汪良旗等： 工中的土体开挖与井点降水会对既有地铁隧道产 生严重的危害。现在或将来都会有越来越多的工 程位于既有地铁隧道上部或两侧，不可避免地会 在已建地铁隧道附近（或上部）进行基坑工程开 挖。地铁作为城市最具代表性的地下交通工具， 其安全性显得尤为重要。因此，开展基坑开挖对 地铁隧道的影响研究。具有如下意义： （１）地铁隧道所处环境复杂，并且随着城市建 设的快速发展不断发生变化，加上目前对软土隧 道本身及其周边土工环境相互作用机理认识的不 足，至今尚没有简单、快捷、实用的方法能较好 地分析和评判基坑开挖对紧邻地铁隧道产生了哪 些影响，以及影响范围、影响大小、影响的规律 性等。因此。基坑开挖对邻近地铁隧道影响的计 算分析评判方法研究意义重大。 （２）地铁是城市的交通命脉，对隧道变形甚为 敏感，目前的地铁保护往往采用了过高的标准， 通过评判分析基坑开挖对临近地铁隧道的影响大 小，提出符合实际的保护措施以维护地铁隧道的 正常运营，显得尤为重要。 （３）研究成果将会对类似工程的设计和施工起 到指导和参考作用。 对于即将出现的越来越多的邻近地铁隧道的 大型基坑工程．进一步分析基坑开挖对邻近地铁 隧道影响的预评判分析方法．针对基坑开挖时土 体一围护结构一地铁隧道的变形和力学响应规律进 行较为深入的研究是目前最紧要、最迫切、最关 键、最核心的工作。 地铁隧道作为现代城市的生命线工程。其安 全性、稳定性极其重要。上海地铁专家针对上海 地质条件、上海地铁结构特点、列车性能及运行 条件．参照了国内外相关资料，在进行了大量工 程和技术比较后制定了一套适合本市实际情况的 地铁保护技术标准——《上海市地铁沿线建筑施工 保护地铁计算管理暂行规定》，根据该标准第二条 “地铁保护技术标准”中的有关规定『ｌｌ：①地铁工 程（外边线）两侧的邻近范围内不能进行任何工 程：②隧道的竖向沉降量与水平位移量≤２０ｍｍ （包括各种加载和卸载的最终位移量）；③隧道最 大上浮位移不能超过１５ｍｍ：④隧道纵向变形曲线 方法研究 的变形曲率半径Ｒ≥１５０００ｍ；⑤隧道的横向与纵 向相对弯曲变形必须小于１／２５００；⑥由于建筑物 垂直荷载（包括基础地下室及降水、注浆等施工 因素）而引起的地铁隧道外壁附加荷载不大于 ２０ｋＰａ；⑦由于打桩振动、爆炸产生的震动隧道引 起的峰值速度≤２．５ｃｍ／ｓ。 为保障地铁隧道的安全性和耐久性，本文就 国内外关于基坑工程建设对邻近地铁隧道影响的 安全性评判研究的主要方法进行总结对比分析． 以期为相似工程提供借鉴。 ２基于弹性地基梁的理论分析法 刘国彬等［ （２００１）基于上海软土地区大 量工程实测数据整理分析。采用残余应力原理和 应力路径方法建立了基坑隆起变形计算模型： ｈ＝ｒＨ／（Ｏ．０６１２Ｈ＋０．１９） （１） 式中， 为基坑开挖深度（ｍ）；ｈ为残余应力影ｒ 响深度（ｒｎ），对于上海地区是ａ＝０．９５对应的ｈ。 ：』【 。＋ ·ｈ２（０ ） （２） １ （ ≥ ） 式中， 为开挖面上的残余应力系数．对于上海 地区软粘土，仪。＝０．３０；ｈ为计算点处上覆土层厚 度（ｍ）。 该计算模型虽然能够较准确地预测基坑下隧 道的上抬变形，但是该计算模型只适用于软土地 区稳定基坑的分析，不适用于基坑失稳状态的分 析，计算的隆起量是基坑最大也是最终隆起量。 陈郁等 （２００５）由Ｍｉｎｄｌｉｎ经典理论解推 导出由于开挖卸荷引起隧道结构的附加应力，进 而通过弹性地基梁理论求算隧道隆起的定量计算 方法，并根据此方法求得隧道最大隆起值。然而， 上述理论方法求得的隧道隆起量与工程实测相比 明显偏大，主要原因是：①计算附加应力只考虑 了基坑开挖掉的土体自重，而没有考虑周围土体 的影响；且将土视为弹性均质体．没有考虑隧道 存在对应力分布的影响。②未考虑基坑开挖的时 间、空间因素。③弹性地基梁理论忽略了隧道的 刚度折减，且地基基床系数 的取值无法考虑基 坑开挖及隧道变形的影响，与实际出入较大。 －３－ 广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２０１６年第３期 青二春［司（２００７）提出的解析方法以Ｍｉｎｄｌｉｎ 基本解考虑残余应力求解基坑土体开挖过程的附 加应力，采用考虑卸荷应力路径的土体卸荷模量， 以分层总和法求得土体各层回弹量。 