【中圖分類(lèi)號(hào)】：TU753 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：1008-3197（2025）04-21-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.006

The Influence of Foundation Pit Excavation Methods on Deformation of Existing Underlying Subway Tunnel

LI Yongbo1， ZHANGJiawei2，ZHAO Xin2，XU Shaoyun1

（1.JiangsuClegolooa；.iaialEggiamp;s Co.，Ltd.，Tianjin300392，China）

【Abstract】：To investigate the influenceof foundation pit excavation methods on the deformationof existing underlying subway tunnels，a three-dimensional strata-tunnel-foundation pit analysis model was established using the MIDAS GTS NX finite element software，focusing on a proposed deep and large foundation pit excavation directly above a shield tunnel in Tianjin.By comparing two excavation schemes-conventional excavation without ground reinforcement and excavation with depth zoning combined with portal-type reinforcement using cement-mixing piles—the study analyzes the effects offoundationpit excavation onthe horizontal and vertical deformationaswellaslongitudinal differential setlementof the tunnel.Theresults indicate that conventional excavation without reinforcement caused tunnel deformations exceeding control limits，while the reinforcement scheme effectivelled controls tunnel deformations，ensuring compliance with requirements.

【Key words】： shield tunnel; foundation pit excavation； stratum reinforcement

隨著投入運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通線(xiàn)路增多，在既有隧道結(jié)構(gòu)附近施工的基坑工程案例亦逐漸增多，由基坑開(kāi)挖引起的土體卸載對(duì)隧道結(jié)構(gòu)和地鐵運(yùn)營(yíng)安全的影響越來(lái)越引起人們重視[1-3]。為了研究地鐵周邊，尤其上方基坑開(kāi)挖對(duì)既有地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的影響，眾多學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)工作：劉繼強(qiáng)等4通過(guò)數(shù)值手段研究了深圳地區(qū)花崗巖殘積土層隧道上方基坑開(kāi)挖引起下方盾構(gòu)隧道上浮量和水平收斂的變化規(guī)律，并對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)縱向受力和病害相關(guān)性進(jìn)行分析；謝強(qiáng)等通過(guò)FLAC3D研究了某換乘地鐵站上方基坑開(kāi)挖在一次性開(kāi)挖、分區(qū)開(kāi)挖、跳挖方案下地鐵隧道洞頂結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)；李騰飛基于實(shí)際工程，對(duì)基坑開(kāi)挖所采取的加固措施與既有地鐵區(qū)間相互作用進(jìn)行評(píng)估分析。上述研究均取得了一些有益結(jié)果，為相關(guān)工作提供了參考價(jià)值。

地區(qū)以粉質(zhì)黏土等軟弱土層為主，地鐵隧道周邊基坑的開(kāi)挖卸載對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的影響較其他地區(qū)更加顯著。本文以某盾構(gòu)隧道正上方擬進(jìn)行的深大基坑開(kāi)挖工程為研究對(duì)象，基于大型商用有限元軟件midasGTSNX建立了地層-隧道-基坑三維分析模型，分析基坑工程采用不同施工方案時(shí)對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

1工程概況

某既有盾構(gòu)區(qū)間隧道長(zhǎng) 499.25m ，出車(chē)站后雙線(xiàn)均以半徑 350m 的曲線(xiàn)到達(dá)下一車(chē)站。左右線(xiàn)隧道平行布置，線(xiàn)間距 17～20.6m ;縱斷面呈V字坡，主要位于 ⑥₃ 層粉土層、 ⑦ 層粉質(zhì)黏土層、 ⑧₁ 層粉質(zhì)黏土層，結(jié)構(gòu)覆土厚度 12.46～15.26m 。隧道管片內(nèi)徑 5.5m 、厚 350mm ，由C50鋼筋混凝土制作而成。

區(qū)間隧道上方為規(guī)劃的商業(yè)綜合體，其地下部分為1層商業(yè)，地下室結(jié)構(gòu)底板與隧道頂部距離4.9～7.5m。擬建項(xiàng)目基坑總長(zhǎng) 179m. 總寬 108m 、開(kāi)挖深度7.5m ，上跨盾構(gòu)隧道范圍約 118～127m ；圍護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用SMW工法樁，隧道左右一定范圍內(nèi)樁長(zhǎng) 13m ，其余部位長(zhǎng) 15m ；圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)支撐按2道撐考慮。既有地鐵隧道與擬建基坑的相對(duì)位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1綜合體基坑與既有地鐵隧道相對(duì)關(guān)系

2數(shù)值分析模型

2.1模型概況

軟土地層中深大基坑開(kāi)挖會(huì)引起下臥隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，通常需要對(duì)其影響范圍內(nèi)隧道采取一定的加固保護(hù)措施。本文建立2種基坑開(kāi)挖模型。

方案1：地層未加固，常規(guī)基坑開(kāi)挖。

方案2：南側(cè)寬 30mm 范圍內(nèi)的基坑開(kāi)挖深度調(diào)整至 5mm ，并對(duì)基坑影響范圍內(nèi)隧道附近土體采用水泥攪拌樁門(mén)式加固。見(jiàn)圖2。

圖2基坑深度分區(qū)及水泥攪拌門(mén)式加固范圍

基于midasGTSNX建立三維地層-結(jié)構(gòu)-有限元整體分析模型，土體單元以8節(jié)點(diǎn)六面體單元為主，單元網(wǎng)格劃分困難區(qū)域采用四面體單元。為消除邊界效應(yīng)影響，有限元模型計(jì)算區(qū)域長(zhǎng) 300m 寬 240m 高50m 。見(jiàn)圖3-圖4。

