基坑施工引起临近地铁隧道变形实测及有限元分析

孙斌彬，陈甦，李学东，陈春明，唐强*

(1.苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215137；2.江苏省地质矿产勘察局第四地质大队，江苏 苏州 215129)

基坑施工引起临近地铁隧道变形实测及有限元分析

孙斌彬1，陈甦1，李学东2，陈春明2，唐强1*

(1.苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215137；2.江苏省地质矿产勘察局第四地质大队，江苏 苏州 215129)

为了研究基坑施工对临近既有地铁隧道变形的影响，对苏州地区10个基坑施工引起的临近地铁隧道变形监测数据进行整理统计，分析隧道变形随基坑施工发展的时空特征。研究表明：基坑施工导致临近地铁隧道朝基坑方向移动，同时引起拱顶沉降、道床隆起以及隧道断面水平向拉伸；隧道水平位移、竖向位移以及水平收敛变形随基坑开挖深度的加大而增大，一般在基坑开挖完成或者支撑拆除时达到最大值；隧道变形曲线空间分布具有对应基坑中部或中部附近处隧道断面变形较大的特点；隧道变形曲线的时空特征，受土方开挖方式、坑内加固、地面超载、降水活动、基坑与隧道相对空间位置关系等因素影响。对某基坑施工引起的临近地铁隧道变形的有限元模拟计算表明，隧道变形随地连墙厚度减小、基坑与隧道间距减小而增大。

基坑；地铁隧道；水平位移；竖向位移；收敛变形；时空特征

0 引言

基坑施工会导致临近地铁隧道产生附加变形，而过大的附加变形将影响地铁正常运行甚至运营安全，因而上海市规定[1]：地铁结构外边线两侧3 m范围内不得进行任何工程建设，地铁结构最终绝对变形不能超过20 mm。关于基坑施工对临近地铁隧道的影响，国内外学者采用理论推导[2-8]、实测分析[9-12]、数值模拟[13-16]以及离心模型试验[17-20]等方法进行了研究，并取得了一定的研究成果。由于基坑施工对临近地铁隧道产生的附加变形受到基坑和地铁隧道的设计与施工、相互间的位置关系以及工程地质与水文地质等多种因素的影响，十分复杂，因此有必要结合各地具体情况，对此开展深入的研究。

本文以苏州地区基坑工程为背景，对 10个基坑工程施工引起的临近地铁隧道变形的监测结果进行了整理归纳，结合有限元模拟计算，探讨了隧道水平位移、竖向位移和收敛变形等随基坑施工的时空变化规律及其影响因素。

1 工程背景

10个基坑工程均毗邻苏州地铁1、2号线区间隧道一侧，如图1(a)所示，基坑开挖面积、深度、临近地铁侧支护结构型式及其与地铁的平、立面关系等见表1。10个基坑工程的地质条件比较接近，在基坑开挖深度及地铁隧道埋深范围内，土层基本为填土、粉质粘土、粘土和粉土；隧道侧基坑支护结构均为地下连续墙或钻孔灌注桩加砼支撑及钢支撑。

对临近基坑工程的地铁隧道监测内容主要包括拱腰水平位移(10个)、拱顶和道床竖向位移(分别为4个和8个)以及拱腰水平收敛变形(5个)等，测点布置如图1(b)所示。

图1 基坑与临近地铁隧道相对位置示意图Fig.1 Relative position of foundation pit and subway tunnels

工程序号工程名称基坑概况开挖面积/m2开挖深度/m隧道侧基坑支护型式临近地铁隧道概况与基坑水平净距/m顶部埋深/m1港中旅新区项目4800048～90地连墙+1道砼支撑131～17390～1002恒丰银行办公楼3740106地连墙+2道砼支撑103～10990～1073金融港商务中心20580111地连墙+2道砼支撑127～266864职业大学教学楼337045钻孔灌注桩+1道砼支撑156～244815江苏银行办公楼4290171～183地连墙+3道砼支撑11197～1256苏州移动综合大楼12500107～145钻孔灌注桩+2道砼支撑252～42385～1357新光三越百货15913191～211地连墙+1道砼支撑+4道钢支撑143～285928火车站综合楼879057钻孔灌注桩+1道角撑177～387689星悦城3985112～121钻孔灌注桩+2道砼支撑41～112132～14110汽车西站综合枢纽5400083～115地连墙+2道砼支撑117～75797～99