刘涛等 （２００９）推导出Ｗｉｎｋｌｅｒ地基模型 计算隧道竖向位移的理论计算方法。 张强㈣（２０１２）基于Ｍｉｎｄｌｉｎ公式根据弹 性一粘弹性对应原理．首次推导得到了明挖三角卸 荷和暗挖卸荷两种工况引起的下方既有隧道竖向 变形公式。并且考虑到既有隧道变形缝的影响， 首次推导得到了上方开挖卸荷引起的单节既有隧 道结构竖向相对变形计算公式。 张俊峰等… （２０１２）采用Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ应力解 求解基坑开挖卸载引起的土体变形，采用弹性半 空间Ｍｉｎｄｌｉｎ应力解对隧道反力引起的土体变形进 行分析．考虑软土变形的时间效应．引入非线性 流变模型，隧道本身变形采用弹性的地下连续梁 进行分析，并且考虑隧道与土体的相互作用，提 出了预测隧道隆起的计算方法。 Ａｔｔｅｗｅｌｌ等ｆ ｚ 习ｆ １９８２—１９８６）、Ｃｈｅｔｒ ｌ１４１ （１９９９）、Ｃｈａｎｇ［１５ｌ（２００１）、林永国 （２００１）、 Ｋｌａｒ等 （２００５）、Ｖｏｒｓｔｅｒ等㈣（２００５）、戴宏伟 等…（２００６）、杨栋［ （２００８）、张治国等『２１］ （２０１１）、黄栩【 （２０１２）、姜兆华等［矧（２０１３） 分别对两阶段分析法进行了研究。根据地下工程 施工影响施加到临近隧道上的不同方式（附加应 力或自由位移），可以将两阶段分析方法分为两 类：应力法和位移法。 基坑开挖对临近已建地铁隧道影响的弹性地基 梁理论计算方法．主要研究的是应用弹性地基梁模 拟隧道，推导基坑开挖后卸荷应力作用下隧道的隆 起变形的解析解。弹性地基梁法只能对某个阶段或 开挖结束的平衡状态进行分析．基本上只能计算坑 底应力释放的影响，没有考虑坑壁应力释放的影 响，完全忽略了基坑开挖施工的时空效应，并且不 能考虑施工过程中基坑支护结构一地铁隧道一土体三 者之间的动态相互作用以及各自的非线性变形特 征。此外，不能计算隧道的水平侧向位移，无法分 析隧道的截面变形情况，地基基床系数和隧道纵向 刚度的取值对解析解的可靠性影响很大。 一 一 ３模型试验法 针对紧邻地铁隧道深基坑开挖问题．通过室 内试验模型来模拟研究其共同的特性和规律。其 中，离心模型试验能够较真实地模拟各种工况， 且能较好地反映符合实际的工程规律和特性，但 目前这方面的研究工作尚较少。 魏少伟【硎（２０１０）借助有限元方法与离心试 验方法，采用砂雨法制备土体模型，在科技 大学土木工程系利用离心机试验．模拟了水平方 向土体开挖的离心加速度，对基坑开挖对坑底已 建隧道影响的作用机理进行了深入研究。重点研 究了砂土中基坑开挖对坑底不同位置隧道横截面 变形的影响。利用数值方法对离心试验结果进行 模拟，对隧道相对位置、土的弹性模量进行参数 影响分析。 梁发云等［２５１（２０１２）以上海某紧邻地铁隧道 的深基坑工程为背景．采用离心模型试验，重点 分析了“先挖大基坑．后挖小基坑”的开挖过程 中围护结构和隧道结构的变形特性。 借助离心力使模型土体承受的体积力增大到 符合模型试验的相似率．来模拟土体的自重应力。 离心模型试验材料的强度可以按照相似率来制备， 与一般的模型试验材料制备原理一样。离心模型 试验只是解决了体积力模拟的问题，但没有克服 模型试验的其它缺点。 ４实时监测分析法 以前基坑的设计主要是满足稳定性要求，关注 的是强度问题。随着城市建设的发展，基坑工程与 周边环境密切相关。在这种环境条件下，基坑工程 不仅要满足强度要求，还要满足变形要求。由于基 坑开挖影响隧道变形的因素较多．现有的理论无法 同时考虑地层、基坑与隧道之间相对距离、支护结 构、坑内加固、时空效应及地下水等因素对变形的 影响．而现场实际监测的数据是各种因素综合作用 的体现结果。通过对基坑开挖期间隧道变形的监测 与分析，逐渐积累类似问题的工程实践经验，可 以为进一步的理论分析提供依据。 况龙川［２６１（２０００）结合上海市一个典型工程 实例的基坑监测数据。研究了先开挖北部深基坑 汪良旗等： 再开挖南部浅基坑对地铁上行、下行隧道侧向位 移、竖向位移以及隧道横截面变形的影响。工程 实测表明，在地铁隧道旁侧开挖深基坑，将引起 隧道向基坑方向产生明显侧移并使隧道横截面呈 侧向拉伸、竖向压缩的变形特征；在地铁隧道上 部开挖基坑，将引起隧道产生明显上移并使隧道 横截面呈现侧向压缩、竖向拉伸的变形特征。 