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摘要：目前对于基坑开挖施工作业对地铁隧道结构的影响往往基于单个工程案例及以往案例的总结，临近距离、地层土质情况、开挖深度等对隧道结构的影响规律并不明确。文章以南京地铁保护区内某基坑项目为例，采用有限元分析法，分析了不同基坑与地铁线路的距离、基坑开挖深度、地质条件等影响因素下的地铁隧道结构位移、变形情况，全面总结基坑开挖对邻近地铁隧道结构的影响规律。
关键词：地铁保护区;基坑开挖;有限元分析;隧道位移;隧道变形
中图分类号：U459.9 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.028
文章编号：1673-4874（2019）10-0096-05
0引言
近年来，地铁等地下设施的建设在我国各大城市相继开展。由于地铁一般都修建于繁华市区，周围高楼林立，其存在是市区其它工程修建一个不可忽略的因素。因此，有必要就近接工程的施工对已存在地铁隧道的影响作一定的分析。国内外在此方面的研究均有先例，文献中刘晨和张季超研究了基坑开挖对下方地铁隧道的影响;文献中李进军和王卫东对紧邻地铁的基坑设计经验进行了总结。但是，上述论文均基于单一的外部情况，没有对各种施工条件下的土层位移进行比较和总结。本文以南京地铁保护区内某基坑工程的施工为例，分析了不同工况、不同土层下基坑开挖对隧道的影响，并采用了有限元软件模拟分析隧道土层的位移状况，与现场实测状况作比较，对相似工程的施工有一定的参考价值。
1研究背景及意义
近年来，在地铁保护区内频发地铁结构安全事件，特别是深圳市去年连续发生几起地勘施工击穿隧道盾构结构事件，亟需对地铁保护区内的施工加强监管。在各类型外界施工作业中，对既有地铁隧道结构影响最大的要属基坑施工。基坑土方开挖时，土体卸荷可能引起的坑后土体位移，对邻近基坑的地铁隧道结构稳定性势必产生较大影响。根据地质条件、开挖深度以及与周围既有建（构）筑物的位置关系等实际条件，优化基坑开挖方案，才能避免后期因基坑开挖造成地铁隧道结构位移及变形。
目前，不同工况的基坑开挖施工对地铁隧道结构变形及位移产生的影响规律，尚未形成权威性的量化标准。本文以南京地铁保护区内某基坑项目为原型，采用有限元分析法，分析了不同基坑与地铁线路的距离、基坑开挖深度、地质条件等影响因素下的地铁隧道结构位移、变形情况，全面总结基坑开挖对邻近地铁隧道结构的影响规律。
2 南京地铁保护区内某基坑项目概况
南京地铁二号线保护区内某基坑项目，由于面积较大、开挖深度深，为控制基坑开挖过程中对南京地铁二号线盾构隧道的影响，确保地铁隧道结构安全，将该工程分为I区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区基坑进行分块、错时开挖。由于该区段盾构隧道夹在I区基坑和Ⅲ区基坑中间，且距离较近，综合考虑该区域淤泥质粉砂黏土易沉降的特性，安排I区和Ⅱ区基坑先进行开挖，Ⅲ区和Ⅳ区基坑在I区基坑开挖至坑底后再进行开挖。
该工程与地铁隧道位置关系：本基坑结构外边线距地铁二号线区间最小距离约为15.0m，对应二号线上下行线里程约为K3+428-K3+855，长度为427m。与地铁竖向关系：I、Ⅲ区基坑坑底低于隧道顶部2.15-4.25m，Ⅱ、Ⅳ区基坑坑底低于隧道顶部0.65-2.75m。基坑、隧道与土层位置关系如图7所示。
3 基坑开挖有限元建模
