基坑開挖對鄰近地鐵隧道結構的影響規律分析

常曼 陸航

摘要：目前對于基坑開挖施工作業對地鐵隧道結構的影響往往基于單個工程案例及以往案例的總結，臨近距離、地層土質情況、開挖深度等對隧道結構的影響規律并不明確。文章以南京地鐵保護區內某基坑項目為例，采用有限元分析法，分析了不同基坑與地鐵線路的距離、基坑開挖深度、地質條件等影響因素下的地鐵隧道結構位移、變形情況，全面總結基坑開挖對鄰近地鐵隧道結構的影響規律。

關鍵詞：地鐵保護區;基坑開挖;有限元分析;隧道位移;隧道變形

中圖分類號：U459.9 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.028

文章編號：1673-4874（2019）10-0096-05

0引言

近年來，地鐵等地下設施的建設在我國各大城市相繼開展。由于地鐵一般都修建于繁華市區，周圍高樓林立，其存在是市區其它工程修建一個不可忽略的因素。因此，有必要就近接工程的施工對已存在地鐵隧道的影響作一定的分析。國內外在此方面的研究均有先例，文獻中劉晨和張季超研究了基坑開挖對下方地鐵隧道的影響;文獻中李進軍和王衛東對緊鄰地鐵的基坑設計經驗進行了總結。但是，上述論文均基于單一的外部情況，沒有對各種施工條件下的土層位移進行比較和總結。本文以南京地鐵保護區內某基坑工程的施工為例，分析了不同工況、不同土層下基坑開挖對隧道的影響，并采用了有限元軟件模擬分析隧道土層的位移狀況，與現場實測狀況作比較，對相似工程的施工有一定的參考價值。

1研究背景及意義

近年來，在地鐵保護區內頻發地鐵結構安全事件，特別是深圳市去年連續發生幾起地勘施工擊穿隧道盾構結構事件，亟需對地鐵保護區內的施工加強監管。在各類型外界施工作業中，對既有地鐵隧道結構影響最大的要屬基坑施工。基坑土方開挖時，土體卸荷可能引起的坑后土體位移，對鄰近基坑的地鐵隧道結構穩定性勢必產生較大影響。根據地質條件、開挖深度以及與周圍既有建（構）筑物的位置關系等實際條件，優化基坑開挖方案，才能避免后期因基坑開挖造成地鐵隧道結構位移及變形。

目前，不同工況的基坑開挖施工對地鐵隧道結構變形及位移產生的影響規律，尚未形成權威性的量化標準。本文以南京地鐵保護區內某基坑項目為原型，采用有限元分析法，分析了不同基坑與地鐵線路的距離、基坑開挖深度、地質條件等影響因素下的地鐵隧道結構位移、變形情況，全面總結基坑開挖對鄰近地鐵隧道結構的影響規律。

2 南京地鐵保護區內某基坑項目概況

南京地鐵二號線保護區內某基坑項目，由于面積較大、開挖深度深，為控制基坑開挖過程中對南京地鐵二號線盾構隧道的影響，確保地鐵隧道結構安全，將該工程分為I區、Ⅱ區、Ⅲ區和Ⅳ區基坑進行分塊、錯時開挖。由于該區段盾構隧道夾在I區基坑和Ⅲ區基坑中間，且距離較近，綜合考慮該區域淤泥質粉砂黏土易沉降的特性，安排I區和Ⅱ區基坑先進行開挖，Ⅲ區和Ⅳ區基坑在I區基坑開挖至坑底后再進行開挖。

該工程與地鐵隧道位置關系：本基坑結構外邊線距地鐵二號線區間最小距離約為15.0m，對應二號線上下行線里程約為K3+428-K3+855，長度為427m。與地鐵豎向關系：I、Ⅲ區基坑坑底低于隧道頂部2.15-4.25m，Ⅱ、Ⅳ區基坑坑底低于隧道頂部0.65-2.75m。基坑、隧道與土層位置關系如圖7所示。

3 基坑開挖有限元建模

由于該基坑項目實際尺寸較大，本文使用巖土工程有限元分析軟件Plaxis8.2，僅選取距離地鐵隧道結構最近的西側I區基坑為原型，對該項目的開挖施工進行建模，模擬搭建了一個坑底長100m、基坑外側深度為60m的二維模型（如圖2所示）。為簡化模型，將基坑模型土層分為兩層，上層為淤泥質粉質黏土層，下層為粉砂土層。對于基坑內的土體應考慮其塑性變形，選擇采用Mohr-Coulomb彈塑性材料對土層進行參數設置。同時在基坑中以彈性材料設置地連墻及四道支撐為基坑支護結構，均采用Plate結構單元。土層、基坑支護結構及隧道結構相關參數均按照工程實際參數設置。

3.1模型驗證

根據實際I區基坑開挖施工完成時間，提取I區基坑開挖施工期間隧道結構自動化監測數據與有限元分析模擬數據進行對比（見表1）。

對比兩組數據可知，數值雖存在一定差異，但總體偏差量較小。其中垂直位移差異較大，應考慮實際施工過程中存在降水的情況。通過比對前文隧道位移、收斂變化分析圖表，可以明確，模擬數據與實際監測數據變化趨勢相同。由此可知，基本工況模型計算所得出的隧道結構位移、變形等相關數值研究結論，對實際工程設計是具有參考和指導意義的。

