基坑開挖對鄰近既有隧道結構變形影響監測技術研究

摘" 要：為保證基坑開挖期間鄰近隧道結構的安全，該文分析基坑開挖對鄰近隧道變形的影響機理，以某商業建筑物的深基坑為研究對象，分析隧道變形的監測原則、監測方案（測點布置、監測頻率、預警標準）等，并隨隧道結構不同位置的拱頂位移和側墻位移監測結果進行分析。隨后，利用有限元軟件Midas/GTS建立計算模型，來驗證隧道變形的監測結果，研究成果可為類似項目的監測提供一定的借鑒。

關鍵詞：基坑開挖；隧道變形；影響機理；變形監測；有限元

中圖分類號：TU753" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0104-04

Abstract： In order to ensure the safety of adjacent tunnel structures during foundation pit excavation， this paper analyzes the influence mechanism of foundation pit excavation on the deformation of adjacent tunnels. Taking the deep foundation pit of a commercial building as the research object， the monitoring principles and monitoring plans of tunnel deformation （measurement point layout， monitoring frequency， early warning standards） are analyzed， etc.， and the monitoring results of crown displacement and side wall displacement at different positions of the tunnel structure are analyzed. Subsequently， a calculation model was established using the finite element software Midas/GTS to verify the monitoring results of tunnel deformation. The research results can provide certain reference for the monitoring of similar projects.

Keywords： foundation pit excavation; tunnel deformation; influence mechanism; deformation monitoring; finite element

近年來，我國城鎮化不斷推進，建筑物及地鐵工程的建設規模不斷擴大。如果基坑距離既有地鐵隧道距離較近，其開挖時會破壞隧道周圍土體的應力平衡狀態，使土體的應力重分布，從而使隧道結構產生附加應力和變形（水平位移和豎向位移）[1]。在基坑開挖期間，不僅要保證基坑的穩定性，還要保證緊鄰基坑地鐵區間隧道的變形不能過大，以免影響地鐵正常運營。因此，進一步研究基坑開挖對鄰近既有隧道結構變形影響監測技術具有重要意義。

1" 鄰近基坑的隧道結構變形影響機理

基坑開挖對鄰近隧道變形的影響因素體現在基坑圍護結構、基坑開挖、基坑降水等方面，具體闡述如下。

1.1" 基坑圍護結構的影響

基坑施工圍護結構后，坑內土體因開挖不斷卸荷，使得圍護結構內、外的土壓力不同，推動圍護結構向基坑內部移動，引起隧道變形。在圍護結構內、外土壓力差相同的條件下，其剛度越大，抗變形能力越強，向基坑內部的移動距離越小，對隧道結構變形的影響也越小。如圍護結構剛度不足，可能導致隧道結構產生較大的變形[2]。

1.2" 基坑開挖的影響

在基坑開挖期間，坑底會因卸荷而隆起，使得基坑周圍土體進入屈服狀態。隨著基坑開挖深度的加大，土體塑性區會持續擴展，即受基坑開挖影響的土體范圍越來越大。當塑性區擴展至隧道周邊，就會影響隧道結構的變形，如圖1所示[3]。一般情況下，基坑與既有隧道距離越近，基坑開挖對隧道結構變形的影響就越大。

1.3" 基坑降水的影響

對應地下水埋藏較淺的區域，基坑開挖前要先進行降水處理。根據土力學中的有效應力原理，地下水位下降后，基坑內外會因水頭差而產生滲流壓力，且基坑周圍土體的有效應力增大。滲流壓力和有效應力的增大會加快土體固結，使地表沉降，進而影響隧道結構的變形[4]。

2" 工程概況

2.1" 基坑方案

研究對象為某商業建筑物，其地上共32層，設置3層地下，總建筑面積約85 500 m2，地上建筑面積約61 500 m2，地下建筑面積約24 000 m2。建筑物的基坑結構的安全等級為一級，重要性系數為1.1。基坑面積約6 500 m2，基本呈矩形，尺寸為130 m×50 m（長×寬），基坑最大開挖深度約16.0 m，基坑支護采用“地下連續墻+內支撐+放坡”的方案，基坑周邊僅西側有主干路，道路下方為地鐵區間隧道穿過。地鐵隧道外徑為6.2 m、內徑為5.5 m，采用盾構法施工，中心線距離基坑邊緣15.5 m。