由于该基坑项目实际尺寸较大，本文使用岩土工程有限元分析软件Plaxis8.2，仅选取距离地铁隧道结构最近的西侧I区基坑为原型，对该项目的开挖施工进行建模，模拟搭建了一个坑底长100m、基坑外侧深度为60m的二维模型（如图2所示）。为简化模型，将基坑模型土层分为两层，上层为淤泥质粉质黏土层，下层为粉砂土层。对于基坑内的土体应考虑其塑性变形，选择采用Mohr-Coulomb弹塑性材料对土层进行参数设置。同时在基坑中以弹性材料设置地连墙及四道支撑为基坑支护结构，均采用Plate结构单元。土层、基坑支护结构及隧道结构相关参数均按照工程实际参数设置。
3.1模型验证
根据实际I区基坑开挖施工完成时间，提取I区基坑开挖施工期间隧道结构自动化监测数据与有限元分析模拟数据进行对比（见表1）。
对比两组数据可知，数值虽存在一定差异，但总体偏差量较小。其中垂直位移差异较大，应考虑实际施工过程中存在降水的情况。通过比对前文隧道位移、收敛变化分析图表，可以明确，模拟数据与实际监测数据变化趋势相同。由此可知，基本工况模型计算所得出的隧道结构位移、变形等相关数值研究结论，对实际工程设计是具有参考和指导意义的。
3.2 不同基坑開挖工况
由于隧道所处的土层为淤泥质粉质黏土，隧道下的地层为粉细砂地层，重点对土层参数、基坑与隧道结构的距离进行变化，对比分析不同工况下，基坑开挖施工对邻近地铁隧道结构的影响。以下列举了31种工况进行建模计算，参数明细见下页表2。
对以上基坑开挖工况进行建模，通过模拟开挖过程，计算隧道位移量、收敛量以及内力变化等数值，为研究基坑开挖施工对隧道结构位移及变形的影响，提供所需相关数据。
4 不同工况下基坑开挖对地铁隧道结构的影响规律分析
对隧道结构变形的分析可分为整体位移和结构变形两部分，根据模型可取拱脚点（A）、道床点（C）、水平直径右端点（B）、水平直径左端点（D）（如图3所示）4个监测点来对隧道结构变形情况进行分析。其中，水平位移取B点进行分析，垂直位移取A点进行分析，水平收敛取B、D点距离进行分析，竖向收敛取A、C点距离进行分析。
4.1基坑开挖分步分析
通过对各层开挖后的位移矢量图（如图4所示）进行分析可知，在基坑开挖1-4层时，隧道与土体位移量相同，向上和向右的力作用明显;基坑开挖5-10层时，土体位移变化量较大，隧道位移变化量平稳递增;基坑开挖至11层时，土体位移变化量开始减小，隧道不再发生位移。 通过对四个监测点的数值进行分析可知，该模型在进行基坑分层开挖时，由于隧道右侧基坑的土体不断卸载，产生土体隆起。由于盾构隧道位于该基坑左下方，隧道结构受到向上和向右的土压力，致使隧道产生向右水平位移及向下垂直沉降。在分层开挖过程中水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛、弯矩的数据均不断增加，可知隧道的位移和变形值与开挖深度呈正比。
4.2 不同基坑与隧道结构水平距离，对隧道结构的影响分析
通过对工况1至工况7（参数见表2）进行模拟基坑开挖计算，分析不同基坑与隧道结构的水平距离，对隧道结构产生水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛的影响（如图5所示）。
由图5可知，基坑开挖与隧道结构水平距离的远近，直接影响隧道水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛、弯矩的变化。基坑与隧道结构距离越远，隧道位移、收敛和弯矩的变化越小，隧道总体产生水平向右位移，垂直沉降，水平扩张和竖向收缩，呈横椭圆变形。
4.3 基坑开挖对不同地质条件下隧道结构的影响分析
通过对工况8至工况31（参数见表2）进行基坑模拟开挖计算，将隧道所处地层的土质分为4种不同参数（见表3）。分析不同土质条件中，基坑开挖施工对隧道结构位移、变形的影响规律。
