城市道路基坑開挖對臨近地鐵隧道影響研究

劉佩冬

摘要：研究深基坑開挖變形模式和破壞機理對城市地鐵隧道的影響。基于土體的莫爾庫侖剪切第3主應力破壞條件，通過MIDAS/GTS建立基坑開挖對臨近地鐵隧道的數值模型，控制基坑和地鐵隧道的位置關系，觀察預設觀測點的位移變化，得到基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響。結果表明：基坑開挖打破了原狀土層應力狀態是影響地鐵隧道的主要因素，即第3主應力的釋放;通過控制變量法控制基坑和隧道的位置關系L和L來觀測隧道斷面位移變化可為實際工程提供指導意義;隨著基坑與地鐵隧道間距的變化靠近基坑的觀測點B偏移量較大，并通過觀測發現加固基坑底部對控制臨近土體的偏移具有很大幫助;改變基坑和地鐵隧道豎向位移關系時，觀測點的豎向偏移較大而水平偏移較小，主要是由于基坑底部的卸荷引起的土層偏移。

關鍵詞：信息反饋;變形模式;地鐵隧道;數值模擬

中圖分類號：U417

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0133-05

Study on the influence of excavation of urban road foundation pit on adjacent metro tunnel

LIU Peidong

（Zhengzhou Road and Bridge Construction Investment Group Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China

）

Abstract：In order to analyze deep foundation pit excavation deformation mode and failure mechanism and the influence on urban subway tunnel， this paper is based on the Mohr Coulomb soil shear the third principal stress damage conditions， through the MIDAS/GTS excavation of adjacent metro tunnel numerical model is set up， control of foundation pit and the location of the metro tunnel relation， to observe the displacement of the preset observation point of change， figure out the influence of foundation pit excavation on adjacent subway tunnel is obtained. The results show that the stress state of the undisturbed soil layer is the main factor affecting the subway tunnel， that is， the release of the third principal stress. By controlling the position relationship L?and L?between the foundation pit and the tunnel with the control variable method， the displacement of tunnel section can be observed， which can provide guidance for practical engineering. With the change of the distance between the foundation pit and the subway tunnel， the offset of the observation point B?near the foundation pit is larger， and it is found through observation that strengthening the bottom of the foundation pit is of great help to control the migration of the adjacent soil. When the relationship between the vertical displacement of the foundation pit and the subway tunnel is changed， the vertical displacement of the observation point is larger and the horizontal displacement is smaller， which is mainly due to the soil layer migration caused by the unloading at the bottom of the foundation pit.

Key words：information feedback; deformation mode; subway tunnel; numerical simulation

隨著我國城市的不斷發展，城市地下空間開發和利用日新月異[1]，隨著基坑開挖深度的加深基坑周邊土體的破壞機理和變形模式越復雜，并對地鐵隧道等其他結構物造成很大的影響[2]。如何減小深基坑的開挖對地鐵隧道等其他結構物的影響是保證其安全運營的基礎。關于深基坑開挖對周邊環境的影響有學者研究分析了：注漿加固對深基坑與鄰近隧道作用的影響，并提出注漿加固聯合多樁分階支擋方案，其結構受力合理，變形能力強[3];超大深基坑開挖對臨近地鐵隧道變形的影響，通過工程實例研究深基坑與隧道的相互作用，可為工程提供一定的指導意義[4];深基坑開挖和降水對臨近地鐵隧道的影響，并進行不同工況的施工階段分析、應力滲流單向耦合分析、完全應力滲流耦合分析與實際監測結果的對比分析[5];深基坑與明挖隧道的結構受力與變形及水位變化的變形特征，通過測試數據驗證該變形控制方案設計的合理性[6]。城市地下空間的開發利用，迫切需要對深基坑變形機理和臨近環境的影響進行深入分析。

基于以上研究，為進一步分析深基坑開挖圍巖土體的破壞機理和變形模式，本文利用莫爾庫侖準則判斷圍巖提供的第3主應力破壞條件，并通過有限元數值模擬軟件建立基坑和地鐵隧道模型，在基坑開挖卸荷過程中觀察觀測點的位移變化，來研究基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響，可為相應工程提供一定的參考。

1深基坑變形模式及機理分析

在深基坑開挖過程中周邊土體及鄰近結構會發生變形，其主要的原因是深基坑開挖的卸荷作用，土體整體向卸荷的方向移動，深基坑和周邊土體變形大致有以下幾種形式：深基坑圍護結構端部內傾、深基坑圍護結構中部內傾和深基坑底部隆起[7-9]。

