CN116227267A - 一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法 - Google Patents

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刘波
王园园
章定文
张嘉宝
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Abstract

本发明公开了一种基坑开挖影响区及坑外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、围护结构最大侧移δhm条件下坑外不同位置处隧道最大位移；确定出隧道位移三级控制标准分别对应的隧道位移等值线范围，即影响区；定义并得到影响区范围定量化确定参数；分析He和δhm对影响区范围的影响规律，提出任意He和δhm条件下影响区范围预测方法；根据隧道所处的实际影响区，预测隧道可能产生的位移；本发明根据基坑基本参数确定出开挖影响区，进而根据隧道实际所处的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坑外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坑外既有隧道位移预测方法。
背景技术
近年来地铁在我国得到了迅速发展，地铁建成后，为了方便大众出行，提高地下空间利用集约化程度，越来越多的基坑工程（高层建筑地下室、地下商业中心等）临近既有的地铁线施工，基坑施工不可避免地将破坏地基土中原有平衡的应力场，进而会对既有地铁隧道结构产生不良影响。
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《市政技术》中发表的《基坑开挖对临近既有盾构隧道影响的机理研究》一文中，基于11个基坑开挖对侧方既有隧道影响的工程实例统计，提出了隧道最大水平位移经验预测公式，然而该预测公式只考虑了基坑与隧道净距单一因素的影响，未考虑其他因素；针对上述问题，魏纲等于2018年在《铁道科学与工程学报》发表的《大型深基坑开挖对旁边地铁盾构隧道影响的实测分析》一文中，在考虑隧道与基坑净距的基础上，补充考虑了基坑沿隧道轴向的开挖尺寸的影响，以反映土体的应力释放程度，对原先公式进行了修正，给出了新的预测公式。
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，郑刚等于2015年在《岩土工程学报》发表的《不同围护结构变形模式对坑外既有隧道变形影响的对比分析》一文中，以天津粉质粘土层中某围护墙+內撑式基坑为背景，研究了4种基坑围护结构变形模式下坑外不同位置处隧道的变形特点；张治国等于2015年在《中国矿业大学学报》发表的《考虑基坑降水开挖影响的运营隧道变形分析》一文中，以上海淤泥质粉质粘土层中某大型深基坑工程为依托，研究了基坑降水及加固等措施对基坑开挖过程中地下连续墙水平侧移、坑外地层以及临近既有隧道变形的影响规律；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坑外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、坑外隧道位置、场地地质以及水文条件；
S2、设置不同基坑开挖深度He、围护结构最大侧移δhm以及坑外隧道位置，坑外隧道位置由隧道中心埋深Ht和隧道中心距基坑水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对坑外既有隧道的影响，得到坑外不同位置处隧道最大位移；
S3、绘制坑外不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移三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、分析基坑开挖深度He和围护结构最大侧移δhm对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He和δhm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坑外隧道位移。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，步骤S2中，建立基坑开挖对坑外既有隧道影响的有限元计算模型，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坑外既有隧道位移预测方法，步骤S3具体包括以下分步骤
S3.1、绘制坑外不同位置处隧道水平位移等值线图和竖向位移等值线图；
S3.2、确定出隧道位移三级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S3.3、将水平位移影响区和竖向位移影响区绘制在同一张图上，并对相同隧道位移控制标准对应的影响区范围取包络线；
S3.4、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折线，通过隧道位移三级控制标准对坑外影响区范围进行划分。
前所述的一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法，步骤S3.2中，隧道位移三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坑外既有隧道位移预测方法，步骤S3.4中，通过隧道位移三级控制标准，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坑外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折线上的三点坐标值，分别为影响区宽度系数M、影响区深度系数N1和N2，通过上述三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坑外既有隧道位移预测方法，步骤S5中，采用插值法确定任意He和δhm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、根据施工控制水平预估围护结构可能产生的最大侧移δhm，选择计算参考位移区间[δhm1,δhm2]；
S5.3、确定出He1和δhm1条件下、He1和δhm2条件下、He2和δhm1条件下、He2和δhm2条件下隧道位移三级控制标准对应的影响区确定参数组合（M1,1、N1、N2 1,1）、（M1,2、N1、N2 1,2）、（M2,1、N1、N2 2,1）和（M2,2、N1、N2 2,2）；
S5.4、通过δhm在区间[δhm1,δhm2]线性插值的方法分别确定出He1和δhm条件下、He2和δhm条件下的影响区确定参数组合（M1、N1、N2 1）和（M2、N1、N2 2）；
S5.5、通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He、δhm条件下的影响区确定参数组合（M、N1、N2）。
