孫華圣，張繼華，陳亞東，王凌微，毛明暉

(淮陰工學院 建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)

基坑開挖引起盾構隧道響應研究綜述

孫華圣，張繼華，陳亞東，王凌微，毛明暉

(淮陰工學院 建筑工程學院，江蘇 淮安 223001)

基坑開挖引起周圍地鐵隧道的響應問題引起了很多學者的研究興趣?，F(xiàn)有研究采用的方法多樣，包括現(xiàn)場監(jiān)測、離心試驗、數(shù)值模擬和解析解答等；研究內容豐富，包括基坑和隧道的幾何尺寸和物理性質，結構的受力和變形，周圍土體的變形性狀以及加固方法和施工方案等。為了進一步梳理現(xiàn)有研究成果，將基坑開挖對隧道的影響問題按照研究方法進行歸類，對研究結論進行分析，指出現(xiàn)有研究存在的不足，并給出研究展望。

基坑開挖；隧道變形；研究綜述；相互作用

0 引言

隨著我國大型基礎設施建設和城市地下空間的開發(fā)，出現(xiàn)了大量位于城市地鐵沿線的基坑工程。開挖施工必然對周圍地鐵隧道產生不利作用而影響其正常使用，甚至會導致工程事故[1-4]。因此，鄰近地鐵隧道的基坑工程(如圖1所示)，對周圍環(huán)境非常敏感[5-6]。為此，我國上海地區(qū)以及英國倫敦地鐵有限公司都制定了嚴格的地鐵保護控制標準[7]。可見，城市出現(xiàn)的鄰近地鐵隧道的基坑變形控制要求將越來越嚴格。因此，開展基坑開挖引起鄰近既有隧道變形分析具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。本文總結分析基坑開挖引起隧道響應的研究現(xiàn)狀，指出目前研究存在的不足，提出需要進一步研究的問題。

圖1 基坑開挖引起周圍隧道變形工程實例[2]

1 研究現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)場監(jiān)測

現(xiàn)場監(jiān)測方面，Burford[8]對倫敦Shell Centre基坑開挖引起的地鐵隧道變形進行了長期觀測，發(fā)現(xiàn)隧道變形持續(xù)發(fā)展。其原因可能是：開挖過程挖去土重造成坑底的倫敦黏土卸荷量大于建筑物自重施加的壓力。隧道周邊土體在上部結構施工完成后仍處于卸荷應力狀態(tài)，結合倫敦黏土的滲透性很低，坑底土體的固結過程緩慢，導致坑底隧道一直產生上浮。其他學者[9-13]也相繼報道了基坑開挖引起既有隧道變形的研究，部分工況如表1所示。從表中可見，大部分工程均位于黏土地區(qū)，研究黏土地區(qū)基坑開挖卸荷引起隧道的變形意義重大。

表1 基坑開挖引起隧道變形的現(xiàn)場監(jiān)測工程

1.2 離心模型試驗研究

魏少偉[14]在砂土中開展離心試驗研究同一水平面不同位置處的坑底隧道各個橫截面在基坑開挖過程的彎矩、變形以及土壓力的變化。Huang等[15]針對上海地區(qū)的土層，開展離心模型試驗研究了不同埋深的隧道正上方基坑開挖對既有隧道附加彎矩和變形的影響。研究結果表明，開挖對隧道的主要影響區(qū)域發(fā)生在距基坑邊2.5倍開挖寬度范圍內。隧道隆起曲線可用高斯曲線模擬。隧道隆起的大小隨著基坑底部和隧道中心線之間的距離增大而指數(shù)遞減。隧道橫截面頂部和底部的附加彎矩較大。當隧道彎矩位于距基坑中心1.5倍的開挖深度處，隧道截面的附加彎矩可忽略不計。

Ng等[16]通過離心模型試驗研究了地下室開挖對既有隧道的影響。重點分析了隧道位于基坑正下方以及位于坑外這兩種情況下開挖引起的隧道響應。對隧道的橫截面及縱截面的變形和位移進行了全面的監(jiān)測。研究結果表明，當隧道位于基坑中心下方時，隧道縱向直徑伸長，水平向直徑壓縮。在此基礎上，Ng等[17]開展離心模型試驗研究了砂土地基土體的相對密實度和支擋結構的剛度對基坑開挖卸荷引起隧道變形的影響，并分析了影響機理。詳細試驗過程可參見相關博士論文[18]。

