基坑施工對地鐵隧道影響的模擬分析

尹鐵鋒，顧其波，高京生，宗文亮

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司，寧波 315101；2. 杭州市公路管理局，杭州 310030)

基坑施工對地鐵隧道影響的模擬分析

尹鐵鋒1，顧其波2，高京生1，宗文亮1

(1. 寧波市軌道交通集團有限公司，寧波 315101；2. 杭州市公路管理局，杭州 310030)

文章以寧波軌道交通某區間隧道旁基坑開挖為實際背景開展模擬探究，分析了地鐵隧道位移和應力的變化規律，探討了隧道--基坑水平凈距、隧道埋深、基坑地連墻厚度、基坑鋼筋混凝土支撐的尺寸、基坑坑底是否加固等因素對地鐵隧道的影響。結果表明：隨基坑開挖深度的增大，隧道位移和應力的最大值均呈增大趨勢；各影響因素中，隧道--基坑水平凈距和隧道埋深對隧道位移和應力影響較大；地鐵隧道控制保護，應重點考慮基坑--隧道水平凈距、隧道埋深及基坑開挖深度等因素。

地鐵隧道；基坑；開挖；模擬

基坑開挖對鄰近隧道的影響是隧道結構安全和地鐵正常運營中的一個重要課題。隨著我國城市軌道交通的大量建設和開通運營，該課題越發受到學術界和工程界的重視。

學者及工程師們就基坑開挖對鄰近隧道的影響進行了一定的探索。張治國等[1]對上海地區一鄰近地鐵隧道的基坑工程進行了數值分析，探討了不同施工步下隧道的沉降與水平移動。周建昆等[2]利用有限元方法對隧道在基坑施工過程中的變形進行了分析，并對基坑的開挖支護方案進行了復核。高廣運等[3]模擬了基坑開挖對隧道結構的不對稱變形，提出了坑外二次加固的新工藝。王衛東等[4]在考慮土方開挖時空效應的基礎上，分析了基坑開挖卸載對地鐵區間隧道的影響。劉國彬等[5]研究了隧道上方基坑開挖作用下的隧道抬升，提出了相應的控制方法。蔣洪勝等[6]基于鄰近基坑的地鐵隧道變形監測結果，探討了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。但上述研究基本都是結合區域性土體進行，具有一定的局限性。

目前，寧波軌道交通已有2條線開通運營，5條線正在大力建設中，基坑開挖對鄰近隧道的影響已成為地鐵保護中一個亟待解決課題。本文基于寧波軌道交通某區間隧道旁基坑開挖實際工程，模擬分析了基坑開挖中地鐵隧道的位移和應力，并探討了隧道—基坑水平凈距、隧道埋深、基坑地連墻厚度、基坑鋼筋混凝土支撐的尺寸、基坑坑底是否加固等因素對地鐵隧道的影響。對寧波軌道交通的隧道控制保護具有一定的指導意義。

1 工程概況

1.1 基本概況

擬開挖基坑由C1-6、C1-7兩地塊組成了超大型基坑，基坑平面形狀均接近矩形，且南側都存在大斜邊，基坑總開挖面積為24 800 m2左右，設計深度在11.4～12.0 m。基坑南側為地鐵1號線，地鐵隧道距基坑8～18 m，隧道埋深8.77～15.9 m。隧道及基坑平面位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質與水文地質

圖1 基坑與地鐵隧道平面位置關系圖Fig.1 Relative positions of foundation pit and tunnel

基坑與地鐵隧道地層為寧波典型地層，根據巖土工程勘察報告，場地工程地質與水文地質情況如表1所示。

表1 場地工程地質與水文地質概況Tab.1 Hydrogeological and engineering geological conditions

2 有限元模擬

2.1 模型的建立

選取圖1中的A-A截面建立地鐵隧道與基坑有限元模型，模型尺寸為寬120 m、深80 m，初始地下水位為-2 m。模型底面完全固定約束，側面滑動約束（Ux=0，Uy自由），上表面為自由面。網格劃分如圖2所示，單元數為1 210，節點數為10 009，應力點數為14 520。

