CN116186841A - 一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法 - Google Patents

一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法 Download PDF

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章定文
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Abstract

本发明公开了一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，涉及岩土工程技术领域，包括以下步骤：确定待评估工程中基坑、隧道参数和场地地质、水文等信息；采用数值模拟方法得到不同基坑开挖深度He条件下底板下方不同位置处隧道最大位移；确定出隧道位移3级控制标准对应的隧道最大位移等值线范围，即影响区；定义并得到不同工况下影响区范围定量化确定参数；分析He对影响区范围的影响规律，提出任意He条件下影响区范围预测方法；根据下卧隧道所处的实际影响区，预测基坑开挖可能引起的隧道位移；本发明可以根据基坑基本参数确定出基坑开挖影响区，进而根据下卧隧道所处的实际影响区实现对隧道位移的简易化预测。

Description

一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，特别是涉及一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法。
背景技术
近年来随着城市轨道交通和地下空间开发的迅速发展，在既有地铁隧道上方进行基坑开挖的现象日益增多，基坑开挖不可避免地将对坑底以下一定深度范围内的土体产生扰动，进而对埋置其中的地铁隧道产生不良影响。
目前，我国地铁隧道多采用盾构法施工，隧道结构由预制管片通过螺栓组合拼装而成，其具有接缝多、完整性弱以及整体刚度低等特点，基坑开挖可能会诱发隧道产生变位过大、接缝渗漏水以及混凝土破碎等影响结构安全的问题，进而威胁地铁安全运营，给社会带来严重不良影响，因此在基坑施工前合理预测基坑开挖的影响范围以及坑外既有隧道可能产生的位移具有重要意义。
目前基坑开挖引起的既有隧道位移预测方法主要有经验法、理论解析法和数值模拟法，经验法方面，魏纲等于2013年在《岩土力学》发表的《基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析》一文中，基于14个基坑开挖对下卧既有隧道影响的工程实例统计，考虑基坑开挖卸载率和隧道下穿基坑长度两个因素的影响，提出了隧道最大隆起位移经验预测公式；郭鹏飞等于2016年在《岩土力学》发表的《基坑开挖引起下卧隧道隆起变形的实测数据分析》一文中，基于39个基坑开挖对下卧既有隧道影响的工程实例统计，考虑基坑开挖卸载率、开挖面积和基坑形状三个因素的影响，提出了隧道最大隆起位移经验预测公式。
理论解析法方面，张治国等于2009年在《岩土力学》发表的《邻近开挖对既有软土隧道的影响》一文中，提出了临近基坑开挖对既有隧道影响的两阶段分析方法，即首先基于Mindlin解计算基坑开挖作用引起的隧道轴线处附加应力，然后将隧道视为Winkler弹性地基上的Euler-Bernoulli长梁，将土体附加应力施加到隧道上，建立土体附加应力对隧道影响的控制微分方程，进而得到了隧道纵向位移和内力计算表达式；梁荣柱等于2017年在《岩石力学与工程学报》发表的《考虑隧道剪切效应的基坑开挖对邻近隧道纵向变形分析》一文中，将隧道视为搁置于Winkler地基上的能考虑隧道剪切效应的Timoshenko梁，采用两阶段分析法给出了基坑开挖卸荷影响下隧道纵向位移解答；上述理论解析方法有着严密的推理过程，但理论建立和推导过程中做了很多简化和假设，因此成果的可靠性还有待检验。
数值模拟法方面，黄宏伟等于2012年在《土木工程学报》发表的《基坑开挖对下卧运营盾构隧道影响的数值模拟研究》一文中，以上海外滩通道交叉穿越下卧延安东路隧道为背景，计算分析了基坑开挖引起的下卧隧道附加变形和内力，并评价了土体加固和坑底堆载措施的控制效果；郑刚等于2013年在《岩土力学》发表的《基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究》一文中，以天津西青道下沉隧道上跨地铁1号线隧道为背景，对基坑施工过程进行了动态模拟，分析了不同控制措施对既有隧道的影响及有效性；上述数值模拟是基于具体案例展开的，而每一个案例都有其特殊性和唯一性，因此模拟结果往往也针对该特定案例成立，对于类似案例的指导作用还存在一定限制。
上述方法尤其是理论解析和数值模拟方法相对复杂，对使用者的知识水平和专业技能要求较高，不易被一般技术人员所掌握，所以实用性还有待提高。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明提供一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，包括以下步骤
S1、确定待评估工程的有关信息，包括基坑开挖深度、围护结构最大侧移、下卧隧道位置、场地地质以及水文条件；
