基坑開挖方式對既有下臥地鐵隧道變形的影響研究

2025-09-12 00:00:00李永波張家威趙歆徐少云

天津建設科技 2025年4期

【中圖分類號】：TU753 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-21-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.006

The Influence of Foundation Pit Excavation Methods on Deformation of Existing Underlying Subway Tunnel

LI Yongbo1， ZHANGJiawei2，ZHAO Xin2，XU Shaoyun1

（1.JiangsuClegolooa；.iaialEggiamp;s Co.，Ltd.，Tianjin300392，China）

【Abstract】：To investigate the influenceof foundation pit excavation methods on the deformationof existing underlying subway tunnels，a three-dimensional strata-tunnel-foundation pit analysis model was established using the MIDAS GTS NX finite element software，focusing on a proposed deep and large foundation pit excavation directly above a shield tunnel in Tianjin.By comparing two excavation schemes-conventional excavation without ground reinforcement and excavation with depth zoning combined with portal-type reinforcement using cement-mixing piles—the study analyzes the effects offoundationpit excavation onthe horizontal and vertical deformationaswellaslongitudinal differential setlementof the tunnel.Theresults indicate that conventional excavation without reinforcement caused tunnel deformations exceeding control limits，while the reinforcement scheme effectivelled controls tunnel deformations，ensuring compliance with requirements.

【Key words】： shield tunnel; foundation pit excavation； stratum reinforcement

隨著投入運營的城市軌道交通線路增多，在既有隧道結構附近施工的基坑工程案例亦逐漸增多，由基坑開挖引起的土體卸載對隧道結構和地鐵運營安全的影響越來越引起人們重視[1-3]。為了研究地鐵周邊，尤其上方基坑開挖對既有地鐵區間隧道結構的影響，眾多學者開展了相關工作：劉繼強等4通過數值手段研究了深圳地區花崗巖殘積土層隧道上方基坑開挖引起下方盾構隧道上浮量和水平收斂的變化規律，并對襯砌結構縱向受力和病害相關性進行分析；謝強等通過FLAC3D研究了某換乘地鐵站上方基坑開挖在一次性開挖、分區開挖、跳挖方案下地鐵隧道洞頂結構的變形狀態；李騰飛基于實際工程，對基坑開挖所采取的加固措施與既有地鐵區間相互作用進行評估分析。上述研究均取得了一些有益結果，為相關工作提供了參考價值。

地區以粉質黏土等軟弱土層為主，地鐵隧道周邊基坑的開挖卸載對既有結構變形的影響較其他地區更加顯著。本文以某盾構隧道正上方擬進行的深大基坑開挖工程為研究對象，基于大型商用有限元軟件midasGTSNX建立了地層-隧道-基坑三維分析模型，分析基坑工程采用不同施工方案時對既有地鐵隧道結構變形的影響。

1工程概況

某既有盾構區間隧道長 499.25m ，出車站后雙線均以半徑 350m 的曲線到達下一車站。左右線隧道平行布置，線間距 17～20.6m ;縱斷面呈V字坡，主要位于 ⑥₃ 層粉土層、 ⑦ 層粉質黏土層、 ⑧₁ 層粉質黏土層，結構覆土厚度 12.46～15.26m 。隧道管片內徑 5.5m 、厚 350mm ，由C50鋼筋混凝土制作而成。

區間隧道上方為規劃的商業綜合體，其地下部分為1層商業，地下室結構底板與隧道頂部距離4.9～7.5m。擬建項目基坑總長 179m. 總寬 108m 、開挖深度7.5m ，上跨盾構隧道范圍約 118～127m ；圍護結構擬采用SMW工法樁，隧道左右一定范圍內樁長 13m ，其余部位長 15m ；圍護結構內支撐按2道撐考慮。既有地鐵隧道與擬建基坑的相對位置關系見圖1。

圖1綜合體基坑與既有地鐵隧道相對關系

2數值分析模型

2.1模型概況

軟土地層中深大基坑開挖會引起下臥隧道結構發生較大變形，通常需要對其影響范圍內隧道采取一定的加固保護措施。本文建立2種基坑開挖模型。

方案1：地層未加固，常規基坑開挖。

方案2：南側寬 30mm 范圍內的基坑開挖深度調整至 5mm ，并對基坑影響范圍內隧道附近土體采用水泥攪拌樁門式加固。見圖2。

圖2基坑深度分區及水泥攪拌門式加固范圍

基于midasGTSNX建立三維地層-結構-有限元整體分析模型，土體單元以8節點六面體單元為主，單元網格劃分困難區域采用四面體單元。為消除邊界效應影響，有限元模型計算區域長 300m 寬 240m 高50m 。見圖3-圖4。

圖3有限元整體分析模型

圖4基坑-隧道相對位置模型

2.2計算參數

土體本構采用修正摩爾-庫侖模型，隧道采用彈性本構。模型中地層物理參數取自巖土工程勘察報告，見表1。

表1地層物理力學參數

水攪樁與型鋼分開建模，水攪樁采用實體單元，型鋼和基坑內支撐采用板單元。混凝土結構重度為25kN/m³ ，鋼結構重度為 78.5kN/m³ 。

2.3邊界條件和輸入荷載

1）三維數值模型的邊界條件：模型頂面為自由面；模型底面每個方向均施加約束；模型四個側面均只約束法向，其余方向無約束。

2）分析中輸入的主要荷載：土體、既有地鐵隧道與新建基坑工程的材料自重。

2.4變形控制標準

根據GB50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》和DB/T29-279—2020《市城市軌道交通結構安全保護技術規程》相關要求，結合地區工程經驗及要求，既有地鐵區間隧道變形控制指標見表2。

表2既有區間隧道結構累計變形控制指標

3區間隧道變形分析

3.1方案1

未對隧道周邊土層進行加固，地塊基坑采用常規開挖。既有地鐵區間隧道最大水平變形值為9.21mm ，最大豎向沉降值為 -3.21mm ，最大豎向隆起值為25.49mm 。隧道的水平和豎向累計變形值均出現在基坑開挖范圍內，且大于既有隧道累計變形控制指標；隧道豎向隆起變形在圍護結構位置起變化為沉降變形。隧道縱向差異沉降最大值 3.6mm 。見圖5-圖6和表3。

圖6方案1區間隧道縱向差異沉降曲線表3既有區間隧道最大累計變形值

在地層未采取加固措施，按照常規的基坑開挖方案無法滿足既有隧道變形要求，故需對基坑范圍的隧道采取一定的保護措施。

3.2方案2

基坑影響范圍內盾構隧道采用水泥攪拌樁門式加固，并對基坑南側一定范圍內的開挖深度調整至5m 。既有地鐵區間隧道最大水平變形值減小為3.36mm ，最大豎向沉降值為 -1.51mm ，最大豎向隆起值為14.76mm ，隧道水平、豎向累計變形最大值在基坑開挖范圍內，滿足既有隧道累計變形控制指標；在基坑中心范圍，隧道縱向差異沉降在 1mm 之內，基坑邊緣位置的區間隧道沉降差異較大，最大值為 1.9mm 。見圖7-圖8和表4。