基于深基坑开挖对邻近既有地铁矿山法隧道结构变形影响的数值分析

［摘 要］本文以H中心项目基坑邻近既有地铁矿山法隧道结构为工程背景，简要说明基坑与隧道的位置关系、设计参数和施工保护措施等工程信息，详细介绍采用MIDAS GTS NX软件，模拟计算因基坑施工期间荷载变化所引起的邻近地铁矿山法隧道结构的变形情况，对比自动化监测数据，验证所采用的设计参数和施工措施效果，研究分析深基坑开挖对邻近既有地铁矿山法隧道结构及轨道的变形影响规律，为类似工程提供参考。

［关键词］深基坑；地铁隧道；数值分析；模拟计算；自动化监测

［中图分类号］TU75文献标志码：A

近年来，随着我国轨道交通的快速发展，邻近既有地铁矿山法隧道结构的基坑施工情况不断增多。为保证基坑施工及地铁隧道结构安全，对既有地铁隧道结构的允许变形量要求非常严格，尤其是社会关注度极高的正在运营的线路。鉴于地铁结构及运营安全的重要性，本文以H中心项目基坑邻近既有地铁矿山法隧道结构施工为背景，采用MIDAS GTS NX软件，模拟计算基坑施工全过程对地铁矿山法隧道结构的变形影响，对比自动化实测数据，研究分析变形规律并给出结论和建议。

1 工程概况

H中心项目基坑长约220 m，宽约210 m，总面积约为38 100 m2。基坑采用Φ1000@1300钻孔灌注桩围护结构，嵌固深度6.7 m。支护形式主要有1 000×1 000 mm钢筋混凝土内支撑、Φ609钢管内支撑、围护桩+锚索、双排桩+锚索与双排桩+锚索+斜撑五种形式。基坑邻近地铁联络线隧道的开挖深度为21.3 m，邻近联络线东端的竖井附近的开挖深度为17.3 m。

1.1 基坑与隧道关系

基坑西南邻近地铁1、2号线联络线，联络线长度约为266.37 m，西端埋深较深约为18.36 m，东端埋深较浅约为11.19 m。联络线位于基坑西南方向，结构基本平行于基坑开挖边线，隧道横断面宽约5.7 m，高约6 m，隧道结构厚度约0.35 m，西侧距离基坑15.7 m，南侧距离基坑8.6m。

1.2 工程地质概况

场地的地基土按照自上而下为：层杂填土；1层粉质黏土；2层粉质黏土；4层粉质黏土；6层粗砂；1层全风化泥岩；2层强风化泥岩；3层中风化泥岩。

1.3 施工保护措施

采取隔桩施工钻孔灌注桩，在相邻两根桩的混凝土达到70 %以上设计强度时，方可成孔施工，减小挤土效应影响；邻近地铁矿山法隧道结构一侧采取双排桩+锚索+斜撑支护结构；对既有地铁临时施工竖井采取注浆加固措施；在基坑施工过程中，对既有地铁矿山法隧道结构及轨道采取自动化监测措施［1］。

2 数值建模分析

2.1 建模软件简介

本工程采用三维有限元软件MIDAS GTS NX对基坑施工期间因荷载变化所引起的地铁矿山法隧道结构变形过程进行三维数值模拟，分析基坑施工不同荷载变化对既有地铁隧道结构的影响变形量。MIDAS GTS NX是一款针对岩土领域研发的有限元分析专业软件，支持多种分析类型，适用于基坑、桩基、隧道、地铁等各种工程，可针对邻近既有隧道结构的基坑开挖工程准确建模与分析。

2.2 有限元模型建立

采用MIDAS GTS NX软件模拟计算，建立“地层与结构”的三维有限元分析模型。在有限元分析时，假设模型的各土层为理想弹塑性均匀介质，遵循修正摩尔库伦模型（Modified Mohr-Coulomb）准则，地铁隧道结构和基坑钻孔围护桩等为理想线弹性均匀介质，采用弹性本构模型［2］。