2 地铁隧道变形监测结果及其分析

2.1 监测结果

为节省篇幅，图2为部分隧道近线拱腰(A点)水平位移实测曲线；图3为部分近线拱顶(C点)竖向位移实测曲线；图4为近线道床(B点)竖向位移实测曲线；图5为部分近线拱腰水平收敛实测曲线。水平位移、竖向位移正值分别表示隧道结构朝基坑方向和向上位移，水平收敛正值表示隧道拱腰水平收敛测线伸长。

(a)序号1

(b)序号2

(c)序号3

(d)序号5

(a)序号2

(b)序号4

(a)序号1

(b)序号4

(a)序号5

(b)序号9

2.2 结果分析

2.2.1 隧道变形曲线空间分布形态

由图2可知，临近地铁隧道拱腰水平位移方向朝向基坑，水平位移曲线空间分布总体表现为对应基坑中部或其附近处隧道断面拱腰水平位移较大，而对应基坑端部处隧道断面拱腰水平位移较小。由图3可知，隧道拱顶竖向位移方向向下，即为沉降，拱顶沉降曲线空间分布基本表现为对应基坑中部或端部处隧道断面拱顶沉降较大。由图4可知，隧道道床竖向位移方向向上(序号1基坑工程除外)，即为隆起，道床隆起曲线空间分布基本表现为对应基坑中部或其附近处隧道断面道床隆起较大，而对应基坑端部处隧道断面处道床隆起较小。由图5可知，隧道拱腰水平收敛变形以水平伸长为主，水平收敛曲线空间分布基本表现为：对应基坑中部的隧道断面拱腰水平伸长量较大，对应基坑端部的隧道断面拱腰水平伸长量较小。

由于基坑中部围护结构对土体的遮蔽作用较弱(即长边效应)及其卸荷应力集中，基坑中部的土体位移通常大于基坑端部一定范围内的土体位移。而基坑围护结构、基坑与隧道间土体、隧道结构的位移都受到基坑周边土体位移场的影响，三者水平变形大小不一，但变形趋势一致。因此，基坑施工引起的隧道变形(包括拱腰水平位移、拱顶和道床竖向位移以及拱腰水平收敛变形)曲线空间分布一般表现为对应基坑中部断面处隧道变形较大，而对应基坑端部断面处隧道变形较小。但是由于基坑施工引起的隧道变形原因十分复杂，在某些特定条件下，隧道变形的空间分布形态也会有所变化。如图2(a)所示，序号1(包括未给出图形的序号7)基坑工程引起的隧道拱腰水平位移曲线空间分布的上述一般特征并不明显，是因为采用分区跳挖的开挖方式减弱了基坑长边效应(而序号7则是由于分区开挖和坑内被动区采取水泥土搅拌桩裙边加固措施，共同抑制了坑外土体向坑内移动的趋势)，因此隧道水平位移在基坑范围内总体比较均匀；如图3(b)所示，序号4基坑工程引起的隧道拱顶竖向位移曲线空间分布一般特征不明显，这可能与基坑挖深与地铁隧道埋深相对位置关系等有关；如图4(a)所示，序号1基坑工程引起的隧道道床竖向位移向下，即为沉降，这是因为基坑施工期间发生过止水帷幕渗漏，引起隧道附近地下水位下降，从而导致邻近地铁隧道发生沉降。

2.2.2 隧道变形最大值及其发生位置

统计的10个基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值为2.8～12.3 mm，总体在监测控制值(10 mm)以内；序号9、10基坑工程引起的隧道拱腰水平位移超过控制值(分别为12.3 mm和10.6 mm)，是因为前者在施工期发生过止水帷幕渗漏，后者卸土方量较大所致；9个基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值断面均出现在基坑中部或中部附近。统计的序号1～4基坑工程引起的隧道拱顶最大沉降为1.4～5.6 mm，全部在监测控制值(10 mm)以内，其中序号2和3基坑工程引起的隧道拱顶最大沉降断面分别对应基坑中部或中部附近。统计的序号2～6、8～9基坑工程引起的隧道道床最大隆起为1.3～5.5 mm，全部在监测控制值(10 mm)以内，统计的序号1、5、7、8、9基坑工程引起的隧道水平伸长量为0.8～17.0 mm，都在监测控制值(20 mm)以内，基坑施工引起的隧道道床竖向位移最大值和拱腰水平收敛最大值断面基本对应于基坑中部或者中部附近。