2.2" 工程地質

根據鉆探揭露，基坑場地內的巖土體類型豐富，自上而下分別為素填土、粉質黏土、全風化花崗巖、強風化花崗巖和中風化花崗巖，不同巖土體的特征和參數見表1。

2.3" 水文條件

基坑場地內的地下水以潛水～微承壓水為主，受大氣降水的下滲及相鄰含水層的側向滲透補給，并總體隨地形由北向南滲流、排泄。在勘察鉆探時，地下水初見水位埋深在4.05～6.30 m。在鉆探結束后48 h統一測得的地下水穩定水位埋深3.8～5.95 m。

GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》將基坑開挖的影響范圍劃分為3個區域：主要影響區、次要影響區、可能影響區。地鐵隧道距離基坑周邊的距離在0.7 H～2 H（H為基坑開挖深度）內，處于次要影響區，有必要對隧道變形進行監測[5]。

3" 隧道結構變形現場監測

3.1" 監測原則

通過對隧道結構變形的監測，基坑建設方和地鐵運營方能及時掌握基坑開挖對地鐵隧道的影響，并判斷地鐵工程的結構安全，對可能發生的事故提供及時、準確的預報，避免惡性事故的發生。為了實現上述目的，隧道監測時應堅持以下原則[6]。

一是及時性原則。基坑開挖后要按規范要求的監測頻率及時檢測，且采集的監測數據要及時處理。如果發現監測數據有異常，應及時向相關單位匯報，并查明原因，采取相應的預防措施。

二是可靠性原則。為了保證隧道監測數據的可靠性，要對測量儀器進行校準，所有測量儀器必須送專門機構檢測，檢定合格并在有效期內使用，且測量儀器要由經驗豐富的技術人員來測量。另外，隧道結構變形沉降觀測是一項長期性、系統性的觀測工作，應做到“五定”，即固定觀測人員、固定儀器、固定水準點和水準路線、固定觀測方法及固定觀測周期，以保證監測成果的可靠性。

三是經濟性原則。監測人員不可盲目布置測點，且監測斷面布置不可過于密集，以降低隧道結構的變形監測成本。

3.2" 監測方案

為了減少隧道結構變形監測工作對地鐵運營的影響，宜采用自動化監測技術，即各個測點安裝位移傳感器，并通過自動化監測系統來實時監測。

3.2.1" 測點布置

根據GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》及設計文件，該地鐵隧道結構監測拱頂位移、側墻位移、結構底板位移等。隧道每間隔20 m布置一個監測斷面，共15個監測斷面，且一個監測斷面布置4個測點，如圖2所示。在監測前，測點要穩固埋設、標識清楚，不得影響被監測對象的正常使用。

3.2.2" 監測頻率

隧道結構的變形監測頻率應結合基坑開挖進度確定。在基坑開挖初期，隧道監測頻率低。隨著基坑開挖深度的增加，隧道監測頻率可慢慢提高。如果基坑開挖期間有突發事件（比如存在勘察未發現的不良地質、地下水流動加快、基坑及周邊大量積水、長時間連續降雨和支護結構出現開裂等），要提高隧道的監測頻率。待隧道結構變形穩定后，可結束監測[7]。結合GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》及基坑自身特點，制定了隧道結構變形的監測頻率，見表2。

3.2.3" 預警標準

隧道結構可從變形速率和累積變形量2方面開展變形預警。當隧道結構的變形速率連續3天大于0.5 mm/d或累計變形量超過3.5 mm，監測人員應及時向基坑施工單位預警。施工單位人員應查明原因，并采取相應的保護措施。監測數據報警后，立即與項目監測負責人聯系，判斷可能存在的險情特征，對目前的變形情況提出合理化的施工技術措施或建議，放入監測報表中一并提交各方參考[8]。

3.3" 監測結果分析

基坑施工完成后，統計了隧道結構不同監測斷面的拱頂位移和側墻位移，見表3。

由表3可知：基坑施工結束后，該地鐵隧道結構的拱頂位移和側墻位移的最小值分別為0.36 mm和0.46 mm，最大值分別為1.39 mm和1.60 mm，均未達到表2的預警標準，說明基坑施工對隧道結構變形的影響在可控范圍內。同時，隧道結構的變形呈“中間大、兩側小”的分布趨勢，這是因為基坑距離隧道中間部位較近，使得基坑開挖引起的附加應力對隧道變形的影響大。

4" 有限元法驗證隧道變形監測結果

近年來，計算機技術不斷進步，可利用有限元軟件Midas/GTS建立基坑和隧道的仿真模型，對現場監測結果相互驗證。

4.1" 仿真模型建立

4.1.1" 假設條件

仿真模型難以完全還原基坑的真實情況，需作出以下假設：①基坑周圍巖土體是均勻連續的，應力應變關系符合摩爾-庫侖理論；②基坑土體開挖前，只考慮其在自重應力作用下的固結，不考慮地下水流動；③支護結構和周圍土體的變形是完全協調的，不考慮時間效應。

