基坑施工对地铁隧道影响的模拟分析

尹铁锋，顾其波，高京生，宗文亮

(1. 宁波市轨道交通集团有限公司，宁波 315101；2. 杭州市公路管理局，杭州 310030)

基坑施工对地铁隧道影响的模拟分析

尹铁锋1，顾其波2，高京生1，宗文亮1

(1. 宁波市轨道交通集团有限公司，宁波 315101；2. 杭州市公路管理局，杭州 310030)

文章以宁波轨道交通某区间隧道旁基坑开挖为实际背景开展模拟探究，分析了地铁隧道位移和应力的变化规律，探讨了隧道--基坑水平净距、隧道埋深、基坑地连墙厚度、基坑钢筋混凝土支撑的尺寸、基坑坑底是否加固等因素对地铁隧道的影响。结果表明：随基坑开挖深度的增大，隧道位移和应力的最大值均呈增大趋势；各影响因素中，隧道--基坑水平净距和隧道埋深对隧道位移和应力影响较大；地铁隧道控制保护，应重点考虑基坑--隧道水平净距、隧道埋深及基坑开挖深度等因素。

地铁隧道；基坑；开挖；模拟

基坑开挖对邻近隧道的影响是隧道结构安全和地铁正常运营中的一个重要课题。随着我国城市轨道交通的大量建设和开通运营，该课题越发受到学术界和工程界的重视。

学者及工程师们就基坑开挖对邻近隧道的影响进行了一定的探索。张治国等[1]对上海地区一邻近地铁隧道的基坑工程进行了数值分析，探讨了不同施工步下隧道的沉降与水平移动。周建昆等[2]利用有限元方法对隧道在基坑施工过程中的变形进行了分析，并对基坑的开挖支护方案进行了复核。高广运等[3]模拟了基坑开挖对隧道结构的不对称变形，提出了坑外二次加固的新工艺。王卫东等[4]在考虑土方开挖时空效应的基础上，分析了基坑开挖卸载对地铁区间隧道的影响。刘国彬等[5]研究了隧道上方基坑开挖作用下的隧道抬升，提出了相应的控制方法。蒋洪胜等[6]基于邻近基坑的地铁隧道变形监测结果，探讨了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。但上述研究基本都是结合区域性土体进行，具有一定的局限性。

目前，宁波轨道交通已有2条线开通运营，5条线正在大力建设中，基坑开挖对邻近隧道的影响已成为地铁保护中一个亟待解决课题。本文基于宁波轨道交通某区间隧道旁基坑开挖实际工程，模拟分析了基坑开挖中地铁隧道的位移和应力，并探讨了隧道—基坑水平净距、隧道埋深、基坑地连墙厚度、基坑钢筋混凝土支撑的尺寸、基坑坑底是否加固等因素对地铁隧道的影响。对宁波轨道交通的隧道控制保护具有一定的指导意义。

1 工程概况

1.1 基本概况

拟开挖基坑由C1-6、C1-7两地块组成了超大型基坑，基坑平面形状均接近矩形，且南侧都存在大斜边，基坑总开挖面积为24 800 m2左右，设计深度在11.4～12.0 m。基坑南侧为地铁1号线，地铁隧道距基坑8～18 m，隧道埋深8.77～15.9 m。隧道及基坑平面位置关系如图1所示。

1.2 工程地质与水文地质

图1 基坑与地铁隧道平面位置关系图Fig.1 Relative positions of foundation pit and tunnel

基坑与地铁隧道地层为宁波典型地层，根据岩土工程勘察报告，场地工程地质与水文地质情况如表1所示。

表1 场地工程地质与水文地质概况Tab.1 Hydrogeological and engineering geological conditions

2 有限元模拟

2.1 模型的建立

选取图1中的A-A截面建立地铁隧道与基坑有限元模型，模型尺寸为宽120 m、深80 m，初始地下水位为-2 m。模型底面完全固定约束，侧面滑动约束（Ux=0，Uy自由），上表面为自由面。网格划分如图2所示，单元数为1 210，节点数为10 009，应力点数为14 520。

图3 不同开挖深度下的地连墙侧向位移图Fig.3 Lateral displacement of underground continuous wall with different excavation depth

