城市道路基坑开挖对临近地铁隧道影响研究

2022-06-21刘佩冬

粘接 2022年6期

刘佩冬

摘要：研究深基坑开挖变形模式和破坏机理对城市地铁隧道的影响。基于土体的莫尔库仑剪切第3主应力破坏条件，通过MIDAS/GTS建立基坑开挖对临近地铁隧道的数值模型，控制基坑和地铁隧道的位置关系，观察预设观测点的位移变化，得到基坑开挖对临近地铁隧道的影响。结果表明：基坑开挖打破了原状土层应力状态是影响地铁隧道的主要因素，即第3主应力的释放;通过控制变量法控制基坑和隧道的位置关系L和L来观测隧道断面位移变化可为实际工程提供指导意义;随着基坑与地铁隧道间距的变化靠近基坑的观测点B偏移量较大，并通过观测发现加固基坑底部对控制临近土体的偏移具有很大帮助;改变基坑和地铁隧道竖向位移关系时，观测点的竖向偏移较大而水平偏移较小，主要是由于基坑底部的卸荷引起的土层偏移。

关键词：信息反馈;变形模式;地铁隧道;数值模拟

中图分类号：U417

文献标识码：A文章编号：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

隨着我国城市的不断发展，城市地下空间开发和利用日新月异[1]，随着基坑开挖深度的加深基坑周边土体的破坏机理和变形模式越复杂，并对地铁隧道等其他结构物造成很大的影响[2]。如何减小深基坑的开挖对地铁隧道等其他结构物的影响是保证其安全运营的基础。关于深基坑开挖对周边环境的影响有学者研究分析了：注浆加固对深基坑与邻近隧道作用的影响，并提出注浆加固联合多桩分阶支挡方案，其结构受力合理，变形能力强[3];超大深基坑开挖对临近地铁隧道变形的影响，通过工程实例研究深基坑与隧道的相互作用，可为工程提供一定的指导意义[4];深基坑开挖和降水对临近地铁隧道的影响，并进行不同工况的施工阶段分析、应力渗流单向耦合分析、完全应力渗流耦合分析与实际监测结果的对比分析[5];深基坑与明挖隧道的结构受力与变形及水位变化的变形特征，通过测试数据验证该变形控制方案设计的合理性[6]。城市地下空间的开发利用，迫切需要对深基坑变形机理和临近环境的影响进行深入分析。

基于以上研究，为进一步分析深基坑开挖围岩土体的破坏机理和变形模式，本文利用莫尔库仑准则判断围岩提供的第3主应力破坏条件，并通过有限元数值模拟软件建立基坑和地铁隧道模型，在基坑开挖卸荷过程中观察观测点的位移变化，来研究基坑开挖对临近地铁隧道的影响，可为相应工程提供一定的参考。

1深基坑变形模式及机理分析

在深基坑开挖过程中周边土体及邻近结构会发生变形，其主要的原因是深基坑开挖的卸荷作用，土体整体向卸荷的方向移动，深基坑和周边土体变形大致有以下几种形式：深基坑围护结构端部内倾、深基坑围护结构中部内倾和深基坑底部隆起[7-9]。

深基坑围护结构的变形如图1所示。在深基坑土体开挖后周围土体失去了原有土体状态，周围土体具有向弱应力方向移动的趋势;在围护结构刚度满足不了相应要求时，会发生向深基坑内部临空空间的变形。根据深基坑横向支撑的情况，会出现围护结构端部内倾产生的半锥式土体沉降模式和围护结构中部内倾产生的马鞍式土体沉降模式[10-11]。

深基坑底部隆起变形如图2所示。根据弹塑性变形理论，深基坑开挖深度较浅时底部容易发生弹性隆起，呈中部变形大两侧逐渐递减趋势。随着开挖深度的加大及宽度的增加，坑底容易出现相连的马鞍形变形，呈现出凹凸不平的坑底隆起现象[12]。

深基坑周围土体发生变形主要是由于土体达到了屈服[10-11]，根据摩尔库伦弹塑性准则，深基坑周边的受力状态为：

2工程背景及建模

2.1工程概况

郑州市道路路面以下分别是粉质黏土6 m，重度为18 kN/cm，弹性模量为2e MPa，泊松比为0.35，粘聚力为20 kPa，摩擦角为25°。软岩25 m，重度为25 kN/cm，弹性模量为2e MPa，泊松比为0.25，粘聚力为200 kPa，摩擦角为35°;软岩以下是风化岩，工程不考虑地下水的影响。模拟采用H型桩厚度为0.3 m，重度为78.5 kN/cm，弹性模量为2.1e MPa，泊松比为0.3;衬砌厚度为0.5 m，重度为30 kN/cm，弹性模量为3.0 eMPa，泊松比为0.3。

基坑开挖深度为20 m，基坑采用钻孔灌注桩或混凝土搅拌桩围护，并结合立柱及截水帷幕联合作用，立柱采用长为22 m的型钢支撑。施工方法采用内支撑分层开挖方法。临近的地铁隧道处在基坑的一侧，隧道管片外径8 m，内径5.5 m，隧道上部离地表的距离为L，隧道下部与基坑下部的横向距离为L。基本位置关系如图3所示。

