CN113987662A - 一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法、包括：a.确定基坑、地基土层、盾构隧道空间关系以及土壤类型性质，包括开挖基坑的深度H₁、宽度、盾构隧道的直径D、盾构隧道的底部深度H₂、土密度，回弹模量、土粘聚力和强度；b.将基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形分为多个部分，包括整体上浮变形S_c1和局部上浮变形S_c2；c.分别计算上述多个部分的上浮变形；以及d.将计算的各部分上浮变形叠加，得到基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形。本发明的方法能够确定既有盾构隧道上方基坑开挖导致的隧道变形量，由此科学评估和指导基坑开挖工作，避免或减少开挖风险。

Description

一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的 方法

技术领域

本发明涉及建筑工程施工技术领域，更具体涉及一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法。

背景技术

基坑开挖改变了周围的地层地质结构，对周围的建筑结构安全产生影响。例如，基坑开挖可引起的邻近建筑物产生沉降变形；又如，基坑开挖可引起地基回弹变形等。基坑开挖施工前应根据地质水文资料，结合现场附近建筑物情况，评估基坑开挖对周边建筑物影响。

现有技术着眼于一般情况下基坑坑底的回弹变形，但是没有关于当基坑位于既有隧道上方时既有隧道变形计算方法的报道或文献。基坑开挖过程导致的既有盾构隧道的上浮变形对既有盾构隧道的安全性有重要影响，是基坑开挖安全风险的重要评价指标，但现有技术尚无法计算基坑开挖引起的既有盾构隧道上浮变形量。

因此，需要新的技术方法，以科学精确地确定基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形，并基于此来指导科学开挖，减少基坑开挖安全风险。

发明内容

为了至少部分消除现有技术中存在的不足，本发明旨在提出一种科学的方法，以确定盾构隧道上方基坑开挖导致的既有盾构隧道变形量，由此科学评估和指导基坑开挖工作，避免或减少基坑开挖过程对既有盾构隧道构成的风险。

根据本发明的一方面，提供了一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其中基坑位于盾构隧道的上方，其特征在于，所述方法包括：

a.确定基坑、地基土层、盾构隧道空间关系以及土壤类型性质，包括开挖基坑的深度H₁、宽度、盾构隧道的直径D、盾构隧道的底部深度H₂、土密度，回弹模量、土粘聚力和强度；

b.将基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形分为多个部分，包括整体上浮变形S_c1和局部上浮变形S_c2；

c.分别计算上述多个部分的上浮变形；以及

d.将计算的各部分上浮变形叠加，得到基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形。

根据本发明的实施方案，其中S_c1的计算公式如下：

式中：ψc为经验系数，无地区经验时取1.0；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p_c1为因开挖引起的盾构隧道底部H₂处竖向有效应力变化值；E_ci为土的回弹模量；z_i,z_i-1分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面的距离；

分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

根据本发明的实施方案，其中土的回弹模量根据国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123中土的固结试验回弹曲线的不同应力段计算。

根据本发明的实施方案，其中S_c2的计算公式如下：

式中：ψ_c为经验系数，无地区经验时取1.0；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p_c2为因滑移面摩阻释放引起的隧道底H₂处竖向有效应力减小值；E_ci为土的回弹模量；z_i,z_i-1分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土何第i-1层土底面的距离；

分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

根据本发明的实施方案，其中p_c2根据

计算，其中c为土层粘聚力，D为隧道直径，H₃为隧道平均埋深。

根据本发明的实施方案，其中所述多个部分还包括横向挤出上浮变形S_c3。

根据本发明的实施方案，其中所述多个部分还包括特殊土附加上浮变形S_c4。

根据本发明的实施方案，其中通过对基坑开挖过程进行增量法有限元模拟获得横向挤出上浮变形S_c3。

根据本发明的实施方案，其中通过地方经验或试验获得特殊土附加上浮变形S_c4。

附图说明

图1为根据本发明的实施方案的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法流程图；

图2为根据本发明的实施方案的既有盾构隧道上方基坑开挖示意图；

图3为根据本发明的实施方案的整体上浮变形S_c1的计算原理示意图；

图4为根据本发明的实施方案的基坑开挖滑裂面示意图；以及

图5为根据本发明的实施方案的局部上浮变形S_c2的计算原理示意图。

附图标记说明：1—天然地面标高；2—基底标高；3—盾构隧道底标高；4—平均附加应力系数α曲线；5—第i-1层土底面；6—第i层土底面；H₁—开挖基坑深度；D—盾构隧道的直径；H₂—盾构隧道的底部深度，H₃—隧道平均埋深