S2、设置不同基坑开挖深度He和下卧隧道位置，下卧隧道位置由隧道中心距底板竖向距离Ht和隧道中心距地连墙水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对下卧既有隧道的影响，得到底板下方不同位置处隧道最大位移；
S3、绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S4、根据影响区特征，定义相关参数定量化描述影响区范围，得到不同工况下影响区确定参数；
S5、分析开挖深度He对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He条件下影响区范围预测方法；
S6、根据基坑开挖影响区预测结果和隧道实际位置，确定隧道所处的实际影响区，进而预测基坑开挖可能引起的下卧隧道位移。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，步骤S2中，数值模拟方法采用有限元法，建立基坑开挖对下卧既有隧道影响的数值计算模型，由于基坑两侧变形特性具有对称性，因此建立半有限元模型进行分析。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S3具体包括以下分步骤
S3.1、绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线图；
S3.2、确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S3.3、根据影响区特征，将影响区范围简化为直角梯形形状，将隧道位移等值线简化为直线，通过隧道位移3级控制标准对底板下方影响区范围进行划分。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S3.2中，隧道位移3级控制标准分别设置为20mm、10mm以及5mm。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S3.3中，通过隧道位移3级控制标准，将影响区范围分别划分为主要影响区、次要影响区、一般影响区以及微弱影响区。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S4中，为定量化描述影响区范围，定义由隧道位移等值线简化而成的直线上的两点坐标值，分别为影响区深度系数N1和N2，通过上述两个参数确定出影响区范围。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S5中，采用插值法确定任意He条件下影响区范围，包括以下步骤
S5.1、根据基坑实际开挖深度He选择计算参考深度区间[He1,He2]；
S5.2、分别确定出He1、He2条件下隧道位移3级控制标准对应的影响区深度系数N1 1、N2 1和N1 2、N2 2；
S5.3、通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He条件下的影响区深度系数N1和N2。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，He1和He2在18m、15m、12m、9m四个值中取值。
前所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，步骤S6中，若下卧隧道处于主要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移大于20mm；若下卧隧道处于次要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于10~20mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于5~10mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移小于5mm之间。
本发明的有益效果是：
（1）本发明中，相较于理论解析法而言，该方法简单易用，根据基坑开挖深度和下卧隧道位置即可实现对开挖影响区及隧道位移的预测；
（2）本发明中，相较于传统针对某一具体工程的数值模拟，该方法是在大量数值模拟及分析的基础上提出的，更具普适性和工程实用价值；
（3）本发明中，建立起了基坑开挖影响区范围与下卧隧道位移之间的关系，根据隧道三级位移控制标准将坑外范围划分为4个影响区，使影响区划分结果更具工程实际意义；
（4）本发明中，提出了基坑开挖引起下卧隧道变形的影响区预测方法，拓展了基坑开挖影响区的应用工况，丰富了基坑开挖影响区的技术内涵，与基坑开挖侧向影响区一道形成了完整的技术体系。
（5）本发明中，提出的基于一次线性插值的基坑开挖影响区确定方法源于大量的计算和分析，理论上更加可靠，实践上易于被工程师所掌握。
附图说明
图1为本发明实施例中基坑开挖对下卧既有隧道影响的有限元计算模型示意图；
图2为本发明实施例中基坑开挖对下卧既有隧道影响的模拟工况数据图；
图3为本发明实施例中底板下方不同位置处隧道最大位移示意图；
图4为本发明实施例中隧道位移3级控制标准对应的等值线范围示意图；
图5为本发明实施例中简化后的隧道位移3级控制标准对应的影响区范围示意图；
图6为本发明实施例中基坑开挖引起下卧隧道变形的影响区模式及范围确定方法示意图；
图7为本发明实施例中不同工况下基坑开挖引起下卧既有隧道位移的影响区确定参数数据图；
