CN112364484B - 一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，包括以下步骤：获取基坑与隧道的位置关系、基坑开挖尺寸以及隧道几何尺寸，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型；根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数；根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式；根据所述的最大变形表达式，绘制三维卸荷系数与隧道最大变形的关系曲线，并依据隧道变形不同控制值划分不同三维卸荷系数条件下的基坑邻近施工的隧道变形影响区。

Description

一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算 方法

技术领域

本发明涉及一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，属于地下工程技术领域。

背景技术

随着城市地铁建设的飞速发展，邻近已运营地铁线路的基坑工程大量涌现。同时，软土地区基坑施工往往伴随着极强的环境效应，基坑开挖必然会改变土体的原始应力场和位移场，继而引起邻近既有地铁隧道附加变形和内力，使隧道发生不均匀隆沉或管片接缝张开甚至裂损、错台等，严重影响隧道结构的长期服役性能和运营安全。

基坑开挖对邻近地铁隧道的影响涉及因素较多，目前而言，基坑一维卸荷比N——开挖深度H_e与隧顶埋深H的比值，是作为评价影响下卧隧道竖向变形的重要因素，但是该计算模型更适用于基坑上跨隧道施工的情况，未能考虑侧方基坑开挖影响以及长型基坑的纵向影响。此外，浙江省标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》(DB33/T1139－2017)也提出了一种考虑基坑深度和宽度的二维卸荷比来预测影响邻近隧道变形的方法，其卸荷比的定义为最不利断面处隧道上方主要覆土区内的基坑最大断面面积与隧道上方主要覆土区的断面面积的比值。但是，实际工程中，受限于地下结构净高等要求，上方卸荷比往往超过该规程中卸荷比不宜大于0.3的要求。而且，大量实测数据表明通过分坑减少单体基坑开挖面积后，隧道变形亦处于可控状态，该卸荷比的计算模型不能考虑基坑沿隧道纵向长度的影响，无法体现基坑开挖的空间效应，对实际基坑施工缺乏指导价值。

因此，为了充分考虑基坑开挖的三维空间效应，建立一个新的卸荷系数计算模型来反映基坑深度、宽度和基坑沿隧道纵向长度的综合影响，并通过相似地层条件下工程实测数据的拟合验证，得到邻近隧道变形满足地铁保护要求时的卸荷参数控制值，这对于指导工程实践，保障邻近基坑工程的地铁隧道结构稳定和运营安全具有重要意义。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，以解决相关技术中对基坑开挖考虑基坑卸荷体量、尺寸效应、三维空间效应体现欠缺的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，包括以下步骤：

获取基坑与隧道的位置关系、基坑开挖尺寸以及隧道几何尺寸，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型；

根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数；

根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式；

根据所述的最大变形表达式，绘制三维卸荷系数与隧道最大变形的关系曲线，并依据隧道变形不同控制值划分不同三维卸荷系数条件下的基坑邻近施工的隧道变形影响区。

进一步地，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，具体包括：

根据基坑与地铁隧道的不同相对位置关系建立计算模型，将计算模型分为两类：地铁隧道在基坑下方的下卧隧道模型和地铁隧道在基坑侧方的侧方隧道模型。

进一步地，根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数，具体包括：

下卧隧道模型中的三维卸荷系数ν₁的表达式为：

ν₁＝lg(V₀)αN

其中N为基坑一维卸荷比，是基坑开挖深度H_e与隧顶埋深H的比值；α为基坑形状因子；lg(V₀)为基坑开挖卸荷量V₀的对数形式lg(V₀)；

侧方隧道模型中的三维卸荷系数ν₂的表达式：

ν₂＝lg(V₀)α/L

其中L为侧方隧道与基坑的净距。

进一步地，根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式，具体包括：

下卧隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大竖向位移V的表达式为：

V＝f₁lg(V₀)αN+f₂＝f₁ν₁+f₂

其中，f₁、f₂为与施工控制条件有关的变量；

侧方隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大水平位移S的表达式为：

S＝exp[lg(V₀)α/L-f₃]＝exp(ν₂-f₃)