2.2.3 隧道变形随施工进程变化

由图2～图5可知，隧道拱腰水平位移、拱顶竖向位移、道床竖向位移以及拱腰水平收敛最大值基本发生在基坑开挖至坑底或支撑拆除工况。这是因为随着基坑开挖深度的增加，基坑卸荷量逐渐增大，基坑开挖至坑底时卸荷量达到最大；另外支撑拆除造成基坑支护结构挡土作用减弱，从而也将导致较大的隧道变形。

但隧道变形还受其它因素影响，如图2(d)所示，序号5基坑工程引起的隧道水平位移在开挖至第一道支撑时就达到了最大值，主要是由于此时隧道结构施工完成不久，施工时靠注浆抑制周围地层变形，管片变形尚未稳定。

2.2.4 基坑至隧道距离对隧道变形最大值的影响

图6和图7反映了隧道拱腰水平位移最大值、水平收敛值与基坑至隧道最小水平净距的关系，即水平净距增大，隧道拱腰水平位移(序号6和10基坑工程的相应监测数据因离散性较大而未列入)、隧道水平伸长量均减小。

图6 隧道拱腰水平位移最大值与基坑至 隧道最小水平净距的关系Fig.6 Relationship between maximum horizontal displacement and minimum horizontal distance

图7 基坑至隧道最小水平净距对隧道 拱腰水平最大伸长量的影响Fig.7 Relationship between maximum horizontal convergence and minimum horizontal distance

3 基坑施工引起的临近地铁隧道变形有限元模拟

3.1 工程概况

恒丰银行办公楼基坑及其与隧道关系概况见表1(序号2)和图8所示。需说明的该基坑东侧、北侧和西侧围护体采用800 mm厚地下连续墙；南侧地铁侧(并向东西两侧各延伸20 m)采用1 000 mm厚地墙。

(a)平面关系

(b)立面关系图8 序号2基坑与临近地铁隧道相对位置示意图Fig.8 The Schematic diagram of relative position of foundation pit and subway tunnels of No.2 project

3.2 计算模型

在本文中选取典型剖面A-A进行三维有限元计算分析。根据文献[21-25]，为了减少边界效应的影响，模型平面尺寸取边界至基坑围护结构5倍开挖深度，模型计算深度取5倍开挖深度，即模型几何尺寸为200 m×160 m×55 m。土体边四周和底部边界采取法向约束，上部边界自由。整体模型如图9所示。土体材料采用Modified Mohr-Coulmb模型，根据地勘资料和参考文献[26]，E50取地勘报告上压缩模量ES(1-2)的4倍，土层参数具体见表2。隧道管片及其他主要结构单元采用线弹性模型，计算参数见表3。模型计算工况见表4。

图9 整体模型示意图Fig.9 Sketch map of whole model

土层名称重度γ/(kN·m-3)割线模量E50/MPa直剪(固快)Ck/kPaφk/(°)泊松比v素填土18924042348102903粉粘夹粘土19624043135137403粉质粘土18930081469188203粘土20130686078138103粉质粘土19130123459166503粉质粘土19129322060151003

表3 结构计算参数Tab.3 Mechanical parameters of structures

表4 模型计算工况Tab.4 Construction process of finite element modeling

3.3 计算结果及分析

地铁隧道近线拱腰水平位移有限元计算与实测结果对比如图10所示，拱顶竖向位移有限元计算与实测结果对比如图11所示。

(a)工况2

(b)工况4

从图10～11可以看出，总体上，有限元计算与实测得到的隧道水平位移和竖向位移曲线形态与数值基本接近。挖至基坑底部时，拱腰水平位移有限元计算结果和实测最大值分别为7.1 mm和5.4 mm，分别对应断面15和断面19；拱顶竖向位移有限元计算和实测最大值分别为-4.5 mm和-5.6 mm，分别对应断面15和断面14。有限元计算和实测结果间存在的差异，主要是基坑实际施工工况较复杂，有限元分析时难以完全模拟复杂的实际施工工况所致。