通过四个监测点的数据，分析开挖对隧道结构水平位移量、垂直位移、水平收敛、竖向收敛的影响。（如图6-9所示）
由图6-9可知，隧道所处地层的土质参数的差异，对隧道结构的变形及位移有一定影响。当隧道所处土质的弹性模量、粘聚力、内摩擦角越大时，隧道位移、收敛及弯矩变化都较小。随着基坑开挖深度的增加，隧道总体呈水平向右、垂直下沉的位移趋势，隧道形态发生了水平扩张、竖向收敛的横椭圆变形趋势。土质的弹性模量、粘聚力、内摩擦角等参数，决定了土质的承载力，参数值越大，土质承载力越大，基坑开挖施工时对隧道结果的影响就越小。但当基坑与隧道结构距离较远时，土质参数的大小对隧道结构变形产生的影响就会降低。
5 结语
本文以南京地铁保护区内某基坑工程项目为例，通过使用岩土工程有限元软件，对31种不同工况分类分析，详细探讨基坑分步开挖、基坑与隧道结构距离、隧道所处地层的土质性质对隧道结构安全的影响，进一步明确软土地质地铁保护区内，近距离、开挖较深的基坑开挖施工对地铁结构造成较大的安全隐患。通过对有限元模型数据进行分析，得出如下结论：
（1）随着基坑开挖深度的不断增加，当基坑开挖深度未达到隧道顶部埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响较小;当基坑开挖深度接近隧道頂部埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响变大;当基坑开挖深度超过隧道中心埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响逐渐减小。
（2）基坑与隧道结构距离较近时，基坑开挖对隧道结构位移、变形量影响较大，随着基坑与隧道结构距离的不断增大，影响也随之减小。当基坑与隧道结构距离50m左右时，基坑开挖对隧道结构位移、变形量影响很小。
（3）当隧道所处土质的弹性模量、黏聚力、内摩擦角越大时，隧道位移、收敛变化都较小。相较之下，在淤泥质粉质黏土地质中的隧道结构极易受到邻近基坑施工的影响，在施工时对地铁结构实施监测十分重要。在实际施工时，应通过对隧道结构实施高频次监测来控制施工过程中对隧道造成的不良影响。
关键词：地铁保护区;基坑开挖;有限元分析;隧道位移;隧道变形
中图分类号：U459.9 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.028
文章编号：1673-4874（2019）10-0096-05
0引言
近年来，地铁等地下设施的建设在我国各大城市相继开展。由于地铁一般都修建于繁华市区，周围高楼林立，其存在是市区其它工程修建一个不可忽略的因素。因此，有必要就近接工程的施工对已存在地铁隧道的影响作一定的分析。国内外在此方面的研究均有先例，文献中刘晨和张季超研究了基坑开挖对下方地铁隧道的影响;文献中李进军和王卫东对紧邻地铁的基坑设计经验进行了总结。但是，上述论文均基于单一的外部情况，没有对各种施工条件下的土层位移进行比较和总结。本文以南京地铁保护区内某基坑工程的施工为例，分析了不同工况、不同土层下基坑开挖对隧道的影响，并采用了有限元软件模拟分析隧道土层的位移状况，与现场实测状况作比较，对相似工程的施工有一定的参考价值。
1研究背景及意义
近年来，在地铁保护区内频发地铁结构安全事件，特别是深圳市去年连续发生几起地勘施工击穿隧道盾构结构事件，亟需对地铁保护区内的施工加强监管。在各类型外界施工作业中，对既有地铁隧道结构影响最大的要属基坑施工。基坑土方开挖时，土体卸荷可能引起的坑后土体位移，对邻近基坑的地铁隧道结构稳定性势必产生较大影响。根据地质条件、开挖深度以及与周围既有建（构）筑物的位置关系等实际条件，优化基坑开挖方案，才能避免后期因基坑开挖造成地铁隧道结构位移及变形。
