基坑开挖对既有地铁隧道影响数值研究

马昆泉　闫腾飞

【摘   要】   为研究基坑开挖对既有地铁隧道变形的影响，以武汉市中国新闻社中部新闻信息中心深基坑工程对周围既有武汉地铁2号线和5号线影响为项目依托（基坑项目侵入轨道交通2号线、5号线安全保护区之内），采用数值模拟方法研究和评估基坑开挖对周围隧道变形的影响，为工程建设评估提供一定的参考。结果表明：项目基坑开挖会对既有区间隧道产生一定的影响。E=3Es（E=6Es）条件下，5号线隧道水平位移变化为2.21 mm（1.71 mm），竖直位移变化0.05 mm（0.05 mm），2号线隧道最大水平位移为3.98 mm（3.14 mm），竖直位移变化2.44 mm（1.92 mm）。在采取一定的工程措施之后，相关影响可以控制在可接受的范围之内。

【关键词】   深基坑;开挖;既有隧道;变形;数值模拟

Numerical Study on Influence of Foundation Pit Excavation

on Existing Subway Tunnel

Ma Kunquan Yan Tengfei

（1.China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100070， China;

2.Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

【Abstract】    In order to study the effect of foundation pit excavation on the deformation of existing subway tunnel， the deep foundation pit project of Central News Information Center of China News Agency in Wuhan City on the surrounding existing Wuhan Metro Line 2 and line 5 is taken as the project basis （the foundation pit project intrudes into the safety protection zone of Rail Transit Line 2 and line 5）. Numerical simulation method is used to study and evaluate the influence of foundation pit excavation on surrounding tunnel deformation， and provides a certain evaluation role for engineering construction. The results show that the excavation of foundation pit will have a certain impact on the existing tunnel. Under the condition of E=3Es （E=6Es）， the horizontal displacement change of line 5 tunnel is 2.21mm （1.71 mm）， the vertical displacement change is 0.05mm （0.05 mm）， the maximum horizontal displacement of line 2 tunnel is 3.98mm （3.14 mm）， the vertical displacement change is 2.44mm （1.92 mm）. After taking some engineering measures， the relevant impact can be controlled within the acceptable range.

【Key words】     deep foundation pit; excavation; existing tunnel; deformation; numerical simulation

〔中圖分类号〕  TU47                 〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2022）02- 0077- 06

0     引言

伴随着我国基建事业的快速发展，深基坑工程成为打开所需地下空间的重要纽带工程[1]。然而基坑开挖一定伴随着对周围环境的影响[2]，这种影响主要表现为对周围建筑物沉降的干扰[3]，对周围管涵隧道的相互作用等[4]。虽然目前较为先进的钢支撑伺服系统或其他较为先进的智能调节可以一定程度上解决因开挖带来的周围环境变化问题[5-6]，但现阶段因其成本预算较高等问题未能大范围推广应用。因此，基坑开挖对既有地铁隧道的影响仍然需要进一步研究和评估。

信磊磊等[7]通过数值模拟研究发现，两侧深基坑对称开挖将对既有隧道产生最小的变形影响。鲍啸成[8]分析了基坑开挖对地铁隧道变形的影响，发现下卧和侧卧将产生不同的变形。岳云鹏等[9]研究了分块开挖对下卧隧道的影响，结果表明，分块数量相同时横向分块优于纵向分块，且更大数量的横向分块将对隧道竖向位移产生更好的控制效果。闫兴宝[10]采用数值模拟结合离心试验的方法研究了西安某深基坑施工对下卧地铁隧道的影响，结果表明，开挖将引发隧道围压和自身应力产生较大变化。0152F56E-B45D-4C7E-B0DC-A5A675461CF9

从现阶段研究成果来看，基坑开挖对既有隧道将产生应力位移重分布的深远影响，对周围环境产生不确定性扰动，其影响规律值得进一步研究。本文以武汉市中国新闻社中部新闻信息中心深基坑工程为项目背景，采用数值模拟方法研究基坑开挖对周围两侧侧卧隧道的受力变形影响，并在此基础上提出工程建议。本工程案例是城市地下空间工程中较为典型的工程案例，研究结果可为此类基坑开挖对既有隧道扰动的影响提供一定的借鉴。

1      工程问题分析

中国新闻社中部新闻信息中心深基坑工程位于武汉市武昌区中山路与和平大道交汇位置处，基坑内边线面积约为4488m²，地下室标高为-13.200m～-14.700m，基坑开挖最大深度为场地自然地面以下12m位置处。基坑周围环境较为复杂，东侧紧邻武汉地铁2号线隧道;南侧为中国建设银行湖北省分行;西侧为和平大道，且和平大道下方存有即将运营的武汉轨道交通5号线隧道;北侧为华润凤凰城。

