基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實測及有限元分析

孫斌彬，陳甦，李學東，陳春明，唐強*

(1.蘇州大學 城市軌道交通學院，江蘇 蘇州 215137；2.江蘇省地質礦產勘察局第四地質大隊，江蘇 蘇州 215129)

基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實測及有限元分析

孫斌彬1，陳甦1，李學東2，陳春明2，唐強1*

(1.蘇州大學 城市軌道交通學院，江蘇 蘇州 215137；2.江蘇省地質礦產勘察局第四地質大隊，江蘇 蘇州 215129)

為了研究基坑施工對臨近既有地鐵隧道變形的影響，對蘇州地區(qū)10個基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，分析隧道變形隨基坑施工發(fā)展的時空特征。研究表明：基坑施工導致臨近地鐵隧道朝基坑方向移動，同時引起拱頂沉降、道床隆起以及隧道斷面水平向拉伸；隧道水平位移、豎向位移以及水平收斂變形隨基坑開挖深度的加大而增大，一般在基坑開挖完成或者支撐拆除時達到最大值；隧道變形曲線空間分布具有對應基坑中部或中部附近處隧道斷面變形較大的特點；隧道變形曲線的時空特征，受土方開挖方式、坑內加固、地面超載、降水活動、基坑與隧道相對空間位置關系等因素影響。對某基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形的有限元模擬計算表明，隧道變形隨地連墻厚度減小、基坑與隧道間距減小而增大。

基坑；地鐵隧道；水平位移；豎向位移；收斂變形；時空特征

0 引言

基坑施工會導致臨近地鐵隧道產生附加變形，而過大的附加變形將影響地鐵正常運行甚至運營安全，因而上海市規(guī)定[1]：地鐵結構外邊線兩側3 m范圍內不得進行任何工程建設，地鐵結構最終絕對變形不能超過20 mm。關于基坑施工對臨近地鐵隧道的影響，國內外學者采用理論推導[2-8]、實測分析[9-12]、數(shù)值模擬[13-16]以及離心模型試驗[17-20]等方法進行了研究，并取得了一定的研究成果。由于基坑施工對臨近地鐵隧道產生的附加變形受到基坑和地鐵隧道的設計與施工、相互間的位置關系以及工程地質與水文地質等多種因素的影響，十分復雜，因此有必要結合各地具體情況，對此開展深入的研究。

本文以蘇州地區(qū)基坑工程為背景，對 10個基坑工程施工引起的臨近地鐵隧道變形的監(jiān)測結果進行了整理歸納，結合有限元模擬計算，探討了隧道水平位移、豎向位移和收斂變形等隨基坑施工的時空變化規(guī)律及其影響因素。

1 工程背景

10個基坑工程均毗鄰蘇州地鐵1、2號線區(qū)間隧道一側，如圖1(a)所示，基坑開挖面積、深度、臨近地鐵側支護結構型式及其與地鐵的平、立面關系等見表1。10個基坑工程的地質條件比較接近，在基坑開挖深度及地鐵隧道埋深范圍內，土層基本為填土、粉質粘土、粘土和粉土；隧道側基坑支護結構均為地下連續(xù)墻或鉆孔灌注樁加砼支撐及鋼支撐。

對臨近基坑工程的地鐵隧道監(jiān)測內容主要包括拱腰水平位移(10個)、拱頂和道床豎向位移(分別為4個和8個)以及拱腰水平收斂變形(5個)等，測點布置如圖1(b)所示。

圖1 基坑與臨近地鐵隧道相對位置示意圖Fig.1 Relative position of foundation pit and subway tunnels

工程序號工程名稱基坑概況開挖面積/m2開挖深度/m隧道側基坑支護型式臨近地鐵隧道概況與基坑水平凈距/m頂部埋深/m1港中旅新區(qū)項目4800048～90地連墻+1道砼支撐131～17390～1002恒豐銀行辦公樓3740106地連墻+2道砼支撐103～10990～1073金融港商務中心20580111地連墻+2道砼支撐127～266864職業(yè)大學教學樓337045鉆孔灌注樁+1道砼支撐156～244815江蘇銀行辦公樓4290171～183地連墻+3道砼支撐11197～1256蘇州移動綜合大樓12500107～145鉆孔灌注樁+2道砼支撐252～42385～1357新光三越百貨15913191～211地連墻+1道砼支撐+4道鋼支撐143～285928火車站綜合樓879057鉆孔灌注樁+1道角撐177～387689星悅城3985112～121鉆孔灌注樁+2道砼支撐41～112132～14110汽車西站綜合樞紐5400083～115地連墻+2道砼支撐117～75797～99

