基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响分析韩映忠;邓继键;唐仁【摘要】当地铁隧道距离基坑较近时，基坑施工会对地铁隧道的围岩应力进行重分布，并引发隧道结构产生变形及内力变化，甚至影响隧道的正常运行。
文章应用三维数值分析的手段，对基坑施工过程进行三维动态模拟分析，并结合现场实际监测数据，分析基坑开挖对邻近矿山法地铁隧道的影响。
分析表明，基坑施工会使邻近矿山法地铁隧道结构产生变形，但变形量非常微小，不会影响到地铁隧道的结构安全性。
其现场实测数据与有限元分析结果对比反映了隧道变形的规律，可以为以后的工程提供参考。
%When the distance of a subway tunnel excavation is close , rock stress of subway tunnel will be re-distributed , and trigger the deformation and internal force changes of tunnel structure .Three-dimensional nu-merical analysis was carried out on the foundation pit construction process in this paper , which reflected the effect of adjacent metro tunnel range change on the construction of foundation , combining with the actual moni-toring data , then we analyzed the influence of the excavation of adjacent mining method on subway tunnel .It is proved that foundation pit construction does have an effect on adjacent mining method of deformation and stress distribution of the subway tunnel structure , but it is very small , not enough to affect its safety .The field test da-ta and finite element analysis results reflect the Deformation Law of subway tunnel and then provide a reference for the future engineering .【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】6页(P61-66)【关键词】基坑开挖;矿山法隧道;变形;有限元【作者】韩映忠;邓继键;唐仁【作者单位】广州大学土木工程学院，广东广州510006;广州大学土木工程学院，广东广州 510006;广州大学土木工程学院，广东广州 510006【正文语种】中文【中图分类】TU94+1建筑物必须同时满足材料本身承载能力要求和正常使用要求才能进行运营，而当在这些建筑物周围(如营运地铁区间隧道或车站)进行岩土工程活动时，会使地下结构产生相应的变形，且给既有工程已形成的稳定性产生一定的影响，如使隧道结构周围的围岩应力状态重新分布，进而产生一系列复杂的力学行为变化，导致隧道周边荷载变化并引起结构变形[1].而地铁车站和区间隧道也是地下开挖工程，虽然在其结构建好后地层变形沉降趋于稳定，但由于地下结构的刚度与周围土体刚度不同，在邻近的深基坑开挖施工的扰动下，会出现地铁结构与周围土体变形不协调，这就涉及到基坑—土体—地铁结构三者相互作用问题.基坑开挖过程中，其围护结构向坑内产生位移，同时支护结构外的土体也会产生相应的变形.随着开挖深度的增大，坑外土体位移伴随着围护结构变形的增大而增加，并逐渐向外传递，从而引起周围地下隧道和建(构)筑物变形或者差异变形随施工过程不断变化.因此，掌握基坑开挖过程中既有地铁隧道的变形特性是至关重要的.