1.3 數(shù)值模擬研究

數(shù)值模擬研究是一種有效的研究手段。為簡化問題，很多學者從平面問題入手分析開挖對既有隧道的影響。

Dole?alová[19]采用摩爾庫倫模型對捷克布拉格硬土地區(qū)隧道上方基坑開挖及主體結構建造的整個過程進行了數(shù)值分析，給出了基坑施工及監(jiān)測建議。Sharma等[20]報道了新加坡基坑開挖影響相鄰隧道的案例，并應用數(shù)值方法與實測結果進行比較，分析了隧道自身剛度對隧道在開挖過程的變形與受力的影響，隧道剛度愈大，隧道變形愈小，但承受大的彎矩。

Zheng和Wei[21]采用二維有限元方法，對處于坑底不同水平位置的三個隧道進行了分析，分析了變形趨勢和原因。位于基坑下方的隧道，開挖過程主要體現(xiàn)為豎向伸長，水平壓縮；位于坑外的隧道，開挖過程主要為向坑內的水平位移與水平方向的拉伸變形。

基坑開挖不僅是一個動態(tài)的施工過程，而且是一個空間問題。相對平面問題，三維方法更能夠反映基坑支護結構的空間效應，體現(xiàn)隧道在空間上的分布曲線，便于更加精細的模擬實際施工情況。

Lo和Ramsay[9]結合加拿大多倫多地區(qū)的工程案例，應用三維有限元方法分析了上部結構施工對其下方已有隧道的變形和內力的影響，提出了一系列保護地鐵隧道的措施，如開挖之前應用數(shù)值方法進行預測；開挖過程對隧道進行監(jiān)控；對隧道重點部位進行加固保護等。

王衛(wèi)東等[22]通過數(shù)值模擬分析了隧道周圍土體加固、時空效應開挖土方等因素對上海地區(qū)新建基坑工程的施工引起坑底已建隧道的影響。此外，王衛(wèi)東等[23]分析了上海地區(qū)基坑工程中為控制隧道變形采取的設計技術措施：盆式開挖配合鋼管斜坡?lián)未娲竺娣e支撐、地鐵側坑內被動區(qū)采用水泥土攪拌樁加固和遵循時空效應原理的設計開挖工況等。

張治國等[24]結合上海地區(qū)臨近地鐵隧道的基坑工程，運用有限元分析方法對地鐵隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行了分析。建議在設計過程中加大隧道的柔性以提高隧道適應土體變形的能力。

高廣運[25]針對上海某鄰近地鐵隧道的基坑工程，建立了三維數(shù)值模型，對基坑施工進行了全過程動態(tài)模擬。提出并采用了坑外二次加固的施工新工藝，指出地基加固體和地下結構物對鄰近基坑開挖產生的位移傳遞具有阻斷作用。

Liu等[13]在對南京地區(qū)某新建隧道基坑開挖工程對已建坑底雙線隧道影響的現(xiàn)場監(jiān)測案例的基礎上，通過有限差分法研究了基坑開挖對隧道位移的影響。分析了基坑開挖順序，加固措施等因素對隧道隆起的影響。

Huang等[26]結合上海軟土地區(qū)鄰近地鐵隧道的基坑工程，通過三維有限元方法采用土體硬化模型分析了隧道與基坑的相對位置、隧道直徑、基坑長度和寬度對既有地鐵隧道隆起的影響。研究結果表明，當隧道位于基坑正下方時，隨著隧道與基坑距離的增大，隧道隆起變小，隆起曲線變緩，當距離增大到隧道直徑的1.5倍時，基坑開挖對隧道的影響可忽略不計。當隧道位于基坑外時，隧道隆起較小。不同隧道直徑對應的隧道隆起曲線是相似的。當基坑開挖的寬度從5m增大到20m時，隧道隆起值隨之線性增大。通過對基坑開挖長度的分析表明，距離隧道軸線10m外的開挖卸荷對隧道隆起基本沒有影響。

Ng等[16]通過三維有限元分析了地下室基坑開挖對隧道的影響。初步研究了隧道埋深與隧道直徑之比(C/D)，卸荷量等因素對隧道隆起的影響。研究結果表明，隧道隆起隨著C/D的增大而減小，隨著基坑開挖卸荷量的增大而增大。Shi等[27]通過開展數(shù)值模擬進行參數(shù)分析研究了基坑開挖尺寸、土體密度、隧道剛度以及隧道襯砌節(jié)點剛度等的影響。此外，Shi等[28]在大量數(shù)值模擬的基礎上，提出了一種基坑開挖卸荷引起隧道變形的計算方法。