前所述的一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法，He1和He2在18m、15m、12m、9m四个值中取值，δhm1和δhm2在0.18%He、0.3%He、0.7%He三个值中取值。
前所述的一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法，步骤S6中，若坑外隧道处于主要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移大于20mm；若坑外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；若坑外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；若坑外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、围护结构侧移和坑外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而言，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，建立起了基坑开挖侧向影响区范围与坑外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，基坑开挖影响区考虑了基坑开挖深度和围护结构侧移两个因素，其中基坑开挖深度反映了设计方面的影响，围护结构侧移反映了施工方面的影响，相较于现有规范中仅以开挖深度作为影响区划分指标更加全面；
（5）本发明中，提出的基于两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坑外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坑外既有隧道影响的模拟工况数据图；
图3为本发明实施例中坑外不同位置处隧道最大水平和竖向位移示意图；
图4为本发明实施例中隧道位移三级控制标准对应的隧道水平位移等值线图；
图5为本发明实施例中隧道位移三级控制标准对应的隧道竖向位移等值线图；
图6为本发明实施例中隧道位移三级控制标准对应的影响区范围示意图；
图7为本发明实施例中简化后的隧道位移三级控制标准对应的影响区范围示意图；
图8为本发明实施例中基坑开挖影响区模式及范围确定方法示意图；
图9为本发明实施例中不同工况下基坑开挖对坑外既有隧道的影响区确定参数数据图；
图10为本发明实施例中任意He、δhm条件下基坑开挖对坑外既有隧道的影响区预测流程图；
图11为本发明实施例中基坑开挖对坑外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坑外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、坑外隧道位置、场地地质以及水文条件。
S2、设置不同基坑开挖深度He、围护结构最大侧移δhm以及坑外隧道位置，坑外隧道位置由隧道中心埋深Ht和隧道中心距基坑水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对坑外既有隧道的影响，得到坑外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，建立基坑开挖对坑外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《岩土力学》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，共4种；围护结构最大侧移参考《城市软土基坑与隧道工程对临近建（构）筑物影响评价与控制技术指南》（CCES03-2016），取δhm=0.18%He,0.3%He以及0.7%He，共3种。
坑外隧道为直径6m的圆形隧道，隧道位置由隧道中心埋深Ht和隧道中心距基坑水平距离Lt表示，水平方向上，在1倍开挖深度范围内（Lt≤He）隧道中心间隔为3m，1倍开挖深度范围外（Lt＞He）隧道中心间隔为6m，隧道中心与基坑边缘最大间距为Lt=3He；竖直方向上，在1倍开挖深度范围内（Ht≤He），隧道中心间隔为3m，1倍开挖深度范围外（Ht＞He），隧道中心间隔为6m，隧道中心最大埋深为Ht=3He。
因隧道两侧3m范围内（即隧道中心6m范围内）不允许进行任何施工作业，且盾构隧道拱顶埋深不应少于1倍隧道外径（即隧道中心埋深不少于9m），因此Lt取值从6m开始，Ht取值从9m开始，模拟工况如图2所列，共建立732个数值计算模型；经计算，得到坑外不同位置处隧道最大水平和竖向位移，以He=18m，δhm=0.18%He的工况为例，坑外隧道位移如图3所示。
S3、绘制坑外不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移三级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
以He=18m，δhm=0.18%He的工况为例，绘制坑外不同位置处隧道水平和竖向位移等值线图，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作为隧道位移三级控制标准，确定出隧道位移三级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区，如图4和图5所示。
接着，将水平位移和竖向位移影响区绘制在同一张图上，并对相同隧道位移控制标准对应的影响区范围取包络线，如图6所示，为表征影响区范围，根据影响区特征，将图6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折线，通过隧道位移三级控制标准，将坑外影响区范围划分为：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7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8所示，为定量化描述影响区范围，定义折线上三点坐标值，分别为：影响区宽度系数M、影响区深度系数N1和N2，通过这三个参数，即可快速确定出影响区范围，考虑了4种基坑开挖深度和3种基坑围护结构侧移后的影响区确定参数如图9所列。
S5、分析基坑开挖深度He和围护结构最大侧移δhm对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He和δhm条件下影响区范围预测方法；
分析开挖深度He和围护结构最大侧移δhm对M、N1以及N2三个参数的影响规律，发现He、δhm与M、N2基本呈线性关系，N1受He和δhm影响不大，其值基本在1.5左右，可取N1=1.5，基于该规律，提出采用插值法确定任意He和δhm条件下影响区范围，流程如图10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]，同时根据施工控制水平预估围护结构可能产生的最大侧移δhm，再选择计算参考位移区间[δhm1,δhm2]；