土体采用HSS本构模型，土层基本参数如表1所示。隧道顶部埋深13 m，衬砌环管片外径为6.2 m，内径为5.5 m，厚35 cm。衬砌管片采用C50混凝土，弹性模量为3.45×107kPa，泊松比μ=0.2，EI=1.14×107kN.m2/m，EA=1.16×105kN/m。隧道离基坑围护结构距离为11.0 m，隧道与隧道之间的净距离为3.0 m。基坑采用直径950 mm的钻孔灌注桩（围护结构）+止水帷幕，为便于模拟将直径950 mm的钻孔灌注桩转换为800 mm后的地连墙，插入深度为26 m，EI=1.92×107kN.m2/m，EA=1.024×106kN/m。基坑采用两道钢筋混凝土支撑，第一道混凝土支撑截面为900 mm×900 mm，第二道混凝土支撑截面为900 mm×1 000 mm。第一道钢筋混凝土支撑位于地面下2 m处，第二道钢支撑位于地面下7 m处。基坑坑底土体采用水泥土搅拌加固。

2.2 主要施工步骤的模拟

（1）步骤一：基坑外侧土体加20 kPa的超载；（2）步骤二：开挖隧道，激活隧道衬砌，去除隧道土体，将隧道设置成“干类组”；（3）步骤三：设置2%的隧道收缩率；（4）步骤四：激活围护结构；（5）步骤五：开挖土体到地面下2 m位置；（6）步骤六：加设第一道钢筋混凝土支撑；（7）步骤七：开挖土体到地面下7 m位置；（8）步骤八：加设第二道钢筋混凝土支撑；（9）步骤九：开挖土体到坑底（地面下10.6 m）位置。

图4 基坑开挖至2 m时地铁隧道位移Fig.4 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 2 m

图5 基坑开挖至7 m时地铁隧道位移Fig.5 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 7 m

3 结果及分析

选取基坑地连墙侧移与靠近基坑侧隧道的位移、应力进行分析。

3.1 地连墙侧移

图3所示为基坑地连墙侧移随基坑深度的变化曲线，由图可知：随着深基坑开挖深度的增大，地下连续墙的水平位移不断增大，其沿深度的变化呈大肚状，水平位移最大值均出现在开挖面附近。本文虽没有地连墙侧移的监测数据进行对比，但模拟曲线的形状及趋势均符合常见采用多道支撑围护的变形规律，在一定程度上表明了本文模拟的准确性。

3.2 隧道位移

（1）开挖到2 m时的隧道位移。基坑开挖到地下2 m位置，围护结构向坑内倾斜，坑外土体跟随围护结构倾斜，隧道向基坑侧产生位移，隧道位移如图4所示。由图可知：隧道最大总位移为2.81 mm,最大水平位移为1.86 mm，最大垂直位移为2.26 mm。

（2） 开挖到7m时的隧道位移。基坑开挖到地下7m时，隧道位移如图5所示，由图可知：隧道最大总位移为31.31mm，最大水平位移为20.62mm，最大垂直位移为24.18mm。

（3） 开挖到10.6 m时的隧道位移。基坑开挖到地下10.6 m时，隧道位移如图6所示，由图可知：隧道最大总位移为74.78 mm，最大水平位移为47.21 mm，最大垂直位移为59.67 mm。

图7所示为不同基坑开挖深度下的地铁隧道最大位移对比图，由图可知：随着基坑开挖深度的增大，地铁隧道总位移、水平位移和垂直位移的最大值均增大。

3.3 隧道应力

（1）开挖到2 m时的隧道应力。基坑开挖到地下2 m时，隧道应力如图8所示，由图可知：隧道最大弯矩为103.93 kN.m/m，最大剪力为68.04 kN/m，最大轴力为909.94 kN/m。

（2） 开挖到7 m时的隧道应力。基坑开挖到地下7 m时，隧道应力如图9所示，由图可知：隧道最大弯矩为186.84 kN.m/m，最大剪力为120.56 kN/m，最大轴力为936.72 kN/m。

（3）开挖到10.6 m时的隧道应力。基坑开挖到地下10.6 m时，隧道应力如图10所示，由图可知：隧道最大弯矩为244.09 kN.m/m，最大剪力为159.24 kN/m，最大轴力为956.44 kN/m。

图6 基坑开挖至10.6 m时地铁隧道位移Fig.6 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 10.6 m

图7 不同基坑开挖深度下的地铁隧道最大位移Fig.7 The maximum displacement of tunnel with different excavation depth

图8 基坑开挖至2m时地铁隧道应力Fig.8 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 2 m

图9 基坑开挖至7 m时地铁隧道应力Fig.9 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 7 m

图11 所示为不同基坑开挖深度下的地铁隧道最大应力对比图，由图可知：随着基坑开挖深度的增大，地铁隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均呈现增大趋势。

图10 基坑开挖至10.6 m时地铁隧道应力Fig.10 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 10.6 m

