地铁基坑开挖与临近既有隧道的相互影响

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【摘要】随着地下轨道交通的不断发展，基坑工程位于既有地铁隧道周边已非常常见。这些基坑开挖必然会对既有隧道有不同影响。本文通过对工程模拟计算，以及对实际工程施工期间的监测，浅析了地铁施工当中基坑开挖对隧道等结构的影响，基坑开挖土层应力值受到了一定影响，而基坑围护结构的内力影响不大。仅供参考。

【关键词】地铁；基坑开挖；影响；数值分析

随着地下空间的空前发展，越来越多的基坑工程位于既有地铁隧道之上或两侧。这些邻近开挖必然会引起隧道纵向不均匀沉降，引发隧道渗水漏泥或局部破坏，甚至会造成地铁轨道纵向扭曲变形，从而对隧道结构安全和地铁列车正常运营产生严重威胁[1]。

本文通过三维有限元模型，综合考虑基坑开挖、土体位移及隧道受力变形的耦合，分析基坑工程对邻近隧道影响。本文基于有限元软件GTS对地下连续墙加内支撑基坑开挖产生的支护结构的变形与对邻近地铁隧道的影响进行分析。

1 地铁基坑开挖对隧道影响的数值分析

1.1 算例简介

某基坑开挖深度为11m，长为50m，宽为30m；围护结构采用600mm厚地下连续墙，深为13m，加2道内支撑，分三步开挖，分别为3m、4m、4m，开挖方式为明挖法；在基坑东部12m处是某地铁区间分离式暗挖隧道，基坑隧道位置示意图如图1所示。该区域地质主要包括（1）软土带（Ⅰ带），包括人工回填土、软塑或流塑的粘土、砂、粉砂及砾石构成；（2）土状带（Ⅱ带），包括粘土和完全风化的白垩系红层、大多为可塑、硬塑或坚硬状，是砂岩、粉砂岩和泥岩的风化残积物，土层及围护结构物理力学参数如表1所示。

1.2 基坑开挖数值模拟

根据工程经验和有限元计算结果，为了减小边界效应影响，基坑开挖影响宽度约为基坑开挖深度的3～5倍，影响深度约为基坑开挖深度的2～4倍[10]。故本例计算区域深度方向（Z方向）取40m，横向（X方向）取130m，纵向（Y方向）取80m；数值模拟中，土体采用实体单元，且考虑到Mohr-Coulomb模型应用简单，在较低应力水平内与实际较为吻合，计算参数较易获得，故本文土体采用该弹塑性模型；连续墙采用板单元，模型也是M-C本构模型；内支撑采用弹性的线性梁单元模拟，隧道喷混利用板单元；地面超载为20kPa。总体计算模型及围护结构模型如图2所示。

该基坑开挖降水模型模拟支护、开挖共包括9个步骤，其中空施工阶段是为了既有隧道修建后达到变形稳定，具体工况见表2。

1.3 数值计算结果分析

1.3.1 连续墙水平位移分析

如图3所示为连续墙的侧移云图。从图中可以看出侧向位移未受到既有隧道的影响，仍是对称，最大值为14.67mm，且呈现顶端和低端相对更小，而中间大的形状。图4为靠近隧道一侧连续墙侧向位移实测值与计算值的对比图，两种结果总体分布规律相同，实测最大值为14.03mm，与计算值相当，其他数值也接近，较为吻合。

1.3.2 基坑与隧道相互作用分析

表2施工工况中为了分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响，为了不受初始应力场及隧道修建所引起的位移影响，故在施工阶段上特意设置了施工阶段5一个空施工阶段，且位移清零，使由于自重和修建隧道导致的位移不会加到基坑开挖阶段，即基坑开挖后隧道产生的变形就是由于基坑所引起的。

基坑开挖对邻近隧道的影响主要体现在隧道靠近基坑一侧一定范围，这是由于基坑开挖，靠近基坑一侧土体应力发生释放及重分布，引起靠近基坑一侧产生附加应力及位移；由上图5-6可知，隧道纵向中间段50m（15m～65m）即约基坑开挖尺寸的1.6范围受到影响较大，离基坑中部越近，附加位移越明显，基坑中部对应的隧道侧向附加位移达到最大为3.8mm。而在隧道纵向两侧离各15m范围内附加位移较小，且相对稳定。

图7和图8表明，受既有邻近隧道的影响，基坑开挖土层应力值受到了一定影响，主要在隧道局部范围，而基坑围护结构的内力影响不大，仍是上部受拉，下侧受压，且为对称分布。

2 结 语

根据建模型模拟计算，以及实际检测结果显示，受既有邻近隧道的影响，基坑开挖土层应力值受到了一定影响，主要在隧道局部范围，而基坑围护结构的内力影响不大，计算数值结果在合理范围内。在本文分析过程中，未分析基坑与隧道距离对两者之间相互作用的影响，也没有考虑基坑开挖尺寸的影响，这些正是本文的进一步研究内容。