深基坑圍護結構的變形如圖1所示。在深基坑土體開挖后周圍土體失去了原有土體狀態，周圍土體具有向弱應力方向移動的趨勢;在圍護結構剛度滿足不了相應要求時，會發生向深基坑內部臨空空間的變形。根據深基坑橫向支撐的情況，會出現圍護結構端部內傾產生的半錐式土體沉降模式和圍護結構中部內傾產生的馬鞍式土體沉降模式[10-11]。

深基坑底部隆起變形如圖2所示。根據彈塑性變形理論，深基坑開挖深度較淺時底部容易發生彈性隆起，呈中部變形大兩側逐漸遞減趨勢。隨著開挖深度的加大及寬度的增加，坑底容易出現相連的馬鞍形變形，呈現出凹凸不平的坑底隆起現象[12]。

深基坑周圍土體發生變形主要是由于土體達到了屈服[10-11]，根據摩爾庫倫彈塑性準則，深基坑周邊的受力狀態為：

2工程背景及建模

2.1工程概況

鄭州市道路路面以下分別是粉質黏土6 m，重度為18 kN/cm，彈性模量為2e MPa，泊松比為0.35，粘聚力為20 kPa，摩擦角為25°。軟巖25 m，重度為25 kN/cm，彈性模量為2e MPa，泊松比為0.25，粘聚力為200 kPa，摩擦角為35°;軟巖以下是風化巖，工程不考慮地下水的影響。模擬采用H型樁厚度為0.3 m，重度為78.5 kN/cm，彈性模量為2.1e MPa，泊松比為0.3;襯砌厚度為0.5 m，重度為30 kN/cm，彈性模量為3.0 eMPa，泊松比為0.3。

基坑開挖深度為20 m，基坑采用鉆孔灌注樁或混凝土攪拌樁圍護，并結合立柱及截水帷幕聯合作用，立柱采用長為22 m的型鋼支撐。施工方法采用內支撐分層開挖方法。臨近的地鐵隧道處在基坑的一側，隧道管片外徑8 m，內徑5.5 m，隧道上部離地表的距離為L，隧道下部與基坑下部的橫向距離為L。基本位置關系如圖3所示。

2.2模型的建立

通過MIDAS/GTS建立模型時把各土層看成各向均勻，且變形不受重力的影響，支護結構采用相應的模型單元與土層看成一個整體。采用莫爾庫侖準則進行計算，橫軸方向邊界位移為零，下部豎直方向位移為零，模型整體受重力的作用（可取基坑周邊堆載10 kN/m）。模型的建立在深度方向和水平方向都取60 m，計算簡圖和數值建模圖形如圖4所示。在隧道四周布設A、B、C、D?4個測量控制點，用于觀測在基坑開挖過程中隧道的位移變形情況。

基坑開挖前隧道已施工完成且達到穩定狀態，基坑開挖可分為4個步驟：（1）土體施加重力荷載并設置位移清零;（2）施工至地下6 m處并設置橫支撐;（3）施工至地下14 m處并設置第2道橫支撐;（4）施工至基坑底部并制作底板。通過控制變量法控制隧道與基坑的相對位置，隧道上部離地表的距離為L和隧道下部與基坑下部的橫向距離為L。其中，隧道與基坑距離為4 m時，隧道底部和基坑底部豎向位置變化為4、2、0、-2和-4 m此5種情況;當隧道底部和基坑底部在同一深度時，它們之間距離控制為2、4、6、8、10 m此5種情況。在5種不同距離情況下隧道觀測點偏移隨基坑的開挖發生不同的變化，搜集相應變化數據并進一步研究分析。

3數值模擬結果與分析

3.1臨近隧道底部與基坑底部同深

當保持臨近隧道底部與基坑底部處在同一深度時，改變隧道與基坑的水平間距，觀察觀測點的水平偏移和豎向偏移量。其中，x軸表示基坑的4個開挖步驟，如圖5所示。

從圖5可以看出，在隧道底部和基坑底部處在同深情況下，改變隧道與基坑水平間距，基坑開挖對隧道的影響不同。當間距越大，水平偏移量越小;C點的水平偏移量最大。

基坑開挖對臨近土體產生豎向偏移影響。隨著基坑與隧道距離的減小，對豎向偏移影響逐漸增大;當基坑與隧道距離小于1.9 m時，基坑施工對隧道產生較大的影響。在基坑開挖過程中，觀測點B水平和豎向偏移都較大;同時基坑底部的偏移也隨著基坑的開挖偏移不斷變大。在基坑開挖過程中要對基坑底部采取加固措施能很好地控制臨近土體的偏移，減小對隧道的影響。