本文以广州某邻近矿山法地铁隧道的基坑施工为背景，应用三维数值分析的手段，对基坑施工过程进行三维动态模拟分析，并结合现场实际监测数据，分析基坑开挖对邻近矿山法地铁隧道的影响规律.该工程位于广州城区，在学校运动场范围之下，为纯一层地下停车库，基础拟采用桩基础，在车库完成后地面再恢复为运动场.该地下车库建筑的±0.000相当于广州城建高程7.00 m.基坑呈长方形，东西长83 m，南北宽50 m，周长约264 m，开挖深度6.3 m.基坑支护结构与地下建筑结构有机结合，采用厚800水泥土搅拌墙内插H700×300×13×24和H500×300×11×18两种型钢作为挡土和截水帷幕的复合挡土截水结构，这两种型钢间隔跳插，间距为800 mm，长度为12～15 m.内支撑采用主体结构的纵横主梁作为内支撑体系，支撑立柱与主体结构柱合二为一，立柱的基础为主体结构的桩基础.挡土止水的双轮铣水泥土墙与主体结构外墙紧贴以减少占地空间并减少土方的开挖与回填以节约造价；水泥土墙中内插可回收的H型钢增加支护结构的抗弯刚度，同时不需要拆撑与换撑，从而实现基坑支护与建筑结构的有机统一.该基坑北面为海印电器总汇的两层商业楼，海印电器商业楼地面以下约19.2 m为已建的地铁六号线“越秀南～东湖”区间的矿山法隧道.该处隧道右线(靠近基坑侧的隧道)有一条站前停车段，该右线隧道总宽11.4 m，总高8.63 m，矿山法施工，隧道采用双层衬砌支护，初衬厚度均为300 mm，二衬厚度为600 mm；左线隧道(离基坑侧较远的隧道)宽6.4 m，高6.72 m，初衬厚度均为300 mm，二衬厚度为300 mm.两条隧道的净距离为1.9 m.右线隧道(靠近基坑侧的含停车段隧道)与基坑北面西段和中段(约65 m)的支护挡土墙外壁的最小水平投影约为8.4 m，隧道顶距离基坑底的垂直距离约为12.6 m，隧道顶到支护挡土墙底的垂直投影距离约6.3 m.右线隧道与基坑北面东段(约20 m)的车库出地面楼梯间的支护挡土墙外壁的最小水平投影距离约为3.85 m，隧道顶距离基坑底的垂直距离约为12.6 m，隧道顶与支护挡土墙底的垂直投影距离约8.8 m.隧道与基坑支护结构的具体位置关系详见图1～2.地铁工程结构本身由于地基的变形及内部应力、外部荷载的变化而产生结构变形和沉降[2].而地铁旁边的基坑开挖正是引起外部荷载变化的主要原因.如果地铁结构变形和沉降超过允许值，将会对地铁的运营安全造成影响.因此，在基坑开挖期间对其影响范围内的地铁隧道实施监测，并通过监测系统收集各种技术数据，建立数据库，以便更好地了解结构实际受力状态，掌握结构变形全貌，判断结构的安全承载能力和使用条件.对可能发生的危险及安全隐患提供及时、准确的预报，以便及时发现变形现象及发展趋势并采取有效措施，避免事故的发生，保障地铁隧道的安全.同时其监测数据和资料可以用来评估基坑支护对地铁隧道的影响，丰富设计人员及专家对类型工程的经验，以利于专家解决工程中所遇到的工程难题.(1)通过分析测量数据，了解隧道结构和围岩的变化趋势，必须时对基坑支护设计方案进行修改或完善施工参数；(2)通过监控量测了解和判断基坑施工手段和施工方案的合理性和科学性，利于及时修改施工方案，为基坑施工和地铁正常运营提供预警；(3)了解基坑施工过程中地铁结构不同位置的垂直变位与水平变位情况；(4)了解隧道结构的变形情况，实现信息化施工，为改进施工设计提供信息参考，具体布点方式见图3.测点与基准点的布置参考设计和实际施工情况，依据地铁设施保护的有关规定，对基坑施工范围邻近的地铁隧道结构变形实施监测，按照2倍基坑深度影响范围的地铁必须监测的要求，确定本项目的地铁应监测长度约110 m (大于2倍基坑深度) ，距离基坑较近的隧道中段，按10 m的间距布置监测断面.隧道两端离基坑较远、受基坑施工影响较小，按15 m的间距布置监测断面，监测段隧道长110 m，布设11个断面，隧道监测断面分别编号为D1～D11.每个监测断面布置8个监测点，计88个监测点，监测点分别编号为D1-1～D1- 8到D11-1～L11- 8.在隧道两端不受建设项目施工影响的隧道远处(与待测区域的距离大于30 m)各设置2个基准点，计4个基准点.各监测断面位置如图3，各断面监测点布设剖面如图4.在有限元数值计算建模时，定义数值计算分析施工工况尽量与实际基坑开挖施工工况相一致，再将土体、基坑支护结构及隧道结构进行单元网格划分离散，并定义这些网格的施工工况.