为分析地连墙刚度及基坑与隧道间距对隧道变形的影响，分别取南侧地连墙厚度为600、800、1 000、1 200 mm和基坑与地铁隧道间距为4.4、10.6、16.8 m等不同情况，进行基坑开挖对隧道变形的有限元模拟计算，结果如图12～图13所示。

(a)工况2

(b)工况4

(a)水平位移

(a)水平位移

(b)竖向位移

由图12～图13 可知，隧道拱腰水平位移和拱顶竖向位移随地连墙厚度增加而减小，当隧道距基坑10.6 m、地连墙厚度分别为1 200、1 000、800、600 mm时，对应的隧道拱腰水平位移分别为6.7、7.1、7.6、8.4 mm，对应的拱顶竖向位移分别为-4.0、-4.5、-5.0、5.5 mm。隧道拱腰水平位移和拱顶竖向位移随基坑与隧道水平间距增加而减小，当地连墙厚度为1 000 mm、基坑与隧道间距分别为16.8、10.6、4.4 m时，对应的隧道拱腰水平位移分别为4.2、7.1、11.4 mm，对应的拱顶竖向位移分别为-2.1、-4.5、-10.4 mm。

4 结论与建议

通过对苏州地区10个基坑工程施工引起的临近地铁隧道实测变形数据的整理分析，以及基坑工程施工引起的临近隧道变形有限元模拟计算，得到结论如下：

(1)基坑施工导致临近地铁隧道朝基坑方向位移，同时出现拱顶沉降、道床隆起以及隧道横断面水平向拉伸。

(2)基坑施工引起的临近地铁隧道水平位移、竖向位移以及收敛变形曲线的空间分布具有对应基坑中部或中部附近处隧道断面变形较大，对应基坑端部处隧道断面变形较小的特点。隧道变形随着基坑开挖深度的加大而增大，一般在基坑开挖完成或者支撑拆除时达到最大值，但土方分区开挖、坑内加固、地面超载、降水活动、基坑与隧道竖向相对位置关系等也会影响隧道变形曲线的时空分布。

(3)随着地连墙厚度减小，隧道水平位移和竖向位移增大；随着基坑与隧道水平距离减小，隧道水平位移和竖向位移增大。

(4)在临近地铁隧道的基坑工程设计与施工中，建议加强基坑中部的支护结构刚度，对隧道侧土方合理进行分区开挖，减少基坑边缘超载，控制止水帷幕施工质量，同时加强施工监测、实现信息化施工，以减少基坑施工对临近地铁隧道的影响。

[1] 王如路，刘建航.上海地铁监护实践[J].地下工程与隧道，2004(1)：27-32.

[2] Loganathan N，Poulos H G.Analytical prediction for tunneling-induced ground movement in clays[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，1998，124(9)：846-856.

[3] Vorster T，Klar A，Soga K，et al.Estimating the effects of tunneling on existing pipelines[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2005，131(11)：1399-1410.

[4] 朱卫东，杨文定.城市地铁隧道施工引起的地表沉降研究[J].公路工程，2016，41(5)；195-199.

[5] 张治国，黄茂松，王卫东.邻近开挖对既有软土隧道的影响[J].岩土力学，2009，30(5)：1373-1380.

[6] 夏怡，刘晖峻.考虑桩基效应时地铁隧道开挖引起的地表沉降计算[J].公路工程，2015，40(4)；238-244.

[7] 魏纲，赵城丽.基坑开挖引起临近隧道的附加荷载计算方法[J].岩石力学与工程学报，2016，35(1)：3408-3417.

[8] 朱木锋.复杂地层条件下地铁隧道下穿建筑物爆破设计[J].公路工程，2015，40(4)；38-40.

[9] 刘庭金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(S2)：3393-3400.

[10] 肖同刚.基坑开挖施工监控对临近地铁隧道影响分析[J].地下空间与工程学报，2011，7(5)：1013-1017.

[11] 胡海英，张玉成，杨光华，等.基坑开挖对既有地铁隧道影响实测及数值分析[J].岩土工程学报，2014，36(S2)：431-439.

[12] 王立峰，庞晋，徐云福，等.基坑开挖对邻近运营地铁隧道影响规律研究[J].岩土力学，2016，37(7)：2004-2010.

[13] Zhang J F，Chen J J，Wang J H，et al.Prediction of tunnel displacement induced by adjacent excavation in soft soil[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2013，36：24-33.