此外，Ｓｈａｒｍａ［２７］（２００１）、蒋洪胜［２８］ （２００２）、王如路［２９］ （２００５）、李志高［３０］ （２００５）、丁勇春【３１ （２００８）、张伟立【３２］ （２００８）、刘庭金【３３ ｌ（２００８）、余晓林［３４］ （２０１０）、肖同刚［弼 （２０１１）、魏纲［弼 （２０１３） 等，均有相关该方面的工程实测研究分析。 基坑开挖对邻近隧道的影响因素较多，不仅 有地质因素，如土体物理力学性质、地下水等， 还有工程因素．如时空效应、开挖顺序与支护形 式等。上述文献报道基本都是针对某个具体基坑 工程开挖引起邻近隧道的附加位移进行监测和分 析．而对这一问题进行大量系统全面分析总结的 较少 ５数值模拟仿真分析方法 数值模拟仿真分析方法可以考虑土体复杂本 构关系、边界条件．并且可以结合基坑开挖及支 护结构施工顺序进行模拟。它是基坑开挖对周围 环境的影响分析比较有效的手段，若能很好地加 以利用无疑会促进基坑工程领域相关问题的解决。 随着有限元法、无限元法、边界元法、有限 差分法、离散元法等的迅速发展，在基坑开挖引 起邻近地铁隧道变形的数值模拟研究方面也得到 了广泛的应用。Ｓｈａｒｍａ和Ｈｅｆｎｙ［ （１９７２）通过 有限元数值计算与实测结果对比分析，评估了隧 道变形的趋势，讨论了衬砌的刚度对内力和变形 的影响，指出刚度大的隧道会承受更大的弯矩。 Ｌｏ等［蚓（１９９１）采用有限元法模拟研究了多伦 多粉质粘土地区在已建隧道之上的基坑开挖工程． 预测了隧道的附加位移，指出数值模拟方法在一 定程序上可以对地铁隧道附加位移进行预测和评 估。 进入２ｌ世纪，数值模拟仿真技术日渐成熟。 方法研究 琳琅满目、各式各样、数不胜数的数值仿真软件 也大放异彩。 Ｍａｒｔａ［捌 ｆ２００１）基于ＣＲＩＳＰ一９０ ＦＥＭ源程 序，采用平面有限元方法模拟了基坑施工的整个 过程以及坑内堆载的情况．预测了由于基坑开挖 所引起的周围土体和隧道衬砌的位移和应力改变。 Ｄｏｌｅｚａｌｏｖａ ＤＯ］（２００１）采用二维有限元方法 对硬土地层隧道上方的基坑以及上部结构施工的 整个过程进行了分析，研究了深基坑开挖卸荷对 复杂隧道的影响。 向前等［４１ （２００７）借助Ａｎｓｙｓ软件建立了三 维弹塑性有限元模型，模拟了基坑施工过程中对 原有地铁隧道的施工效应。 钟定兰【 ｆ２００７）运用Ｐｌａｘｉｓ ３Ｄ—Ｔｕｎｎｅｌ有 限元软件针对南京地区典型软土。模拟分析了隧 道在基坑旁侧和正下方两种不同相对位置下，基 坑开挖不同工况、与基坑不同距离、不同埋深和 地下连续墙不同人土深度等参数对隧道位移的影 响，获得了隧道的水平、竖直位移和内力沿隧道 纵轴的变化曲线及其规律。 刘庭金［４３１（２００８）基于同济大学曙光软件， 采用荷载结构法和盾构隧道修正惯用法，计算了 隧道外壁侧向土压力、降水、土层基床系数和隧 道上方超载四种因素不同组合工况下的隧道结构 受力，分析了基坑施工对紧邻地铁盾构隧道的影 响。 刘晨 （２０１１）运用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ软件．通过 对不同工况、不同埋深、不同侧方位及地铁隧道 处于不同土层（沿海地区典型的粉质粘土、粘土、 中砂及全风化岩）情况下的有限元模拟，分析了 基坑开挖施工对下方地铁隧道位移变形的影响并 归纳出相应的规律。 黄宏伟等［蛔（２０１２）通过三维有限元软件 ＰＬＡＸＩＳ—ＧｉＤ分析了四种不同保护措施的效果．包 括无隧道保护措施的工况、采取土体加固措施的 工况、基坑开挖过程中在坑底进行堆载的工况以 及同时进行土体加固和堆载的工况，实际工程施 工采用土体加固和堆载方法，数值模拟的结果与 现场监测具有较好的一致性。 刘杰等［ （２０１２）以南京上跨地铁隧道的基 一５一 广州建筑ＧＵＡＮＧＺＨＯＵ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ ２０１６年第３期 坑工程为背景。运用ＭＩＤＡＳ／ＧＴＳ建立了三维数值 分析模型。对基坑施工进行全过程动态模拟。研 究认为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；探讨了减少基 坑开挖对紧邻地铁隧道影响的控制措施。 