4 影响因素分析

基坑开挖对邻近隧道的影响大小主要取决于隧道--基坑水平净距、隧道埋深、基坑地连墙厚度、基坑钢筋混凝土支撑的尺寸、基坑坑底是否加固等因素。本节基于上文有限元模型依次分析各因素对隧道位移和应力的影响。

4.1 隧道--基坑水平净距

为研究隧道--基坑水平净距对地铁隧道的影响，依次模拟水平净距离为3 m、7 m、11 m、15 m、19 m时靠近基坑侧隧道的情况，并进行对比分析。

（1）隧道位移。图12所示为基坑最大水平位移与隧道--基坑水平净距的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着水平净距的增大，隧道最大水平位移均减小。基坑开挖深度增大，隧道最大水平位移随水平净距增大而减小的速率也增大。当开挖深度为10.6 m时，水平净距由3 m增大到19 m，隧道最大水平位移由62.11 mm减小到30.32 mm，减小了51.2%。

图11 不同基坑开挖深度下的地铁隧道最大应力Fig.11 The maximum stress of tunnel with different excavation depth

图13 所示为基坑最大垂直位移与隧道-基坑水平净距的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着水平净距的增大，隧道最大水平位移均减小。基坑开挖深度越大，隧道最大垂直位移随水平净距增大而减小的速率呈增大趋势。当开挖深度为10.6 m时，水平净距由3 m增大到19 m，隧道最大垂直位移由69.19 mm减小到41.23 mm，减小了40.4%。

（2）隧道应力。图14所示为基坑开挖至10.6 m时隧道应力与隧道-基坑水平净距的关系，由图可知：随着水平净距的增大，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均缓慢减小。以弯矩为例，水平净距由3 m增大到19 m，隧道最大弯矩由269.83 kN.m/m减小到209.45 kN.m/m，减小了22.4%。

图12 不同水平净距下的隧道最大水平位移Fig.12 The maximum horizontal displacement of tunnel with different horizontal clearance

图13 不同水平净距下的隧道最大垂直位移Fig.13 The maximum vertical displacement of tunnel with different horizontal clearance

图14 基坑开挖深度10.6m时不同水平间距下的隧道最大应力Fig.14 The maximum stress of tunnel with different horizontal clearance when the foundation pit excavated to 10.6 meters

图15 不同隧道埋深下的隧道最大水平位移Fig.15 The maximum horizontal displacement of tunnel with different tunnel depth

4.2 隧道埋深

为研究隧道埋深在基坑开挖时对地铁隧道的影响，依次模拟隧道埋深为7 m、10 m、13 m、16 m、19 m时靠近基坑侧隧道的情况，并进行对比分析。

（1） 隧道位移。图15所示为基坑最大水平位移与隧道埋深的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着隧道埋深的增大，隧道最大水平位移均减小。基坑开挖深度增大，隧道最大水平位移随隧道埋深增大而减小的速率也增大。当开挖深度为10.6 m时，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大水平位移由63.51 mm减小到24.05 mm，减小了62.1%。

图16所示为基坑最大垂直位移与隧道埋深的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着隧道埋深的增大，隧道最大垂直位移呈减小趋势。基坑开挖深度增大，隧道最大垂直位移随隧道埋深增大而减小的速率有增大趋势。当开挖深度为10.6 m时，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大垂直位移由106.3 mm减小到21.56 mm，减小了79.7%。

图16 不同隧道埋深下的隧道最大垂直位移Fig.16 The maximum vertical displacement of tunnel with different tunnel depth

图17 基坑开挖深度10.6m时不同隧道埋深下的隧道最大应力Fig.17 The maximum stress of tunnel with different tunnel depth when the foundation pit excavated to 10.6 meters

图18 不同地连墙厚度下的隧道最大水平位移Fig.18 The maximum horizontal displacement of tunnel with different thickness of underground continuous wall

图19 不同地连墙厚度下的隧道最大垂直位移Fig.19 The maximum vertical displacement of tunnel with different thickness of underground continuous wall

图20 基坑开挖深度10.6m时不同地连墙厚度下的隧道最大应力Fig.20 The maximum stress of tunnel with different thickness of underground continuous wall when the foundation pit excavated to 10.6 meters

图21 不同基坑支撑截面尺寸下的隧道最大水平位移Fig.21 The maximum horizontal displacement of tunnel with different section dimension of support

（2）隧道应力。图17所示为基坑开挖至10.6 m时隧道应力与隧道埋深的关系，由图可知：随着隧道埋深的增大，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均增大。以弯矩为例，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大弯矩由190.89 kN.m/m增大到263.69 kN.m/m，增大了38.1%。