2 地鐵隧道變形監(jiān)測結果及其分析

2.1 監(jiān)測結果

為節(jié)省篇幅，圖2為部分隧道近線拱腰(A點)水平位移實測曲線；圖3為部分近線拱頂(C點)豎向位移實測曲線；圖4為近線道床(B點)豎向位移實測曲線；圖5為部分近線拱腰水平收斂實測曲線。水平位移、豎向位移正值分別表示隧道結構朝基坑方向和向上位移，水平收斂正值表示隧道拱腰水平收斂測線伸長。

(a)序號1

(b)序號2

(c)序號3

(d)序號5

(a)序號2

(b)序號4

(a)序號1

(b)序號4

(a)序號5

(b)序號9

2.2 結果分析

2.2.1 隧道變形曲線空間分布形態(tài)

由圖2可知，臨近地鐵隧道拱腰水平位移方向朝向基坑，水平位移曲線空間分布總體表現(xiàn)為對應基坑中部或其附近處隧道斷面拱腰水平位移較大，而對應基坑端部處隧道斷面拱腰水平位移較小。由圖3可知，隧道拱頂豎向位移方向向下，即為沉降，拱頂沉降曲線空間分布基本表現(xiàn)為對應基坑中部或端部處隧道斷面拱頂沉降較大。由圖4可知，隧道道床豎向位移方向向上(序號1基坑工程除外)，即為隆起，道床隆起曲線空間分布基本表現(xiàn)為對應基坑中部或其附近處隧道斷面道床隆起較大，而對應基坑端部處隧道斷面處道床隆起較小。由圖5可知，隧道拱腰水平收斂變形以水平伸長為主，水平收斂曲線空間分布基本表現(xiàn)為：對應基坑中部的隧道斷面拱腰水平伸長量較大，對應基坑端部的隧道斷面拱腰水平伸長量較小。

由于基坑中部圍護結構對土體的遮蔽作用較弱(即長邊效應)及其卸荷應力集中，基坑中部的土體位移通常大于基坑端部一定范圍內的土體位移。而基坑圍護結構、基坑與隧道間土體、隧道結構的位移都受到基坑周邊土體位移場的影響，三者水平變形大小不一，但變形趨勢一致。因此，基坑施工引起的隧道變形(包括拱腰水平位移、拱頂和道床豎向位移以及拱腰水平收斂變形)曲線空間分布一般表現(xiàn)為對應基坑中部斷面處隧道變形較大，而對應基坑端部斷面處隧道變形較小。但是由于基坑施工引起的隧道變形原因十分復雜，在某些特定條件下，隧道變形的空間分布形態(tài)也會有所變化。如圖2(a)所示，序號1(包括未給出圖形的序號7)基坑工程引起的隧道拱腰水平位移曲線空間分布的上述一般特征并不明顯，是因為采用分區(qū)跳挖的開挖方式減弱了基坑長邊效應(而序號7則是由于分區(qū)開挖和坑內被動區(qū)采取水泥土攪拌樁裙邊加固措施，共同抑制了坑外土體向坑內移動的趨勢)，因此隧道水平位移在基坑范圍內總體比較均勻；如圖3(b)所示，序號4基坑工程引起的隧道拱頂豎向位移曲線空間分布一般特征不明顯，這可能與基坑挖深與地鐵隧道埋深相對位置關系等有關；如圖4(a)所示，序號1基坑工程引起的隧道道床豎向位移向下，即為沉降，這是因為基坑施工期間發(fā)生過止水帷幕滲漏，引起隧道附近地下水位下降，從而導致鄰近地鐵隧道發(fā)生沉降。

2.2.2 隧道變形最大值及其發(fā)生位置

統(tǒng)計的10個基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值為2.8～12.3 mm，總體在監(jiān)測控制值(10 mm)以內；序號9、10基坑工程引起的隧道拱腰水平位移超過控制值(分別為12.3 mm和10.6 mm)，是因為前者在施工期發(fā)生過止水帷幕滲漏，后者卸土方量較大所致；9個基坑工程引起的隧道拱腰水平位移最大值斷面均出現(xiàn)在基坑中部或中部附近。統(tǒng)計的序號1～4基坑工程引起的隧道拱頂最大沉降為1.4～5.6 mm，全部在監(jiān)測控制值(10 mm)以內，其中序號2和3基坑工程引起的隧道拱頂最大沉降斷面分別對應基坑中部或中部附近。統(tǒng)計的序號2～6、8～9基坑工程引起的隧道道床最大隆起為1.3～5.5 mm，全部在監(jiān)測控制值(10 mm)以內，統(tǒng)計的序號1、5、7、8、9基坑工程引起的隧道水平伸長量為0.8～17.0 mm，都在監(jiān)測控制值(20 mm)以內，基坑施工引起的隧道道床豎向位移最大值和拱腰水平收斂最大值斷面基本對應于基坑中部或者中部附近。