在分析计算时，程序将从网格定义的初始步开始，按所定义的网格施工工况进行分步分析，真正实现动态施工过程的模拟，以实现信息化施工的目的[3].3.1 三维有限元数值计算模型建立根据本基坑与邻近地铁隧道的三维位置关系[4]，将临近地铁隧道一侧作为分析重点，最终选取模型范围为基坑北侧边线外7倍基坑开挖深度范围(约44 m)，基坑东、西及南侧边线外三倍基坑深度范围(约19 m)，考虑到隧道直径，以121.5m(长)×113 m(宽)限体这一性质，将基坑深度的3～5倍范围设定为固定边界，而固定边界以外土体的变形不作考虑.所以对于模型左右面、前后面底部依次约束X 方向位移、Y方向位移、Z方向位移.由于隧道为矿山法复合式衬砌隧道，为了模拟两层衬砌，模型对初衬采用实体单元，通过硬化边界实现，对二衬采用板单元模拟.对地面考虑20 kN·m-2活动荷载.建立的整体三维有限元模型见图5.3.2 材料参数的选取根据提供的勘察资料、结合现场试验得到的参数及通过室内土工试验确定的岩土力学参数[5]，再根据工程经验确定支护结构参数，最终选取岩土层和结构物材料参数见表1.3.3 基坑动态施工的三维模拟分析工况流程结合基坑施工工况，先进行初始自重应力分析，再进行水泥土墙施工、基坑土方开挖、内支撑结构护施工、对地下室的底板进行回筑，然后，再进行地下室顶板的施工和土的回填[6]，因此基坑施工的三维模拟工况流程共分为以下4步：(1)工况二:水泥土墙施工、基坑土方的第一步开挖至冠梁底，并施工冠梁、钢构立柱、内支撑及支撑板；(2)工况三:土方第二步开挖至基坑底；本工况包括基坑卸土引起的坑底土体隆起对隧道的影响和地下水位变化对隧道的影响(此工况水头降至基坑底面)；(3)工况四:浇筑地下室结构的混凝土底板；(4)工况五:地下室结构全部完成(因内支撑即为主体结构大梁，支护墙与地下室外墙紧贴，因此不存在换撑和基坑回填的工况).3.4 结果分析对比该工程目前已完成地下室回填，地铁隧道变形已稳定及收敛，根据统计水平方向的累计最大值为0.60 mm.竖向方向的累计最大值为-1.62 mm.均未达到报警值.另外根据有限元的分析结果显示，计算的水平方向的最大位移为0.388，竖向方向的累计最大值为0.60 mm，与实测的结果相差不大，均在误差的允许范围内.从图6可见，基坑开始开挖到施工至底板时(3月22日左右)，地铁隧道的水平位移和竖向位移呈上升趋势，待底板完成浇筑后，地铁隧道的变形基本趋于稳定，变化量很微小.基坑开挖的过程中，由于卸荷而引起坑底土体产生向上隆起，基坑围护结构的侧向变形以及基坑周边地层的移动，从而导致地面沉降及基坑外地铁隧道的变形.根据三维有限元数值分析结果，对比现场实测数据，分析基坑施工对邻近地铁隧道的影响规律[7].数值计算结果与实测数据结果都表明，本基坑开挖对地铁隧道结构变形和受力影响非常小，不足以对地铁隧道的结构安全性造成影响，但考虑到数值分析模型做了适当简化，为了进一步保证在基坑开挖过程中旁边隧道结构的安全以及为今后类似工程施工提供参考，对基坑开挖作如下建议：(1)对于基坑的开挖和支撑的施工，有限元三维动态模拟过程将其放在同一工况，但是实际情况是，这两个工况在施工时有一定的时间差，为了能更好地控制基坑的位移，要求基坑不可超挖，即在基坑土体开挖到内支撑设计标高后应及时进行内支撑的施工.(2)基坑的围护结构的水平位移及坑底隆起不仅对基坑本身有重要影响，同时，其对于邻近的地铁隧道区间结构的水平侧向位移与隆起位移也影响重大，因此，在基坑的开挖过程中，要加强对邻近隧道结构的监测，使其位移在合理的范围内，如有必要，可根据监测信息的反馈，适当的调整基坑支护结构的施工步骤和施工方案[8].(3)基坑工程施工应遵循分区、分块、分层、对称、限时原则，必要时在基坑靠近地铁隧道区间侧采取留(堆)土反压控制方案，以提高基坑内侧土体对围护结构的侧向约束作用，控制基坑卸载及变形对地铁隧道整体结构的影响[9].(4)基坑施工过程中不可避免的引起地下水位发生一定的变化，地下水位变化对隧道结构水平位移影响较大，为此建议基坑施工过程加强对周边地下水水位的监控工作，必要时可设置回灌井，当地下水位下降超过预警值时，采取回灌处理[10].Key words： the foundation pit construction; mining method; deformation; the finite element【相关文献】[1]陈志平，林本海. 两明挖隧道基坑先后开挖对其下地铁隧道的影响评价[J]. 华南地震，2014，34(1)：63-69.CHEN Z P,LIN B H. 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基坑开挖对邻近地铁隧道位移与变形的影响分析摘要：通过有限元软件Plaxis进行数值模拟，预测分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，计算结果说明基坑支护桩的设计能有效控制邻近地铁隧道的位移与变形，为实际工程的施工提供合理有效的指导与建议。
