地鐵車站基坑開挖對既有隧道變形沉降影響數值模擬分析

收稿日期：2024-03-01

作者簡介：劉飛（1987—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：巖土工程。

摘要 以某地鐵車站工程為例，為研究基坑開挖對既有隧道的影響，根據工程施工條件采用數值模擬方法確定既有隧道的變形量，對比分析模擬數據與現場監測數據，評價地鐵車站開挖引起的影響。結果表明：既有隧道最大變形和地表最大沉降發生在基坑開挖至坑底時，但均在許可范圍內，基坑開挖不會影響周邊既有1號線的正常運營；數值模擬結果與現場實測數據相差較小，表明文章采用的數值模擬方法具有可行性，可供參考。

關鍵詞 基坑開挖；變形；沉降；數值模擬；可行性檢驗

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0120-03

0 引言

基坑開挖可能導致周邊既有建（構）筑物變形或沉降，安全隱患多，深入研究基坑開挖對周邊環境的影響是保障開挖安全的重要前提。現階段，有限元法、連續介質模型法等在基坑開挖對周邊環境影響的模擬中取得廣泛應用，位移場、地表沉降等模擬結果具有參考價值。但數值模擬方法在參數設置、數據分析等方面仍有進步空間，因此深入研究數值模擬方法具有重要意義。基于此，該文采用數值模擬某地鐵車站基坑開挖，根據模擬結果評價開挖對周邊既有隧道的影響，通過施工現場實測數據驗證了模擬方法的可行性，模擬結果對工程施工有指導意義。

1 工程概況

某地鐵車站總長185 m，主體建筑面積13 480.3 m2，地下二層為站臺層，地下一層為站廳層，站臺為兩層島式站臺。主體結構底板埋深20.5 m，頂板覆土厚度2.42～5.26 m，基坑底土層為粉細砂層和粉砂層。以里程YDK17+730.009附近的車站基坑東側端頭井為研究對象，開挖深度約25.3 m，坑底位于第⑤2粉砂層，設置厚度1.2 m、深度48 m的地下連續墻。沿基坑深度方向設置支撐，第2、3、4、6、7道為鋼管支撐，剩余2道為鋼筋混凝土支撐。端頭井施工方法為明挖順作法，西側存在直徑6.2 m且處于運營狀態的地鐵1號線區間隧道，隧道頂埋深約8.65 m，管片壁厚350 mm，右線隧道中心距車站地連墻約18 m，如圖1所示。基坑開挖將擾動周邊環境，需要考慮開挖對既有地鐵隧道的影響，采取管控措施，保障基坑開挖安全和既有地鐵隧道運營安全。

圖1 基坑與隧道平面位置圖

2 監測點布置方案

（1）地表沉降監測點布置。受基坑開挖影響，地表可能發生沉降，導致建設于地表的既有建（構）筑物受損[1-2]。在該地鐵車站工程中，鄰近基坑的既有建（構）筑物主要為運營狀態的地鐵1號線，根據現場情況制定監測方案，設立獨立高程基準系統，在端頭井西側、南側和北側按3 m的間距有序布置監測點，每組測點數量為20個，布置方式如圖2所示。采用幾何水準測量方法用全站儀、水準儀等儀器測量地表沉降，根據測量結果判斷地表因基坑開挖發生的沉降，采取管控措施。

（2）隧道監測點布置。各監測面的測點布置在隧道拱頂、拱底及左右拱腰，每處1個，各斷面均有4個測點，沿隧道縱向每間隔10 m設一個監測面，左線監測點編號Z1～Z4，右線監測點編號Y1～Y4。通過測點密切監測隧道變形量，判斷隧道是否由于基坑開挖而異常變形，根據監測結果加強管控，確保基坑開挖期間既有線地鐵隧道的正常運營。

3 開挖土層數值分析

參考室內三軸試驗及固定試驗結果，確定土層模型參數，如表1所示，建立硬化土本構模型。該次土層分析中，主要包括標準三軸固結排水試驗割線模量E50ref、切線模量Eoedref、卸載一再加載模量Eurref三個重要參數。一般工程地勘報告給出的參數為壓縮模量ES0.1～0.2，該次計算參數選取原則為對軟黏土、粉土層E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的三倍，Eurref取E50ref的三倍；對砂土層E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的兩倍，Eurref取E50ref的三倍。剛度應力水平相關冪指數m取值根據土層類型而定，例如砂土層取0.5，粉土層和軟黏土均取0.7。