目前，不同工况的基坑开挖施工对地铁隧道结构变形及位移产生的影响规律，尚未形成权威性的量化标准。本文以南京地铁保护区内某基坑项目为原型，采用有限元分析法，分析了不同基坑与地铁线路的距离、基坑开挖深度、地质条件等影响因素下的地铁隧道结构位移、变形情况，全面总结基坑开挖对邻近地铁隧道结构的影响规律。
2 南京地铁保护区内某基坑项目概况
南京地铁二号线保护区内某基坑项目，由于面积较大、开挖深度深，为控制基坑开挖过程中对南京地铁二号线盾构隧道的影响，确保地铁隧道结构安全，将该工程分为I区、Ⅱ区、Ⅲ区和Ⅳ区基坑进行分块、错时开挖。由于该区段盾构隧道夹在I区基坑和Ⅲ区基坑中间，且距离较近，综合考虑该区域淤泥质粉砂黏土易沉降的特性，安排I区和Ⅱ区基坑先进行开挖，Ⅲ区和Ⅳ区基坑在I区基坑开挖至坑底后再进行开挖。
该工程与地铁隧道位置关系：本基坑结构外边线距地铁二号线区间最小距离约为15.0m，对应二号线上下行线里程约为K3+428-K3+855，长度为427m。与地铁竖向关系：I、Ⅲ区基坑坑底低于隧道顶部2.15-4.25m，Ⅱ、Ⅳ区基坑坑底低于隧道顶部0.65-2.75m。基坑、隧道与土层位置关系如图7所示。
3 基坑开挖有限元建模
由于该基坑项目实际尺寸较大，本文使用岩土工程有限元分析软件Plaxis8.2，仅选取距离地铁隧道结构最近的西侧I区基坑为原型，对该项目的开挖施工进行建模，模拟搭建了一个坑底长100m、基坑外侧深度为60m的二维模型（如图2所示）。为简化模型，将基坑模型土层分为两层，上层为淤泥质粉质黏土层，下层为粉砂土层。对于基坑内的土体应考虑其塑性变形，选择采用Mohr-Coulomb弹塑性材料对土层进行参数设置。同时在基坑中以弹性材料设置地连墙及四道支撑为基坑支护结构，均采用Plate结构单元。土层、基坑支护结构及隧道结构相关参数均按照工程实际参数设置。
3.1模型验证
根据实际I区基坑开挖施工完成时间，提取I区基坑开挖施工期间隧道结构自动化监测数据与有限元分析模拟数据进行对比（见表1）。
对比两组数据可知，数值虽存在一定差异，但总体偏差量较小。其中垂直位移差异较大，应考虑实际施工过程中存在降水的情况。通过比对前文隧道位移、收敛变化分析图表，可以明确，模拟数据与实际监测数据变化趋势相同。由此可知，基本工况模型计算所得出的隧道结构位移、变形等相关数值研究结论，对实际工程设计是具有参考和指导意义的。
3.2 不同基坑開挖工况
由于隧道所处的土层为淤泥质粉质黏土，隧道下的地层为粉细砂地层，重点对土层参数、基坑与隧道结构的距离进行变化，对比分析不同工况下，基坑开挖施工对邻近地铁隧道结构的影响。以下列举了31种工况进行建模计算，参数明细见下页表2。
对以上基坑开挖工况进行建模，通过模拟开挖过程，计算隧道位移量、收敛量以及内力变化等数值，为研究基坑开挖施工对隧道结构位移及变形的影响，提供所需相关数据。
4 不同工况下基坑开挖对地铁隧道结构的影响规律分析
对隧道结构变形的分析可分为整体位移和结构变形两部分，根据模型可取拱脚点（A）、道床点（C）、水平直径右端点（B）、水平直径左端点（D）（如图3所示）4个监测点来对隧道结构变形情况进行分析。其中，水平位移取B点进行分析，垂直位移取A点进行分析，水平收敛取B、D点距离进行分析，竖向收敛取A、C点距离进行分析。
4.1基坑开挖分步分析