圖3 不同開挖深度下的地連墻側向位移圖Fig.3 Lateral displacement of underground continuous wall with different excavation depth

土體采用HSS本構模型，土層基本參數如表1所示。隧道頂部埋深13 m，襯砌環管片外徑為6.2 m，內徑為5.5 m，厚35 cm。襯砌管片采用C50混凝土，彈性模量為3.45×107kPa，泊松比μ=0.2，EI=1.14×107kN.m2/m，EA=1.16×105kN/m。隧道離基坑圍護結構距離為11.0 m，隧道與隧道之間的凈距離為3.0 m。基坑采用直徑950 mm的鉆孔灌注樁（圍護結構）+止水帷幕，為便于模擬將直徑950 mm的鉆孔灌注樁轉換為800 mm后的地連墻，插入深度為26 m，EI=1.92×107kN.m2/m，EA=1.024×106kN/m。基坑采用兩道鋼筋混凝土支撐，第一道混凝土支撐截面為900 mm×900 mm，第二道混凝土支撐截面為900 mm×1 000 mm。第一道鋼筋混凝土支撐位于地面下2 m處，第二道鋼支撐位于地面下7 m處。基坑坑底土體采用水泥土攪拌加固。

2.2 主要施工步驟的模擬

（1）步驟一：基坑外側土體加20 kPa的超載；（2）步驟二：開挖隧道，激活隧道襯砌，去除隧道土體，將隧道設置成“干類組”；（3）步驟三：設置2%的隧道收縮率；（4）步驟四：激活圍護結構；（5）步驟五：開挖土體到地面下2 m位置；（6）步驟六：加設第一道鋼筋混凝土支撐；（7）步驟七：開挖土體到地面下7 m位置；（8）步驟八：加設第二道鋼筋混凝土支撐；（9）步驟九：開挖土體到坑底（地面下10.6 m）位置。

圖4 基坑開挖至2 m時地鐵隧道位移Fig.4 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 2 m

圖5 基坑開挖至7 m時地鐵隧道位移Fig.5 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 7 m

3 結果及分析

選取基坑地連墻側移與靠近基坑側隧道的位移、應力進行分析。

3.1 地連墻側移

圖3所示為基坑地連墻側移隨基坑深度的變化曲線，由圖可知：隨著深基坑開挖深度的增大，地下連續墻的水平位移不斷增大，其沿深度的變化呈大肚狀，水平位移最大值均出現在開挖面附近。本文雖沒有地連墻側移的監測數據進行對比，但模擬曲線的形狀及趨勢均符合常見采用多道支撐圍護的變形規律，在一定程度上表明了本文模擬的準確性。

3.2 隧道位移

（1）開挖到2 m時的隧道位移。基坑開挖到地下2 m位置，圍護結構向坑內傾斜，坑外土體跟隨圍護結構傾斜，隧道向基坑側產生位移，隧道位移如圖4所示。由圖可知：隧道最大總位移為2.81 mm,最大水平位移為1.86 mm，最大垂直位移為2.26 mm。

（2） 開挖到7m時的隧道位移。基坑開挖到地下7m時，隧道位移如圖5所示，由圖可知：隧道最大總位移為31.31mm，最大水平位移為20.62mm，最大垂直位移為24.18mm。

（3） 開挖到10.6 m時的隧道位移。基坑開挖到地下10.6 m時，隧道位移如圖6所示，由圖可知：隧道最大總位移為74.78 mm，最大水平位移為47.21 mm，最大垂直位移為59.67 mm。

