摘要
城市轨道交通的快速发展导致紧邻地铁隧道的基坑工程不断增加。为了保证紧邻基坑的地铁隧道的安全运营，本文以上海市紧邻地铁9号线的某基坑工程为例，采用理论解析和数值模拟相结合的方法，系统地研究了基坑开挖对紧邻地铁隧道的变形影响。本文的主要的研究内容及结论如下： 1、首先，本文总结了基坑开挖过程中土压力的分类及计算方法。其次，从地连墙变形、周边土体沉降和基坑底部隆起三个方面阐述了基坑开挖的变形机理。然后，分析了基坑开挖和降水引起紧邻地铁隧道变形的机理。最后，从基坑自身影响因素、隧道自身影响因素以及基坑-隧道之间影响因素三个方面总结了基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响因素。 2、本文基于Mindlin基础解推导出基坑开挖卸载对紧邻地铁隧道产生的附加应力,将地铁隧道简化为Pasternak地基上的Euler-Bernoulli梁，采用有限差分法及Matlab编程求解出紧邻地铁隧道的位移。 3、采用MIDASGTSNX有限元软件建立三维数值模型来研究基坑开挖对紧邻地铁隧道的变形影响。研究结果表明：地铁隧道的存在对临近一侧的地表沉降和地连墙水平位移有一定的抑制作用，基坑开挖完成之后，地铁隧道各个重要节点处的变形规律基本相同，呈“中间大、两端小”的抛物线型，其中最大水平位移、最大竖向位移分别发生在节点A处、节点C处。地铁隧道中心截面表现为水平拉伸、竖向压缩并绕轴线顺时针旋转一定角度的鹅蛋型。 4、基于单因素控制变量法研究分区开挖、支护结构参数、基坑-隧道相对位置、隔离桩参数、隧道加固参数等因素下基坑开挖对紧邻地铁隧道变形的影响，研究表明: (1)分区开挖可以有效控制基坑开挖范围之内的隧道水平位移，其中采用分六区开挖(开挖方式1)进行基坑开挖时的控制效果最好，隧道水平位移减小22.1%。由于地连墙施工对紧邻地铁隧道的竖向位移影响比较大，分区开挖对隧道的竖向位移控制效果不明显，分三区开挖对隧道竖向位移有抑制作用，分六区开挖反而会加大隧道竖向位移大小。 (2)地连墙的厚度改变对紧邻地铁隧道变形控制有显著效果。隧道水平位移随地连墙厚度的增加反比例减小，竖向位移随地连墙厚度的增加线性增加。地连墙的嵌固比对紧邻地铁隧道的变形控制效果不太明显。隧道水平位移随地连墙厚度的增加反比例减小，减小幅度远低于地连墙厚度的影响，隧道的竖向位移基本保持不变。 (3)基坑与隧道的相对位置关系决定了隧道的变形特征。当基坑-隧道之间的水平距离增加时，隧道的水平位移、竖向位移呈现指数型减小。当隧道埋深增加时，隧道的水平位移先增大后减小，呈“内凸”型，与地连墙水平变形趋势一致。 (4)采用无埋深隔离桩加固会对隧道水平位移产生不利影响。采用有埋深的隔离桩加固可以有效地控制隧道的水平位移。当隔离桩桩顶埋深小于隧道顶部埋深时，隔离桩对隧道水平位移的控制效果随隔离桩桩顶埋深的增加而逐渐加强，并且随着隔离桩与隧道距离的增加逐渐减弱。 (5)仅仅改变盾构隧道的刚度对隧道水平位移及竖向位移的控制收效甚微。通过在隧道外部进行注浆加固可以有效控制隧道的水平位移及竖向位移，当加固土体厚度大于0.5m时，继续增大加固土厚度对隧道位移的控制效果十分有限。
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