吴加武［ （２０１２）基于位移控制有限元法 （ＤＣＦＥＭ），利用归一化围护墙体基本位移模式分 析了基坑开挖墙后土体水平位移场的变化规律， 间接地研究基坑开挖的环境效应问题。结合数值 模拟技术以及理论研究成果。提出了基于ＤＣＦＥＭ 的适用于基坑开挖对地铁隧道影响的预测方法。 郑刚等Ｉ４ａｌ（２０１３）采用ＡＢＡＱＵＳ软件对基坑 的实际施工过程进行三维动态模拟基础上．分析 既有隧道箱体两侧的土体加固、浇筑底板与抗浮 桩形成“保护箍”以及堆载回压等措施对既有箱 体轨道的影响及其有效性。 王卫东等［４９１ ｆ２０１４１基于超深ＴＲＤ工法控制 承压水的邻近运营地铁隧道的苏州财富广场深基 坑工程．建立三维有限元模型对基坑开挖过程进 行了模拟分析。 ６结论 通过以上国内外文献研究，发现国内外对基 坑开挖对既有地铁隧道的影响的研究方法主要分 为四类：理论分析法、模型试验法、实测分析法、 数值分析法。前人用这些方法已经取得了许多有 价值的研究成果，但是还存在以下不足： （１）理论分析法概念简单．只要确定了经验 公式的参数就可以较方便地得到，在一定程度上 反映了土的性质对隧道的影响，但这只适用于有 类似工程实测资料的情况，对于不同土质、不同 基坑开挖类型、不同基坑与隧道相对位置等一般 误差较大，可重复操作性弱。 （２）模型试验法对于了解基坑开挖影响既有 地铁隧道机理，揭示各个工况对既有地铁隧道的 影响具有重要意义。但其试验费用昂贵。模型难 以模拟实际工程地质条件、材料本构关系和施工 参数等．所得信息有限，仍然很难大规模采用此 法进行研究。 （３）实测分析法提炼得到的变形经验公式相 ６一 对来讲比较粗糙，虽然在一定程度上也能达到工 程要求，但很难较精确地研究基坑开挖对邻近既 有地铁隧道的影响问题，且一般不具有推广应用 价值．只适应于某个或某区域的相似工程。 （４）现阶段比较常用的是数值模拟仿真分析 方法，能很好地模拟基坑开挖的三维动态发展过 程、不同施工工况、土性参数变化情况，且较为 经济，但其需要辅以实际监测资料指导。 参考文献 ［１１王如路，刘建航．上海地铁监护实践Ｕ】．地下工程与 隧道，２００４（１）：２７—３２． 【２】刘国彬，侯学渊．软土基坑隆起变形的残余应力分析法 Ｕ１．地下工程与隧道，１９９６（２）：２－７． 【３】刘国彬，黄院雄，侯学渊．基坑工程下已运行地铁区间 隧道上抬变形的控制研究与实践叫．岩石力学与工程 学报，２００１，２０（２）：２０２—２０７． ［４】吉茂杰，刘国彬．开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法 Ｄ１．同济大学学报，２００１，２９（５）：５３１—５３５． ［５】陈郁，李永盛．基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算 方法Ｕ］．地下空间与工程学报，２００５（１）：９１—９４． ［６】陈郁．基坑开挖引起下卧隧道隆起的研究分析［Ｄ】．上 海：同济大学，２００５． ［７】刘浩．地下建构筑物上方卸荷的影响研究【Ｄ］．上海： 同济大学，２００５． ［８］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． 【９］刘涛，刘国彬，史世雍．基坑加固扰动引起地铁隧道隆 起变形Ｕ】．哈尔滨工业大学学报，２００９，４１（２）： １４１—１４４． ［１０］张强．开挖卸荷下既有地铁隧道的竖向变形及其控制 研究［Ｄ】．北京：北京交通大学，２０１２． ［１１】张俊峰，王建华，温锁林．软土基坑引起下卧隧道隆起 的非线『生流变Ｕ１．土木建筑与环境工程，２０１２，３４（３）： １Ｏ一１５． ［１２】ＡｔｔｅｗｅＵ Ｐ Ｂ，Ｗｏｏｄｍａｎ Ｊ Ｐ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｙｎ￣ｎｉｃｓ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｓｅｔｄｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｕｎｎｅｈｎｇ ｉｎ ｓｏｉｌ Ｕ】．