综合管廊基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响的数值模拟研究

摘要：为了在基坑开挖时，保障基坑开挖施工时邻近地铁隧道的稳定性，开展综合管廊基坑开挖对邻近地铁隧道变形的影响研究。首先分析M综合管廊基坑开挖工程，确定管廊与地铁隧道的相对位置。然后，选用PLAXIS软件构建数值仿真模型，确定数值模型参数与应力路径特征。最后，从竖向位移、横向位移两个方面进行分析，核实基坑开挖对地铁隧道变形的影响。经过实践模拟证实：地铁隧道变形与基坑开挖的卸荷、加载作用有关；通过监测开挖过程的土体压实情况，能够减轻土地的扰动，对于基坑开挖与隧道安全具有重要的作用。

关键词：综合管廊；基坑开挖；邻近地铁隧道；变形影响；数值模拟

0" "引言

综合管廊在设计与施工的过程中，需要综合考虑地质条件、管线类型、施工方法[1]。基坑开挖是建筑物或工程基础构造物开挖的坑，包括地面层与地下层[2]。地面层是挖掘土方的表层，地下层则是地面以下的挖掘工作。在基坑开挖过程中，采用明挖、暗挖等技术，通过监控基坑周围环境，可及时发现并解决问题，从而确保施工质量与施工安全。综合管廊基坑开挖过程中常与邻近的地铁隧道发生冲突，导致隧道出现变形等安全问题。基坑开挖时，土体的卸载改变了应力分布，隧道可能受到土体沉降影响出现竖向位移[3]。地下水位上升之后，粘聚力增加，易出现横向位移。为控制隧道变形，需要采取保护与监测手段。

在基坑开挖之前，需对管廊附近邻近地铁隧道区域的地质进行勘察与分析，确定合理的围护与支护布置区间[4]。在施工过程中，需根据与地铁距离控制开挖速度与深度，以减轻对周围土体的扰动。通过各种测量仪器，实时监测地铁隧道位移变形情况，有助于了解管廊施工对隧道的影响。

1" "工程概况

M综合管廊基坑开挖工程共3个，分别为A综合管廊、B综合管廊、C综合管廊。A综合管廊全长约5km，起点为K834+236.12，终点为K862+582.43[5]。A管廊与B管廊连接。B综合管廊全长约1.5km，沿K835+162.44布置，与K843+365.27、K860+268.14相交，终点为K878+272.74。C综合管廊全长约1.5km，沿着K862+134.27布置，终点为K863+456.27，与管廊A相连接，整个管廊为B+A+C的形式。管廊与隧道的相对位置如图1所示。

A、B、C三个综合管廊项目精妙地布局于S地铁12号线下方。该地铁线路贯穿城市核心，起止桩号为K928+

412.67～K976+164.75，串联繁华地带，构建高效交通网。为了最大化利用地下空间，M综合管廊基坑开挖工程要与地铁12号线的同步建设，约有6.0km长的综合管廊段落与地铁并行，精准覆盖K834+236.12～K863+456.27区间，既要满足当前建设需求，又为未来预留扩展空间。A管廊基坑设计长度800m、宽度为10m，开挖深度6.0～8.0m不等，依据地质勘探与功能需求灵活设定，旨在减少对环境的影响，保障工程顺利推进。

2" "地铁隧道变形数值模拟分析

2.1" "数值模拟计算方法

隧道变形分为隆起、沉降、水平收敛变形和竖直收敛变形，现有研究较多的计算方法主要针对的是隧道隆起。二阶段法和残余应力法是较为常见的方法。

残余应力法运用残余应力原理来计算基坑的隆起，具体公式如下：

（1）

式中：δ为影响范围内土体隆起量；n为计算厚度分层数；σzi为第i层土的卸荷应力平均值；Eti为第i层土的卸荷模量；hzi为第i层土的厚度。

二阶段法相比残余应力法更精确且适用广泛，能计算正下方及近接隧道。其基于Mindlin理论求附加应力，将隧道视为弹性地基上的Euler-Bernoulli长梁，构建纵向变形方程。核心地基模型包括Winkler、Pasternak和Kerr模型，其中Winkler模型最常用。假设地基为弹簧系统，反力与变形成正比，以确保地基与隧道变形协调。地基反力表达式如下：

Q（x）=KW（x）=KS（x）" " " " " " （2）

式中：Q（x）为地基反力；S（x）为地基弹簧的竖向位移；W（x）为隧道竖向位移；K为地基反力系数（弹簧刚度）。

2.2" "数值模拟设计

本次数值模拟采用PLAXIS软件，其中的土体硬化模型、小应变硬化模型，能够更加准确地分析出基坑开挖对隧道变形的影响。从多种岩土本构模型中，选择与综合管廊基坑开挖相关的岩土体，以使应力应变关系分析更加真实准确[7]。基坑开挖引起的侧向卸荷、轴向卸荷等，易引起隧道的竖向位移与横向位移。通过分析数值仿真模型的土体施工变化情况，确定隧道变形情况。管廊基坑开挖数值仿真模型如图2所示。

本文聚焦于淤泥质粉质黏土这一特殊地质条件下的基坑开挖过程。该土壤类型以其高含水率、低渗透性和易塑性而著称，给基坑开挖带来了不小挑战。为了确保施工的安全性与效率，设计团队特意将基坑界线与开挖边线之间设为6m的距离。这一决策是基于对地质条件的深入分析和对开挖过程产生影响的全面考虑。

应用数值模型，不仅能够复现实际开挖过程中的复杂力学行为，还能通过精细的模拟来预测和评估不同工况下的基坑稳定性及周围环境的影响。本次模拟所涉及的基坑开挖工况如表1所示。