3.2 不同基坑開挖工況

由于隧道所處的土層為淤泥質粉質黏土，隧道下的地層為粉細砂地層，重點對土層參數、基坑與隧道結構的距離進行變化，對比分析不同工況下，基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道結構的影響。以下列舉了31種工況進行建模計算，參數明細見下頁表2。

對以上基坑開挖工況進行建模，通過模擬開挖過程，計算隧道位移量、收斂量以及內力變化等數值，為研究基坑開挖施工對隧道結構位移及變形的影響，提供所需相關數據。

4 不同工況下基坑開挖對地鐵隧道結構的影響規律分析

對隧道結構變形的分析可分為整體位移和結構變形兩部分，根據模型可取拱腳點（A）、道床點（C）、水平直徑右端點（B）、水平直徑左端點（D）（如圖3所示）4個監測點來對隧道結構變形情況進行分析。其中，水平位移取B點進行分析，垂直位移取A點進行分析，水平收斂取B、D點距離進行分析，豎向收斂取A、C點距離進行分析。

4.1基坑開挖分步分析

通過對各層開挖后的位移矢量圖（如圖4所示）進行分析可知，在基坑開挖1-4層時，隧道與土體位移量相同，向上和向右的力作用明顯;基坑開挖5-10層時，土體位移變化量較大，隧道位移變化量平穩遞增;基坑開挖至11層時，土體位移變化量開始減小，隧道不再發生位移。

通過對四個監測點的數值進行分析可知，該模型在進行基坑分層開挖時，由于隧道右側基坑的土體不斷卸載，產生土體隆起。由于盾構隧道位于該基坑左下方，隧道結構受到向上和向右的土壓力，致使隧道產生向右水平位移及向下垂直沉降。在分層開挖過程中水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂、彎矩的數據均不斷增加，可知隧道的位移和變形值與開挖深度呈正比。

4.2 不同基坑與隧道結構水平距離，對隧道結構的影響分析

通過對工況1至工況7（參數見表2）進行模擬基坑開挖計算，分析不同基坑與隧道結構的水平距離，對隧道結構產生水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂的影響（如圖5所示）。

由圖5可知，基坑開挖與隧道結構水平距離的遠近，直接影響隧道水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂、彎矩的變化。基坑與隧道結構距離越遠，隧道位移、收斂和彎矩的變化越小，隧道總體產生水平向右位移，垂直沉降，水平擴張和豎向收縮，呈橫橢圓變形。

4.3 基坑開挖對不同地質條件下隧道結構的影響分析

通過對工況8至工況31（參數見表2）進行基坑模擬開挖計算，將隧道所處地層的土質分為4種不同參數（見表3）。分析不同土質條件中，基坑開挖施工對隧道結構位移、變形的影響規律。

通過四個監測點的數據，分析開挖對隧道結構水平位移量、垂直位移、水平收斂、豎向收斂的影響。（如圖6-9所示）

由圖6-9可知，隧道所處地層的土質參數的差異，對隧道結構的變形及位移有一定影響。當隧道所處土質的彈性模量、粘聚力、內摩擦角越大時，隧道位移、收斂及彎矩變化都較小。隨著基坑開挖深度的增加，隧道總體呈水平向右、垂直下沉的位移趨勢，隧道形態發生了水平擴張、豎向收斂的橫橢圓變形趨勢。土質的彈性模量、粘聚力、內摩擦角等參數，決定了土質的承載力，參數值越大，土質承載力越大，基坑開挖施工時對隧道結果的影響就越小。但當基坑與隧道結構距離較遠時，土質參數的大小對隧道結構變形產生的影響就會降低。

5 結語

本文以南京地鐵保護區內某基坑工程項目為例，通過使用巖土工程有限元軟件，對31種不同工況分類分析，詳細探討基坑分步開挖、基坑與隧道結構距離、隧道所處地層的土質性質對隧道結構安全的影響，進一步明確軟土地質地鐵保護區內，近距離、開挖較深的基坑開挖施工對地鐵結構造成較大的安全隱患。通過對有限元模型數據進行分析，得出如下結論：

（1）隨著基坑開挖深度的不斷增加，當基坑開挖深度未達到隧道頂部埋深時，隧道結構位移、變形量受基坑開挖施工影響較小;當基坑開挖深度接近隧道頂部埋深時，隧道結構位移、變形量受基坑開挖施工影響變大;當基坑開挖深度超過隧道中心埋深時，隧道結構位移、變形量受基坑開挖施工影響逐漸減小。

（2）基坑與隧道結構距離較近時，基坑開挖對隧道結構位移、變形量影響較大，隨著基坑與隧道結構距離的不斷增大，影響也隨之減小。當基坑與隧道結構距離50m左右時，基坑開挖對隧道結構位移、變形量影響很小。

（3）當隧道所處土質的彈性模量、黏聚力、內摩擦角越大時，隧道位移、收斂變化都較小。相較之下，在淤泥質粉質黏土地質中的隧道結構極易受到鄰近基坑施工的影響，在施工時對地鐵結構實施監測十分重要。在實際施工時，應通過對隧道結構實施高頻次監測來控制施工過程中對隧道造成的不良影響。