4.3 基坑地连墙厚度

为研究基坑围护体系在基坑开挖时对地铁隧道的影响，依次模拟地连墙为600 mm、800 mm和1 000 mm时靠近基坑侧隧道的情况，并进行对比分析。

（1）隧道位移。图18所示为基坑最大水平位移与地连墙厚度的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着地连墙的增大，隧道最大水平位移均减小，但变化幅度并不明显。当开挖深度为10.6 m时，地连墙厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大水平位移由48.17 mm减小到44.99 mm，减小了6.6%。

图19所示为基坑最大垂直位移与地连墙厚度的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着地连墙的增大，隧道最大垂直位移均减小，其变化幅度也不明显。当开挖深度为10.6 m时，地连墙厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大垂直位移由60.10 mm减小到58.43 mm，减小了2.8%。

（2）隧道应力。图20所示为基坑开挖至10.6 m时隧道应力与地连墙厚度的关系，由图可知：随着地连墙厚度的增大，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均有减小，但变化幅度很小。以弯矩为例，地连墙厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大弯矩由248.14 kN.m/m减小到239.46 kN.m/m，减小了3.5%。

4.4 基坑钢筋混凝土支撑尺寸

为研究基坑支撑体系对地铁隧道的影响，依次模拟支撑（仅第一道）尺寸为800 mm×800 mm、900×900 mm、1 000×1 000 mm时靠近基坑侧隧道的情况，并进行对比分析。

（1）隧道位移。图21所示为基坑最大水平位移与基坑支撑截面尺寸的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着基坑支撑界面尺寸的增大，隧道最大水平位移均减小，但变化幅度不明显。当开挖深度为10.6 m时，基坑支撑尺寸由800 mm×800 mm增大到1 000 mm×1 000 mm，隧道最大水平位移由48.57 mm减小到45.96 mm，减小了5.4%。

图22 不同基坑支撑截面尺寸下的隧道最大垂直位移Fig.22 The maximum vertical displacement of tunnel with different section dimension of support

图23 基坑开挖深度10.6m时不同基坑支撑截面尺寸下的隧道最大应力Fig.23 The maximum stress of tunnel with different section dimension of support when the foundation pit excavated to 10.6 meters

图22 所示为基坑最大垂直位移与基坑支撑截面尺寸的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，随着基坑支撑界面尺寸的增大，隧道最大垂直位移均减小，但变化幅度不明显。当开挖深度为10.6 m时，基坑支撑尺寸由800 mm×800 mm增大到1 000 mm×1 000 mm，隧道最大垂直位移由60.40 mm减小到 58.98mm，减小了2.4%。

（2）隧道应力。图23所示为基坑开挖至10.6m时隧道应力与基坑支撑截面尺寸的关系，由图可知：随着基坑支撑截面尺寸的增大，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均有减小，但变化幅度很小。以弯矩为例，基坑支撑尺寸由800 mm×800 mm增大到1 000 mm×1 000 mm，隧道最大弯矩由246.53 kN.m/m减小到242.19 kN.m/m，减小了1.8%。

图24 基坑坑底是否加固时隧道最大水平位移Fig.24 The maximum horizontal displacement of tunnel with and without reinforcement in the bottom of the pit

图25 基坑坑底是否加固时隧道最大垂直位移Fig.25 The maximum vertical displacement of tunnel with and without reinforcement in the bottom of the pit

图26 基坑坑底是否加固时隧道最大应力Fig.26 The maximum stress of tunnel with and without reinforcement in the bottom of the pit

4.5 基坑坑底加固

为研究基坑坑底加固对地铁隧道的影响，分别模拟基坑坑底不加固和加固时靠近基坑侧隧道的情况，并进行对比分析。

（1）隧道位移。图24所示为基坑坑底是否加固与基坑支撑截面尺寸的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，基坑坑底加固时，隧道最大水平位移均减小，但变化幅度不明显。当开挖深度为10.6 m时，对基坑坑底进行加固，隧道最大水平位移由48.07 mm减小到47.21 mm，减小了1.8%。

图25所示为基坑坑底是否加固与基坑支撑截面尺寸的关系曲线，由图可知：同一基坑开挖深度下，基坑坑底加固时，隧道最大垂直位移均减小，但变化幅度不明显。当开挖深度为10.6 m时，对基坑坑底进行加固，隧道最大垂直位移由59.73 mm减小到59.67 mm，减小了0.1%。

（2）隧道应力。图26所示为基坑开挖至10.6 m时隧道应力与基坑坑底是否加固的关系，由图可知：基坑坑底加固时，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值均有减小，但变化幅度不大。以弯矩为例，对基坑坑底进行加固，隧道最大弯矩由304.46 kN.m/m减小到244.09 kN.m/m，减小了19.8%。