现有测量结果表明，深基坑项目已侵入轨道交通2号线和5号线安全保护区范围内。轨道交通2号线区间隧道结构距基坑西侧支护结构最小水平净距约9.2m。轨道交通5号线区间隧道结构距离基坑西侧支护结构最小水平净距约34.2m。中国新闻社中部新闻信息中心深基坑工程开挖建设过程将对武汉地铁2号线积玉桥站至螃蟹甲站区间隧道和武汉地铁5号线昙华林站至积玉桥站区间隧道产生影响，且存在不确知性的特点，因此有必要进行基坑开挖对既有地铁隧道影响数值模拟评估，并对该深基坑工程的建设进行许可评估。深基坑工程与既有地铁隧道的平面位置关系如图1所示。

深基坑支护结构空间位置与相关参数如图2和图3所示。研究区间内的既有地铁2号线隧道结构安全等级为一级，设计使用年限为100年。本区间隧道采用盾构法施工，地铁隧道直径为6m，采用厚度为0.3m的预制钢筋混凝土平板形管片错缝拼装制作成。

武汉地铁2号线研究区间隧道为已建成并运营的隧道，5号线昙研究区间为正在施工中的地铁隧道。依据《武汉市轨道交通管理条例》相关规定，中部新闻信息中心项目深基坑工程已侵入地铁2号线和地铁5号线区间的保护区范围之内，为满足武昌区中国新闻社中部新闻信息中心项目的近期开工要求，同时避免或降低其建设对武汉地铁2号线和地铁5号线的不利影响，有必要进行项目对地铁2号线、5号线的相互影响评估工作。

2     数值模型

采用有限元分析软件Midas GTS NX对基坑开挖引发的既有隧道受力变形影响评估进行三维数值分析。本次模拟根据实际情况建立1：1模型，模型尺寸为248m×125m×40m（长×宽×高），基坑开挖深度为12m，支护排桩按刚度相等原则等效为地连墙，深度为28m，数值模型如图4所示。模型四周约束水平位移，底部约束水平和竖向位移。

定义钻孔灌注桩直径为D，桩与桩之间的净间距为t，定义等效之后的地连墙厚度为h。根据等效刚度原理，则有：

（D+t）h³/12=πD⁴/64

等效地連墙厚度：h=0.838D（1/1+t/D）^1/3

模型中土体采用摩尔-库伦模型，围护结构、隧道衬砌及内支撑结构等均采用线弹性模型。周围土体和围护结构采用3D实体单元，隧道衬砌采用2D shell单元，支撑结构采用1D beam单元。因隧道衬砌由预制管片综合拼接，导致结构整体刚度小于理想状态下的整体圆环模型，因此对衬砌结构刚度进行了70%比例折减。本数值模拟中采用的土体及结构参数如表1和表2所示。

3     结果与分析

3.1   隧道衬砌受力变形特性分析

基坑开挖结束后的两地铁隧道位移云图如图5所示。根据计算结果，5号线（图左位置）隧道管片最大竖向位移为0.05mm，2号线（图右位置）隧道管片最大竖向位移为1.29mm，表明在基坑开挖影响下，5号线和2号线隧道衬砌整体上均存在微小的隆起变形，且2号线局部隆起量大于5号线。在基坑开挖影响下，隧道衬砌整体水平位移较大，5号线（图左位置）隧道管片最大水平位移为1.71mm，2号线（图右位置）隧道管片最大水平位移为3.14mm，偏向基坑方向。这表明基坑开挖引起的水平位移变化值大于隆起变化量，且基坑开挖对2号线的影响大于5号线。隧道Von-Mises应力云如图6所示，最大Von-Mises值为1.4MPa，满足设计和施工要求。

造成2号线变形量大于5号线的主要影响因素主要包含以下两点：（1） 2号线距离基坑较5号线近，仅为9.2m;（2） 5号线附近的地连墙刚度较大，具有较强的挡土作用。

3.2   基坑支护体系受力变形特性分析

等效地连墙墙体的水平位移变化曲线如图7所示，墙体位移云图如图8所示。由图可知，靠近5号线（图左位置）隧道的基坑一侧（即西侧）围护结构最大水平位移为25.66mm，靠近2号线（图右位置）隧道的基坑一侧（即东侧）围护结构最大水平位移为13.73mm，基坑北侧围护结构最大水平位移为24.50mm，基坑南侧围护结构最大水平位移为25.67mm。基坑顶部围护结构变形较小，基坑开挖面附近水平位移较大，最大水平位移25.67mm（南侧）。

支撑轴力结果如图9所示。根据计算结果，支撑结构最大压应力为7.20MPa，小于C35混凝土轴心抗压强度设计值f_c=16.7MPa，位置为基坑西侧的第一道对撑（南北向对撑）。西侧地连墙和排桩之间的顶部拉梁中最大拉应力为0.92MPa，小于C35混凝土轴心抗拉强度设计值ft=1.57MPa。

3.3   受力变形分析综述0152F56E-B45D-4C7E-B0DC-A5A675461CF9

数值模型的计算结果统计表如表3所示。根据基坑与隧道整体三维模型的计算结果分析，采用当前开挖支护方案时，基坑开挖至坑底后，在不同的工况下，会产生不同的水平位移和竖向位移。

