車站隧道,規(guī)劃線路地鐵10號線區(qū)間隧道及車站附屬隧道(出入口隧道、通風隧道、風井及緊急通道、1號線與10號線連接通道)。隧道保護線內(nèi)的建筑有塔樓及地下車庫。塔樓48F/4F,框筒剪力墻結(jié)構(gòu)類型,基礎(chǔ)形式為樁基;地下室為4F,設計地坪高程 ±0.0=294.450,基坑底標高 -4F=268.45,基坑邊坡高度為25.5 m。
如圖1所示,和項目相鄰的隧道有7條,三維空間關(guān)系非常復雜,其中1號線車站隧道因開挖斷面大(跨度20.36 m)、影響長度長(與基坑平行長度190 m),相距基坑距離很近(水平距離僅1.8 m),被列為重要風險源,是制約本項目能否順利實施的關(guān)鍵問題。因此本文選取1號線車站隧道與群樁基礎(chǔ)的相互影響為分析研究對象。
車站主體為地下雙層島式車站,其中地下1層為站廳層,地下2層為站臺層。車站總長190.00 m,總寬20.36 m,為復合襯砌結(jié)構(gòu)。車站洞室采用隧道預裂或光面控制爆破開挖后先噴一層混凝土封閉暴露的巖面,設置錨桿、立架、掛網(wǎng)噴射混凝土進行初期支護,初期支護厚度為280 mm;采用C30鋼筋混凝土進行二次襯砌,二次襯砌厚度為 700 mm。洞頂高程為251.56~251.93 m,車 站 頂 板 距 地 面 25.17 ~49.42 m,覆跨比為 1.27 ~2.50,距中風化巖層厚度為17.88 ~46.45 m,為0.9 ~2.3 倍洞跨。車站主體頂板及底板部分主要以砂質(zhì)泥巖為主,洞周部分主要以砂巖為主。車站屬深埋隧道,為低應力區(qū),地下水貧乏,圍巖級別為Ⅳ級。
圖1 地鐵隧道及附屬隧道三維空間位置Fig.1 3D model showing relationship among Metro tunnel and subsidiary tunnels
本項目基坑底與車站隧道頂板相差約16.52 m?;觽?cè)壁距離車站隧道側(cè)壁水平距離為1.8 m,群樁基礎(chǔ)距離隧道側(cè)壁最近距離為4 m。車站隧道與項目剖面位置關(guān)系圖(模型1)如圖2所示。
圖2 車站隧道與項目剖面位置關(guān)系圖(模型1)Fig.2 Relationship between pile group foundation and station tunnel(Model 1)
地鐵車站隧道結(jié)構(gòu)是對變形要求極為嚴格的地下結(jié)構(gòu)物,特別是已運營的地鐵線路對于變形要求更為嚴格。為了保護正在運營的隧道,隧道業(yè)主(軌道交通管理單位)制定了相應的限制條例,重慶地區(qū)規(guī)定地鐵隧道結(jié)構(gòu)整體沉降量及水平位移量≤10 mm;隧道縱向變形曲線的曲率半徑≥15 000 m;隧道的相對變曲≤1/2 500。由于項目與車站隧道空間關(guān)系復雜,理論上無成熟的公式能定量計算基坑卸荷和建筑物加荷對隧道內(nèi)力和位移的影響。本文采用彈塑性有限元數(shù)值分析手段經(jīng)詳細計算以控制上方卸荷及加載對下方已有隧道結(jié)構(gòu)的偏壓影響。
計算按照平面應變問題建立有限元模型,巖體、隧道及樁基礎(chǔ)采用4節(jié)點四邊形平面單元PLANE2,襯砌采用梁單元BEAM3,錨桿采用Link1單元。有限元模型尺寸138 m×98 m,單元數(shù)8 489,節(jié)點數(shù)8 181。塔樓及地下車庫基礎(chǔ)形式為樁基礎(chǔ),塔樓中心電梯井位置為筏板基礎(chǔ)。為在平面應變模型中反應樁基縱向間距,對樁基礎(chǔ)荷載根據(jù)樁基縱向間距進行了等效處理。
