论文总字数：29699字

摘 要

随着我国各大城市的快速扩张城市用地形势愈加严峻，新建工程也越来越多的着眼于地下空间的开发利用，如地下交通工程、地铁隧道、高大建筑物地下室等地下结构。然而当在城市中有基坑工程兴建时，就很有可能在基坑附近或下卧区域有地铁隧道存在。这就要求我们在进行基坑设计和施工时不仅要关注基坑的强度安全问题，更需要格外研究基坑开挖兴建对周围建筑物（如地铁隧道）产生的影响。本文以苏州星港街隧道基坑工程为例， 利用有限元软件Midas GTS建立了基坑开挖过程的三维有限元计算模型，以此来分析基坑开挖对下卧隧道的变形影响规律，并主要做出了如下工作：

(1) 总结了目前国内外基坑开挖对于下卧地铁隧道变形影响的研究现状，由此提出了本文的主要研究内容和研究方法。

（2）总结了会引起地铁隧道竖向变形的各种因素，以文以弹性地基梁法为理论基础，简述了下卧隧道在竖直方向上的位移计算公式。

（3）以星港街隧道工程基坑开挖为背景，利用有限元软件Midas GTS建立了三维有限元计算模型。从基坑整体分层开挖、划分为各个小基坑分块开挖两方面分析了基坑开挖对下卧苏州地铁1号线的变形影响规律。数值模拟结果分析发现：

① 基坑开挖会引起整条盾构隧道发生上浮现象，基坑开挖深度增加会引起下卧隧道竖向位移不断增大；

② 隧道拱顶处竖向位移最大，拱底处的竖向位移最小，整个隧道截面会发生不可忽视的变形；基坑开挖对于下卧区段的隧道影响最大，而开挖范围以外的盾构隧道影响会逐渐减小；

③ 当基坑开挖采用分块施工时，由于基坑空间效应的影响，隧道各点的竖向位移较整体开挖时明显减小，改变基坑开挖方式是减小下卧隧道的变形的有效方法之一。

（4） 从基坑开挖方式、地质条件、隧道结构三方面总结了下卧地铁隧道的保护措施。

关键词:基坑开挖；下卧隧道；竖向位移；分块开挖；有限元

Abstract

With the rapid expansion of big cities in China,we realize the situation of construction space is more and more severe. Therefore,the new construction pays more attention to the utilization of underground space,such as underground traffic engineering, subway tunnel, tall building basement or other underground structures.However,if the foundation pit engineering is located in the area of downtown district,it is likely that there is the metro tunnel next to or below the foundation pit.So when it comes to the design and construction of foundation pit,it requires us not only to focus on the strength of the security problem of foundation pit excavation,but also to take the effect on the surrounding constructions(such as metro tunnel) into consideration.Take the excavation of Suzhou Xinggang Street tunnel foundation pit as an example,establishing a three-dimensional numerical calculation model with the using of finite element software Midas GTS.Analysis the underlying metro tunnel deformation effected by excavation,the main contents of this paper are as follows:

(1)Summarizing the current domestic and foreign research status about the effect on metro tunnel deformation by the foundation pit excavation , thus propose the main research contents and research methods in this paper.

(2)Summarizing the various factors will cause the vertical deformation of the subway tunnel,and according to the elastic foundation beam method,analysis the calculation method about the vertical displacement of metro tunnel.

(3)As the background of Xinggang Street foundation pit engineering in Suzhou,establishing a three-dimensional numerical calculation model with the using of finite element software Midas GTS,analyzing the vertical deformation of the tunnel by the effect of the whole excavation or excavation in block.The numerical results showed that:

①the excavation of foundation pit caused vertical displacement of the shield tunnel;The of underground tunnel will increase as the increase of excavation depth;

②The top of tunnel is the largest vertical deformation,as well as the bottom of tunnel is the smallest vertical deformation,the section of shield tunnel is obviously changed.The deformation of the tunnel under the foundation pit is much larger than the tunnel beyond foundation pit.

③Compared to the whole excavation,excavation in block could reduce the displacement of tunnel,so the selection of excavation form is a rather important way to control the deformation of underground tunnel.

（4）Summarizing the protective measures of the metro tunnel in the excavation, geological condition and tunnel structure in three aspects.

Keywords:excavation of foundation pit;underground tunnel;vertical displacement

excavation in block;finite element.