4.1.2" 幾何模型

根據彈性力學中的圣維南定理，Midas/GTS軟件計算基坑時，要考慮模型的“邊界效應”，即模型幾何尺寸不宜過小。結合工程經驗，幾何尺寸應為基坑尺寸的2～3倍，故該基坑幾何模型的尺寸取300 m×150 m×60 m（長×寬×深）。為了提高建模效率，可在CAD繪圖軟件中繪制出基坑和隧道的線條模型，再將其導入Midas/GTS軟件[9]。隨后，用正8面體實體單元來模擬巖土體，基坑范圍內的網格尺寸適當加密（尺寸取0.1 m），基坑周邊的網格尺寸可適當稀釋（尺寸取0.5 m）。最終，共劃分出10 256個單元、11 269個節點，如圖3所示。

4.1.3" 施工模擬

深基坑的施工劃分為5步，具體如下：平整場地，施工地下連續墻→開挖土體，施工第一道內支撐→開挖土體，施工第二道內支撐→開挖土體，施工第三道內支撐→內支撐達到設計強度后，開挖土體至基坑底。在Midas/GTS軟件中，可用“1”單元模擬基坑開挖，即開挖一層土體，將該層土體設置為“1”單元。另外，可用實體單元模擬地下連續墻，用柱單元模擬內支撐。

4.2" 驗證結果分析

利用Midas/GTS軟件計算了基坑開挖后，鄰近隧道結構的最大拱頂位移和最大側墻位移與監測值進行對比，如圖4所示。本文定義了“相對誤差”來驗證隧道結構變形監測值的準確性，計算方法如式（1）所示。一般情況下，相對誤差越小，說明監測值與計算值的誤差越小，監測結果的可靠性越高。

將圖4計算結果代入式（1），得到隧道拱頂位移的相對誤差為1.46%，側墻位移的相對誤差為1.23%，這說明隧道變形的監測值和計算值相差不大，可以相互驗證。

5" 結論

本文分析了鄰近基坑的隧道變形影響因素，以某商業建筑的深基坑為研究對象，分析了隧道變形監測要點，分析了監測結果，并利用有限元軟件對監測結果進行驗證，得到了以下結論。

1）基坑開挖會破壞隧道周邊巖土體的應力平衡，使其發生變形，具體變形量取決于基坑圍護結構、基坑開挖、基坑降水等因素。

2）隧道結構變形監測應堅持及時性、可靠性、經濟性原則，合理布置測點和監測頻率。如隧道變形速率連續3天大于0.5 mm/d或累計變形量超過3.5 mm，應及時預警。

3）隧道結構的變形呈“中間大、兩側小”的分布趨勢，變形量大小取決于距基坑位置距離。

4）為了驗證隧道監測結果的可靠性，可利用Midas/GTS軟件的計算值進行驗證。如計算值與監測值的相對誤差過大，應復核監測結果。

參考文獻：

[1] 吳冰，陳科技，翁天賜，等.鄰近基坑開挖對盾構隧道結構影響的精細化數值分析[J].寧波大學學報（理工版），2024，37（6）：10-19.

[2] 高洪赟，徐天涵，王志華，等.深基坑開挖對自身圍護結構及鄰近隧道的影響研究[J/OL].中外公路，1-14[2025-03-13].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1363.u.20240403.1818.004.html.

[3] 菅若涵，黃睿，許鋮嘯.杭州地區基坑開挖對鄰近既有盾構隧道影響的統計分析[J].土工基礎，2023，37（6）：982-986.

[4] 許國鋒.基坑開挖對鄰近既有隧道的影響研究[D].長春：吉林建筑大學，2023.

[5] 徐健.基坑開挖施工對鄰近既有隧道影響的機理及控制措施研究[D].南昌：華東交通大學，2023.

[6] 黃漢祥，楊東雷，曹生輝，等.基坑分塊大小對圍護結構變形的影響[J].建筑結構，2022，52（S1）：2520-2526.

[7] 楊東雷，李杰，曹生輝，等.深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響分析[J].建筑結構，2022，52（S1）：2554-2560.

[8] 鐘永.明挖隧道深基坑施工對鄰近既有隧道變形影響研究[D].北京：北京交通大學，2022.

[9] 許旭平，馮洪良.基坑施工對鄰近盾構隧道的影響分析[J].地基處理，2022，4（2）：153-160.