今天小编为大家精心挑选了关于《地铁隧道位移分析论文(精选3篇)》仅供参考，希望能够帮助到大家。摘要：文章以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件建立模型，在考虑了四种工况的基础上，分析基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响。
地铁隧道位移分析论文 篇1：
基坑卸载对既有隧道影响分析
摘 要：地下工程的复杂性，使地铁隧道的安全使用对变形要求非常严格.临近基坑卸载对既有轨道的正常使用带来诸多问题，通过Midas/GTS软件创建基坑与隧道的三维数值模型，以合肥南站综合交通枢纽配套南广场基坑开挖工程为研究对象，分析不同工况下的基坑地连墙X向与Y向变形以及基坑对A、B隧道水平与竖向位移的影响.得出如下结论：卸载基坑与既有隧道间的距离对隧道水平位移变形和竖向位移变形都有影响，距离基坑越近则影响越大，反之则越小;隧道的竖向位移与基坑开挖深度成正比关系，对于水平位移，基坑卸载对隧道的影响为沿基坑最近的隧道段向两端逐渐减小;侧方隧道各个测点的位移变化为隧道纵向竖向变形趋势一致，都为逐渐增大到峰值后再逐渐减小的凹槽型，位移最大处为中心线处;与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱，不同工况下基坑一圈围护结构位移的趋势均相似，最大水平位移都在中间位置，其中工况二影响最大，占比总位移百分之五十.
关键词：基坑卸载;隧道;数值模拟;隧道变形
在社会日益发展的今天，地上交通运输和空间的使用越来越不能满足人们的需求，怎样去充分开发和利用地下空间变得格外重要.目前地铁在各个城市越来越被普及，那么未来必定会有很多在已经建的地铁附近进行基坑开挖卸载的工程，如何确保施工安全且尽可能降低对隧道的影响是值得去讨论的问题.设法确定最合理的施工方案，做好四周的围护结构，控制土体位移等值得考虑.因此，如何做好基坑开挖及卸载对隧道的影响的研究是极其有意义也是非常紧迫的.
众所周知，地下工程有其独特的未知性和复杂性，目前我们认识的和掌握的都是不全面及不完善的，对于基坑开挖及卸载对隧道的影响这一课题是尚不成熟的.本文的研究成果可以为后续同类工程提供施工方法和参数的依据，也能提供一些经验参考.
1 工程概况
1.1 参数选取
合肥南站南广场上跨312绕城高速，北接高铁站，南邻繁华大道，通过规划支路与繁华大道等周边路网相连.本文研究广场西侧深基坑，其侧方穿过两条已投入运行的平行隧道.基坑长221米，宽191米，占地4.30公顷，现分析基坑卸载对原有隧道影响.
现场勘查得出工程土体参数，如表1所示.
2 数值模拟
2.1 基坑模型概况
本模型依据圣维南理论，模型取基坑深度3倍为边界到基坑底部的距离，同时考虑隧道的影响，基坑的三维计算尺寸定为300m×296m×67m，单元数为31578，节点数为4586421，如下图1和图2分别为模型的整体计算模型和基坑开挖后的效果图.设垂直方向为X轴，沿隧道方向为Y轴，重力方向定为Z轴.
将基坑整体分三步进行开挖对应三层地下室.基坑四周通过连续墙加锚杆的方式来进行围护，设置参数为地连墙厚取820mm，嵌固深度31.6m，基坑地板厚度取310mm.如下图3和图4分别为地连墙支护结构和隧道衬砌结构.
2.2 基坑开挖过程模拟
第一步：先建立整体计算模型，考虑模型各相互影响因素和约束后设置模型各数值参数.
第二步：进行隧道部分的施工，隧道建成后忽略其变形给原模型结构带来的影響，对影响数值进行处理恢复.随后进行地连墙的施工.
第三步（工况一）：先挖除第一层土体，挖至5.6m处进行锚固支护结构的施工.
第四步（工况二）：先挖除第二层土体，挖至12.6m处进行锚固支护结构的施工.
第五步（工况三）：直接将基坑开挖完毕，深度为16.9m，然后施作基坑底板进行锚固支护结构的施工，至此全部施工完成.
3 模拟结果分析
3.1 隧道变形分析
为了得出直观有效的变形数据结果，将两个平行隧道分别命名为隧道A和隧道B分别在两个隧道的每一个断面上设置四个数据点A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4，具体位置如图5所示.靠近基坑的隧道为A隧道，其中A2数据采集点为最靠近隧道的点，最近距离为5.41m.B隧道与A隧道平行且两隧道中心轴线相距11.9m，两隧道距地表埋深9.7m.
3.2 隧道竖向位移
图6、图7和图8为隧道在三种工况影响下的竖向位移云图，由图可知在不同工况下隧道都是两端产生较小的竖向位移，最大竖向位移都产生在隧道中部，而最大竖向位移是各不相同的，其产生的数值分别为1.65mm、4.30mm和5.36mm.从三张图对比可知，相对于同一隧道随着开挖深度的不断加大，其竖向位移也随之在不断增大.通过分析可知产生这种现象的原因是工况三环境下基坑开挖深度是最大的.联系实际，在这一类型工程施工工程中一定要加强对邻近建筑的检测，确定合理的施工深度，防止对邻近既有建筑的影响过大，影响其正常使用或产生破坏等.同时相较于这两平行隧道而言，不论在哪一种工况环境下，都是靠近基坑的隧道产生较大的竖向位移.根据相关规范，本模拟得出的竖向位移均小于20mm的要求，故说明使用地连墙加锚杆的这一支护方式是正确的.