重慶地區(qū)在高層建筑設計中常采用樁基礎(chǔ),在不考慮隧道存在的情況下,通常嵌入中等風化基巖1~3倍樁基即可滿足承載力要求。模型一中樁基礎(chǔ)采用常規(guī)設計,嵌巖深度為4 m,其中①為筏板基礎(chǔ),②為地下車庫樁基礎(chǔ),③④⑤⑥為塔樓樁基礎(chǔ),模型1如圖2所示。
為分析群樁樁長不同對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響程度,需要建立模型2和模型3進行對比分析。模型2從隧道左側(cè)拱腳為起點作破裂面,對1倍洞跨影響范圍內(nèi)的群樁基礎(chǔ)通過增加樁長使之均位于破裂面以下,樁長隨離隧道距離增大呈三角形遞減分布,考慮隧道爆破施工存在巖體松動圈,破裂角取值45°。模型3將距離隧道最近的樁長進一步加長至隧道拱底標高,其余1倍洞跨影響范圍內(nèi)的群樁基礎(chǔ)按破裂面走向呈三角形遞減分布。模型2和模型3如圖3所示。
圖3 模型2和模型3樁長示意圖Fig.3 Pile length of Model 2 and Model 3
有限元模擬按照以下步驟進行:1)模擬原始地形地貌下的初始地應力場、位移場;2)模擬隧道開挖;3)模擬基坑開挖;4)模擬上部建筑物加載。數(shù)值模擬中考慮了隧道初期支護及二次襯砌作用。
見表1。
表1 巖土體及結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock mass and structure
2.5.1 隧道開挖后計算結(jié)果分析
在考慮初期支護和二次襯砌工況下,隧道開挖引起拱頂下沉6.51 mm,拱底回彈9.5 mm,受地面線及地層分布不水平的影響,襯砌內(nèi)力圖呈近似對稱分布,見圖4。錨桿最大軸力為40.31 kN,襯砌內(nèi)力的最大值均發(fā)生在隧道拱腳,其中襯砌軸力最大值為6 050 kN,正剪力最大值為432.43 kN,負剪力最大值為533.25 kN,正彎矩最大值為797.72 kN·m,負彎矩最大值為420.96 kN·m。因此在后續(xù)計算中將拱腳內(nèi)力值的變化作為控制重點。
2.5.2 模型1計算結(jié)果分析
基坑開挖導致隧道側(cè)上方卸載,誘發(fā)隧道隆起和發(fā)生向基坑側(cè)的位移,建筑物加載在一定程度上起到荷載補償作用,當建筑荷載總量小于基坑開挖土體自重時,表現(xiàn)為減小基坑卸載引起的隧道結(jié)構(gòu)豎向變形和側(cè)向變形,當建筑荷載總量大于基坑開挖土體自重時,表現(xiàn)為抵消基坑卸載引起的隧道結(jié)構(gòu)隆起變形并導致隧道的整體下沉。本工程實例的上部建筑荷載總量大,屬于第2種情況,基坑開挖工況對隧道結(jié)構(gòu)的影響遠小于建筑加載工況。建筑加載工況對隧道的影響主要有以下2個方面。一方面,在上部荷載作用下,樁基礎(chǔ)發(fā)生沉降,一部分荷載通過巖體介質(zhì)傳遞給隧道結(jié)構(gòu),使隧道發(fā)生向下變形,因介質(zhì)為砂泥巖互層巖體,彈性模量較大,形成的圍巖體對限制隧道結(jié)構(gòu)變形形成約束,起到控制隧道變形的作用,圖5計算結(jié)果表明,樁底沉降值為72 mm,大于隧道沉降值28.1 mm。約束作用的大小由巖體強度及樁底距離隧道頂板的厚度等參數(shù)控制。根據(jù)隧道業(yè)主對地鐵隧道下沉變形的控制要求,28 mm的沉降量已不能被接受。另一方面,隧道開挖后在群樁基荷載作用下,隧洞周圍巖土體發(fā)生應力重分布,巖土體在內(nèi)外部因素的作用下產(chǎn)生塑性應變導致強度降低,當塑性應變發(fā)展到一定程度發(fā)生應變突變或位移突變時,巖土體發(fā)生破壞[4],可根據(jù)數(shù)值計算不收斂判斷隧道發(fā)生破壞,模型1計算中未出現(xiàn)上述計算不收斂情況,表明位于隧道頂板上的群樁加載后未造成過大的塑性變形,樁基與隧道均未發(fā)生破壞,但襯砌內(nèi)力可能會增大而使襯砌結(jié)構(gòu)超出規(guī)范要求的安全儲備?;谏鲜?方面原因,后續(xù)分析將隧道位移和襯砌內(nèi)力作為主要控制因素。
