基坑开挖对相邻盾构隧道变形的影响研究

摘要：文章就基坑开挖对盾构隧道结构的破坏进行研究，建立了基于基坑与隧道不同距离、不同隧道管片厚度的有限元模型，分析了不同厚度盾构隧道管片的位移场及纵向变形。得出以下结论：（1）相邻基坑开挖会引起位移过大、沉降、盾构隧道结构变形，造成断裂增多、漏水、渗漏等结构破坏；（2）随着隧道与基坑距离的减小，隧道变形不断增大，当距离＜30 m时，管片厚度的增加大大改善了结构变形；（3）管片厚度的增加对纵向变形阻力没有明显影响。此外，当隧道与基坑距离＜50 m时，应采取附加防护措施，以减少隧道纵向变形。

關键词：隧道工程；基坑；盾构；变形

中图分类号：U455.43A421454

0引言

由于施工技术的不断进步和机械化程度的提高，地下结构经历了从明挖和地下开挖向盾构隧道结构的转变［1］。然而，城市地铁工程早期的结构设计主要考虑周边水土荷载和部分超载，随着大量城市基础设施的建设，城市地铁建成区周边将出现新的工程活动，如周边装卸施工和新建相邻隧道施工等。城市环境的变化导致了传统理论盾构隧道设计刚度不足的问题，进而引发变形过大等多种病害，同时也增加了后期的运行风险和维护成本，影响盾构隧道的安全性。因此，在城市地铁工程的结构设计中，应考虑环境变化引起的各种影响因素［2］。

目前，许多学者从工程监测、模型试验和数值模拟三个方面研究了基坑开挖对相邻地铁结构的影响，且在基坑开挖过程中，常采用整体开挖、隔墙等措施来保护隧道。考虑到横向平台对新建地铁线路边界的影响，我国隧道内径呈增加趋势［3］。目前，隧道结构扩径后在外部环境影响下的变形特征尚不明确；同时，隧道扩径后，应增加隧道管片的厚度，使其与扩径相匹配。然而，目前的研究大多没有涉及确定厚度和承载变形能力之间的关系［4］。

基于此，本文详细介绍某地铁1号线相邻基坑开挖方案，并预测基坑开挖后的隧道变形，研究隧道管片厚度能否增加其抗基坑扰动能力；同时分析了现有工程基坑开挖对隧道结构影响的现场实测数据，探讨了盾构隧道结构的变形和破坏。

1项目概况

本文研究对象为某地铁1号线，其左线起止桩号为K31+523.250～K32+561.290，右线起止桩号为K31+523.250～K32+561.290，左右线总长度分别为1 033.097 m和1 038.040 m。隧道段为单孔单线圆形隧道，盾构施工。隧道最小平曲线半径为450 m，线距范围为13.4～17.0 m。隧道最大纵坡为25.326%，顶部埋深为9.2～17.32 m。开挖区内隧道埋深约为13.8～17.2 m，隧道外径为6.7 m，盾构管片厚度为0.4 m。地铁盾构隧道左右线平行，双线中心线间距约为12.0 m。隧道主要位于粉质黏土层。在基坑开始挖掘之前，两条隧道线的建设已经完成。

基坑面积约为46 000 m2，地铁隧道结构顶部至基坑底部的距离约为9.29 m，最近的水平距离约为0.7 m。屋盖埋深约为1.8 m，基坑开挖深度约为4.85 m。基坑采用明挖法施工，采用SMW850@600工法支撑。基坑与隧道的位置关系如图1所示。

2工程隧道损伤监测分析

项目组在二次支护下开挖基坑时，在日常检查中发现左线盾构隧道底部有渗漏现象；一周后，盾构隧道底部出现纵向裂缝和渗水现象；受相邻大型基坑施工影响，区间隧道40～414环出现不同程度受损，断层增多、漏水、管片开裂等现象。

基坑开挖范围为盾构隧道第60环至第260环之间的位置。从图2可以看出，在基坑开挖过程中，隧道有明显的横向位移和沉降位移。横向位移呈中间较大、两侧较小的趋势，最大水平位移为34 mm。隧道整体沉降明显，最大沉降为20 mm。全部施工完成后，隧道累计沉降为33.26 mm，纵向和横向收敛变形分别为-23 mm和28 mm。基坑开挖引起的隧道沉降、竖向变形和水平变形分别占最终值的40%、47.8%和42.9%。

3数值模型和开挖方案

3.1数值模型和参数

Midas-GTS是用于土壤和隧道的三维有限元分析软件，几乎包含了施工全阶段的应力分析和渗透分析［5］，可以对复杂的几何模型进行可视化和直观的建模，故本研究采用该软件进行数值建模。计算模型尺寸选择为260 m×220 m×40 m（长×宽×高），计算模型网格如图3（a）所示。以该曲面为自由边界，其余五个曲面均受其法向变形约束。该模型分为76 512个单元和13 576个节点。模型内部结构位置关系如图3（b）所示，修正的摩尔-库仑破坏准则用于土的本构模型。模型的其他组成部分采用以下方法进行模拟：（1）模型周围土壤中采用实体单元；（2）盾构段和块状结构采用板单元模拟；（3）采用等效刚度原理将基坑挡土桩转化为板单元模拟；（4）采用梁单元模拟钢支撑和混凝土支撑；（5）螺栓采用植入式梁元件。同时，考虑了土体的开挖过程和挡土结构的作用，以及20 kN/m2的变荷载。