图8为本发明实施例中基坑开挖深度He与影响区深度系数N1和N2的关系示意图；
图9为本发明实施例中任意He条件下基坑开挖对下卧既有隧道的影响区预测流程图；
图10为本发明实施例中基坑开挖对下卧既有隧道的影响区及隧道位移预测方法工程应用示意图。
具体实施方式
本实施例提供的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，包括以下步骤
S1、确定待评估工程的有关信息，包括基坑开挖深度、围护结构最大侧移、下卧隧道位置、场地地质以及水文条件。
S2、设置不同基坑开挖深度He和下卧隧道位置，下卧隧道位置由隧道中心距底板竖向距离Ht和隧道中心距地连墙水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对下卧既有隧道的影响，得到底板下方不同位置处隧道最大位移；
如图1所示，基于待评估工程中基坑、隧道和地层等参数，建立基坑开挖对下卧既有隧道影响的有限元计算模型，考虑到基坑两侧变形特性具有对称性，因此建立半有限元模型进行分析。
模型中，地层为深厚软土地层，地下水位于地表以下1.5m，基坑支护结构采用地下连续墙加水平内支撑，地下连续墙嵌入比取Hi/He=1；基坑开挖深度参考刘波等于2022年在《中南大学学报》发表的《基于多案例统计的基坑开挖引起侧方既有隧道变形预测公式及其工程应用》一文中工程案例统计结果，取He=9m、12m、15m以及18m，基本可以涵盖工程中绝大多数基坑开挖深度范围。
下卧隧道为直径6m的圆形隧道，下卧隧道位置由隧道中心距底板竖向距离Ht和隧道中心距地连墙水平距离Lt表示, 隧道中心与围护结构最大间距为基坑半宽度B，水平方向上，隧道中心间隔为3m，隧道中心与围护墙最大间距为Lt=B；竖直方向上，在坑底以下1倍开挖深度范围内（Ht≤He），隧道中心间隔为3m；坑底以下1倍开挖深度范围外（Ht＞He），隧道中心间隔为6m，隧道中心距底板最大距离Ht=3.0He。
因隧道边缘外3m范围内（即隧道中心6m范围内）不允许进行任何施工作业，因此Ht和Lt取值从6m开始，模拟工况如图2所列，共建立279个数值计算模型；经计算，得到底板下方不同位置处隧道最大位移，以He=18m的工况为例，下卧隧道位移如图3所示。
S3、绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
以He=18m的工况为例，绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线图，然后参考《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013）和《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013），将20mm、10mm以及5mm作为隧道位移3级控制标准，确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区，如图4所示。
为表征影响区范围，根据影响区特征，将图4中的影响区范围简化为直角梯形形状，将隧道位移等值线简化为直线，通过隧道位移3级控制标准，将底板下方影响区范围划分为：I-主要影响区、II-次要影响区、III-一般影响区以及IV-微弱影响区，如图5所示。
S4、根据影响区特征，定义相关参数定量化描述影响区范围，得到不同工况下影响区确定参数；
如图6所示，为定量化描述影响区范围，定义折线上两点坐标值：影响区深度系数N1和N2；根据下卧隧道位移特性，在坑底以下1倍开挖深度范围内（Ht/He≤1），N1＞N2；在坑底以下1倍开挖深度范围外（Ht/He＞1），N1＜N2；通过影响区深度系数N1和N2，即可快速确定出影响区范围，考虑了4种基坑开挖深度后的影响区确定参数如图7所列。
S5、分析开挖深度He对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He条件下影响区范围预测方法；
如图8所示，分析开挖深度He对N1和N2两个参数的影响规律，发现He与N1、N2基本呈线性关系，基于该规律，提出采用插值法确定任意He条件下的影响区范围，流程如图9所示。
首先，根据基坑实际开挖深度He选择计算参考深度区间[He1,He2]；
然后，根据图7分别确定出He1、He2条件下隧道位移3级控制标准对应的影响区深度系数N1 1、N2 1和N1 2、N2 2；
最后，通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He条件下的影响区深度系数N1和N2；
在上述流程中，He1和He2在18m、15m、12m、9m四个值中取值。
S6、根据基坑开挖影响区预测结果和隧道实际位置，确定隧道所处的实际影响区，进而预测基坑开挖可能引起的下卧隧道位移；
确定出任意He条件下影响区范围后，根据隧道实际位置即可判定出隧道所处的实际影响区以及可能产生的位移，若下卧隧道处于主要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移大于20mm；若下卧隧道处于次要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于10~20mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于5~10mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移小于5mm。