圖4 隧道開挖后錨桿軸力及襯砌內(nèi)力分布圖Fig.4 Distribution of axial force of rock bolt and internal force of lining
圖5 建筑物加載Y方向附加豎向位移云圖(模型1)Fig.5 Contour of auxiliary vertical displacement in Y-direction under building load(Model 1)
模型1建筑物加載工況隧道內(nèi)力計算結(jié)果見圖6,樁基礎(chǔ)加載后,在樁基礎(chǔ)應力擴散影響區(qū)域的錨桿受力狀態(tài)發(fā)生了改變,即隧道左側(cè)拱肩部位錨桿受力由拉力轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ瑝毫χ禐?1 kN,錨桿受拉軸力由開挖時40.3 kN變化為加載后34.35 kN,與表2隧道襯砌內(nèi)力變化值相比,樁基礎(chǔ)加載對初期支護錨桿軸力影響小,對二次襯砌內(nèi)力的影響大。
表2(模型1)計算結(jié)果表明建筑物加載前后,由于樁基礎(chǔ)對隧道左側(cè)的偏壓作用,樁基附加應力擴散使隧道的襯砌內(nèi)力發(fā)生了增長,襯砌彎矩增長明顯,彎矩分布從初始的對稱分布形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭拷鼧痘A(chǔ)一側(cè)大幅增長的不對稱形態(tài)。襯砌內(nèi)力的最大值發(fā)生在左側(cè)拱腳位置,在拱腳處彎矩增長了57%,剪力增長了55%,軸力增長了54%,拱腳處襯砌配筋驗算大于設計圖紙中的配筋值,隧道結(jié)構(gòu)強度安全系數(shù)不能滿足規(guī)范要求,因此需要采取相應措施,以減小樁基礎(chǔ)加載對隧道的偏壓影響。
圖6 建筑物加載襯砌內(nèi)力分布圖(模型2)Fig.6 Distribution of internal force of lining under building load(Model 2)
表2 (模型1)隧道襯砌內(nèi)力計算結(jié)果Table 2 Calculation results of internal force of tunnel lining(Model 1)
當樁基礎(chǔ)對鄰近隧道造成不利影響時,林永國等提出可采取以下幾種防治措施,對隧道進行保護[9]:1)加長工程樁。加長工程樁,可將樁身附加應力傳遞到對隧道影響小的區(qū)域,或通過減小樁基礎(chǔ)本身沉降而使周圍地層和隧道的沉降隨之減小。2)設置隔離樁。在隧道與群樁基礎(chǔ)之間設置非直接受荷的樁列,由于樁列對土體豎向位移傳遞的遮攔作用,使群樁受荷引起的沉降變形不能完全傳遞到隧道處,這樣隧道處的沉降會減小,以達到保護隧道的目的。3)跟蹤注漿法。根據(jù)隧道可能發(fā)生過大位移或在已經(jīng)發(fā)生了部分位移后,通過注漿局部增大隧道外側(cè)的荷載和改善土性,迫使其停止移動甚至產(chǎn)生反向位移。2)和3)方法適用于土質(zhì)地基或位移已經(jīng)產(chǎn)生后的補償措施,方法1)加長工程樁適用于本工程,可減小樁基礎(chǔ)加載對隧道的影響。方法確定以后就需要確定群樁樁長的具體參數(shù),所面臨的是樁長增加到何種程度才能確保隧道的安全,安全性和經(jīng)濟性如何兼顧的問題。由此引入了破裂面理論來確定群樁樁長。