鄭剛等[29]采用能夠考慮土體小應變特性的有限元方法，研究了隔離樁對土體深層位移及隧道位移的控制機制。鄭剛等[30]還采用有限元方法對基坑開挖引起坑外既有隧道變形影響規(guī)律進行了分析，劃分了不同圍護結構變形模式以及最大水平位移條件下坑外已建隧道變形影響區(qū)。研究結果表明，坑外變形影響區(qū)大致可簡化為直角梯形形狀。

1.4 解析研究

林永國[31]利用明德林彈性半空間解分別推導出基坑開挖卸荷引起隧道縱軸線上的附加應力，進而求出隧道的縱向沉降(隆起)。

劉國彬等[32]利用殘余應力原理和應力路徑法，建立了計算基坑開挖引起隧道隆起變形的解析模型，并以上海地區(qū)工程實例進行了計算。同時，用布辛奈斯克公式計算了基坑開挖引起的土體回彈?？紤]到布辛奈斯克公式僅適用于作用于地表的荷載情況，而基坑開挖卸載有一定的深度，因此采用布辛奈斯克公式是不合理的。

吉茂杰和劉國彬[33]以上海廣場基坑工程為背景，在劉國彬等[32]對基坑回彈殘余應力法研究的基礎上提出了基底土體隆起殘余應力計算方法。該方法過多依賴經驗系數(shù)的選取，且忽略了隧道的存在，需要進一步的驗證。

青二春[34]結合人民廣場的基坑工程，研究了卸荷參數(shù)對隧道回彈變形量與縱向沉降變形的影響，提出了大面積卸載作用下縱向沉降曲線模式。

陳郁[35]先利用明德林解求得基坑開挖引起隧道軸線處的附加應力，再結合彈性地基梁理論推導隧道最大隆起值和縱向曲率半徑的計算公式。劉浩[36]在陳郁[35]研究的基礎上，提出將殘余應力系數(shù)的概念引入明德林基本解計算附加應力，再結合彈性地基梁理論求解卸荷附加應力引起的地下構筑物響應。然而，陳郁[35]和劉浩[36]都假定僅考慮坑底荷載為均布荷載，方向向上的情況，對于坑壁的水平荷載忽略不計，與實際情況不符合。

Zhang等[37]同時考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產生的影響，提出了基坑開挖引起臨近地鐵隧道縱向變形預測的兩階段分析方法。該方法首先計算基坑開挖作用在地鐵隧道上的附加荷載，然后基于Winkler 地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據(jù)Galerkin 方法將該方程轉換為一維有限元方程進行計算。

周澤林等[38]推導了自由邊界半無限黏-彈性空間體在內部集中荷載作用下的Mindlin時域解，并采用積分、疊加的方法，提出了一種用于計算基坑開挖及工程降水所引起的鄰近隧道附加應力的方法;然后，將已建隧道視為Pasternak黏-彈性地基上的歐拉伯努利長梁，建立了隧道在附加荷載作用下的平衡微分方程，求得了隧道縱向附加變形和內力的表達式;最后，將所提方法運用于某近接既有地鐵隧道的基坑工程中，并與三維數(shù)值模擬流變分析結果和現(xiàn)場實測結果進行了對比分析。

表2 數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

2 存在問題分析

關于基坑開挖對隧道影響問題的研究甚多。研究方法主要有現(xiàn)場實測法、離心模型試驗法、數(shù)值分析方法以及解析方法。研究因素眾多，包括隧道襯砌剛度(隧道直徑)、隧道和基坑的水平或豎向距離、結構施工及施工方案、設計技術措施、基坑開挖順序、加固措施、基坑尺寸、影響區(qū)域等?，F(xiàn)場監(jiān)測主要依附于某一具體工程進行部分數(shù)據(jù)的監(jiān)測，缺乏現(xiàn)場試驗的系統(tǒng)研究，即缺乏針對基坑開挖及后期建造過程引起隧道內力和變形影響的全過程監(jiān)測。

相關學者開展離心模型試驗研究了基坑開挖引起隧道響應的問題，但大多基于砂土地基，基于粘土地基的離心模型試驗較少。缺乏針對基坑開挖引起隧道長期變形規(guī)律和機理的研究。

數(shù)值模擬研究已從二維發(fā)展到三維，如表2所示。目前，數(shù)值模擬所采用的本構模型有鄧肯-張模型(DC)[39]，摩爾庫倫模型[9,13,19-20]，修正劍橋模型[21,23]，土體硬化模型[26]，以及亞塑性模型[16,40]。可見，目前采用較多的研究基坑開挖引起隧道變形的本構模型是摩爾庫倫彈塑性模型，而采用能夠綜合考慮土體基本性質(土體勁度的應力路徑依賴以及應變依賴)的本構模型較少。