如表1所示的各项参数与条件，为深入剖析地下工程，特别是基坑开挖与邻近隧道相互影响的复杂机制提供了全面视角。其中，MK_a至MK_t代表不同的工况编号，用于区分和标识各种具体的基坑开挖工况。覆跨比H/D是衡量基坑开挖深度H与其上方覆土厚度或结构物高度相对于基坑跨度D的重要无量纲指标[8-9]，其直接关系到基坑开挖过程中围护结构的稳定性及变形控制。而净距比I/D，则聚焦于基坑与邻近隧道之间的水平净距离I与隧道直径D的比值，这一参数对于评估隧道受基坑开挖影响的程度及制定相应的保护措施至关重要。

3" "模拟结果分析

本次模拟将荷载步设定为9次，也就是开挖9次。随机挑选出左右线环的4个监测点，观察隧道位移变形情况。

3.1" "竖向位移分析

对于竖向位移而言，在卸荷阶段上浮峰值最大值出现的区域，即为容易形成隧道变形的区域。在加载阶段，上浮最大值出现的区域，即为容易形成隧道变形的区域。竖向位移模拟结果如表2所示。

从表2可以看出，左右线各个监测断面的位移值呈现对称性，各个截面竖向位移在卸荷过程中出现了上浮问题。随着管廊基坑的开挖卸荷，监测点出现不等值的上浮，荷载步达到4时，监测点的上浮值达到了峰值。各个监测点的上浮值逐渐减小，沉降增量导致了土层加载，最终的上浮值小于最大上浮值。由此可见，在荷载步达到4时，竖向位移相对较大，降低此处的开挖速度，有助于减小土层扰动，从而避免地铁隧道出现的竖向位移。

3.2" "竖向位移分析

对于横向位移而言，在卸荷阶段，横向位移峰值出现的区域，即为容易形成隧道变形的区域。在加载阶段，横向位移最大值出现的区域，即为容易形成隧道变形的区域。横向位移模拟情况如表3所示。

从表3可以看出，横向位移与竖向位移相同，左右线监测点的位移情况也体现了对称性。随着管廊基坑的开挖，横向位移会在卸荷一侧增加。各个监测点的位移增量不同，同样在荷载步4达到峰值。在左线30环的荷载步4，横向位移最大达到了4.85mm。在右线45环的荷载步4，横向位移最小达到了-2.50mm。在管廊加载过程中，横向位移增量出现负值，横向位移逐渐减小，直至整个管廊施工结束。由此可见，在荷载步达到4时，横向位移相对较大，改变此处的开挖角度，使其靠近加载一侧，从而避免土层扰动对隧道的影响。

3.3" "综合分析

通过上述分析可以看出，在竖向位移方面，地铁隧道结构在卸荷作用下，靠近基坑的一侧更容易发生上浮变形。在加载作用下，靠近隧道顶部一侧，受到顶部土体的压实作用与支护结构的支撑作用，容易形成顶部变形。

在横向位移方面，在卸荷作用下，横向位移峰值出现在隧道距离管廊较远的一侧，土体失去支撑，产生较大的横向位移。在加载作用下，横向位移最大值出现在隧道底部远离管廊的一侧，隧道底部土体的压缩和支护结构的约束作用，导致该部位产生较大的横向位移。通过调整土体压实、支撑、压缩、支护等约束作用，能够达到减轻隧道变形的作用。

4" "结束语

本文首先分析M综合管廊基坑开挖工程，确定管廊与地铁隧道的相对位置。然后，选用PLAXIS软件构建数值仿真模型，确定数值模型参数与应力路径特征。最后，从竖向位移、横向位移两个方面进行分析，核实基坑开挖对地铁隧道变形的影响。该研究通过模拟支护位置、隧道位置、基坑位置，确定三者的相互作用关系，避免了基坑开挖对隧道变形影响不确定性，为管廊施工与隧道提供安全保障，不仅有助于保障施工期间地铁隧道的安全稳定，也为未来类似地下工程的规划与实施积累了宝贵经验。

参考文献

[1] 张理想，张立佳，张博，等.不规则深基坑降水开挖稳定性及其对紧邻地下综合管廊的影响研究[J].建筑技术，2024，55（1）：64-67.

[2] 尤彬锋，邱尤宝，宋贤滨.地下综合管廊变支护体系区间承载变形特性研究[J].城市建设理论研究（电子版），2023"（34）：115-117.

[3] 李勇，孙小冲，许世钰.拉森钢板桩与SMW工法桩分段支护在某管廊基坑中的应用[J].中国建筑金属结构，2023，22"（11）：44-46.

[4] 姚扬，周长轩，张旭，等.苏州市轨道交通车站与综合管廊共建条件与形式分析[J].科技创新与应用，2023，13（30）：100-103.

[5] 崔天义，张博，赵博生，等.相邻深基坑不同开挖方式对所夹地下综合管廊的影响分析[J].建筑施工，2023，45（8）：1686-1690.

[6] 高新博，谢渊，姜育科，等.基于微扰动的软土区综合管廊结构与地层参数智能反演研究[J].北京交通大学学报，2023，47（3）：35-43.

[7] 沈才华，王业钊，蒋新宇，等.空间变异性蠕变地层中综合管廊变形安全可靠度预测[J].武汉大学学报（工学版），2024，57（3）：302-310.

[8] 王衍英，王增山，马华兵，等.自进式大吨位架廊机前支腿垫层承载力数值模拟及现场试验研究[J].科学技术与工程，2022，22（28）：12590-12597.

[9] 陈金刚，李金伟，槐文宝，等.管廊基坑施工对正交地铁隧道的影响及控制措施研究[J].安徽建筑，2023，30（8）：148-151.