圖7所示為不同基坑開挖深度下的地鐵隧道最大位移對比圖，由圖可知：隨著基坑開挖深度的增大，地鐵隧道總位移、水平位移和垂直位移的最大值均增大。

3.3 隧道應力

（1）開挖到2 m時的隧道應力。基坑開挖到地下2 m時，隧道應力如圖8所示，由圖可知：隧道最大彎矩為103.93 kN.m/m，最大剪力為68.04 kN/m，最大軸力為909.94 kN/m。

（2） 開挖到7 m時的隧道應力。基坑開挖到地下7 m時，隧道應力如圖9所示，由圖可知：隧道最大彎矩為186.84 kN.m/m，最大剪力為120.56 kN/m，最大軸力為936.72 kN/m。

（3）開挖到10.6 m時的隧道應力。基坑開挖到地下10.6 m時，隧道應力如圖10所示，由圖可知：隧道最大彎矩為244.09 kN.m/m，最大剪力為159.24 kN/m，最大軸力為956.44 kN/m。

圖6 基坑開挖至10.6 m時地鐵隧道位移Fig.6 Tunnel displacement with the foundation pit excavation depth of 10.6 m

圖7 不同基坑開挖深度下的地鐵隧道最大位移Fig.7 The maximum displacement of tunnel with different excavation depth

圖8 基坑開挖至2m時地鐵隧道應力Fig.8 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 2 m

圖9 基坑開挖至7 m時地鐵隧道應力Fig.9 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 7 m

圖11 所示為不同基坑開挖深度下的地鐵隧道最大應力對比圖，由圖可知：隨著基坑開挖深度的增大，地鐵隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均呈現增大趨勢。

圖10 基坑開挖至10.6 m時地鐵隧道應力Fig.10 Stress of tunnel with the foundation pit excavation depth of 10.6 m

4 影響因素分析

基坑開挖對鄰近隧道的影響大小主要取決于隧道--基坑水平凈距、隧道埋深、基坑地連墻厚度、基坑鋼筋混凝土支撐的尺寸、基坑坑底是否加固等因素。本節基于上文有限元模型依次分析各因素對隧道位移和應力的影響。

4.1 隧道--基坑水平凈距

為研究隧道--基坑水平凈距對地鐵隧道的影響，依次模擬水平凈距離為3 m、7 m、11 m、15 m、19 m時靠近基坑側隧道的情況，并進行對比分析。

（1）隧道位移。圖12所示為基坑最大水平位移與隧道--基坑水平凈距的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著水平凈距的增大，隧道最大水平位移均減小。基坑開挖深度增大，隧道最大水平位移隨水平凈距增大而減小的速率也增大。當開挖深度為10.6 m時，水平凈距由3 m增大到19 m，隧道最大水平位移由62.11 mm減小到30.32 mm，減小了51.2%。

圖11 不同基坑開挖深度下的地鐵隧道最大應力Fig.11 The maximum stress of tunnel with different excavation depth

圖13 所示為基坑最大垂直位移與隧道-基坑水平凈距的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著水平凈距的增大，隧道最大水平位移均減小。基坑開挖深度越大，隧道最大垂直位移隨水平凈距增大而減小的速率呈增大趨勢。當開挖深度為10.6 m時，水平凈距由3 m增大到19 m，隧道最大垂直位移由69.19 mm減小到41.23 mm，減小了40.4%。

（2）隧道應力。圖14所示為基坑開挖至10.6 m時隧道應力與隧道-基坑水平凈距的關系，由圖可知：隨著水平凈距的增大，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均緩慢減小。以彎矩為例，水平凈距由3 m增大到19 m，隧道最大彎矩由269.83 kN.m/m減小到209.45 kN.m/m，減小了22.4%。

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

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

圖14 基坑開挖深度10.6m時不同水平間距下的隧道最大應力Fig.14 The maximum stress of tunnel with different horizontal clearance when the foundation pit excavated to 10.6 meters