3.2模拟开挖过程

为模拟全施工开发过程对隧道的影响，将施工步骤分为支撑施工、隧道施工、基坑开挖、地下结构施工、地下室回填、地上结构施工六个步骤，如图4所示。其中，由于设计方未提供详细的施工组织方案，模型计算是按照一次性完成开挖时最不利的工况进行。

4结果与讨论

4.1隧道位移

以隧道竣工阶段为初始状态，隧道位移为零。图5为基坑开挖、地下结构施工、地下室回填三个施工步骤的模拟隧道位移计算结果。从图5可以看出，盾构隧道向基坑的水平位移是由基坑开挖引起的，同时也产生了隧道的上抬位移。最大水平位移为23.6 mm，最大沉降位移为4.2 mm。在接下来的施工中，隧道位移逐渐反弹，隧道累积水平位移为19.2 mm，累积沉降位移为4.2 mm。与前文现场监测结果对比可以发现，计算结果能够反映基坑施工的实际情况。

4.2隧道管片厚度敏感性分析

由于消防疏散平台的要求，某地铁1号线盾构隧道内径增加到5.9 m，这在我国目前的地铁盾构隧道中是很少见的。因此，管片厚度与内径5.9 m的匹配情况尚不清楚。本节通过改变管片厚度，研究了不同厚度管片在基坑开挖下的抗变形能力。分段厚度以25 mm为间隔，范围为350～425 mm。此外，基坑深度分别取为8 m和12 m，隧道与基坑的距离也调整为5～50 m。

在基坑开挖的影响下，隧道外的土体向基坑内部移动。随着基坑附近隧道的位移大于基坑外隧道的位移，隧道变形增大。右侧隧道距基坑不同距离的水平变形如图6（a）所示，随着距离的增加，隧道的水平变形不断减小。当距离在5～20 m时，变形呈线性减小，管片加厚可使变形减小20%～50%。同时，管片加厚可以明显降低较深基坑的变形值。当距离在20～30 m时，管片厚度的影响减弱，厚度的增加并不能显著减小隧道变形。当距离＞30 m时，变形趋于稳定，不同厚度的管片变形基本相同；在这种情况下，基坑深度对隧道变形的影響较小。左侧隧道的水平变形如图6（b）所示，这与右侧隧道曲线相似。不同之处在于，由于距基坑较远，隧道整体变形较小，对管片厚度影响较小。

除了隧道变形外，隧道整体位移过大也会造成破坏［6］。当隧道发生水平位移时，其相对曲率应＜1/2 500。根据曲率公式计算隧道在不同工况下的纵向曲率，得到计算范围内的最小曲率半径。如表1所示。

从表1可以看出，随着隧道与基坑的距离减小，相同开挖深度下，最小曲率半径不断减小。当距离在30～50 m之间时，最小曲率半径超过标准要求的标准值，应采取防护措施。不同管片厚度隧道结构的最小曲率半径在相同距离处基本相同，说明管片厚度的增加对纵向变形抗力没有明显影响。

5结语

本文以某1号线相邻基坑开挖方案为基础，探讨了类似工程中盾构隧道的破坏情况。在此基础上，对某地铁1号线相邻基坑开挖进行数值模拟，研究管片厚度与基坑深度的关系。得出以下结论：

（1）根据同类工程监测结果，相邻基坑开挖会导致盾构隧道整体偏斜、沉降、结构变形过大，造成断层增多、漏水、管片开裂等结构破坏。其中，基坑开挖引起的隧道变形绝对值占比最大，＞40%。

（2）地铁相邻基坑开挖数值模拟结果表明，基坑开挖导致隧道结构水平变形和沉降变形过大，隧道结构变形在后续施工中反弹。数值结果与工程监测结果的一致性表明，本文提出的模型是正确的，可用于预测地铁相邻基坑的施工过程。

（3）管片厚度和隧道与基坑距离分析表明，隧道变形随着隧道与基坑距离的减小而增大，管片加厚可以显著减小变形。随着距离的增加，管片加厚的抗变形效果降低。当距离＞30 m时，变形趋于稳定，不同厚度段和基坑深度对隧道变形影响不大。此外，管片厚度的增加对纵向变形抗力没有显著影响。当隧道距基坑＜50 m时，应采取附加防护措施，以减小隧道纵向变形。

参考文献［1］徐国元，黄思源.基坑开挖对下卧盾构隧道变形影响的计算分析［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2021，40（9）：78-85.

［2］李长安.基坑开挖对邻近地铁盾构隧道变形以及内力的影响研究［J］.粉煤灰综合利用，2020，34（4）：30-34.

［3］干志伟.基坑开挖对邻近5.9 m内径盾构隧道的变形影响［D］.绍兴：绍兴文理学院，2019.

［4］冯龙飞.基坑开挖对侧方地铁盾构隧道的变形影响及控制措施研究［D］.广州：华南理工大学，2014.

［5］徐文腾.软土地区近接既有地铁隧道明挖基坑施工技术分析［D］.重庆：重庆交通大学，2021.

［6］徐日庆，申硕，董梅，等.软土地区基坑开挖诱发邻近盾构隧道水平位移的简化算法［J］.湖南大学学报（自然科学版），2021，48（3）：153-163.

作者简介：吴仲邦（1992—），工程师，主要从事城市轨道交通及高速公路管理工作。