5 结论

本文以宁波轨道交通某区间隧道旁基坑工程开挖为背景进行有限元模拟，分析了不同开挖深度下基坑地连墙侧移、隧道位移与应力。然后基于有限元模型探讨了隧道—基坑水平净距、隧道埋深、基坑地连墙厚度、基坑钢筋混凝土支撑的尺寸、基坑坑底是否加固等因素对地铁隧道的影响。

所得主要结论如下：

（1）随着基坑开挖深度的增大，隧道最大总位移、最大水平位移和最大垂直位移均增大，隧道弯矩、剪力和轴力的最大值也均呈现增大趋势。

（2）各影响因素中，隧道—基坑水平净距和隧道埋深对隧道位移和应力影响较大。以水平位移为例，当开挖深度为10.6 m时，水平净距由3 m增大到19 m，隧道最大水平位移减小了51.2%；隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大水平位移减小了62.1%。

（3）地铁隧道控制保护区内基坑工程的管理分级，应重点考虑基坑—隧道水平净距、隧道埋深及基坑开挖深度等因素。

[1] 张治国, 张谢东, 王卫东. 临近基坑施工对地铁隧道影响的数值模拟分析[J]. 武汉理工大学学报, 2007, 29(11): 93-97. LI Z G, ZHANG X D, WANG W D. Numerical Modeling Analysis on Deformation Effect of Metro Tunnels Due to Adjacent Excavation of Foundation Pit[J]. Journal of Wuhan University of technology, 2007, 29(11): 93-97.

[2] 周建昆, 李志宏. 紧邻隧道基坑工程对隧道变形影响的数值分析[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(S1): 1 398-1 403. ZHOU J K, LI Z H. Numerical Analysis on Deformation Effect of Metro Tunnels due to Adjacent Excavation Project[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010, 6(S1): 1 398-1 403.

[3] 高广运, 高盟, 杨成斌, 等. 基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J]. 岩土工程学报, 2010, 32(3): 453-459. GAO G Y, GAO M, YANG C B, et al. Influence of deep excavation on deformation of operating metro tunnels and countermeasures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(3): 453-459.

[4] 王卫东, 吴江斌, 翁其平. 基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟[J]. 岩土力学, 2004, 25(S2): 251-255. WANG W D, WU J B, WENG Q P. Numerical Modeling of Affection of Foundation Pit Excavation on Metro Tunnel[J]. Rock and Soil mechanics, 2004, 25(S2): 251-255.

[5] 刘国彬, 黄院雄, 侯学渊. 基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(3): 202-207. LIU G B, HUANG Y X, HOU X Y. The Prediction and Control of Rebound Deformation of The Existed Tunnels Right Under Excavation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2001, 20(3): 202-207.

[6] 蒋洪胜, 侯学渊. 基坑开挖对临近软土地铁隧道的影响[J]. 工业建筑, 2002(5): 53-56. JIANG H S, HOU X Y. The Influence of Deep Excavation on Adjacent Metro Tunnel In Soft Ground[J]. Industrial Construction,2002(5): 53-56.

Numerical modeling analysis of influence on metro tunnels due to excavation of foundation pit

YIN Tie-feng1, GU Qi-bo2, GAO Jing-sheng1, ZONG Wen-liang1
(1. Ningbo Rail Transit Co. Ltd., Ningbo 315101, China; 2. Hangzhou Highway Administration, Hangzhou 310030, China)

In the engineering background of foundation pit which is next to Ningbo rail transit's tunnels, numerical simulation study was carried out. The variations of metro tunnel displacement and stress were analyzed. Then the infl uences of horizontal clearance between metro tunnel and foundation pit, tunnel depth, thickness of underground continuous wall, size of reinforced concrete brace and foundation bottom consolidation on metro tunnel were explored. The results show that the maximum of tunnel displacement and stress increases with the increase of excavation depth. The horizontal clearance between metro tunnel and foundation pit and the tunnel depth have a great infl uence on tunnel displacement and stress. In metro tunnel control and protection, horizontal clearance between metro tunnel and foundation pit, tunnel depth and foundation pit excavation depth should be mainly considered.

metro tunnels; foundation pit; excavation; modeling

TU 47 文献识别码：A

1005-8443(2017)03-0291-08

2016-12-14；

2017-01-18

尹铁锋（1989 -），男，湖南邵阳人，工程师，主要从事软土地下工程方面工作。Biography:YIN Tie-feng(1989-),male,engineer.