圖6結(jié)果表明樁基礎(chǔ)加載對隧道襯砌內(nèi)力影響較大的部位為隧道左側(cè)邊墻及左側(cè)拱腳。若將左側(cè)邊墻假想為向右側(cè)臨空的邊坡坡面,左側(cè)拱腳假想為邊坡坡腳,當邊坡頂部存在建筑荷載時,往往會導致支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力增加,為減小建筑加載對支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響常采用的措施是加長坡頂建筑樁基礎(chǔ),將建筑荷載傳至邊坡破裂面以下,在破裂面以上區(qū)域樁身四周采用應力隔離措施。邊坡破裂面理論同樣適用于對隧道側(cè)群樁基礎(chǔ)的樁長處理。以下章節(jié)將對增加樁長的模型2和模型3分別進行數(shù)值計算,對比分析樁長變化對隧道襯砌內(nèi)力的影響程度。在模型2和模型3中考慮了在隧道側(cè)墻破裂面以上區(qū)域樁身四周采用的應力隔離措施,因此建筑荷載僅少量通過樁身傳遞到四周巖體,大部分荷載通過樁基傳遞到樁底巖層中。
2.5.3 增加樁長對比分析結(jié)果
樁基礎(chǔ)加載后,車站隧道襯砌內(nèi)力對比結(jié)果見表3。當樁基礎(chǔ)位于隧道側(cè)墻破裂面以下時,能大大降低對隧道襯砌結(jié)構(gòu)和位移的影響。拱腳襯砌彎矩模型2減小幅度為21.5%,模型3減小幅度為54.2%;拱腳襯砌剪力模型2減小幅度為12.6%,模型3減小幅度為38.6%;拱腳襯砌軸力模型2減小幅度為23.8%,模型3減小幅度為44.2%。
表3 模型1,2,3襯砌計算結(jié)果對比Table 3 Calculation results of linings in Model 1,Model 2 and Model 3
模型3計算出的襯砌內(nèi)力最小,且接近隧道開挖工況表2中的襯砌內(nèi)力值,基本恢復到隧道開挖時的應力狀態(tài),即模型3拱腳彎矩852 kN·m與隧道開挖工況拱腳最大彎矩798 kN·m相比,數(shù)值相當;拱腳剪力730 kN與隧道開挖工況拱腳最大剪力533 kN相比,增幅不大,拱腳軸力7 250 kN與隧道開挖工況拱腳最大軸力6 050 kN相比,增幅不大。表明樁基礎(chǔ)加載對隧道的影響程度可以通過增加樁基礎(chǔ)埋置深度進行有效控制。
建筑物加載對隧道結(jié)構(gòu)位移的影響從以下2方面分析:1)隧道結(jié)構(gòu)附加下沉量值;2)對隧道結(jié)構(gòu)及圍巖的位移影響范圍。模型1中隧道結(jié)構(gòu)附加沉降值為:左側(cè)拱頂下沉16.5 mm,左側(cè)邊墻下沉28.1 mm,位移云圖如圖5所示,影響范圍從隧道左側(cè)向右側(cè)擴散,覆蓋了整個隧道結(jié)構(gòu)。模型2中隧道結(jié)構(gòu)附加沉降值為:左側(cè)拱頂下沉10 mm,左側(cè)邊墻下沉19 mm,右側(cè)邊墻及拱頂下沉1.1 mm,位移云圖如圖7所示,內(nèi)力分布如圖8所示,影響范圍從隧道左側(cè)擴散到隧道中軸線位置,影響區(qū)域為隧道洞跨的一半;模型3中隧道結(jié)構(gòu)附加沉降值為:左側(cè)邊墻下沉8.8 mm,其余洞周下沉1.3 mm,小于隧道業(yè)主規(guī)定的10 mm,位移云圖如圖9所示,內(nèi)力分布如圖10所示,影響范圍僅限于隧道左側(cè)墻及拱腳附近,影響區(qū)域為洞跨的1/6。
二維有限元計算便于對樁長參數(shù)進行對比分析,但把問題簡化為平面應變模型進行計算,樁荷載引起的附加應力只能在平面內(nèi)擴散,而不能在平面外擴散,無疑使得平面內(nèi)所得的應力偏大,三維有限元計算更加符合實際,本文根據(jù)圖1模型對模型3進行了三維數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)建筑物加載后,隧道最大附加下沉位移較二維計算結(jié)果減小15%左右。但因文章篇幅有限,三維計算過程不再做詳細介紹。三維模型豎向位移云圖見圖11。