关键词：基坑开挖；邻近地铁；数值模拟Abstract: Numerical simulation is carried outby the finite element softwarePLAXIS,prediction and analysis the influence of foundation pit excavation on adjacent metro tunnel,the computing results show that thedesign of foundation pit support pilecan effectively control thedisplacementand deformation,provide guidanceand suggestionsfor theconstruction of the project.Key words: Foundation pit excavation;Adjacent metro;Numerical simulationThe Influence Of Foundation Pit Excavation On Adjacent Metro TunnelDisplacement And DeformationMinHui(Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co.,Ltd，ShenZhen，518029)０引言随着城市经济、人口的快速增长，地面交通出行越来越拥堵，为了缓解这种情况，很多城市修建了地下轨道交通，而一些新开发的房地产楼盘为了更好的销售量，都选择紧邻地铁修建，其建筑基坑开挖使邻近地铁隧道原有受力平衡被打破，引起地铁隧道产生相应的位移和变形。
探讨基坑开挖对临近地铁区间隧道变形的影响摘要：本文通过实际的工程案例，浅析了地铁施工当中基坑开挖对隧道等结构的影响，仅供参考。
关键词:地铁隧道；基坑开挖；变形；Abstract:in this paper,through the actualproject case,theconstructionofsubwayexcavation influence ontunnelstructure,for reference only.Keywords:subway tunnelexcavation;deformation;1隧道变形的原因对处于软土地层中的盾构隧道来说，影响隧道沉降的因素非常复杂。
既有盾构推进施工引起的，又有沿线土层性质变化决定的，有周围环境变化引起的，也有隧道营运产生的等等各种因素。
1.1施工期间对隧道纵向变形的影响施工期间的隧道变形主要是由于盾构推进时对周围土体的扰动，以及注浆等施工活动引起的。
具体包括以下几点原因:①开挖面底下的土体扰动;②盾尾后压浆不及时不充分;③盾构在曲线推进或纠偏推进中造成超挖;④盾壳对周围土体的摩擦和剪切造成隧道周围土层的扰动;⑤盾构挤压推进对土体的扰动。
因此，隧道一般要在盾构推进完成后半年至一年才投入使用，此时隧道的初始变形和周围土体的固结变形已基本完成。
1.2运营期间中对隧道纵向变形的影响处于饱和软弱土层中的隧道在长期运营中，一般都会产生较大的纵向沉降，占总沉降量的主要部分。
其主要影响因素包括以下几个部分:①隧道邻近建筑施工活动的影响。
隧道邻近范围内的各种建筑施工活动扰动隧道周围土体，对土层施加新的附加荷载，造成隧道周围土层产生沉降，从而导致隧道发生纵向不均匀变形;②隧道上方地表的加载。
隧道上方修建高层建筑物、构筑物、地面堆载等引起的地表加载都是导致隧道纵向不均匀沉降的重要因素。
在软弱土层中的盾构隧道中，当隧道上方增加地面荷载，会敏感地增加沉降和不均匀沉降。