通过对各层开挖后的位移矢量图（如图4所示）进行分析可知，在基坑开挖1-4层时，隧道与土体位移量相同，向上和向右的力作用明显;基坑开挖5-10层时，土体位移变化量较大，隧道位移变化量平稳递增;基坑开挖至11层时，土体位移变化量开始减小，隧道不再发生位移。 通过对四个监测点的数值进行分析可知，该模型在进行基坑分层开挖时，由于隧道右侧基坑的土体不断卸载，产生土体隆起。由于盾构隧道位于该基坑左下方，隧道结构受到向上和向右的土压力，致使隧道产生向右水平位移及向下垂直沉降。在分层开挖过程中水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛、弯矩的数据均不断增加，可知隧道的位移和变形值与开挖深度呈正比。
4.2 不同基坑与隧道结构水平距离，对隧道结构的影响分析
通过对工况1至工况7（参数见表2）进行模拟基坑开挖计算，分析不同基坑与隧道结构的水平距离，对隧道结构产生水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛的影响（如图5所示）。
由图5可知，基坑开挖与隧道结构水平距离的远近，直接影响隧道水平位移、垂直位移、水平收敛、竖向收敛、弯矩的变化。基坑与隧道结构距离越远，隧道位移、收敛和弯矩的变化越小，隧道总体产生水平向右位移，垂直沉降，水平扩张和竖向收缩，呈横椭圆变形。
4.3 基坑开挖对不同地质条件下隧道结构的影响分析
通过对工况8至工况31（参数见表2）进行基坑模拟开挖计算，将隧道所处地层的土质分为4种不同参数（见表3）。分析不同土质条件中，基坑开挖施工对隧道结构位移、变形的影响规律。
通过四个监测点的数据，分析开挖对隧道结构水平位移量、垂直位移、水平收敛、竖向收敛的影响。（如图6-9所示）
由图6-9可知，隧道所处地层的土质参数的差异，对隧道结构的变形及位移有一定影响。当隧道所处土质的弹性模量、粘聚力、内摩擦角越大时，隧道位移、收敛及弯矩变化都较小。随着基坑开挖深度的增加，隧道总体呈水平向右、垂直下沉的位移趋势，隧道形态发生了水平扩张、竖向收敛的横椭圆变形趋势。土质的弹性模量、粘聚力、内摩擦角等参数，决定了土质的承载力，参数值越大，土质承载力越大，基坑开挖施工时对隧道结果的影响就越小。但当基坑与隧道结构距离较远时，土质参数的大小对隧道结构变形产生的影响就会降低。
5 结语
本文以南京地铁保护区内某基坑工程项目为例，通过使用岩土工程有限元软件，对31种不同工况分类分析，详细探讨基坑分步开挖、基坑与隧道结构距离、隧道所处地层的土质性质对隧道结构安全的影响，进一步明确软土地质地铁保护区内，近距离、开挖较深的基坑开挖施工对地铁结构造成较大的安全隐患。通过对有限元模型数据进行分析，得出如下结论：
（1）随着基坑开挖深度的不断增加，当基坑开挖深度未达到隧道顶部埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响较小;当基坑开挖深度接近隧道頂部埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响变大;当基坑开挖深度超过隧道中心埋深时，隧道结构位移、变形量受基坑开挖施工影响逐渐减小。
（2）基坑与隧道结构距离较近时，基坑开挖对隧道结构位移、变形量影响较大，随着基坑与隧道结构距离的不断增大，影响也随之减小。当基坑与隧道结构距离50m左右时，基坑开挖对隧道结构位移、变形量影响很小。
（3）当隧道所处土质的弹性模量、黏聚力、内摩擦角越大时，隧道位移、收敛变化都较小。相较之下，在淤泥质粉质黏土地质中的隧道结构极易受到邻近基坑施工的影响，在施工时对地铁结构实施监测十分重要。在实际施工时，应通过对隧道结构实施高频次监测来控制施工过程中对隧道造成的不良影响。