Ｇｒｏｕｎｄ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８２，１５（８）：１５—２２． ［１３】Ａｔｔｅｗｅｌｌ Ｐ Ｂ，Ｙｅａｔｅｓ Ｊ，Ｓｅｌｂｙ Ａ Ｒ—Ｓｏｉｌ ｍｏｖｅｍｅｎｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｒ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｂｌａｃｋｉｅ，Ｓｏｎ Ｌｔｄ．，１９８６． ［１４】Ｃｈｅｎ Ｌ Ｔ，Ｐｏｕｌｏｓ Ｈ Ｇ，Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ Ｎ．Ｐｉｌｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ Ｃａｕｓｅｄ ｂｙ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ【Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇａｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，１９９９，１２５（Ｓ）： ２０７—２１ ５ 汪良旗等： 【１５】Ｃｈａｎｇ Ｃｈｉ—Ｔｅ，Ｗａｎｇ Ｍｉｎｇ－Ｊｕｎｇ，Ｃｈａｎｇ Ｃｈｉｅｎ— Ｔｚｅｎ，ｅｔ ａ１．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａ Ｔａｉｐｅｉ Ｒａｐｉｄ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｓｙｓｔｅｍ （ＴＲＴＳ）Ｔｕｎｎｅｌ ｔＯ Ａｄｊａｃｅｎｔ Ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｆＪ］．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００１，１６（３）：１５１— １５８． ［１６】林永国．地铁隧道纵向变形结构性能研究［Ｄ］．上海： 同济大学．２００１． 【１７］Ｋｌａｒ Ａ，Ｖｏｒｓｔｅｒ Ｔ Ｅ Ｂ，Ｓｏｇａ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｓｏｉｌ—ｐｉｐｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｄｕｅ ｔＯ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ：ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｗｉｎｋｌｅｒ ａｎｄ ｅｌａｓｉｔｃ ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ Ｕ］．Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００５，５５（６） ４６１－４６６． 【１８］ＶｏｒｓｔｅｒＴ Ｅ Ｂ，ＫｌａｒＡ，Ｓｏｇａ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｅｓｉｔｍａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｅｔｓ ｏｆ ｔｕｎｎｅｉｌｎｇ ｏｎ ｅｘｉｓｉｔｎｇ ｐｉｐｅｌｉｎｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ， ２００５，１３１（１ １）：１３９９～１４１０． ［１９】戴宏伟，陈仁朋，陈云敏．地面新施工荷载对临近地 铁隧道纵向变形的影响分析研究叫．岩土工程学报， ２００６，２８（３）：３１２—３１６． ［２０］杨栋．地下工程开挖对临近隧道变形的影响分析 ［Ｄ］．上海：同济大学，２００８． 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