地铁车站基坑开挖对既有隧道变形沉降影响数值模拟分析

收稿日期：2024-03-01

作者简介：刘飞（1987—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：岩土工程。

摘要 以某地铁车站工程为例，为研究基坑开挖对既有隧道的影响，根据工程施工条件采用数值模拟方法确定既有隧道的变形量，对比分析模拟数据与现场监测数据，评价地铁车站开挖引起的影响。结果表明：既有隧道最大变形和地表最大沉降发生在基坑开挖至坑底时，但均在许可范围内，基坑开挖不会影响周边既有1号线的正常运营；数值模拟结果与现场实测数据相差较小，表明文章采用的数值模拟方法具有可行性，可供参考。

关键词 基坑开挖；变形；沉降；数值模拟；可行性检验

中图分类号 U231.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0120-03

0 引言

基坑开挖可能导致周边既有建（构）筑物变形或沉降，安全隐患多，深入研究基坑开挖对周边环境的影响是保障开挖安全的重要前提。现阶段，有限元法、连续介质模型法等在基坑开挖对周边环境影响的模拟中取得广泛应用，位移场、地表沉降等模拟结果具有参考价值。但数值模拟方法在参数设置、数据分析等方面仍有进步空间，因此深入研究数值模拟方法具有重要意义。基于此，该文采用数值模拟某地铁车站基坑开挖，根据模拟结果评价开挖对周边既有隧道的影响，通过施工现场实测数据验证了模拟方法的可行性，模拟结果对工程施工有指导意义。

1 工程概况

某地铁车站总长185 m，主体建筑面积13 480.3 m2，地下二层为站台层，地下一层为站厅层，站台为两层岛式站台。主体结构底板埋深20.5 m，顶板覆土厚度2.42～5.26 m，基坑底土层为粉细砂层和粉砂层。以里程YDK17+730.009附近的车站基坑东侧端头井为研究对象，开挖深度约25.3 m，坑底位于第⑤2粉砂层，设置厚度1.2 m、深度48 m的地下连续墙。沿基坑深度方向设置支撑，第2、3、4、6、7道为钢管支撑，剩余2道为钢筋混凝土支撑。端头井施工方法为明挖顺作法，西侧存在直径6.2 m且处于运营状态的地铁1号线区间隧道，隧道顶埋深约8.65 m，管片壁厚350 mm，右线隧道中心距车站地连墙约18 m，如图1所示。基坑开挖将扰动周边环境，需要考虑开挖对既有地铁隧道的影响，采取管控措施，保障基坑开挖安全和既有地铁隧道运营安全。

图1 基坑与隧道平面位置图

2 监测点布置方案

（1）地表沉降监测点布置。受基坑开挖影响，地表可能发生沉降，导致建设于地表的既有建（构）筑物受损[1-2]。在该地铁车站工程中，邻近基坑的既有建（构）筑物主要为运营状态的地铁1号线，根据现场情况制定监测方案，设立独立高程基准系统，在端头井西侧、南侧和北侧按3 m的间距有序布置监测点，每组测点数量为20个，布置方式如图2所示。采用几何水准测量方法用全站仪、水准仪等仪器测量地表沉降，根据测量结果判断地表因基坑开挖发生的沉降，采取管控措施。

（2）隧道监测点布置。各监测面的测点布置在隧道拱顶、拱底及左右拱腰，每处1个，各断面均有4个测点，沿隧道纵向每间隔10 m设一个监测面，左线监测点编号Z1～Z4，右线监测点编号Y1～Y4。通过测点密切监测隧道变形量，判断隧道是否由于基坑开挖而异常变形，根据监测结果加强管控，确保基坑开挖期间既有线地铁隧道的正常运营。

3 开挖土层数值分析

参考室内三轴试验及固定试验结果，确定土层模型参数，如表1所示，建立硬化土本构模型。该次土层分析中，主要包括标准三轴固结排水试验割线模量E50ref、切线模量Eoedref、卸载一再加载模量Eurref三个重要参数。一般工程地勘报告给出的参数为压缩模量ES0.1～0.2，该次计算参数选取原则为对软黏土、粉土层E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的三倍，Eurref取E50ref的三倍；对砂土层E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的两倍，Eurref取E50ref的三倍。刚度应力水平相关幂指数m取值根据土层类型而定，例如砂土层取0.5，粉土层和软黏土均取0.7。

按照弹性材料模拟地下墙、支撑、底板及衬砌，关键参数类型及取值，如表2所示。其中，钢材、混凝土的重度分别为78.5 kN/m3、25 kN/m3。

4 施工工序模拟及效果验证

4.1 施工工序

基坑开挖分为12道工序，按照工序流程进行模拟，具体工序包括：①生成初始有效应力。②生成隧道衬砌，为了判断基坑开挖过程中周边既有隧道的位移，此工序加载时将位移重置为零。③设置围护结构，采取加固措施。④开挖至0.8 m。⑤开挖至4 m。⑥开挖至7.7 m。⑦开挖至11.1 m。⑧开挖至14.4 m。⑨开挖至18.7 m。⑩开挖至22.2 m。开挖至25.3 m，到达坑底。设置底板。挖深达到0.8 m至挖深达到22.2 m的阶段，每开挖一次均设置一道支撑，共计7道，挖深为0.8 m和14.4 m时均设置混凝土支撑，其他挖深条件下均设置钢支撑。

