周泽栖 刘春 唐超

【摘要】随着城市地铁的迅速发展，运营地铁沿线基坑工程日益增加，基坑工程对既有隧道结构稳定性影响已成为一个热点研究课题。为全面分析深基坑开挖对侧方运营隧道的变形影研究进展，文章通过理论研究、模型试验、数值模拟、现场监测等四个方面分别对深基坑施工邻近既有隧道结构稳定性研究现状进行阐述。

【关键词】深基坑工程; 隧道变形; 数值模拟; 现场监测; 模型实验

【中国分类号】U452.2+6【文献标志码】A

城市地下空间已成为未来城市发展的重要趋势，如大城市中的地下综合商场、地下街道、地下硐室、仓库、车站等都是充分利用地下空间的例子。这些地下建筑需要面对深基坑施工的问题，特别是近年来城市基坑开挖规模和深度越来越大，开挖深度在15 m以上的深基坑工程已很普遍。城市地铁线路越来越密集，许多深基坑工程出现在隧道周围，给隧道正常运营造成不同程度的影响，如拱顶沉降、拱底隆起、隧道水平位移等。因此临近运营隧道的深基坑施工已成为目前基坑工程的重难点问题。

1 隧道变形理论研究

理论研究主要用于对基坑开挖引起隧道变形的初步评估，目前国内外学者主要采用两阶段理论对隧道变形进行分析，即首先对深基坑施工引起的隧道位移和荷载进行数学计算，然后将位移或荷载施加到运营隧道中，从理论上计算隧道变形对不同基础梁的影响。

周泽林[1]将软土地基视为三参数HK粘弹性体，并在内部集中作用下推导了具有自由边界的半无限粘弹性空间体的Mindlin时域解。并使用了集成和叠加的方法，将已建隧道视为帕斯捷尔纳克粘弹性地基上的欧拉·伯努利长梁，并在附加荷载下建立隧道的平衡微分方程，以计算基坑开挖和边坡开挖引起的邻近隧道变形。该方法可以较好地反映软土地区地铁隧道附加变形和内力的时间发展趋势。沈国政[2]通过Mindlin计算出基坑开挖卸荷后引起隧道的附加荷载，并基于Pasternak地基模型建立地铁隧道纵向变形的双参数基本微分方程，根据Hermite插值方法构建七点有限差分格式，从而对微分方程进行求解，求出邻近隧道的纵向位移。深基坑开挖可以视为基坑内部在竖直和水平荷载下的Mindlin问题，通过Mindlin基本解可以计算出基坑开挖引起的地铁隧道上任意一点附加应力值，借助数学计算软件使结果简便易得。

2 隧道数值模拟

数值模拟系统软件的开发与应用可以极大的提高了隧道的模拟研究分析问题能力，研究者们主要通过模拟基坑开挖与隧道的不同环境因素工况下的影响。基于耦合发展理论，建立三维仿真数据模型，分析基坑开挖过程、基坑施工技术特性以及其对邻近地铁的影响。

陈志伟[3]利用Midas-GTS有限元软件建立三维数值模型，分析基坑开挖和降水对紧邻既有地铁隧道产生的影响，分析出基坑降水造成的地下水渗流具有空间差异性，基坑长边侧渗流速度大于短边一侧，且地铁隧道处水力梯度较大;最大总位移出现在地铁隧道中部，最大水平位移发生在隧道侧边，最大沉降位移发生在隧道顶部;测斜位移曲线具有明显的拐US学术型模拟深基坑围护结构与开挖过程。发现在计算围护结构侧方位移时， ABAQUS软件预测的围护结构侧方位移比，ABAQUS软件预测的围护结构侧方位移与MIDAS GTS NX软件相比更接近实测结果，即使用ABAQUS软件中修正剑桥模型预测深基坑侧方地基的变形时明显优于MIDAS GTS NX软件。MIDAS GTS NX和ABAQUS两种有限元软件在模拟考虑周边环境的深基坑开挖时，均能较好地反映地表沉降大小及其规律。陈辉[4]等利用MIDAS GTS NX工程型和ABAQ数值进行模拟可以极大提高隧道的模拟研究，研究者主要运用Midas-GTS有限元、MIDAS GTS NX工程型、MIDAS GTS NX工程等软件分别对基坑开挖方式，尺寸、基坑支护结构以及降水等影响隧道变形的因素进行模拟。得出各软件的差异性。

3 隧道模型实验

目前，该模型的实验部分分为长重力模型实验和离心模型实验。长重力模型试验通过模拟实际工程荷载，研究隧道在荷载作用下的变形规律，离心模型试验是为了补偿由于离心机尺寸减小而造成的重量损失。

张玉伟[5]为了阐明基坑施工过程对既有隧道的干扰效果，采用了岩土离心试验系统进行了离心模型试验。在试验中，考虑了非对称基坑开挖的装卸过程以及基坑与隧道的相互作用，结合卸载-再装过程的桩-土-隧道荷载传递机制，分析了不同开挖步骤和荷载施加对既有隧道位移和力的影响。结论表明，基坑开挖会引起明显的地层损失，隧道在非对称卸荷作用下会上浮并发生偏斜。基坑的初始开挖对隧道的干扰较小，但随着开挖深度的增加，扰动效果将逐渐增大。在基坑中心线附近的左隧道的扰动效果更强。胡欣[6]为了探讨基坑开挖过程对既有隧道内力和变形的影响，室内模型试验模拟了截面弯矩，土压力和直径的变化。现有隧道在三种工作条件下。同时，比较分析了各种工况下隧道的内力和变形特性。结论是基坑的开挖将使现有隧道段的纵向弯矩变小，而横向弯矩变大，从而导致现有隧道的横向直径增大，纵向直径在基坑开挖过程中，现有隧道横向土压力的减小导致横向内径的增加和纵向土压力的增大，从而导致隧道段的纵向内径的减小;隧道的埋深越大，开挖影响隧道结构的弯矩和位移就越小;基坑的水平间距越小，弯矩和受基坑开挖影响的隧道位移的变化越大。