基坑開挖對周圍已建隧道影響的解析研究主要基于彈性地基梁或其相關理論，缺乏考慮土體勁度應力以及應變依賴的計算方法研究。

對基坑開挖引起隧道變形問題研究的最終目的在于控制開挖引起的隧道變形，保證隧道的安全和正常使用。目前，相關學者進行了研究，但缺乏系統(tǒng)的分析，缺乏針對不同條件的經濟合理的加固措施和施工方案。

3 研究展望

(1)開展現(xiàn)場試驗研究，系統(tǒng)研究基坑開挖全過程引起的隧道內力和變形響應，從而為工程實踐提供有效的參考和借鑒；

(2)加強對黏土地基中基坑開挖引起隧道變形的離心模型試驗研究，研究開挖引起隧道長期變形規(guī)律，揭示變形機理；

(3)提出能夠考慮土體勁度應力和應變依賴的數(shù)值和解析計算方法，從而提高預測的準確性；

(4)優(yōu)化現(xiàn)有的基坑開挖引起隧道響應加固方法，努力做到安全可靠，技術可行，經濟合理。

[1] Finno R. J., Voss F. T., Rossow E. Evaluating damage potential in buildings affected by excavations[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2005(10): 1199-1210.

[2] Chang C. T., Sun C. W., Duann S. W. Response of a Taipei Rapid Transit System (TRTS) Tunnel to adjacent excavation[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001(3): 151-158.

[3] Kung G. T. C., Hsiao E. C. L., Schuster M. A neural network approach to estimating deflection of diaphragm walls caused by excavation in clays[J]. Computers and Geotechnics, 2007(5): 385-396.

[4] 龔曉南. 關于基坑工程的幾點思考[J].土木工程學報, 2005(9): 99-102.

[5] Leung E. H. Y., Ng C. W. W. Wall and ground movements associated with deep excavations supported by case in situ wall in mixed ground conditions[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2007(2): 129-143.

[6] Wright P. Assessment of London underground tube tunnels-investigation, monitoring and analysis[J]. Smart Structures and Systems, 2010(3): 239-262.

[7] Long M. A case history of a deep basement in London Clay[J].Computers and Geotechnics, 2001(6): 397-423.

[8] Burford D. Heave of tunnels beneath the Shell Centre, London, 1956-1986[J]. Géotechnique, 1986(1): 155-157.

[9] Lo K. Y., Ramsay J. A. The effect of construction on existing subway tunnels-a case study from Toronto[J]. Tunnels and Deep Space, 1991(3): 287-297.

[10] 況龍川,李智敏,殷宗澤. 地下工程施工影響地鐵隧道的實測分析[J].清華大學學報:自然科學版, 2000(S1): 79-82.

[11] 溫鎖林. 近距離上穿運營地鐵隧道的基坑明挖施工控制技術[J].巖土工程學報,2010(S2): 451-454.

[12] 鄭剛,劉慶晨,鄧旭. 基坑開挖對下臥運營地鐵既有箱體影響的實測及分析[J].巖土力學, 2012(4): 1109-1116, 1140.

[13] Liu H. L., Li P., Liu J. Y. Numerical investigation of underlying tunnel heave during a new tunnel construction[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010(2): 276-283.

[14] 魏少偉. 基坑開挖對坑底已建隧道影響的數(shù)值與離心試驗研究[D].天津:天津大學, 2010.

[15] Huang H., Huang X., Zhang D. Centrifuge modelling of deep excavation over existing tunnels[J]. Geotechnical Engineering, 2014(1): 3-18.

[16] Ng C. W. W., Shi J. W., Hong Y. Three-dimensional centrifuge modelling of basement excavation effects on an existing tunnel in dry sand[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013(8): 874-888.

[17] Ng C. W. W., Shi J. W., Ma?ín, D., Sun H. S., et al. Influence of sand density and wall stiffness on three-dimensional tunnel responses due to basement excavation[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2015(11): 1811-1829.

[18] 孫華圣.基坑開挖卸荷對既有隧道變形影響的三維解析、離心試驗及數(shù)值模擬研究[D].南京:河海大學, 2015.

[19] Dole?alová M. Tunnel complex unloaded by a deep excavation[J]. Computers and Geotechnics, 2001(6): 469-493.

[20] Sharma J. S., Hefny A. M., Zhao J., et al. Effect of large excavation on deformation of adjacent MRT tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2001(2): 93-98.

[21] Zheng G. Wei S. W. Numerical analyses of influence of overlying pit excavation on existing tunnels[J]. Journal of Central South University of Technology, 2008(S2):69-75.

