市政管網基坑開挖對下臥既有隧道變形的影響

摘要：軌道交通作為城市公共交通的重要組成部分，其安全性至關重要；市政工程施工對運營地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響是地鐵運營公司關注的重點。文章以某軟弱地層的運營地鐵線路為例，計算分析多個基坑同時開挖施工對該地鐵線路周邊土體和襯砌變形的影響，現場實測襯砌變形數據的對比結果表明，該地鐵線路周邊土體和襯砌變形未超過相關規范要求，計算方法的正確性得到了驗證。

關鍵詞：市政管網；基坑開挖；隧道變形；有限元模擬

中圖分類號：TV441" " "文獻標識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）02-0125-04

0 引言

目前，我國大中型城市人口急劇增加，地下城市軌道交通成為多數人選擇的出行工具。隨著地下城市軌道的開通，地下管網等市政公用設施建設項目不斷增多，但基坑開挖等施工會不可避免地對原有線路的安全性產生影響［1-2］。市政管網工程基坑開挖一般較淺，但不同的開挖走向和開挖深度對地鐵沿線隧道變形的影響不同，因此探究多個基坑開挖引起的既有隧道隆沉，對軟土地區基坑圍護結構外側臨近區域的既有隧道的隆沉變形進行分析，同時采取合理的措施控制隧道變形，仍然是目前城市開發和利用地下空間時的重要工作內容。基坑開挖時的卸荷效應引起既有地鐵隧道周邊土體發生位移，嚴重威脅地鐵車站及隧道的安全。劉波等［3］總結分析42個基坑開挖工程案例的數據，給出3種不同地層條件下隧道水平位移的經驗預測公式，結果表明側方隧道水平位移均指向坑內，而豎向位移為沉降或隆起。唐汐［4］的研究引入隧道側向土體的影響，提出一種可預測基坑開挖對下臥隧道豎向變形影響的簡化計算方法。馮國輝等［5］在基坑開挖對下臥既有隧道變形影響的研究中，通過對實際工程案例中的數據進行對比，驗證了將剪切變形考慮在內的變形解析方法的合理性和優越性，結果表明基坑開挖的寬度和深度對既有隧道受力變形有影響。學者們對單體臨近區域基坑開挖對地下隧道影響的研究主要集中在半經驗預測、數值模擬和現場實測，而對市政工程中沿地鐵隧道走向的大面積淺基坑開挖對隧道安全影響的分析較少。

本文以某在建市政管網工程為例，分析臨近工程基坑開挖施工對軟黏土地層既有地鐵雙線隧道及周邊建筑環境的影響，利用Abaqus軟件本構模型中的Mohr-Coulomb屈服準則模擬地下空間結構基坑的開挖施工過程［6］，分析隧道盾構襯砌及周邊地基位移情況，并且對比分析實際施工過程和模擬計算的結果。

1 工程概況及控制標準

1.1 工程概況

某海綿城市地下管網工程的基坑開挖位于軟土地區地鐵運營段單線斜上方。地鐵沿城市主干道下方敷設，交通流量較大。該地下管道工程兩側地下管線、過街頂管及地下障礙物較多，對工程的影響大。工程地屬崗地坳溝地貌單元，場地類別為Ⅱ類，屬抗震不利地段，近場區無全新活動斷裂通過，新構造運動微弱，區域穩定性較差。場地表層分布填土，上覆土層以黏性土為主，基底巖性以粉砂質泥巖為主，綜合評價場地穩定性一般。1#～4#管溝開挖深度為1.5～1.9 m，考慮到地質條件及基坑開挖的卸荷影響，需要對地鐵運營段地基沉降及襯砌變形進行監測，以保障地鐵運營安全，如監測發現異常狀況，則需要實施可靠的地基處理措施后，方可興建工程。管溝與現有盾構平面剖面關系圖見圖1。

1.2 變形控制標準

為防止施工造成地鐵隧道管片裂縫、滲漏或是引起軌道不平順等問題，住房和城鄉建設部發布《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202—2013），對相關變形控制指標提出了具體要求（見表 1）。

2 模型建立

2.1 土體參數

本次模擬采用的土體及其物理性質見表2。地鐵隧道襯砌材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型，彈性模量為35 GPa，泊松比為0.2，密度為2 500 kg/m3。

2.2 計算模型

本次有限元模擬主要對比分析隧道襯砌上方土體開挖的工況，因此模擬過程中設置網格模型的左側、右側和底面均為法向約束，其中左、右側設置為X=0，在底面施加邊界條件X=0、Y=0。為評估該地下管道工程基坑開挖卸載對盾構變形和軌道平順性的影響，本文采用的有限元計算需施加初始地應力，模擬計算則采用在土體內部增加自重荷載屬性，同時在模型邊界施加一定面荷載的方法，通過側摩阻力荷載等求得地應力場：

其中：[σs]為初始地應力；[γ]為土體自重；Z為測點的深度；[K0]為土層的靜止土壓力系數；[τ]為測點的深度。根據以上公式可以計算出每個測點的初始地應力，然后分配到各個單元節點上，從而得到單元節點的初始地應力。

模型土體選用M-C（Mohr-Coulomb）屈服準則，屈服準則是將巖土體的破壞條件表示為與最大主應力圓相切的一條直線，用巖土的黏聚力與內摩擦角表示，屈服準則表達式為