2.2.3 隧道變形隨施工進程變化

由圖2～圖5可知，隧道拱腰水平位移、拱頂豎向位移、道床豎向位移以及拱腰水平收斂最大值基本發(fā)生在基坑開挖至坑底或支撐拆除工況。這是因為隨著基坑開挖深度的增加，基坑卸荷量逐漸增大，基坑開挖至坑底時卸荷量達到最大；另外支撐拆除造成基坑支護結構擋土作用減弱，從而也將導致較大的隧道變形。

但隧道變形還受其它因素影響，如圖2(d)所示，序號5基坑工程引起的隧道水平位移在開挖至第一道支撐時就達到了最大值，主要是由于此時隧道結構施工完成不久，施工時靠注漿抑制周圍地層變形，管片變形尚未穩(wěn)定。

2.2.4 基坑至隧道距離對隧道變形最大值的影響

圖6和圖7反映了隧道拱腰水平位移最大值、水平收斂值與基坑至隧道最小水平凈距的關系，即水平凈距增大，隧道拱腰水平位移(序號6和10基坑工程的相應監(jiān)測數(shù)據(jù)因離散性較大而未列入)、隧道水平伸長量均減小。

圖6 隧道拱腰水平位移最大值與基坑至 隧道最小水平凈距的關系Fig.6 Relationship between maximum horizontal displacement and minimum horizontal distance

圖7 基坑至隧道最小水平凈距對隧道 拱腰水平最大伸長量的影響Fig.7 Relationship between maximum horizontal convergence and minimum horizontal distance

3 基坑施工引起的臨近地鐵隧道變形有限元模擬

3.1 工程概況

恒豐銀行辦公樓基坑及其與隧道關系概況見表1(序號2)和圖8所示。需說明的該基坑東側、北側和西側圍護體采用800 mm厚地下連續(xù)墻；南側地鐵側(并向東西兩側各延伸20 m)采用1 000 mm厚地墻。

(a)平面關系

(b)立面關系圖8 序號2基坑與臨近地鐵隧道相對位置示意圖Fig.8 The Schematic diagram of relative position of foundation pit and subway tunnels of No.2 project

3.2 計算模型

在本文中選取典型剖面A-A進行三維有限元計算分析。根據(jù)文獻[21-25]，為了減少邊界效應的影響，模型平面尺寸取邊界至基坑圍護結構5倍開挖深度，模型計算深度取5倍開挖深度，即模型幾何尺寸為200 m×160 m×55 m。土體邊四周和底部邊界采取法向約束，上部邊界自由。整體模型如圖9所示。土體材料采用Modified Mohr-Coulmb模型，根據(jù)地勘資料和參考文獻[26]，E50取地勘報告上壓縮模量ES(1-2)的4倍，土層參數(shù)具體見表2。隧道管片及其他主要結構單元采用線彈性模型，計算參數(shù)見表3。模型計算工況見表4。

圖9 整體模型示意圖Fig.9 Sketch map of whole model

土層名稱重度γ/(kN·m-3)割線模量E50/MPa直剪(固快)Ck/kPaφk/(°)泊松比v素填土18924042348102903粉粘夾粘土19624043135137403粉質粘土18930081469188203粘土20130686078138103粉質粘土19130123459166503粉質粘土19129322060151003

表3 結構計算參數(shù)Tab.3 Mechanical parameters of structures

表4 模型計算工況Tab.4 Construction process of finite element modeling

3.3 計算結果及分析

地鐵隧道近線拱腰水平位移有限元計算與實測結果對比如圖10所示，拱頂豎向位移有限元計算與實測結果對比如圖11所示。

(a)工況2

(b)工況4

從圖10～11可以看出，總體上，有限元計算與實測得到的隧道水平位移和豎向位移曲線形態(tài)與數(shù)值基本接近。挖至基坑底部時，拱腰水平位移有限元計算結果和實測最大值分別為7.1 mm和5.4 mm，分別對應斷面15和斷面19；拱頂豎向位移有限元計算和實測最大值分別為-4.5 mm和-5.6 mm，分別對應斷面15和斷面14。有限元計算和實測結果間存在的差異，主要是基坑實際施工工況較復雜，有限元分析時難以完全模擬復雜的實際施工工況所致。

為分析地連墻剛度及基坑與隧道間距對隧道變形的影響，分別取南側地連墻厚度為600、800、1 000、1 200 mm和基坑與地鐵隧道間距為4.4、10.6、16.8 m等不同情況，進行基坑開挖對隧道變形的有限元模擬計算，結果如圖12～圖13所示。