圖7 建筑物加載隧道附加豎向位移云圖(模型2)Fig.7 Contour of auxiliary vertical displacement of tunnel under building load(Model 2)
圖8 建筑物加載襯砌內(nèi)力分布圖(模型2)Fig.8 Distribution of internal force of lining under building load(Model 2)
圖9 建筑物加載隧道附加豎向位移云圖(模型3)Fig.9 Contour of auxiliary vertical displacement of tunnel under building load(Model 3)
圖10 建筑物加載襯砌內(nèi)力分布圖(模型3)Fig.10 Distribution of internal force of lining under building load(Model 3)
圖11 三維模型豎向位移云圖Fig.11 Contour of displacement of 3-dimensional model
1)群樁和基坑位于隧洞左側(cè),基坑開挖卸載和群樁基礎(chǔ)加載對隧道產(chǎn)生明顯的偏壓作用。對高層建筑而言,建筑加載工況對隧道的影響較基坑開挖工況明顯,是需要重點分析的工況。
2)樁基附加應力擴散使隧道的襯砌內(nèi)力發(fā)生了增長,內(nèi)力分布從初始的對稱分布形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭繕痘A(chǔ)一側(cè)大幅增長的不對稱形態(tài)。襯砌內(nèi)力的最大值發(fā)生在靠樁側(cè)的拱腳位置,群樁基礎(chǔ)位于隧道頂板上方時,襯砌內(nèi)力均大幅增長。采取加長樁長的措施能有效減小樁基礎(chǔ)加載后對隧道的偏壓影響。
3)樁基埋深不同對襯砌內(nèi)力的影響不同。從模型1,2,3的對比分析中可以得出,當樁基礎(chǔ)位于隧道側(cè)墻破裂面以下時,能大大降低對隧道襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。模型3計算出的襯砌內(nèi)力最小,且接近隧道開挖工況的襯砌內(nèi)力值,基本恢復到隧道開挖時的應力狀態(tài)。
4)樁基埋深不同對隧道位移的影響程度不同。模型3中隧道結(jié)構(gòu)附加沉降值最大值為8.8 mm,影響范圍僅限于隧道左側(cè)墻及拱腳附近,影響區(qū)域為洞跨的1/6,遠小于模型1和模型2的附加沉降值和位移影響范圍。
5)從群樁基礎(chǔ)加載對隧道位移及襯砌內(nèi)力影響趨勢來看,本文建議采用模型3控制群樁樁長,將樁基礎(chǔ)置于隧道底板以下,破裂面以上樁身周邊采取應力隔離措施,設置彈性隔離材料,減小樁身嵌巖段的應力擴散對隧道拱頂及側(cè)墻的影響,以確保已建車站隧道的安全運營。
6)本次數(shù)值計算所選取的計算參數(shù)和建立的模型在計算結(jié)果及影響趨勢方面是符合理論和經(jīng)驗判斷的,因此數(shù)值計算的結(jié)果可以用于指導設計和施工。
7)由于本次研究中,計算模型進行了部分簡化和假定,導致計算結(jié)果與實測結(jié)果存在差異,平面計算結(jié)果可能偏于保守。因此,還需在今后作進一步研究,如考慮基礎(chǔ)加載過程及方式、施工震動荷載及水對圍巖軟化等不利影響,使數(shù)值模型與工程實際更加貼近。
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