4 隧道安全现场监测

隧道的安全服役离不开安全监测和预警，地铁隧道具有狭长、曲线、隧道内管线设备众多等特点，许多学者通过三维激光扫描、分布式光纤、测量机器人監测等技术对隧道进行变形监测。目前，研究者利用自动化监测系统对隧道影响区分进行实时监控，自动监测系统发出警报后，基坑工程立即停止施工，增加监测频率，隧道监测预警等级划分如表1所示。

沈雯[7]等通过进行现场环境监测获取了地铁交通车站及区间隧道在邻近超深基坑分区开挖下的变形响应数据，并对该监测系统数据展开了我们深入的分析和研究。结果表明，地铁站在开挖基坑时出现凸起变形，相邻地铁站两侧的间隔隧道出现沉降变形。同时，地铁站和区间隧道在基坑方向上产生水平位移，间隔隧道在横向产生水平拉伸，基坑挖掘对地铁站和间隔隧道的影响大于地铁站和间隔隧道的基坑开挖横向放电效果，在基坑的挖掘过程中，地铁站的上下区域大于下线间隔，导致地铁站整体向基坑倾斜。段清超[8]在研究三维激光扫描技术在隧道变形监测中的应用时，给出了一种适用于隧道数据采集的多站共用靶标连续拼接法。研发了适用于复杂环境的运营阶段隧道变形实时监测系统，对自动监测数据和人工监测数据进行了比较，检查和分析，以验证其准确性。根据隧道变形的特点，陈丽佳[9]利用光纤光栅传感技术对隧道安全进行监测和预警，为隧道的安全运行提供了全新的技术保证。靳羽西[10]采用多台测量机器人，结合多台测量机器人的ATR功能，无线通信技术，计算机技术，物联网技术等，通过多台测量站的联合测量调整，实现了自动监测。基于多个测量机器人系统的地铁隧道监测，弥补了传统测量方法效率低，数据反馈滞后等缺点，克服了一站式测量无法长期监测的缺点。距离地铁隧道。它满足了地铁隧道的统一，实时，高效和高精度监控。根据CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》技术标准。规范中对城市轨道交通结构安全控制指标做出了具体要求，可作为确定隧道的容许变量依据，具体如表2所示。

5 总结与展望

（1）基坑开挖时空效应。地下建筑工程位置信息比较分析复杂，基坑开挖与运营隧道不同空间位置的影响还没本文总结近年来国内外关于深基坑开挖对邻近运营隧道变形影响的研究成果，在此基础上提出以下研究问题和有系统的研究。

（2）理論与模型进行实验研究。现有相关理论问题分析均考虑了不同环境因素对隧道的影响但公式复杂难懂，工程实用性不高，对公式的简化修正需要进一步发展扩展。现有的实验只能作为辅助研究，离心实验的开发和应用需要进一步的研究和发展。

（3）降水和地下水对基坑开挖的影响。如何控制水对基坑的影响以及水渗流的多场耦合效应等影响因素是基坑工程发展的一大趋势。

参考文献

[1] 周泽林，陈寿根，涂鹏，等.基坑开挖对邻近隧道影响的耦合分析方法[J].岩土力学，2018，39（4）： 1440-1449.

[2] 沈国政，赵宏华，赵凯，等.深基坑开挖引起隧道纵向位移的Hermite差分法[J].地下空间与工程学报，2020，127（16）：337-344.

[3] 陈志伟， 缪海波. 深基坑开挖和降水对紧邻既有地铁隧道的影响[J].科学技术与工程，2019，499（19）：302-307.

[4] 陈辉，薛栩超，郭建刚，等. 基于不同软件模拟深基坑开挖变形的对比分析[J].南京工业大学学报，2020，203（42）：101-107.

[5] 张玉伟， 翁木生. 非对称基坑开挖对下卧地铁隧道影响的离心试验[J]. 岩土力学，2018， 39（7）：2555-2562.

[6] 胡欣. 模型试验模拟不同工况下基坑开挖对既有隧道的影响[J]. 路基工程， 2015（16）： 151-155.

[7] 沈雯， 沈蓉， 孙廉威.超深基坑分区开挖对侧方地铁影响的实测分析[J].地下空间与工程报，2019， 118（15）：358-364.

[8] 段清超， 刘涛.软岩隧道三维扫描变形监测技术的试验研究[J].隧道建设（中英文）， 2019（39）： 190-197.

[9] 陈丽佳.基于光纤光栅传感技术的电力隧道变形监测数据处理与精度分析[J].测绘地理信息，2020，209（45）：54-56.

[10] 靳羽西， 纪万， 坤孙立. 多台测量机器人监测系统在地铁隧道中的应用[J]. 北京测绘， 2020（34）： 40-44.