其次，根据图9分别确定出He1和δhm1条件下、He1和δhm2条件下、He2和δhm1条件下、He2和δhm2条件下隧道位移三级控制标准对应的影响区确定参数组合（M1,1、N1、N2 1,1）、（M1,2、N1、N2 1 ,2）、（M2,1、N1、N2 2,1）和（M2,2、N1、N2 2,2）；
然后，通过δhm在区间[δhm1,δhm2]线性插值的方法分别确定出He1和δhm条件下、He2和δhm条件下的影响区确定参数组合（M1、N1、N2 1）和（M2、N1、N2 2）；
最后，通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He、δhm条件下的影响区确定参数组合（M、N1、N2）；
在上述流程中，He1和He2在18m、15m、12m、9m四个值中取值，δhm1和δhm2在0.18%He、0.3%He、0.7%He三个值中取值。
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坑外隧道位移；
确定出任意He和δhm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，若坑外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，Chang等于2001年在《Tunnelling and Underground SpaceTechnology》发表的《Response of a Taipei Rapid Transit System (TRTS) tunnel toadjacent excavation》一文中报道了软土地层中某基坑开挖深度He=21.1m，围护结构最大侧移δhm=53mm=0.25%He，隧道中心埋深Ht=17.5m，隧道中心距基坑水平距离Lt=10m。
利用前述所提出的方法，选择计算用参考深度区间[15m，18m]和参考位移区间[0.18%He，0.30%He]，按照图10所示的预测流程，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11所示；可见，隧道处于主要影响区，即隧道变形大于20mm，现场实测结果显示，开挖完成时隧道最大水平位移和沉降分别为27mm和33mm，均超出了20mm的变形控制值，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坑外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、坑外隧道位置、场地地质以及水文条件；
S2、设置不同基坑开挖深度He、围护结构最大侧移δhm以及坑外隧道位置，坑外隧道位置由隧道中心埋深Ht和隧道中心距基坑水平距离Lt表示，采用数值模拟方法分析基坑开挖对坑外既有隧道的影响，得到坑外不同位置处隧道最大位移；
S3、绘制坑外不同位置处隧道最大位移等值线云图，参考相关规范要求，确定出隧道位移三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、分析基坑开挖深度He和围护结构最大侧移δhm对影响区范围的影响规律，提出基于插值法的任意He和δhm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坑外隧道位移。
2.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S2中，建立基坑开挖对坑外既有隧道影响的有限元计算模型，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坑外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、绘制坑外不同位置处隧道水平位移等值线图和竖向位移等值线图；
S3.2、确定出隧道位移三级控制标准分别对应的等值线范围，即影响区；
S3.3、将水平位移影响区和竖向位移影响区绘制在同一张图上，并对相同隧道位移控制标准对应的影响区范围取包络线；
S3.4、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折线，通过隧道位移三级控制标准对坑外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坑外既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S3.2中，隧道位移三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坑外既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S3.4中，通过隧道位移三级控制标准，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坑外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折线上的三点坐标值，分别为影响区宽度系数M、影响区深度系数N1和N2，通过上述三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坑外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和δhm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、根据施工控制水平预估围护结构可能产生的最大侧移δhm，选择计算参考位移区间[δhm1,δhm2]；
S5.3、确定出He1和δhm1条件下、He1和δhm2条件下、He2和δhm1条件下、He2和δhm2条件下隧道位移三级控制标准对应的影响区确定参数组合（M1,1、N1、N2 1,1）、（M1,2、N1、N2 1,2）、（M2,1、N1、N2 2,1）和（M2,2、N1、N2 2,2）；
S5.4、通过δhm在区间[δhm1,δhm2]线性插值的方法分别确定出He1和δhm条件下、He2和δhm条件下的影响区确定参数组合（M1、N1、N2 1）和（M2、N1、N2 2）；
S5.5、通过He在区间[He1,He2]线性插值的方法确定出He、δhm条件下的影响区确定参数组合（M、N1、N2）。
8.根据权利要求7所述的一种基坑开挖影响区及坑外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，δhm1和δhm2在0.18%He、0.3%He、0.7%He三个值中取值。
9.根据权利要求1所述的一种基坑开挖影响区及坑外既有隧道位移预测方法，其特征在于：所述步骤S6中，若坑外隧道处于主要影响区，则基坑开挖引起的隧道位移大于20mm；若坑外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；若坑外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；若坑外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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