[14] Bai Y，Yang Z，Jiang Z.Key protection techniques adopted and analysis of influence on adjacent buildings due to the Bund Tunnel construction[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2014，41：24-34.

[15] 张明远，杨小平，刘庭金.临近地铁隧道的基坑施工方案对比分析[J].地下空间与工程学报，2011，7(6)：1203-1208.

[16] 郑刚，杜一鸣，刁钰，等.基坑开挖引起邻近既 有隧道变形影 响范区研究[J].岩土工程学报，2016，38(4)：599-612.

[17] 马险峰，张海华，朱卫杰，等.软土地区超深基坑 变形特性离心模型试验研究[J].岩土工程学报，2009，31(9)：1371-1377.

[18] 魏少伟.基坑开挖对坑底已建隧道影响的数值与离心试验研究[D].天津：天津大学，2010.

[19] 黄德中，马险峰，王俊淞，等.软土地区盾构上穿 越既有隧道 的离心模拟研究[J].岩土工程学 报，2012，34(3)：520-527.

[20] 梁发云，褚峰，宋著，等.紧邻地铁枢纽深基坑变 形特性离心模型试验研究[J].岩土力学，2012，33(3)：657-664.

[21] 刘国彬，王卫东.基坑工程手册[J].北京：中国建 筑工业出版社，2010.

[22] 唐仁，林本海.基坑工程施工对邻近地铁盾构 隧道的影响分析[J].地下空间与工程学报，201 4，10(S1)：1629-1634.

[23] 左殿军，史林，李铭铭，等.深基坑开挖对邻近地 铁隧道影响数值计算分析[J].岩土工程学报，20 14，36(S2)：391-395.

[24] 黄传胜，张家生.地铁深基坑三维有限元模型 尺寸效应分析[J].铁道科学与工程学报，2011，8(2)：59-63.

[25] 蒋华春.隧道数值模拟计算边界范围研究[J].公路工程，2013，38(3)：132-136

[26] 张瑞金，胡奇凡.摩尔库伦和修正摩尔库伦本构 有限元模拟结果对比分析[J].中国房地产业，2015，(8)：256-258.

DeformationMeasurementandFiniteElementAnalysisofSubwayTunnelDeformationCausedbyFoundationPitConstruction

Sun Binbin1，Chen Su1，Li Xuedong2，Chen Chunming2，Tang Qiang1*

(1.School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215137； 2.The 4th Geological Brigade of Jiangsu Geology&Mineral Exploration Bureau，Suzhou 215129)

In order to study the influence of foundation pit construction on the deformation of the existing subway tunnels，the deformation monitoring data of 10 foundation pit projects in Suzhou were collected and counted，and the temporal and spatial characteristics of tunnel deformation with the development of foundation pit construction was analyzed.The following conclusions were arrived.First，construction of the foundation pit caused the adjacent subway tunnels to move towards the foundation pit as well as the vault to sink，the road bed to uplift，and the tunnel cross-section to elongate horizontally.Second，the horizontal，vertical displacement and horizontal convergence deformation of subway tunnel increased with the depth of excavation，and the maximal deformation usually appeared at the stage when the excavation had been completed or when the shoring of trench had been removed.Third，the spatial distribution of subway tunnel deformation curves had the maximal deformation at the cross-section corresponding to the middle of foundation pit or the surrounding area.Finally，the temporal and spatial characteristics of the tunnel deformation curve was affected by factors such as excavation method，reinforcement means，surface overloading，precipitation activity，and relative space between the foundation pit and tunnel.The finite element simulation of the deformation of a subway tunnel caused by a foundation pit construction showed that the deformation of the tunnel increased when the diaphragm wall got thinner and the decrease of the spacing between the foundation pit and the tunnel.

Foundation pit；subway tunnel；horizontal displacement；vertical displacement；convergence deformation；spatial-temporal characteristic

U231.1

：A

：1001-005X(2017)05-0096-08

2017-05-18

江苏省地质矿产勘查局科研项目(2014-KY-7)

孙斌彬，硕士研究生。研究方向：岩土工程，E-mail：1430147578@qq.com

唐强，博士，副教授。研究方向：岩土工程，E-mail：tangqiang@suda.edu.cn

孙斌彬，陈甦，李学东，等.基坑施工引起临近地铁隧道变形实测及有限元分析[J].森林工程，2017，33(5)：96-103.