基坑施工对周围地铁影响的二维数值模拟研究

摘要：基坑开挖对临近地铁可能会产生一定的影响，须进行可靠的安全评估。依托某市地铁线湾华站附近的大型基坑工程开展案例分析，初步勘察和调研研究区地质条件和风险，为后续细化的安全风险评估建立研究基础。研究结果表明：该基坑工程施工会造成邻近地铁结构受力状态发生一定程度改变，但引起地铁结构的内力变化量较小；盾构隧道的受力变化处于较低水平；经复核，盾构隧道结构的配筋满足强度和裂缝的要求，不会危及地铁结构的安全。故认为本深基坑施工不危及邻近盾构隧道的结构安全，不影响地铁的正常使用。

关键词：深大基坑；工程地质；不良地质体；数值模拟

0" "引言

地铁系统作为现代城市公共交通体系的核心支柱，其建设与运营的安全性议题愈发凸显其重要性[1-3]，尤其是在地铁线路邻近区域进行诸如基坑开挖等大规模建设作业时，需要有效评估地铁结构内力状态变化[4-5]。基于这一背景，针对具体工程项目实施仿真模拟分析，依然是当前岩土与地下工程研究领域内一个至关重要的科研方向[6]。

本研究紧密围绕某市地铁线湾华站及其邻近区域的基坑工程项目展开，借助先进的MIDAS模拟平台，实施二维有限元分析。本研究的核心评价指标聚焦于地铁结构在施工扰动下的内力变化，旨在通过科学计算与模拟，系统评估基坑开挖活动对地铁线路可能造成的安全威胁，为后续的安全风险评估工作提供坚实的数据支撑与理论参考，进而为地铁工程的安全管理决策提供科学依据。

1" "工程概况

1.1" "工程基本情况

本基坑工程涉及的基坑、地铁及湾华站位置如图 1所示。基坑北侧为黎明二路及天虹购物中心（多层框架结构），西侧为河涌，在红线外，红线距离基坑边约3.5～7.0m，东侧为拟建的文华路。地铁3号线东平-湾华区间敷设在文华路下方，隧道结构距离基坑边13m，南侧为规划路及新一村村舍，规划路距离基坑边约3m。

当前路面高程范围介于1.7～4.0m之间，其基准点（±0.000）相较于绝对高程基准面提升了+4.50m。规划中的建设区域拟构建九栋高层建筑，每栋均设计有地上32层，总高度达到100m，并配套建设一座三层高的幼儿园。此外，项目还规划了双层地下空间，以充分利用土地资源。

1.2" "工程对基坑的要求

北侧区域规划了一层地下室，其底部结构板厚度为400mm。针对该区域，基坑开挖的深度需精确控制至底部垫层以下4.5m处；而在塔楼所在区域，基坑的开挖深度则需加深至承台垫层底部以下，达到5.7m。南侧区域则规划了两层地下室，以满足更多的停车及功能性需求，其底部结构板厚度增加至500mm。相应的，南侧基坑的开挖深度也需相应调整，确保达到底部垫层以下7.5m处；塔楼区域的基坑开挖更是深入，需挖掘至承台垫层底部以下8.7m，以确保结构的稳固与安全。

2" "基坑状况分析及可行性评估

在深大基坑施工的全过程中，确保地铁结构的安全和稳定成为本基坑工程能否顺利实施的一个重要因素。基于此本文需对基坑状况进行详细分析。

2.1" "基坑状况分析

本研究基坑最大深度4.5～7.5m（局部8.7m），基坑平行地铁方向的基坑长度约216m，与地铁线左线的距离为14.0～32.8m，右线的距离为26～44.9m。项目用地面积43283m2，场地内拟建8栋住宅楼、商业楼，以及多栋建筑配套设施，基础形式为预应力管桩基础。基坑项目与地铁关系平面示意图如图1所示。

本项目东北侧的文华路下敷设有地铁线盾构隧道，基坑与地铁线区间隧道的距离较近。一期基坑周长约575m，平行地铁方向的基坑长度约152m，与地铁线左线的距离为50m以上，右线的距离为65m以上。二期基坑周长约630m，其中二期北区一层地下室部分平行地铁方向的基坑长度约152m，与地铁线左线的距离为14.0～32.8m，右线的距离为25.4～46.3m。二期南区二层地下室部分平行地铁方向的基坑长度约73m，与地铁线左线的距离为15.9～29.1m，右线的距离为28.0～41.1m。