其中f₃为与施工控制条件有关的变量。

进一步地，所述隧道变形影响区包括主要影响区、次要影响区、一般影响区和微弱影响区。

根据以上技术方案，本发明的有益效果是：

(1)本发明建立了一种从基坑深度、宽度、长度方面综合考虑基坑开挖三维空间效应对邻近隧道变形影响的计算方法，并结合不同相对位置关系邻近隧道的卸荷比与相对净距参数，可以更好地体现基坑开挖引起下卧隧道及侧方隧道变形的规律性特征。

(2)本发明基于实测数据，采用考虑多因素的三维卸荷系数ν₁和ν₂作为划分标准，得到基坑施工的影响区划分结果，更适用于指导工程实践，从而实现邻近地铁隧道的基坑施工影响的预先评估，提前优化调整基坑设计与施工计划，制定隧道保护措施，调查与监测方案等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的本发明提供了一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法的流程图；

图2是本发明实施例的一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响下卧隧道的计算模型图；

图3是本发明实施例的一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响侧方隧道的计算模型图；

图4是本发明实施例中下卧隧道最大竖向位移V与三维卸荷系数ν₁关系的曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例以本发明的技术方案为前提进行实施，对实施例的说明仅用于帮助理解本发明，而不是限制本发明。对于相关技术领域人员而言，在不脱离本发明原理的前提下，可以对于本发明进行若干改进和修饰。这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

参考图1，本发明提供了一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，以基坑开挖对下卧既有地铁隧道影响的施工典型案列为例，包括以下步骤：

步骤S101，获取基坑与隧道的位置关系、基坑开挖尺寸以及隧道几何尺寸，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型；

具体地，根据工程设计资料，获取基坑与隧道的位置关系、基坑开挖尺寸以及隧道几何尺寸，根据基坑与地铁隧道的不同相对位置关系建立计算模型，将计算模型分为两类：地铁隧道在基坑下方的下卧隧道模型和地铁隧道在基坑侧方的侧方隧道模型。

步骤S102，根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数；

具体地，下卧隧道模型中的三维卸荷系数ν₁的表达式为：

ν₁＝lg(V₀)αN

其中N为基坑一维卸荷比，是基坑开挖深度H_e与隧顶埋深H的比值；α为基坑形状因子，l为上跨基坑的长度，b为上跨基坑的宽度；lg(V₀)为基坑开挖卸荷量V₀的对数形式lg(V₀)，V₀＝l×b×H_e，H_e为基坑开挖深度；本实例的V₀均是在假定基坑为矩形基础上所计算得到的。若是基坑形状不规则，其三维卸荷量V₀可按实际开挖体积量进行计算；

侧方隧道模型中的三维卸荷系数ν₂的表达式：

ν₂＝lg(V₀)α/L

其中L为侧方隧道与基坑的净距。

如计算模型图2和图3所示，根据统计所得的软土地区基坑工程施工概况如表1所示，代入公式(1)——ν₁＝lg(V₀)αN计算不同工程的三维卸荷系数ν₁。

表1是本发明实施例中统计的基坑开挖对下卧既有地铁隧道影响的工程案例

步骤S103，根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式；

具体地，下卧隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大竖向位移V的表达式为：

V＝f₁lg(V₀)αN+f₂＝f₁ν₁+f₂

其中，f₁、f₂为与施工控制条件有关的变量，可通过已有工程的实测数据拟合得到；

侧方隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大水平位移S的表达式为：

S＝exp[lg(V₀)α/L-f₃]＝exp(ν₂-f₃)

其中f₃为与施工控制条件有关的变量，可通过已有工程的实测数据拟合得到。

在本实施例中，将步骤S102中得到的三维卸荷系数ν₁与下卧隧道工程案例中的竖向变形数据(表1中所示)代入公式(2)——V＝f₁lg(V₀)αN+f₂＝f₁ν₁+f₂进行拟合，得到下卧隧道最大竖向位移V与三维卸荷系数ν₁关系，并绘制曲线图，如图4所示。

步骤S104，根据所述的最大变形表达式，绘制三维卸荷系数与隧道最大变形的关系曲线，并依据隧道变形不同控制值划分不同三维卸荷系数条件下的基坑邻近施工的隧道变形影响区。