[22] 王衛(wèi)東,吳江斌,翁其平.基坑開挖卸荷對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值分析[J].巖土力學,2004(S2): 251-225.

[23] 王衛(wèi)東,沈健,翁其平.基坑工程對鄰近地鐵隧道影響的分析與對策[J].巖土工程學報,2006,28(增刊): 1340-1345.

[24] 張治國,張謝東,王衛(wèi)東.臨近基坑施工對地鐵隧道影響的數(shù)值模擬分析[J].武漢理工大學學報, 2007(11): 93-97.

[25] 高廣運,高盟,楊成斌. 基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學報, 2010(3) : 453-459.

[26] Huang X., Schweiger H. F., Huang H.W. Influence of deep excavations on nearby existing tunnels[J]. International Journal of Geomechanics, ASCE, 2013(2): 170-180.

[27] Shi J. W., Ng C. W. W, Chen Y. Three-dimensional numerical parametric study of the influence of basement excavation on existing tunnel[J].Computers & Geotechnics, 2015:146-158.

[28] Shi J. W., Ng C. W. W. A simplified method to estimate three-dimensional tunnel responses to basement excavation[J].Tunnelling & Underground Space Technology, 2017:53-63.

[29] 鄭剛,杜一鳴,刁鈺.隔離樁對基坑外既有隧道變形控制的優(yōu)化分析[J].巖石力學與工程學報, 2015(S1):3499-3509.

[30] 鄭剛,杜一鳴,刁鈺.基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區(qū)研究[J].巖土工程學報, 2016(4): 599-612.

[31] 林永國.地鐵隧道縱向變形結構性能研究[D].上海:同濟大學, 2001.

[32] 劉國彬,黃院雄,侯學淵. 基坑工程下已運行地鐵區(qū)間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖石力學與工程學報, 2001(2): 202-207.

[33] 吉茂杰,劉國彬.開挖卸荷引起地鐵隧道位移預測方法[J].同濟大學學報, 2001(5): 531-535.

[34] 青二春.地鐵隧道上方大面積卸載下的變形及控制模式研究[D].上海：同濟大學, 2007.

[35] 陳郁.基坑開挖引起下臥隧道隆起的研究分析[D].上海：同濟大學, 2005.

[36] 劉浩.地下建構筑物上方卸荷的影響研究[D].上海：同濟大學, 2005.

[37] Zhang Z. G., Huang M. S., Wang W. D. Evaluation of deformation response for adjacent tunnels due to soil unloading in excavation engineering[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2013(3): 244-253.

[38] 周澤林,陳壽根,陳亮. 基坑施工對下臥地鐵隧道上抬變形影響的簡化理論分析[J]. 巖土工程學報，2015(12): 2224-2234.

[39] Huang A. J., Wang D. Y., Wang Z. X. Rebound effects of running tunnels underneath an excavation[J]. unnelling and Underground Space Technology, 2006(3): 399-399.

[40] Ng C. W. W., Sun H. S., Lei G. H., et al. Ability of three different soil constitutive models to predict a tunnel’s response to basement excavation[J].Canadian Geotechnical Journal, 2015(11): 1685-1698.

(責任編輯：孫文彬)

.

Literature Review of Metro Tunnel Response Caused by Pit Excavation

SUN Hua-sheng，ZHANG Ji-hua，CHEN Ya-dong，WANG Ling-wei， MAO Ming-hui

(Faculty of Architecture and Civil Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai'an Jiangsu 223001，China)

The response of the metro tunnel caused by pit excavation has aroused the interest of many s7cholars. A number of methods have been adopted, such as in-situ monitoring, centrifuge test, numerical simulation, and analytical solution, etc. The research content is rich varying from geometry and physical properties of pit foundation and tunnel, the stress and deformation of the tunnel structure, soil stress and deformation around tunnel, to reinforcement methods and construction schemes. In order to further clarify the existing research results, in this paper, the interaction between pit excavation and tunnel is classified according to the research methods, results of the existing study are analyzed, and the shortcomings of existing studies are pointed out, and suggestions for future study are provided in the end.

pit excavation; tunnel deformation; literature review; interaction

2016-08-18

江蘇省自然科學基金項目(BK20160426)；大學生創(chuàng)新訓練項目(Z205C16486)，博士科研啟動基金項目(402315002)

孫華圣(1984-)，男，江蘇徐州人，講師，博士，主要從事巖土工程與地下空間開發(fā)研究。

TD853.34

A

1009-7961(2017)03-0048-06