由于基坑邻近隧道侧未出现塑性破坏区，基坑的竖向位移主要表现为开挖后的回弹变形。总体而言，基坑支护体系设计基本合理，支撑刚度和西侧拉梁偏弱，可以基本满足基坑稳定性要求。

4      工程建议

（1）建议靠近2号线围护结构桩间距加密至1300mm，保证止水帷幕施工质量。桩基的施工工艺和措施应考虑小偏斜、低振动、防塌孔和无挤土效应。

（2）基坑施工应采用监测反馈技术，隧道与基坑均应在施工期建立实时监测体系以及预警预报系统。

（3）基坑开挖应先进行试开挖，对隧道及基坑变形进行跟踪分析，施工过程中如果变形或变形速率较预测值偏大应停止开挖，对隧道和基坑间土体采用旋喷桩等必要措施进行加固，满足施工条件后方可继续施工。

（4）拟建项目临近地铁侧基坑支护桩应避免与地下室结构侧墙间预留较大间隙，并做好地下室防水措施，避免后期拆除支撑后围护桩变位过大或长期渗漏水，引起临近地铁隧道周边地层位移。

（5）施工期应做好应急预案并储备应急机具、物资，基坑开挖过程中如发现基坑出现大的渗漏、变形，应对基坑立即回填反压，妥善处理后方可继续施工。

（6）项目建设前应在地面放线定位并明确标示出地铁隧道结构轮廓范围。基坑开挖区域周边禁止堆放施工荷载。

（7）拟建项目实施前，需针对地铁制定保护方案、监测方案、应急预案，并委托第三方监测对建设项目相邻运营地铁隧道洞内进行隧道结构和轨道的位移、结构收敛等监测，宜采用自动化监测设备，按照地铁运营部门要求控制。同时加强临近地铁隧道侧的基坑变形、地表沉降、水位等监测，做到信息化施工。监测结果应定期、及时反馈至地铁相关管理部门。

5     结论

本文基于信息中心项目提供设计图纸、勘察资料等相关资料准确的前提下，通过数值模拟计算得出以下结论：

（1）信息中心项目进入轨道交通2号线、5号线安全保护区之内。项目基坑开挖必定会对既有区间隧道产生一定的影响。但总体而言，在采取一定的工程措施之后，相关影响能控制在可接受的范围之内。

（2）根据数值分析结果，在给定基坑开挖支护方案条件下，通过数值模拟预测盾构隧道整体状况基本满足要求，5号线隧道最大水平位移为2.21mm （1.71mm），最大竖向位移为0.05mm （0.05mm），2號线隧道最大水平位移为3.98mm （3.14mm），最大竖向位移为2.44mm （1.92mm），满足工程要求。（括号内数值为E=6Es情况）

（3）本评估基于简化的三维数值模型进行计算，本构模型和计算参数仅能反映其主要力学特征，而实际工程中的施工过程可能与计算模型工况不完全一致，数值计算结果可能与实测值存在一定偏差，应通过监测反馈系统对盾构隧道的安全性进行实时监控。

（4）尽管积螃区间的病害情况已经得到治理，考虑到积螃区间的隧道结构仍处于恢复状态之中，施工过程中应加强对隧道的监测，一旦变形到达警戒值应立即停止施工并采取紧急预案。

[参考文献]

[1] 徐中华. 上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D]. 上海：上海交通大学，2007.

[2] 孔令荣，崔永高，隋海波. 基坑开挖对邻近地铁变形的影响分析[J]. 工程勘察，2010，38（6）： 15-20.

[3] 刘念武，龚晓南，俞峰，等. 软土地区基坑开挖引起的浅基础建筑沉降分析[J]. 岩土工程学报，2014，36（S2）： 325-329.

[4] 吴才德，曾婕，成怡冲，等. 深基坑开挖空间效应对周围土体及邻近隧道的影响研究[J]. 建筑结构，2016，46（2）： 91-95.

[5] 贾坚，谢小林，罗发扬，等. 控制深基坑变形的支撑轴力伺服系统[J]. 上海交通大学学报，2009，43（10）： 1589-1594.

[6] 陈保国，闫腾飞，王程鹏，等. 深基坑地连墙支护体系协调变形规律试验研究[J]. 岩土力学，2020，41（10）： 3289-3299.

[7]  信磊磊，杜一鸣，郑刚. 两侧深基坑开挖对近邻地铁车站及隧道变形影响的优化分析[J]. 铁道标准设计，2016，60（5）： 84-90.

[8] 鲍啸成. 基坑开挖对临近既有隧道变形的影响研究[D].合肥：安徽理工大学，2019.

[9] 岳云鹏，刘晓玉，张龙云，等. 基坑分块开挖对下卧盾构隧道的变形影响分析[J]. 铁道标准设计，2020，64（9）： 113-119.

[10] 闫兴宝. 复杂地层条件下深基坑施工对下卧地铁隧道结构影响研究[D].西安：长安大学，2015.0152F56E-B45D-4C7E-B0DC-A5A675461CF9