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1深基坑开挖引起的回弹变形研究现状 1

1.2.2 深基坑开挖对下卧地铁隧道的影响研究现状 2

1.2.3基坑开挖对下卧地铁隧道影响的主要研究方法现状 3

1.3 本文的主要内容和研究方法 5

1.3.1 主要研究内容 5

1.3.2 研究方法 6

第二章 工程概况 7

2.1 地理位置 7

2.2 工程概况 7

2.3 建设场地岩土工程条件 8

2.3.1 地质条件 8

2.3.2 基坑设计方案 8

2.4 隧道允许变形 9

第三章 基坑开挖对下卧地铁隧道影响机理分析 10

3.1 隧道竖向变形影响因素 10

3.1.1 施工阶段的影响 10

3.1.2 隧道下卧土层的不均匀性 10

3.1.3 基坑开挖对邻近隧道的影响 10

3.1.4 隧道运营期间的影响 11

3.2 下卧隧道的竖向变形计算方法 11

第四章 数值模拟原理与Midas GTS的介绍 13

4.1 有限单元法 13

4.1.1 有限单元法介绍 13

4.1.2 有限单元法的实现过程 13

4.2 有限元软件Midas GTS 15

4.3 本文选用的本构模型 16

第五章 基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的数值模拟分析 17

5.1有限元数值模型建立 17

5.1.1 本模型选用的工程概况 17

5.1.2 Midas GTS软件建模说明 18

5.1.3 土体与结构材料参数 18

5.1.4 计算模型的建立 19

5.1.5 施工阶段工况定义 20

5.2 数值模拟计算结果分析 21

5.2.1 土层开挖时整体隧道的竖向位移云图 21

5.2.2 基坑下卧区段内隧道各点的竖向位移 22

5.2.3 隧道竖直位移结果分析 24

5.3 基坑开挖方式对于隧道位移变形的影响研究 25

5.3.1 分块开挖模型的建立 25

5.3.2 数值模拟计算出的隧道竖向位移值 27

5.3.3 基坑分块开挖对隧道变形影响的结果分析 30

5.4 本章小结 31

第六章 地铁隧道的保护措施建议 32

6.1 基坑开挖的保护措施 32

6.2 地基处理措施 32

6.3 隧道结构加强措施 33

第七章 结论与展望 34

7.1 结论 34

7.2 展望 34

参考文献 36

致谢 38

第一章 绪论

1.1研究背景

近几年随着我国各大城市开始大规模利用地下空间工程，在既有地铁隧道上方开挖基坑工程的工程情况越来越多，比如隧道工程、高大建筑物地下结构、地下人防工程等基坑工程的修建。所以我们在进行基坑设计时不仅要关注基坑的强度安全问题，更需要格外研究基坑兴建对周围建（构）筑物的产生的影响。由于基坑开挖的卸荷作用，引起的土体卸载，必然会引起基坑底部发生隆起、基坑挡墙后的土体发生侧向位移和基坑周围的土体沉降等，进而对下卧地铁隧道的周围土体产生影响，引起地铁隧道的衬砌等结构发生竖向和水平向位移，隧道的整体截面发生变形，甚至出现了隧道盾构管片部分碎裂、接缝间地下水渗入等安全问题。因此，我们在兴建基坑工程时应将其与周围环境的相互作用作为一个整体来考虑，而不是仅仅关注基坑开挖过程中的强度等安全问题。在总结地铁工程控制标准与保护技术的基础上，以苏州星港街隧道明挖深基坑对下卧近距离地铁区间隧道的影响为案例，通过有限元分析方法和隧道实际监测手段综合分析了基坑开挖对地铁隧道的影响。

本文依托于星港街隧道明挖深基坑对下卧近距离地铁区间隧道的影响，结合苏州星港街隧道场地水文地质工程地质勘查报告，开展现场调研及跟踪测试工作，对星港街基坑工程及区间隧道工程监控量测资料进行分析，总结既有下卧地铁隧道的变形规律；且根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》要求：地铁隧道变形曲线的曲率半径R≥15000米，隧道相对弯曲≤1/2500，工程施工对隧道的附加最大变形≤10mm等规定，对于营运地铁隧道的变形有着严格的控制标准。因此研究基坑开挖作用对于下卧营运地铁隧道的影响对于工程界有着重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1深基坑开挖引起的回弹变形研究现状

国外的研究者最早对深基坑开挖引起的土体卸荷回弹变形做出了相关方面的研究，Terzaghi等在20世纪30、40年代就已经发现土体开挖的范围越大所引起的土体回弹量就越大。Bjierrum和Eide分析了基坑开挖引起的土体卸荷作用对于基坑底板向上隆起量的计算方法。从80年代起，土木工程中各种深大基坑开始出现，工程界对于基坑兴建所引起土体回弹方面的经验也愈加丰富，越来越多的基坑修建标准规范应运而生。

日本《建筑基础构造设计基准》推荐采用分层总和法计算基坑隆起回弹量：

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