(a)工況2

(b)工況4

(a)水平位移

(a)水平位移

(b)豎向位移

由圖12～圖13 可知，隧道拱腰水平位移和拱頂豎向位移隨地連墻厚度增加而減小，當隧道距基坑10.6 m、地連墻厚度分別為1 200、1 000、800、600 mm時，對應的隧道拱腰水平位移分別為6.7、7.1、7.6、8.4 mm，對應的拱頂豎向位移分別為-4.0、-4.5、-5.0、5.5 mm。隧道拱腰水平位移和拱頂豎向位移隨基坑與隧道水平間距增加而減小，當?shù)剡B墻厚度為1 000 mm、基坑與隧道間距分別為16.8、10.6、4.4 m時，對應的隧道拱腰水平位移分別為4.2、7.1、11.4 mm，對應的拱頂豎向位移分別為-2.1、-4.5、-10.4 mm。

4 結論與建議

通過對蘇州地區(qū)10個基坑工程施工引起的臨近地鐵隧道實測變形數(shù)據(jù)的整理分析，以及基坑工程施工引起的臨近隧道變形有限元模擬計算，得到結論如下：

(1)基坑施工導致臨近地鐵隧道朝基坑方向位移，同時出現(xiàn)拱頂沉降、道床隆起以及隧道橫斷面水平向拉伸。

(2)基坑施工引起的臨近地鐵隧道水平位移、豎向位移以及收斂變形曲線的空間分布具有對應基坑中部或中部附近處隧道斷面變形較大，對應基坑端部處隧道斷面變形較小的特點。隧道變形隨著基坑開挖深度的加大而增大，一般在基坑開挖完成或者支撐拆除時達到最大值，但土方分區(qū)開挖、坑內加固、地面超載、降水活動、基坑與隧道豎向相對位置關系等也會影響隧道變形曲線的時空分布。

(3)隨著地連墻厚度減小，隧道水平位移和豎向位移增大；隨著基坑與隧道水平距離減小，隧道水平位移和豎向位移增大。

(4)在臨近地鐵隧道的基坑工程設計與施工中，建議加強基坑中部的支護結構剛度，對隧道側土方合理進行分區(qū)開挖，減少基坑邊緣超載，控制止水帷幕施工質量，同時加強施工監(jiān)測、實現(xiàn)信息化施工，以減少基坑施工對臨近地鐵隧道的影響。

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DeformationMeasurementandFiniteElementAnalysisofSubwayTunnelDeformationCausedbyFoundationPitConstruction

Sun Binbin1，Chen Su1，Li Xuedong2，Chen Chunming2，Tang Qiang1*

(1.School of Urban Rail Transportation，Soochow University，Suzhou 215137； 2.The 4th Geological Brigade of Jiangsu Geology&Mineral Exploration Bureau，Suzhou 215129)

In order to study the influence of foundation pit construction on the deformation of the existing subway tunnels，the deformation monitoring data of 10 foundation pit projects in Suzhou were collected and counted，and the temporal and spatial characteristics of tunnel deformation with the development of foundation pit construction was analyzed.The following conclusions were arrived.First，construction of the foundation pit caused the adjacent subway tunnels to move towards the foundation pit as well as the vault to sink，the road bed to uplift，and the tunnel cross-section to elongate horizontally.Second，the horizontal，vertical displacement and horizontal convergence deformation of subway tunnel increased with the depth of excavation，and the maximal deformation usually appeared at the stage when the excavation had been completed or when the shoring of trench had been removed.Third，the spatial distribution of subway tunnel deformation curves had the maximal deformation at the cross-section corresponding to the middle of foundation pit or the surrounding area.Finally，the temporal and spatial characteristics of the tunnel deformation curve was affected by factors such as excavation method，reinforcement means，surface overloading，precipitation activity，and relative space between the foundation pit and tunnel.The finite element simulation of the deformation of a subway tunnel caused by a foundation pit construction showed that the deformation of the tunnel increased when the diaphragm wall got thinner and the decrease of the spacing between the foundation pit and the tunnel.

Foundation pit；subway tunnel；horizontal displacement；vertical displacement；convergence deformation；spatial-temporal characteristic

U231.1

：A

：1001-005X(2017)05-0096-08

2017-05-18

江蘇省地質礦產勘查局科研項目(2014-KY-7)

孫斌彬，碩士研究生。研究方向：巖土工程，E-mail：1430147578@qq.com

唐強，博士，副教授。研究方向：巖土工程，E-mail：tangqiang@suda.edu.cn

孫斌彬，陳甦，李學東，等.基坑施工引起臨近地鐵隧道變形實測及有限元分析[J].森林工程，2017，33(5)：96-103.