圖3有限元整體分析模型

圖4基坑-隧道相對(duì)位置模型

2.2計(jì)算參數(shù)

土體本構(gòu)采用修正摩爾-庫(kù)侖模型，隧道采用彈性本構(gòu)。模型中地層物理參數(shù)取自巖土工程勘察報(bào)告，見(jiàn)表1。

表1地層物理力學(xué)參數(shù)

水?dāng)嚇杜c型鋼分開(kāi)建模，水?dāng)嚇恫捎脤?shí)體單元，型鋼和基坑內(nèi)支撐采用板單元?；炷两Y(jié)構(gòu)重度為25kN/m³ ，鋼結(jié)構(gòu)重度為 78.5kN/m³ 。

2.3邊界條件和輸入荷載

1）三維數(shù)值模型的邊界條件：模型頂面為自由面；模型底面每個(gè)方向均施加約束；模型四個(gè)側(cè)面均只約束法向，其余方向無(wú)約束。

2）分析中輸入的主要荷載：土體、既有地鐵隧道與新建基坑工程的材料自重。

2.4變形控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》和DB/T29-279—2020《市城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)要求，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)及要求，既有地鐵區(qū)間隧道變形控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形控制指標(biāo)

3區(qū)間隧道變形分析

3.1方案1

未對(duì)隧道周邊土層進(jìn)行加固，地塊基坑采用常規(guī)開(kāi)挖。既有地鐵區(qū)間隧道最大水平變形值為9.21mm ，最大豎向沉降值為 -3.21mm ，最大豎向隆起值為25.49mm 。隧道的水平和豎向累計(jì)變形值均出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)，且大于既有隧道累計(jì)變形控制指標(biāo)；隧道豎向隆起變形在圍護(hù)結(jié)構(gòu)位置起變化為沉降變形。隧道縱向差異沉降最大值 3.6mm 。見(jiàn)圖5-圖6和表3。

圖6方案1區(qū)間隧道縱向差異沉降曲線(xiàn)表3既有區(qū)間隧道最大累計(jì)變形值

在地層未采取加固措施，按照常規(guī)的基坑開(kāi)挖方案無(wú)法滿(mǎn)足既有隧道變形要求，故需對(duì)基坑范圍的隧道采取一定的保護(hù)措施。

3.2方案2

基坑影響范圍內(nèi)盾構(gòu)隧道采用水泥攪拌樁門(mén)式加固，并對(duì)基坑南側(cè)一定范圍內(nèi)的開(kāi)挖深度調(diào)整至5m 。既有地鐵區(qū)間隧道最大水平變形值減小為3.36mm ，最大豎向沉降值為 -1.51mm ，最大豎向隆起值為14.76mm ，隧道水平、豎向累計(jì)變形最大值在基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)，滿(mǎn)足既有隧道累計(jì)變形控制指標(biāo)；在基坑中心范圍，隧道縱向差異沉降在 1mm 之內(nèi)，基坑邊緣位置的區(qū)間隧道沉降差異較大，最大值為 1.9mm 。見(jiàn)圖7-圖8和表4。

表4土體加固后既有區(qū)間隧道最大累計(jì)變形值mm

隧道采用水泥攪拌樁門(mén)式加固，并對(duì)基坑南側(cè)一定范圍內(nèi)的基坑開(kāi)挖深度調(diào)整至 5m 后，既有隧道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)變形均滿(mǎn)足了變形控制值要求。

4結(jié)論

1）若未對(duì)隧道周邊土體采取加固等措施，地塊基坑采用常規(guī)開(kāi)挖時(shí)，既有下臥地鐵隧道最大水平變形值為 9.21mm 最大豎向變形為 25.49mm 最大縱向差異沉降為 3.6mm ，隧道各項(xiàng)變形值超過(guò)了控制指標(biāo)要求。

2）當(dāng)基坑影響范圍內(nèi)隧道采用水泥攪拌樁門(mén)式加固，并對(duì)一定范圍內(nèi)的基坑開(kāi)挖深度調(diào)整至 5m 后，既有地鐵隧道最大水平變形值為 3.36mm 、最大豎向變形值為 14.76mm 、最大縱向差異沉降最大值1.9mm ，既有隧道各項(xiàng)變形滿(mǎn)足控制指標(biāo)要求。

3）為了既有隧道結(jié)構(gòu)和地鐵運(yùn)營(yíng)安全，其上方基坑施工前需要對(duì)隧道采用一定的加固保護(hù)措施，同時(shí)建議基坑采取分區(qū)開(kāi)挖，基坑的卸荷比在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。

圖8方案2區(qū)間隧道縱向差異沉降曲線(xiàn)

參考文獻(xiàn)：

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收稿日期：2024-08-25

課題項(xiàng)目：南通市自然科學(xué)基金和社會(huì)民生科技計(jì)劃項(xiàng)目（MSZ2023055）、南通市社會(huì)民生科技計(jì)劃項(xiàng)目（MSZ2023108、MSZ2024078）、校級(jí)教學(xué)改革研究課（GYJY202328）

作者簡(jiǎn)介：李永波（1985一），男，博士，高級(jí)工程師，從事地下工程、道路與橋梁工程等教學(xué)與科研工作。