2.2" "基坑评估

本项目先进行场地平整，然后进行工程桩基础施工，再进行基坑支护、开挖，塔机位置位于基坑中部。基坑的分为南北两个部分，北侧基坑与南侧基坑与地铁左右两线之间位置关系分别如图2和图3所示。研究区地铁线东平-湾华区间已于2019年双线贯通，拟建项目紧靠地铁线，因此需要对项目的基坑工程进行可行性评估。依据地铁与基坑的相对关系，确定本次评估范围为本项目基坑对佛山地铁3号线东平-湾华区间左线里程ZDK46+644.705～ZDK47+013.468及右线里程YDK46+ 644.705～YDK47+013.468。

3" "二维数值分析

3.1" "模型构建与有限元模拟

3.1.1" "构建模型

在构建仿真计算模型时，本研究严格依据现场实测数据来设定模型的具体尺寸。模型所承受的主要荷载构成中，除了单元自身的质量外，还充分考虑了地面超载因素。同时，为贴近实际施工条件，在模拟过程中纳入了基坑内部降水的影响。降水操作设定在基坑开挖面以下1000mm处执行。为提升模拟的准确性和可靠性，约束模型底部Y方向位移和模型左右面X方向位移。根据项目基坑与邻近地铁线隧道区间的实际位置关系，经过适当地简化，建立了本研究的二维有限元模型。

3.1.2" "参数选取

二维有限元计算模型中的地层的岩性主要根据本项目的详勘报告选取，主要有素填土、粉砂、粉细砂、中粗砂，各地层的计算参数取值根据现场取样、土工试验的结果最终确定。对于地铁隧道的混凝土结构及力学参数，则参照地铁隧道的实际设计资料确定。

3.1.3" "有限元模拟

对以上各结构构件及地层的有限元模拟，采用梁单元模拟基坑围护结构、盾构隧道结构，二维单元模拟地层。仿真研究涉及的结构材料参数、本构关系、土层参数关系等，均参考现场实际条件执行。特别需注意：为了精确模拟岩土体的材料特性，本研究选用了Mohr-Coulomb破坏准则作为理论基础。计算模型范围以基坑外边界外扩不小于10倍基坑深度而建立。

3.2" "工况分析

本基坑围护结构采用悬臂式，当基坑开挖至基底后，基坑已经达到一个新的平衡状态，因此本文分析针对基坑开挖过程进行数值模拟，共分4个工况，即4个施工步，4个不同施工工况分别如图 4所示。

3.3" "内力计算结果

各施工工况对应的盾构隧道弯矩如图5所示。各施工工况对应的盾构隧道轴力图6所示。各工况下盾构隧道的弯矩、剪力、轴力计算结果的最大值统计如表1所示。

通过查阅湾华站-东平站区间的施工图，得出区间隧道的既有配筋，以此来复核基坑开挖期间，区间结构的配筋能否满足强度和裂缝的要求，复核计算结果（折算1.5m宽度）如表2所示。

根据表 1和表 2的计算结果可知，盾构隧道在弯矩、剪力及轴力上的最大变化量分别保持在2kN·m、2kN及7kN的较低范围内。进一步复核确认，盾构隧道结构的配筋设计充分满足强度与裂缝控制标准，因此该施工活动不会对地铁结构的安全性构成威胁。

4" "结束语

本研究根据某深大基坑与邻近地铁隧道的实际条件，经过适当优化，建立本项目的二维有限元模型，得出以下主要结论：

不同开挖阶段对地铁结构邻近侧的卸载作业，导致了原有力学平衡的失衡，进而触发周边地面的沉降现象。该沉降现象随后对邻近的盾构隧道产生了内力调整的影响。尽管深基坑施工确实引发了地铁结构受力状态的细微调整，但通过详尽的数据分析发现，盾构隧道在弯矩、剪力及轴力上的最大变化量分别保持在2kN·m、2kN及7kN的较低范围内。进一步复核确认，盾构隧道结构的配筋设计充分满足强度与裂缝控制标准，因此该施工活动不会对地铁结构的安全性构成威胁。

为确保地铁结构在基坑开挖过程中的安全稳定，建议在施工启动前即构建起一套全面而精细的监控体系。该体系需涵盖地铁结构内部的受力状态、变形情况及沉降量的实时监测。一旦监测到地铁结构变形速率超出预设的安全阈值，应立即停止施工并且执行预先制定的抢险预案，以保障施工安全与地铁运营稳定。

参考文献

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[5] 刘涛，唐睿，寇海磊.盾构管片受力变形特性与病害发展分布规律关系研究[J].混凝土，2020（6）：143-147.

[6] 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.