作为特例，王卫东等于2004年于《岩土力学》发表的《基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟》一文中，报道了某基坑开挖深度为He=5m，下卧隧道中心距坑底竖向距离为Ht=7.1m；利用前述所提出的方法，按照图9所示的预测流程，预测得到了基坑开挖影响区范围，并把隧道所处的实际位置绘制在影响区图中，如图10所示；隧道均处于次要影响区，即隧道变形介于10~20mm。现场实测结果显示，开挖结束时隧道最大隆起为12mm，与预测结果相符，验证了本实施例提出的预测方法的可靠性。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：包括以下步骤
S1、确定待评估工程的有关信息，包括基坑开挖深度、围护结构最大侧移、下卧隧道位置、场地地质以及水文条件；
S2、设置不同基坑开挖深度He和下卧隧道位置，下卧隧道位置由隧道中心距底板竖向距离Ht和隧道中心距地连墙水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对下卧既有隧道的影响，得到底板下方不同位置处隧道最大位移；
S3、绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S4、根据影响区特征，定义相关参数定量化描述影响区范围，得到不同工况下影响区确定参数；
S5、分析开挖深度He对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He条件下影响区范围预测方法；
S6、根据基坑开挖影响区预测结果和隧道实际位置，确定隧道所处的实际影响区，进而预测基坑开挖可能引起的下卧隧道位移。
2.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，数值模拟方法采用有限元法，建立基坑开挖对下卧既有隧道影响的数值计算模型，由于基坑两侧变形特性具有对称性，因此建立半有限元模型进行分析。
3.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S3具体包括以下分步骤
S3.1、绘制底板下方不同位置处隧道最大位移等值线图；
S3.2、确定出隧道位移3级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S3.3、根据影响区特征，将影响区范围简化为直角梯形形状，将隧道位移等值线简化为直线，通过隧道位移3级控制标准对底板下方影响区范围进行划分。
4.根据权利要求3所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S3.2中，隧道位移3级控制标准分别设置为20mm、10mm以及5mm。
5.根据权利要求3所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S3.3中，通过隧道位移3级控制标准，将影响区范围分别划分为主要影响区、次要影响区、一般影响区以及微弱影响区。
6.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S4中，为定量化描述影响区范围，定义由隧道位移等值线简化而成的直线上的两点坐标值，分别为影响区深度系数N1和N2，通过上述两个参数确定出影响区范围。
7.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S5中，采用插值法确定任意He条件下影响区范围，包括以下步骤
S5.1、根据基坑实际开挖深度He选择计算参考深度区间[He1,He2]；
S5.2、分别确定出He1、He2条件下隧道位移3级控制标准对应的影响区深度系数N1 1、N2 1和N1 2、N2 2；
S5.3、通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He条件下的影响区深度系数N1和N2。
8.根据权利要求7所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述He1和He2在18m、15m、12m、9m四个值中取值。
9.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及下卧既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S6中，若下卧隧道处于主要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移大于20mm；若下卧隧道处于次要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于10~20mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移介于5~10mm之间；若下卧隧道处于一般影响区，则基坑开挖引起的隧道位移小于5mm之间。
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