按照彈性材料模擬地下墻、支撐、底板及襯砌，關鍵參數類型及取值，如表2所示。其中，鋼材、混凝土的重度分別為78.5 kN/m3、25 kN/m3。

4 施工工序模擬及效果驗證

4.1 施工工序

基坑開挖分為12道工序，按照工序流程進行模擬，具體工序包括：①生成初始有效應力。②生成隧道襯砌，為了判斷基坑開挖過程中周邊既有隧道的位移，此工序加載時將位移重置為零。③設置圍護結構，采取加固措施。④開挖至0.8 m。⑤開挖至4 m。⑥開挖至7.7 m。⑦開挖至11.1 m。⑧開挖至14.4 m。⑨開挖至18.7 m。⑩開挖至22.2 m。開挖至25.3 m，到達坑底。設置底板。挖深達到0.8 m至挖深達到22.2 m的階段，每開挖一次均設置一道支撐，共計7道，挖深為0.8 m和14.4 m時均設置混凝土支撐，其他挖深條件下均設置鋼支撐。

4.2 結果分析

（1）隧道變形。基坑旁側隧道可能因基坑開挖卸荷而承受附加應力，進而由于力的作用過強發生豎向和水平兩個方向的變形，若基坑開挖卸荷量過大，變形尤為劇烈，影響隧道管片拼接緊密性，該部位的縫隙量持續加大，結構受損，滲漏水愈發嚴重，隧道管片的穩定性變差，基坑開挖導致的隧道安全問題不容忽視[3-4]。若要保證基坑施工期間周邊隧道的正常運行，要求隧道水平、豎向兩個方向的變形量分別不超過5 mm、10 mm。基坑旁側隧道拱頂、拱底在不同基坑開挖工序時的豎向變形量，如表3～4所示。

無論拱頂還是拱底，在基坑開挖全流程中的豎向位移變化趨勢大體相同，隨著基坑卸載深度的增加而加大，豎向變形最大值對應部位工序為開挖至坑底時，即最后一道開挖工序。設定沿豎直向下的豎向變形為負，左線隧道、右線隧道的拱頂豎向變形模擬最大值分別為

?3.80 mm、?4.6 mm，監測最大值分別為?4.28 mm、?4.71 mm。左線隧道、右線隧道的拱底豎向變形模擬最大值分別為2.1 mm、3.6 mm，監測最大值分別為2.36 mm、

3.94 mm。根據數據對比分析結果可知，豎向變形值增量具有隧道拱頂超過拱底的關系，地鐵車站基坑開挖引起的隧道左右拱腰豎向變形明顯更小。地鐵車站基坑分步開挖過程中，每道工序開挖土體深度相差約為3.3～4.3 m，無過大差異，整個開挖活動平穩推進，不存在部分豎向位移監測數據變化速率過大或過小的情況。各特征點的豎向變形均具有左線隧道小于右線隧道的規律，導致此數據關系的主要原因在于兩條隧道分布位置的差異性，右線隧道距基坑更近，因此受基坑開挖擾動更加嚴重，因基坑卸荷導致的豎向變形量更大。數值模擬和現場監測確定的隧道水平向變形數據，如表5所示。

左線、右線兩條隧道的水平向變形較小，旁側隧道的水平向變形隨著基坑卸載深度的增加而加大，各特征點的變化趨勢基本一致，變形方向為朝向基坑側，最大值發生在基坑開挖至坑底時。左線隧道、右線隧道的水平向位移模擬最大值分別為0.087 mm、0.101 mm，監測數據最大值分別為0.094 mm、0.12 mm。雖然數值模擬和實地監測兩種方式下的最大水平向位移不同，但差異較小，且變形量均在許可范圍內。

（2）地表沉降。經過12道工序施工后，地表沉降量分布規律為基坑東側大于西側，結合工程施工進度計劃，東側屬于待開挖區域，后續部位的設計和施工不易受到地表沉降的影響，因此重點分析部位應為基坑西側鄰近既有隧道影響區域。基坑開挖結束后，與坑邊水平距離不同的區域的地表沉降模擬結果和實測結果，如表6所示。

隨著基坑開挖卸荷深度的增加，地表沉降持續加大，數值模擬和現場監測的最大地表沉降分別為?11 mm、?10.5 mm，位于距基坑邊30 m的位置，發生在開挖至坑底時。對比分析最大地表沉降的模擬值和監測值，兩者相差約8%，具有較好的一致性，表明該文數值模擬方法可靠。坑外土體與地連墻在剛度上差異大，局部變形發生變化，導致開挖前期沉降值略有回彈，坑邊地表最大隆起量2.8 mm。地表沉降總體呈漏斗狀，遠離中間部位的沉降相對平緩，具有“中間大、兩邊小”的沉降規律，沉降值最小部位主要集中在距基坑邊60 m左右的區域，在此范圍內，基坑開挖導致的地表沉降忽略不計。

5 結語

綜上所述，地鐵車站基坑開挖對周邊環境產生影響，需保證基坑開挖安全和周邊環境安全。該文結合地鐵車站工程實例，采用數值模擬方法分析地鐵車站基坑開挖對周邊既有隧道的影響，對比分析相同部位的模擬結果和現場監測結果，驗證了模擬方法的可行性，對鄰近既有建（構）筑物的地鐵車站基坑施工有參考意義。

參考文獻

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