3.2改變基坑與鄰近地鐵隧道豎向位置

當保持臨近隧道與基坑相距4 m時，改變隧道底部與基坑底部的豎向位置為4、2、0、-2、-4 m此5種情況，觀察觀測點的水平偏移和豎向偏移量，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，當水平間距不變而改變豎向位置，其基坑底部與隧道底部豎向距離小于4 m，基坑開挖對隧道水平偏移產生較大影響;且A和B的水平偏移量小于C和D的偏移量。

保持基坑和隧道水平間距，改變豎向位置對觀測點的偏移量影響較小;觀測點A和B豎向偏移量大于C和D的偏移量，各點的偏移量隨著基坑與隧道豎向位置距離的增大而減小。基坑的開挖引起豎向偏移量大于水平偏移量，在保持基坑與隧道水平距離不變情況下，豎向位置距離超過4 m時，隧道豎向偏移量為15～17 mm，未超出限定值。

4工程監測數據分析

對鄭州市該深基坑工程進行現場變形監測，深基坑開挖深度20 m，分層分塊開挖，臨近隧道埋深17 m，相距10 m。在靠近隧道一側布設圍護樁頂觀測位移4個，經過數據搜集整理可得位移曲線，結果如圖7所示。

通過觀測數據可以發現，深基坑開挖后初期圍護結構發生向基坑內部的偏移，靠近隧道一側基坑中部偏移量大于邊緣部分，最大水平偏移量為3.24 mm。圍護樁發生了上浮位移，最大上浮量為20.24 mm，其主要原因為深基坑底部土體的回彈引起的。圍護樁的水平位移和豎向位移都沒有超過預警值，滿足工程施工要求。

5結語

基于鄭州市道路基坑開挖背景，分析基坑開挖變形模式及破壞機理，通過數值模擬軟件建立模型研究基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響，并通過工程監測分析，得到的主要結論為：

（1）莫爾庫侖第3主應力剪切破壞理論在深基坑開挖支護應用中是適用的，基坑開挖打破了原狀土層應力狀態是引起基坑變形和影響臨近地鐵隧道位移的主要因素;

（2）基坑的開挖對靠近基坑的觀測點B影響較大，加強圍護結構和加固基坑底部土層可有利于控制臨近土體的偏移。改變基坑和地鐵隧道豎向位移關系時，觀測點的豎向偏移量較大而水平偏移量較小，主要是由于基坑底部的卸荷引起土層的偏移所致。

【參考文獻】

[1]劉藝，朱良成.上海市城市地下空間發展現狀與展望[J].隧道建設（中英文），2020，40（7）：941-952.

[2]徐生鈺，宋錚，朱憲辰.中國城市地下空間資源的最優利用研究[J].地下空間與工程學報，2014，10（5）： 985-990.

[3]李楊秋，唐耿琛，劉建寧，等. 填土注漿加固對深基坑支擋結構與相鄰隧道的作用效果案例分析[J].隧道建設（中英文），2020，40（S2）：58-66.

[4]王利軍，邱俊筠，何忠明，等.超大深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響[J].長安大學學報（自然科學版），2020，40（6）：77-85.

[5]黃戡，馬啟昂，詹艷云.深基坑開挖降水對鄰近地鐵隧道的影響[J].公路工程，2018，43（2）：145-150.

[6]賴金星，田沖沖，邱軍領，等.明挖隧道深基坑受力與變形的現場測試分析[J].勘察科學技術，2015（4）：1-6.

[7]李淑，張頂立，邵運達.北京地鐵車站深基坑復合型變形模式下坑外深層土體位移場分析[J].北京交通大學學報，2020，44（4）：13-23.

[8]鄭剛，鄧旭，劉暢，等.不同圍護結構變形模式對坑外深層土體位移場影響的對比分析[J].巖土工程學報，2014，36（2）：273-285.

[9]宋獻華.某復雜環境下的深基坑支護設計及變形分析[J].勘察科學技術，2019（4）：29-36.

[10]魏綱，趙城麗.基坑開挖引起臨近地鐵隧道的附加荷載計算方法[J].巖石力學與工程學報，2016，35（S1）：?3 408-3 417.

[11]張紅勇.基坑開挖對臨近地鐵隧道力學性狀的影響研究[J].公路工程，2014，39（5）：286-289.