公式（4）以主應力表達式表示為

公式（5）以屈服函數形式表示為

其中：[C]、[φ]分別為巖土的黏聚力和內摩擦角；[J'1]、[J'2]分別為應力張量的第一偏應力不變量和第二偏應力不變量；[θ]為羅德角，其計算公式為

其中，[J'3]為應力張量第三偏應力不變量。屈服后，在一個應力增量間隔中，應變增量由彈性和塑性2個部分組成，即

其中：[D=E（1+μ）（1+2μ）]，[dεe]與[dσ]之間仍為線彈性關系。根據塑性理論的流動法則，塑性應變增量[dεp]與塑性勢函數[Q]的應力梯度成線性比例關系，表示為

根據相關塑性理論[Q≡F]，求得

對于硬化材料，[dF=0]，即

在Abaqus工程模擬的有限元軟件中，模型結構需劃分網格，本次模擬選用四結點雙線性平面應力四邊形單元（CPS4R）劃分網格（見圖3），網格大小為0.5 m。本次有限元模擬使用Abaqus中的Model Change功能進行設置。

3 計算結果分析

3.1 基坑土體沉降分析

建立初始自重應力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載的作用下已經固結沉降完畢，需要將已經固結沉降的原狀土作為后續步驟的初始狀態，因此若要達到天然土層的初始狀態，必須平衡初始地應力，使土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。模型中的第一階段為施工前計算土體在自重作用下的位移場和應力場，并且構造初始應力場，為后階段的計算結果提供參照。

針對隧道上部土體開挖的前后情況進行對比分析。為了模擬現實中隧道的真實應力狀態，模擬分析中設置了地應力平衡分析與隧道開挖分析。土體沉降模擬結果見圖4，開挖右側隧道正上方后，下臥隧道頂端呈現不同程度的土拱隆起，右側隧道隆起約0.256 mm；由于隧道襯砌結構整體剛度較高，因此隧道底部受土體及襯砌結構自重的影響，導致整體下沉約0.1 mm。

基坑開挖5 m后，隧道上部土體整體變形均勻，變形值區間為0.165～0.195 mm，對隧道整體結構影響較小［7］。如果持續開挖深基坑，則需嚴格把控，否則極易導致隧道結構開裂、滲漏，甚至可能引起列車停運等嚴重的公共安全事故。

3.2 襯砌位移分析

襯砌內繞隧道共設置80個變形監測點測定位移變化，在隧道開挖模擬分析中，左側隧道拱頂產生0.227 mm的上浮豎向位移，拱底下沉0.09 mm；右側隧道上浮位移為0.244 mm，拱底下沉0.08 mm，左右側變形規律一致。開挖后土體自重應力逐漸減小，土體附加應力對襯砌結構持續擠壓，整體變形分布呈現橢圓球形，最大位移出現在拱頂及拱底位置。

隧道水平位移主要集中在腰拱側，左右兩側隧道變形分布一致。其中，受右側基坑開挖影響，水平正向位移最大值出現在右側隧道右腰拱處，變形量為0.2 mm，最大負位移為0.19 mm。以襯砌最高點為起點，1#～4#管溝斷面的襯砌隆起對比圖見圖5。

受隧道上部管道開挖施工的影響，隧道襯砌產生了一定的位移，相比水平向位移，隧道襯砌豎向位移較大且最大隆起位移均發生在襯砌中部，1#管溝下的位移值較大，達到了0.6 mm，與現場監測結果接近。1#～4#管溝的開挖深度為1.5～1.9 m，比較單個斷面，右側襯砌隆起比左側襯砌隆起大，說明地鐵襯砌上方基坑開挖對軟土地基區域的地鐵襯砌有一定影響；延地鐵線路走向，各個斷面上的水平位移量和豎直位移量有一定的差距。整體上看，地鐵襯砌隆沉量較小，沒有超過規范要求的限值，因此該軟土地區地鐵運營段是安全的。

4 結語

本文依托某地區地鐵運營段單線上方的基坑開挖工程，采用Abaqus有限元模擬軟件對基坑開挖進行有限元計算分析，通過對比現場工程監測結果，研究分析開挖過程中隧道最大豎向位移、最大水平位移時的曲線變化特點。雖然市政管網基坑通常開挖深度較淺，但是對軟弱地層仍需要結合現場工程監測變形結果進行計算分析。基坑開挖工程應綜合考慮不同基坑開挖對下臥既有隧道關鍵截面的變形影響，保障線路的平順性。

5 參考文獻

［1］吳劍秋，孫旻，蔡慶軍，等.基坑開挖對緊鄰下臥地鐵隧道變形的影響與控制研究［J］.建筑施工，2020，42（2）：145-148.

［2］張治國，張孟喜，王衛東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法［J］.巖土力學，2011，32（7）：2085-2092.

［3］劉波，章定文，李建春.基于多案例統計的基坑開挖引起側方既有隧道變形預測公式及其工程應用［J］.巖土力學，2022，43（S1）：501-512.

［4］唐汐.基坑開挖引起下臥既有隧道變形的簡化計算方法［J］.鐵道標準設計，2023，67（5）：80-87.

［5］馮國輝，徐長節，鄭茗旺，等.考慮剪切變形下基坑開挖引起下臥既有隧道的縱向變形研究［J］.鐵道學報，2022，44（03）：132-141.

［6］魏綱，胡凌威，朱佳定.基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的數值分析［J］.三峽大學學報（自然科學版），2014，36（4）：46-49，56.

［7］李健津，陳俊生，劉叔灼，等.緊鄰地鐵正上方基坑開挖對地鐵保護措施研究［J］.地下空間與工程學報，2016，12（S1）：348-353.