圖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

為研究隧道埋深在基坑開挖時對地鐵隧道的影響，依次模擬隧道埋深為7 m、10 m、13 m、16 m、19 m時靠近基坑側隧道的情況，并進行對比分析。

（1） 隧道位移。圖15所示為基坑最大水平位移與隧道埋深的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著隧道埋深的增大，隧道最大水平位移均減小。基坑開挖深度增大，隧道最大水平位移隨隧道埋深增大而減小的速率也增大。當開挖深度為10.6 m時，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大水平位移由63.51 mm減小到24.05 mm，減小了62.1%。

圖16所示為基坑最大垂直位移與隧道埋深的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著隧道埋深的增大，隧道最大垂直位移呈減小趨勢。基坑開挖深度增大，隧道最大垂直位移隨隧道埋深增大而減小的速率有增大趨勢。當開挖深度為10.6 m時，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大垂直位移由106.3 mm減小到21.56 mm，減小了79.7%。

圖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

圖17 基坑開挖深度10.6m時不同隧道埋深下的隧道最大應力Fig.17 The maximum stress of tunnel with different tunnel depth when the foundation pit excavated to 10.6 meters

圖18 不同地連墻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

圖19 不同地連墻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

圖20 基坑開挖深度10.6m時不同地連墻厚度下的隧道最大應力Fig.20 The maximum stress of tunnel with different thickness of underground continuous wall when the foundation pit excavated to 10.6 meters

圖21 不同基坑支撐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）隧道應力。圖17所示為基坑開挖至10.6 m時隧道應力與隧道埋深的關系，由圖可知：隨著隧道埋深的增大，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均增大。以彎矩為例，隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大彎矩由190.89 kN.m/m增大到263.69 kN.m/m，增大了38.1%。

4.3 基坑地連墻厚度

為研究基坑圍護體系在基坑開挖時對地鐵隧道的影響，依次模擬地連墻為600 mm、800 mm和1 000 mm時靠近基坑側隧道的情況，并進行對比分析。

（1）隧道位移。圖18所示為基坑最大水平位移與地連墻厚度的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著地連墻的增大，隧道最大水平位移均減小，但變化幅度并不明顯。當開挖深度為10.6 m時，地連墻厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大水平位移由48.17 mm減小到44.99 mm，減小了6.6%。

圖19所示為基坑最大垂直位移與地連墻厚度的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著地連墻的增大，隧道最大垂直位移均減小，其變化幅度也不明顯。當開挖深度為10.6 m時，地連墻厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大垂直位移由60.10 mm減小到58.43 mm，減小了2.8%。

（2）隧道應力。圖20所示為基坑開挖至10.6 m時隧道應力與地連墻厚度的關系，由圖可知：隨著地連墻厚度的增大，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均有減小，但變化幅度很小。以彎矩為例，地連墻厚度由600 mm增大到1 000 mm，隧道最大彎矩由248.14 kN.m/m減小到239.46 kN.m/m，減小了3.5%。

4.4 基坑鋼筋混凝土支撐尺寸

為研究基坑支撐體系對地鐵隧道的影響，依次模擬支撐（僅第一道）尺寸為800 mm×800 mm、900×900 mm、1 000×1 000 mm時靠近基坑側隧道的情況，并進行對比分析。

（1）隧道位移。圖21所示為基坑最大水平位移與基坑支撐截面尺寸的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著基坑支撐界面尺寸的增大，隧道最大水平位移均減小，但變化幅度不明顯。當開挖深度為10.6 m時，基坑支撐尺寸由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減小到45.96 mm，減小了5.4%。

圖22 不同基坑支撐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

圖23 基坑開挖深度10.6m時不同基坑支撐截面尺寸下的隧道最大應力Fig.23 The maximum stress of tunnel with different section dimension of support when the foundation pit excavated to 10.6 meters

圖22 所示為基坑最大垂直位移與基坑支撐截面尺寸的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，隨著基坑支撐界面尺寸的增大，隧道最大垂直位移均減小，但變化幅度不明顯。當開挖深度為10.6 m時，基坑支撐尺寸由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減小到 58.98mm，減小了2.4%。