根据基坑与周边地铁结构的相对位置，模型长度方向（X向）的尺寸取411m；为了避开基坑开挖影响，模型宽度方向（Y向）的尺寸取427 m；根据围护桩长度、基坑深度、隧道埋深等因素确定模型高度方向（Z向）取60 m。模型采用四面体和六面体单元混合计算，共划分单元300 965个，节点141 277个，有限元模型，如图1所示。

2.3 计算参数、本构关系及边界条件

2.3.1 计算假设

考虑到实际工程面积大，在数值模拟中不可能完全还原实际工程情况，因此在有限元计算中进行以下的简化和假设：土体和结构材料为均匀介质，连续且各项同性，其物理力学参数准确可靠；地表面和各土层呈水平层状分布的均匀介质；在建立模型计算时，初始地应力为土体的自身重力，不考虑岩土体和地下水的构造应力，模拟计算的模型变形即为施工所引起的土体变形，且不考虑时间效应；基坑开挖施工期间，既有隧道結构考虑非地震组合工况；假定地铁隧道、基坑围护桩及土体三者遵循变形协调原则；施工处于正常良好的控制条件下；将基坑围护桩通过抗弯刚度按地下连续墙等效计算（即EI相等）。

2.3.2 计算参数

第一，土体各项参数为工程地质勘查报告和已有经验取值。第二，基坑开挖是土体应力卸载的过程，因此在有限元数值计算中应考虑土体的回弹模量，修正摩尔库伦准则中可以较好模拟土体卸载的过程，并加入了卸载弹性模量，其值为压缩模量Es的3倍。土的强度采用三轴固结不排水强度指标。第三，围护结构、隧道二衬等结构的单元类型。分析中假设钢筋混凝土结构均处于弹性阶段。钢筋混凝土结构重度均为25 kN/m3，弹性模量30 GPa，钢材的重度为78.5 kN/m3，弹性模量为206 GPa［3］。

2.3.3 本构关系

采用修正摩尔库仑本构模型进行土体本构关系的弹塑性计算，采用线弹性本构模型进行结构的弹性计算。

2.3.4 模型边界条件

模型计算过程中，各层土体均按天然重度计算，计算荷载包含土体和结构的自重荷载。位移变形的边界条件为：土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束［4］。

3.4 模拟工况计算结果

如图2所示，C2位置处隧道结构埋深约为11.19 m，F位置处隧道结构埋深约为18.36 m，根据土力学基本原理，向基坑内的水平位移最大部位应发生在埋深较浅位置，与数值模拟结果相同，模型内隧道结构的位移方向为Y向。

根据基坑施工各工况模拟计算的隧道结构变形，地铁隧道结构水平位移最大值和沉降最大值在第15荷载步出现，即21.3 m基坑土体开挖全部完成时。最大水平位移为2.4 mm小于变形控制值，位置处于邻近基坑一侧隧道二衬侧壁；最大沉降为2.5 mm小于变形控制值，最大变形部位处于隧道结构顶；每10米差异沉降最大值为0.2mm，差异沉降值远小于变形控制值［5］，如图3、图4所示。

3 隧道自动化变形监测

3.1 自动化监测系统

本工程采用3台徕卡TS60磁悬浮式全站仪和3套自动化监测终端控制器及配套硬软件组成既有地铁隧道自动化变形监测系统。

3.2 监测点布设

在地铁隧道结构监测范围内，每10 m布设一个监测断面，共布设27个监测断面，每个监测断面布设2个道床监测点，2个隧道结构监测点，共计108个监测点。

3.3 监测数据采集

基坑施工期间，监测终端控制器远程设置观测模式、频率、限差等参数，自动观测、记录、发送监测数据和气象参数至监测信息平台；平台软件则自动平差处理观测数据、生成报表和变化曲线、发布预警。基坑围护结构施工及施工降水阶段的监测频率为2次/d，基坑开挖施工阶段的监测频率为4次/d，结构施工阶段的监测频率为2次/d［6］。

3.4 监测控制值

按照《城市轨道交通工程监测技术规范》规定，结合有限元模型计算结果、类似工程经验数据、根据本工程特点，综合确定地铁隧道及轨道结构变形控制值，如表1所示。监测预警标准：控制值的70 %为预警值，控制值的80 %为报警值。