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不是旨在限制本发明。

研究发现，既有盾构隧道上方基坑开挖引起的上浮变形S_c，按机理上可以分为多个相互独立的部分，基于上述发现实现了本发明。

图1为根据本发明的实施方案的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法流程图。

如图1所示，首先可以确定基坑、地基土层、盾构隧道空间关系以及土壤类型性质等参数，例如可以包括开挖基坑的深度H₁、宽度、盾构隧道的直径D、盾构隧道的底部深度H₂、土密度，回弹模量、土粘聚力和强度等。

根据机理，将基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形分为四个部分，包括整体上浮变形S_c1、局部上浮变形S_c2、横向挤出上浮变形S_c3以及特殊土附加上浮变形S_c4。

更具体地，基坑开挖造成盾构隧道以下地基土层的竖向有效应力下降，产生整体上浮变形，记为整体上浮变形S_c1。

盾构隧道施工造成地层损失，形成上浮趋势。基坑未开挖时，地层损失造成的上浮趋势经土层间摩阻扩散至较大范围，盾构隧道局部的上浮量因而不甚明显。基坑开挖后，上覆土消失，盾构隧道局部的上浮量增加，记为局部上浮变形S_c2。

基坑开挖造成侧壁横向应力向坑底土层传导，坑底土层因横向挤出而发生自由面上抬。这部分变形随侧壁-支撑整体刚度的增加而减小，在单道支撑下，其效应不宜忽视，记为横向挤出上浮变形S_c3。通常情况下该部分变形可以忽略不计。

特殊地层引起的附加膨胀。膨胀土、湿陷性黄土等特殊性土层因对水或应力变化的敏感性而发生的附加变形，记为特殊土附加上浮变形S_c4。

然后分别计算上述多个部分的上浮变形，具体如下：

图2为根据本发明的实施方案的既有盾构隧道上方基坑开挖示意图；图3为根据本发明的实施方案的整体上浮变形S_c1的计算原理示意图。

参考附图2-3，在直径为D的隧道上方开挖基坑，H₁为基坑底部中点埋深，H₂为隧道底部中点埋深，利用如下公式计算整体上浮变形S_c1：

式中：s_c1—盾构隧道底部的回弹变形量(mm)，即整体上浮变形；

ψ_c—回弹量计算的经验系数，无地区经验时可取1.0；

p_c1—因开挖引起的盾构隧道底部H₂处竖向有效应力变化值(kPa)，可通过荷载分区组合由基坑底H₁处竖向有效应力变化值p_c0与深度(H₂-H₁)处的附加应力系数加权组合得到；

E_ci—土的回弹模量(kPa)，可以按现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123中土的固结试验回弹曲线的不同应力段计算；例如对深度为10m的基坑，其试验曲线对标深度可以达到50m。

z_i,z_i-1—盾构隧道底面H2处分别至第i层土、第i-1层土底面的距离(m)；

—盾构隧道底面H2处分别至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数；一般变形控制点位于基坑中心位置，可以围绕该控制点结合《土建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011附录K表将基坑底面分为多块后汇总取值。

另外，上述计算式中，不计盾构隧道开挖以及隧道结构刚度的影响；并且不计围护结构以及抗拔桩的影响。

图4为根据本发明的实施方案的基坑开挖滑裂面示意图；图5为根据本发明的实施方案的局部上浮变形S_c2的计算原理示意图。参考图4和5，利用如下公式计算局部上浮变形S_c2：

式中：S_c2—隧道底部的局部上浮变形量(mm)；

ψ_c—上浮变形量计算的经验系数，无地区经验时可取1.0；

p_c2—因滑移面摩阻释放引起的隧道底H₂处竖向有效应力减小值，可按

计算，其中c为土层粘聚力，D为隧道直径，H₃为隧道平均埋深；

E_ci—土的回弹模量(MPa)，可以按现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123中土的固结试验回弹曲线的不同应力段计算；例如对深度为10m的基坑，其试验曲线对标深度可以达到50m；

z_i,z_i-1—盾构隧道底面H₂处分别至第i层土、第i-1层土底面的距离(m)；

—盾构隧道底面H₂处分别至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数；一般变形控制点位于基坑中心位置，可以围绕该控制点结合《土工试验方法标准》GB50007-2011附录K表将基坑底面分为多块后汇总取值。

另外，上述计算式中，滑裂面简化为垂直面，且认为整个滑裂面皆达到临界状态；土层摩阻因素不计内摩擦角，仅计粘聚力c；并且盾构隧道顶与基坑底距离较近时，可认为开挖时整个滑移面摩阻完全释放。