进一步地，所述隧道变形影响区包括主要影响区、次要影响区、一般影响区和微弱影响区。

由图4可知，在本实施例中，计算得到的三维卸荷系数ν₁的变化范围主要集中在1.5～3.0，且受基坑尺寸的影响程度较大。随着基坑三维卸荷系数ν₁增大，下卧隧道的最大竖向位移V呈增大的趋势，两者之间具有良好的线性关系。可见，当基坑形状规则、开挖卸荷量大，且基坑与下卧隧道之间覆土层厚度较小时，为较危险工况。拟合所得的表达式为：V_下行线＝6.466ν₁-4.6415(R²＝0.5138)，V_上行线＝5.333ν₁-2.7372(R²＝0.4679)，具有一定的合理性。

根据隧道竖向位移的不同变形控制值(5mm、10mm、15mm)，划分了不同三维卸荷系数ν₁条件下基坑下卧既有隧道的变形影响区，见图4所示。可知，当三维卸荷系数ν₁小于1.5时，视为微弱影响区；当三维卸荷系数ν₁大于3.2时，视为主要影响区；当三维卸荷系数ν₁介于1.5和2.3、2.3和3.2之间时，分别视为一般影响区和次要影响区。分区结果可为邻近地铁隧道的基坑施工影响预测提供一定的理论指导。

因此，基于大量工程实测数据的拟合结果可知，采用本发明提出的一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，可实现三维卸荷系数的计算与邻近地铁隧道的基坑施工影响的预先评估，为实际工程项目的前期规划设计、现场施工计划以及保护监测等手段提供了有益参考。

上述实施例中，受基坑支护形式，施工工艺，隧道结构条件等其他工程因素影响，拟合的关系曲线仍存在一定的偏差，在实际工程中利用变形影响区预估的隧道变形会与实测结果存在一定差异，尚需进一步收集详实数据，细化分类，深入拟合研究。

本发明提供一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，体现了基坑开挖产生的三维空间效应，利用基于实测数据，且考虑多因素的三维卸荷系数作为划分标准，更适用于指导工程实践，提高了工程的实践应用性，具有显著的经济与社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种考虑三维空间效应的邻近既有地铁的基坑开挖影响计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取基坑与隧道的位置关系、基坑开挖尺寸以及隧道几何尺寸，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型；

根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数；

根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式；

根据所述的最大变形表达式，绘制三维卸荷系数与隧道最大变形的关系曲线，并依据隧道变形不同控制值划分不同三维卸荷系数条件下的基坑邻近施工的隧道变形影响区；

其中，建立基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，具体包括：

根据基坑与地铁隧道的不同相对位置关系建立计算模型，将计算模型分为两类：地铁隧道在基坑下方的下卧隧道模型和地铁隧道在基坑侧方的侧方隧道模型；

根据所述基坑邻近地铁隧道开挖的计算模型，计算三维卸荷系数，具体包括：

下卧隧道模型中的三维卸荷系数ν₁的表达式为：

ν₁＝lg(V₀)αN

其中N为基坑一维卸荷比，是基坑开挖深度H_e与隧顶埋深H的比值；α为基坑形状因子；lg(V₀)为基坑开挖卸荷量V₀的对数形式lg(V₀)；

侧方隧道模型中的三维卸荷系数ν₂的表达式：

ν₂＝lg(V₀)α/L

其中L为侧方隧道与基坑的净距。

2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，根据所述三维卸荷系数和工程实测数据，拟合得到基坑开挖引起邻近地铁隧道的最大变形的表达式，具体包括：

下卧隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大竖向位移V的表达式为：

V＝f₁lg(V₀)αN+f₂＝f₁ν₁+f₂

其中，f₁、f₂为与施工控制条件有关的变量；

侧方隧道模型中基坑开挖引起的隧道最大水平位移S的表达式为：

S＝exp[lg(V₀)α/L-f₃]＝exp(ν₂-f₃)

其中f₃为与施工控制条件有关的变量。

3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述隧道变形影响区包括主要影响区、次要影响区、一般影响区和微弱影响区。