2.2模型的建立

通过MIDAS/GTS建立模型时把各土层看成各向均匀，且变形不受重力的影响，支护结构采用相应的模型单元与土层看成一个整体。采用莫尔库仑准则进行计算，横轴方向边界位移为零，下部竖直方向位移为零，模型整体受重力的作用（可取基坑周边堆载10 kN/m）。模型的建立在深度方向和水平方向都取60 m，计算简图和数值建模图形如图4所示。在隧道四周布设A、B、C、D 4个测量控制点，用于观测在基坑开挖过程中隧道的位移变形情况。

基坑开挖前隧道已施工完成且达到稳定状态，基坑开挖可分为4个步骤：（1）土体施加重力荷载并设置位移清零;（2）施工至地下6 m处并设置横支撑;（3）施工至地下14 m处并设置第2道横支撑;（4）施工至基坑底部并制作底板。通过控制变量法控制隧道与基坑的相对位置，隧道上部离地表的距离为L和隧道下部与基坑下部的横向距离为L。其中，隧道与基坑距离为4 m时，隧道底部和基坑底部竖向位置变化为4、2、0、-2和-4 m此5种情况;当隧道底部和基坑底部在同一深度时，它们之间距离控制为2、4、6、8、10 m此5種情况。在5种不同距离情况下隧道观测点偏移随基坑的开挖发生不同的变化，搜集相应变化数据并进一步研究分析。

3数值模拟结果与分析

3.1临近隧道底部与基坑底部同深

当保持临近隧道底部与基坑底部处在同一深度时，改变隧道与基坑的水平间距，观察观测点的水平偏移和竖向偏移量。其中，x轴表示基坑的4个开挖步骤，如图5所示。

从图5可以看出，在隧道底部和基坑底部处在同深情况下，改变隧道与基坑水平间距，基坑开挖对隧道的影响不同。当间距越大，水平偏移量越小;C点的水平偏移量最大。

基坑开挖对临近土体产生竖向偏移影响。随着基坑与隧道距离的减小，对竖向偏移影响逐渐增大;当基坑与隧道距离小于1.9 m时，基坑施工对隧道产生较大的影响。在基坑开挖过程中，观测点B水平和竖向偏移都较大;同时基坑底部的偏移也随着基坑的开挖偏移不断变大。在基坑开挖过程中要对基坑底部采取加固措施能很好地控制临近土体的偏移，减小对隧道的影响。

3.2改变基坑与邻近地铁隧道竖向位置

当保持临近隧道与基坑相距4 m时，改变隧道底部与基坑底部的竖向位置为4、2、0、-2、-4 m此5种情况，观察观测点的水平偏移和竖向偏移量，结果如图6所示。

从图6可以看出，当水平间距不变而改变竖向位置，其基坑底部与隧道底部竖向距离小于4 m，基坑开挖对隧道水平偏移产生较大影响;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间距，改变竖向位置对观测点的偏移量影响较小;观测点A和B竖向偏移量大于C和D的偏移量，各点的偏移量随着基坑与隧道竖向位置距离的增大而减小。基坑的开挖引起竖向偏移量大于水平偏移量，在保持基坑与隧道水平距离不变情况下，竖向位置距离超过4 m时，隧道竖向偏移量为15～17 mm，未超出限定值。

4工程监测数据分析

对郑州市该深基坑工程进行现场变形监测，深基坑开挖深度20 m，分层分块开挖，临近隧道埋深17 m，相距10 m。在靠近隧道一侧布设围护桩顶观测位移4个，经过数据搜集整理可得位移曲线，结果如图7所示。

通过观测数据可以发现，深基坑开挖后初期围护结构发生向基坑内部的偏移，靠近隧道一侧基坑中部偏移量大于边缘部分，最大水平偏移量为3.24 mm。围护桩发生了上浮位移，最大上浮量为20.24 mm，其主要原因为深基坑底部土体的回弹引起的。围护桩的水平位移和竖向位移都没有超过预警值，满足工程施工要求。

5结语

基于郑州市道路基坑开挖背景，分析基坑开挖变形模式及破坏机理，通过数值模拟软件建立模型研究基坑开挖对临近地铁隧道的影响，并通过工程监测分析，得到的主要结论为：

（1）莫尔库仑第3主应力剪切破坏理论在深基坑开挖支护应用中是适用的，基坑开挖打破了原状土层应力状态是引起基坑变形和影响临近地铁隧道位移的主要因素;

（2）基坑的开挖对靠近基坑的观测点B影响较大，加强围护结构和加固基坑底部土层可有利于控制临近土体的偏移。改变基坑和地铁隧道竖向位移关系时，观测点的竖向偏移量较大而水平偏移量较小，主要是由于基坑底部的卸荷引起土层的偏移所致。

【参考文献】

[1]刘艺，朱良成.上海市城市地下空间发展现状与展望[J].隧道建设（中英文），2020，40（7）：941-952.

[2]徐生钰，宋铮，朱宪辰.中国城市地下空间资源的最优利用研究[J].地下空间与工程学报，2014，10（5）： 985-990.

[3]李杨秋，唐耿琛，刘建宁，等. 填土注浆加固对深基坑支挡结构与相邻隧道的作用效果案例分析[J].隧道建设（中英文），2020，40（S2）：58-66.

[4]王利军，邱俊筠，何忠明，等.超大深基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响[J].长安大学学报（自然科学版），2020，40（6）：77-85.