横向挤出上浮变形S_c3可通过对基坑开挖过程进行增量法有限元模拟获得。增量法有限元模拟为本领域所熟知，在此并不详述。另外，这部分变形随侧壁-支撑整体刚度的增加而减小，在实际工程中可以采取相应措施，减小这种变形，由此可以小至忽略。

特殊土附加上浮变形S_c4涉及一些特定的土壤，例如黄土，膨胀土，一般的工程不涉及这种上浮变形。特殊土附加上浮变形S_c4可以通过地方经验或试验获得，在此也不赘述。

实施例

某已建成地铁区间盾构隧道直径6.7m，埋深11.3m。后期隧道上方进行基坑开挖，基坑宽b＝10m，深6m。地层土参数如表1所示，无特殊性土；计算地下水位埋深7m。

表1：地层土参数

层号	名称	层厚(m)	天然密度(g/cm<sup>3</sup>)	回弹模量(MPa)	c(kPa)
						1	粉土	7.0	1.80	28.8	8
2	粘土	1.0	1.70	32.4	10
						3	粉质粘土	4.0	1.85	36.0	9
4	粘质粉土	3.0	1.79	39.6	7
						5	粘土	5.0	1.95	72.0	11
7	粉土	3.0	1.86	90.0	6
						8	粉细砂	6.0	2.01	79.2	0
9	卵石	5.0	2.25	180.0	0
						10	圆砾	3.0	2.18	140.0	0
11	基岩	——	2.40	700.0

基坑开挖导致的隧道底部上浮变形S_c由四部分组成，也即S_c＝S_c1+S_c2+S_c3+S_c4，其中忽略S_c3与S_c4。S_c1与S_c2计算过程分别如表2所示。

其中，基坑开挖后坑底有效应力变化值：

p_c0＝[1.8×7.0+(1.7-1.0)×1.0+(1.85-1.0)×4.0

+(1.79-1.0)×3.0+(1.95-1.0)×2.0]×9.8＝233.44kPa

p_c1可视为p_c0引起的在盾构隧道底部的附加应力，此处距离基坑底部深度z＝18-6＝12m，z/b＝1.2。

按照条形基础计算，根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)附录K表K.0.1-1查表得附加应力系数为0.189×4＝0.756，得

p_c1＝233.44×0.756＝176.48kPa

表2：S_c1及S_c2计算

如上表所示，计算可得隧道底部上浮变形S_c约为3.5mm。另外，利用压差式静力水准仪测量基坑开挖前后的隧道底部的高度的实际变化值为3.2mm，与上述计算值相比，误差在可接受范围内。由此，也体现出本发明方法的科学性和准确性。

以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其中基坑位于既有盾构隧道的上方，其特征在于，所述方法包括：

a.确定基坑、地基土层、盾构隧道空间关系以及土壤类型性质，包括开挖基坑的深度H₁、宽度、盾构隧道的直径D、盾构隧道的底部深度H₂、土密度，回弹模量、土粘聚力和强度；

b.将基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形分为多个部分，包括整体上浮变形S_c1和局部上浮变形S_c2；

c.分别计算上述多个部分的上浮变形；以及

d.将计算的各部分上浮变形叠加，得到基坑开挖导致盾构隧道底部上浮变形。

2.根据权利要求1所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，S_c1的计算公式如下：

式中：ψc为经验系数，无地区经验时取1.0；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p_c1为因开挖引起的盾构隧道底部H₂处竖向有效应力变化值；E_ci为土的回弹模量；z_i,z_i-1分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面的距离；

分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

3.根据权利要求2所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，土的回弹模量根据国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123中土的固结试验回弹曲线的不同应力段计算。

4.根据权利要求1所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，S_c2的计算公式如下：

式中：ψ_c为经验系数，无地区经验时取1.0；n为地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p_c2为因滑移面摩阻释放引起的隧道底H₂处竖向有效应力减小值；E_ci为土的回弹模量；z_i,z_i-1分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土何第i-1层土底面的距离；

分别为盾构隧道底面H₂处至第i层土和第i-1层土底面范围内平均附加应力系数。

5.根据权利要求3所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，p_c2根据

计算，其中c为土层粘聚力，D为隧道直径，H₃为隧道平均埋深。

6.根据权利要求1所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，所述多个部分还包括横向挤出上浮变形S_c3。

7.根据权利要求1所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，所述多个部分还包括特殊土附加上浮变形S_c4。

8.根据权利要求5所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，通过对基坑开挖过程进行增量法有限元模拟获得横向挤出上浮变形S_c3。

9.根据权利要求6所述的确定既有盾构隧道上部基坑开挖导致隧道上浮变形的方法，其特征在于，通过地方经验或试验获得特殊土附加上浮变形S_c4。

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