4.2 结果分析

（1）隧道变形。基坑旁侧隧道可能因基坑开挖卸荷而承受附加应力，进而由于力的作用过强发生竖向和水平两个方向的变形，若基坑开挖卸荷量过大，变形尤为剧烈，影响隧道管片拼接紧密性，该部位的缝隙量持续加大，结构受损，渗漏水愈发严重，隧道管片的稳定性变差，基坑开挖导致的隧道安全问题不容忽视[3-4]。若要保证基坑施工期间周边隧道的正常运行，要求隧道水平、竖向两个方向的变形量分别不超过5 mm、10 mm。基坑旁侧隧道拱顶、拱底在不同基坑开挖工序时的竖向变形量，如表3～4所示。

无论拱顶还是拱底，在基坑开挖全流程中的竖向位移变化趋势大体相同，随着基坑卸载深度的增加而加大，竖向变形最大值对应部位工序为开挖至坑底时，即最后一道开挖工序。设定沿竖直向下的竖向变形为负，左线隧道、右线隧道的拱顶竖向变形模拟最大值分别为

?3.80 mm、?4.6 mm，监测最大值分别为?4.28 mm、?4.71 mm。左线隧道、右线隧道的拱底竖向变形模拟最大值分别为2.1 mm、3.6 mm，监测最大值分别为2.36 mm、

3.94 mm。根据数据对比分析结果可知，竖向变形值增量具有隧道拱顶超过拱底的关系，地铁车站基坑开挖引起的隧道左右拱腰竖向变形明显更小。地铁车站基坑分步开挖过程中，每道工序开挖土体深度相差约为3.3～4.3 m，无过大差异，整个开挖活动平稳推进，不存在部分竖向位移监测数据变化速率过大或过小的情况。各特征点的竖向变形均具有左线隧道小于右线隧道的规律，导致此数据关系的主要原因在于两条隧道分布位置的差异性，右线隧道距基坑更近，因此受基坑开挖扰动更加严重，因基坑卸荷导致的竖向变形量更大。数值模拟和现场监测确定的隧道水平向变形数据，如表5所示。

左线、右线两条隧道的水平向变形较小，旁侧隧道的水平向变形随着基坑卸载深度的增加而加大，各特征点的变化趋势基本一致，变形方向为朝向基坑侧，最大值发生在基坑开挖至坑底时。左线隧道、右线隧道的水平向位移模拟最大值分别为0.087 mm、0.101 mm，监测数据最大值分别为0.094 mm、0.12 mm。虽然数值模拟和实地监测两种方式下的最大水平向位移不同，但差异较小，且变形量均在许可范围内。

（2）地表沉降。经过12道工序施工后，地表沉降量分布规律为基坑东侧大于西侧，结合工程施工进度计划，东侧属于待开挖区域，后续部位的设计和施工不易受到地表沉降的影响，因此重点分析部位应为基坑西侧邻近既有隧道影响区域。基坑开挖结束后，与坑边水平距离不同的区域的地表沉降模拟结果和实测结果，如表6所示。

随着基坑开挖卸荷深度的增加，地表沉降持续加大，数值模拟和现场监测的最大地表沉降分别为?11 mm、?10.5 mm，位于距基坑边30 m的位置，发生在开挖至坑底时。对比分析最大地表沉降的模拟值和监测值，两者相差约8%，具有较好的一致性，表明该文数值模拟方法可靠。坑外土体与地连墙在刚度上差异大，局部变形发生变化，导致开挖前期沉降值略有回弹，坑边地表最大隆起量2.8 mm。地表沉降总体呈漏斗状，远离中间部位的沉降相对平缓，具有“中间大、两边小”的沉降规律，沉降值最小部位主要集中在距基坑边60 m左右的区域，在此范围内，基坑开挖导致的地表沉降忽略不计。

5 结语

综上所述，地铁车站基坑开挖对周边环境产生影响，需保证基坑开挖安全和周边环境安全。该文结合地铁车站工程实例，采用数值模拟方法分析地铁车站基坑开挖对周边既有隧道的影响，对比分析相同部位的模拟结果和现场监测结果，验证了模拟方法的可行性，对邻近既有建（构）筑物的地铁车站基坑施工有参考意义。

参考文献

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[2]方眠. 地铁车站基坑开挖对邻近铁路路基段的影响分析[J]. 交通科技与管理， 2023（3）： 86-88.

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