4 模拟计算与实测变形对比分析

如图5、图6所示，地铁隧道自西向东为隧道长度增量方向，沉降变形值隆起方向为正，位移变形值向基坑方向为正，模拟计算与实测变形情况对比如下。

4.1 沉降变形

第一，地铁隧道轨道实测变形大于结构实测变形或模拟计算变形。第二，隧道结构及轨道实测变形同步，呈“M”形，隧道中部变形最大；模拟计算变形为西低东高，呈倒“V”形。第三，轨道实测沉降在隧道140 m处变形最大，沉降值为4 mm，同断面的结构实测沉降值为3 mm，模拟计算沉降值为1.7 mm；隧道结构实测沉降在隧道130 m处变形最大，沉降值为3.1 mm，同断面的轨道实测沉降值为3.9 mm，模拟计算沉降值为1.5mm；模拟计算隧道结构沉降在隧道220～240 m范围变形最大，沉降值为2.5mm，对应位置的轨道实测沉降最大值为3.4mm，结构实测沉降最大值为2.5 mm。第四，轨道实测19处和结构实测2处变形超过监测控制值，模拟计算结果均小于控制值［7］。

4.2 水平位移变形

第一，地铁隧道结构实测变形>轨道实测变形>模拟计算变形。第二，隧道结构及轨道实测变形同步，呈拱形，中部变形最大；模拟计算变形为自西向东逐渐增大后减小，东部变形最大。第三，结构实测位移在隧道110～130 m范围变形最大，位移值为4.2 mm，对应位置的轨道实测最大值为3.7 mm，模拟计算最大值为1.9 mm；轨道实测位移在隧道160 m处变形最大，位移值为3.9 mm，同断面的结构实测位移值为4.2 mm，模拟计算位移值为2.3 mm；模拟计算隧道结构位移在隧道220～240 m范围变形最大，位移值为2.9 mm，对应位置的轨道实测位移最大值为3.6 mm，结构实测位移最大值为4 mm。第四，结构实测25处和轨道实测23处变形超过监测控制值，模拟计算结果均小于控制值［8］。

5 结语

本文采用三维有限元软件MIDAS GTS NX模拟计算深基坑施工全过程对地铁结构和轨道的变形影响，对比隧道结构及轨道自动化实测数据，研究分析并得出如下结论：

地铁隧道结构和轨道变形主要受基坑开挖深度、基坑与隧道距离、支撑和锚索及时性等影响。在距基坑15m范围内，隧道结构和轨道变明显形，且随基坑开挖深度与隧道埋深的差值增加而增大。基坑开挖施工过程中，距基坑小于15 m范围内的隧道宜采取加密监测断面、增加监测频率等加强监测措施，尤其是基坑深度较隧道埋深差值较大等易发生明显变形的位置［9］。

受深基坑施工影响，地铁隧道结构和轨道发生明显隆起和向基坑一侧位移变形，且已超过监测控制值，最大变形位于隧道中部。基坑施工前，宜采取隔离和加强支护措施，减小基坑开挖对隧道的影响；基坑施工过程中，应严格按照设计规定的支护结构施工顺序和分层开挖深度作业，严格遵循先围护、后开挖原则，当基坑开挖面上方的支撑未达到设计要求时，严禁向下超挖，未达到拆撑条件时，严禁拆除支撑［10］。

数值模拟计算变形明显小于实测变形，原因是考虑土体应变影响的三维数值分析虽然能够较好反映基坑开挖对既有地铁隧道结构变形和内力的影响，但由于有限元模型及土体本构关系的特点，难以模拟计算基坑开挖后支护不及时、暴露时间过长等复杂时空效应影响，以及基坑围护桩与双排桩施工过程的挤土效应影响，因此计算值小于实测值。

参考文献

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［9］李顺群，马伟亮，叶茂松，等. 基坑开挖对邻近既有隧道变形的影响分析［J］. 济南大学学报，2022，36（3）：252-260.

［10］银英姿，刘斌. 深基坑开挖时邻近既有地铁隧道的监测分析［J］. 建筑技术，2016，47（9）：785-787.

［作者简介］刘鹰，男，辽宁沈阳人，中铁第六勘察设计院集团有限公司，高级工程师，硕士，研究方向：隧道变形数值分析。