（2）隧道應力。圖23所示為基坑開挖至10.6m時隧道應力與基坑支撐截面尺寸的關系，由圖可知：隨著基坑支撐截面尺寸的增大，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均有減小，但變化幅度很小。以彎矩為例，基坑支撐尺寸由800 mm×800 mm增大到1 000 mm×1 000 mm，隧道最大彎矩由246.53 kN.m/m減小到242.19 kN.m/m，減小了1.8%。

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

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

圖26 基坑坑底是否加固時隧道最大應力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

為研究基坑坑底加固對地鐵隧道的影響，分別模擬基坑坑底不加固和加固時靠近基坑側隧道的情況，并進行對比分析。

（1）隧道位移。圖24所示為基坑坑底是否加固與基坑支撐截面尺寸的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，基坑坑底加固時，隧道最大水平位移均減小，但變化幅度不明顯。當開挖深度為10.6 m時，對基坑坑底進行加固，隧道最大水平位移由48.07 mm減小到47.21 mm，減小了1.8%。

圖25所示為基坑坑底是否加固與基坑支撐截面尺寸的關系曲線，由圖可知：同一基坑開挖深度下，基坑坑底加固時，隧道最大垂直位移均減小，但變化幅度不明顯。當開挖深度為10.6 m時，對基坑坑底進行加固，隧道最大垂直位移由59.73 mm減小到59.67 mm，減小了0.1%。

（2）隧道應力。圖26所示為基坑開挖至10.6 m時隧道應力與基坑坑底是否加固的關系，由圖可知：基坑坑底加固時，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值均有減小，但變化幅度不大。以彎矩為例，對基坑坑底進行加固，隧道最大彎矩由304.46 kN.m/m減小到244.09 kN.m/m，減小了19.8%。

5 結論

本文以寧波軌道交通某區間隧道旁基坑工程開挖為背景進行有限元模擬，分析了不同開挖深度下基坑地連墻側移、隧道位移與應力。然后基于有限元模型探討了隧道—基坑水平凈距、隧道埋深、基坑地連墻厚度、基坑鋼筋混凝土支撐的尺寸、基坑坑底是否加固等因素對地鐵隧道的影響。

所得主要結論如下：

（1）隨著基坑開挖深度的增大，隧道最大總位移、最大水平位移和最大垂直位移均增大，隧道彎矩、剪力和軸力的最大值也均呈現增大趨勢。

（2）各影響因素中，隧道—基坑水平凈距和隧道埋深對隧道位移和應力影響較大。以水平位移為例，當開挖深度為10.6 m時，水平凈距由3 m增大到19 m，隧道最大水平位移減小了51.2%；隧道埋深由7 m增大到19 m，隧道最大水平位移減小了62.1%。

（3）地鐵隧道控制保護區內基坑工程的管理分級，應重點考慮基坑—隧道水平凈距、隧道埋深及基坑開挖深度等因素。

[1] 張治國, 張謝東, 王衛東. 臨近基坑施工對地鐵隧道影響的數值模擬分析[J]. 武漢理工大學學報, 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. 緊鄰隧道基坑工程對隧道變形影響的數值分析[J]. 地下空間與工程學報, 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] 高廣運, 高盟, 楊成斌, 等. 基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J]. 巖土工程學報, 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] 王衛東, 吳江斌, 翁其平. 基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬[J]. 巖土力學, 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] 劉國彬, 黃院雄, 侯學淵. 基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J]. 巖石力學與工程學報, 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] 蔣洪勝, 侯學淵. 基坑開挖對臨近軟土地鐵隧道的影響[J]. 工業建筑, 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 文獻識別碼：A

1005-8443(2017)03-0291-08

2016-12-14；

2017-01-18

尹鐵鋒（1989 -），男，湖南邵陽人，工程師，主要從事軟土地下工程方面工作。Biography:YIN Tie-feng(1989-),male,engineer.