由图9取A隧道为研究对象具体分析A隧道A1、A2、A3、A4这四个位置的竖向位移变化特征通过对比分析，从图中可直观得出最靠近基坑的A2点产生了最大的竖向位移，最大值为-5.2mm左右.此结果是合理的，因为这四个测点中A2是基坑开挖距离最大的点，故受影响最大是合理的.从图中还可以发现，四个测点在随隧道纵向变化的过程中其竖向位移的变化趋势是相同的，即约在240m处达到最大值，向两端逐渐减小.此外A1和A4竖向位移相差很小，变化趋势几乎相同.而A1和A3竖向位移相差较大，故可知基坑开挖施工对隧道底部的影响是远大于其顶部的.
通过观察图10，A和B两个隧道的竖向位移对比，可以明显地看出两个隧道的竖向位移差距巨大，A隧道的最大值为-3.3mm而B隧道的最大值仅为-0.1mm左右.易得距离开挖基坑的距离对竖向位移变形的影响是巨大的，距离基坑越近则影响越大，反之则越小.且两者出现最大竖向位移变化量的位置并不相同.A隧道出现在240m处，最大位移变化量约为-3.3mm.而B隧道出现在175m处，最大为-0.1mm左右.通过这一发现，要求实际施工时要时刻检测各隧道的竖向位移变化，确保既有隧道能够正常使用及基坑正常施工.同时，分析图中B隧道曲线可得出，B隧道在120m到200m这一范围内表现为沉降，而在隧道端点出现最大隆起变形.
3.3 隧道水平位移
基坑开挖不但会使既有隧道发生竖向位移的变形，还会使隧道产生水平方向的位移变形.图11、图12和图13分别为三种不同工况下两隧道的水平位移云图，规定背离基坑方向为正方向.从图中可知，两隧道水平位移的变化趋势是相同的，最小值均出现在已建隧道的两端，最大值均出现在中心位置.从图中对比三种工况下两隧道水平位移的变化程度可知，工况一中隧道的最小位移为-0.215mm，最大位移为-1.509mm，工况二中隧道的最小位移-0.624mm最大位移为-5.513mm，工况三中隧道的最小位移为-0.839mm，最大位移为-7.375mm.本次模拟最大水平位移为7.375mm小于查规范得到的已运营地铁位移变化不超过20mm这一规定，故模拟所得结果是合理的.同时对比三种工况下的总体水平位移可得，随着基坑开挖深度的增大，其对隧道水平位移影响也不断增大，且位移皆是向基坑方向的，也符合实际施工时隧道的监测数据.
观察图14可知，此图为不同工况下A1测点水平位移的变化，首先从总体上可以看出三种工况下的隧道水平位移变化趋势几乎一致，沿着隧道方向随隧道的距离先逐渐增大到最大水平位移后再逐渐减小，且最大水平位移均出现在沿隧道方向175m处，最小位移为隧道的两端.对比三种工况可发现，随着开挖深度的增加，对既有隧道的水平位移的影响也是加大的.经过仔细观察图可发现图形发生巨大变化的点是从水平坐标60m到250m这一区间，这一区间恰巧与基坑宽度是一致的.故可以得出，与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱.分析可知这是由于基坑侧壁连续墙产生向坑内的位移导致的，而基坑范围以外有土体的约束，使隧道水平位移较小.
由图15来分析同一隧道A四个测点A1、A2、A3、A4的水平位移变化趋势.首先可以从图中轻易地发现这四个点的水平位移变化趋势是相同的，都是沿隧道方向随隧道距离的增大先增大后减小呈现凹槽形.其中A2的水平位移较其他三个观测点是最大的，而A2点为最靠近基坑的点，故可以得出距离基坑越近对既有隧道的影响越大.与竖向位移不同的是，对于水平位移A1点的位移在累积区间内总是大于A3点，可以得出隧道的埋深浅处的位移变形大于深处的位移变形.同样仔细观察可得图形发生巨大变化的点是从水平坐标60m到250m这一区间，这一区间恰巧与基坑宽度是一致的，说明基坑开挖对侧壁土体扰动较大.
通过观察图16，A和B两个隧道的水平位移对比，可以明显地看出两个隧道的水平位移差距巨大，A隧道的最大值为-6.7mm而B隧道的最大值仅为-3.9mm左右.易得距離开挖基坑的距离对水平位移变形的影响是巨大的，距离基坑越近则影响越大，反之则越小.
4 结论
（1）卸载基坑与既有隧道间的距离对隧道水平位移变形和竖向位移变形都有影响，距离基坑越近则影响越大，反之则越小;
（2）隧道的竖向位移与基坑开挖深度成正比关系，对于水平位移，基坑卸载对隧道的影响为沿基坑最近的隧道段向两端逐渐减小;
（3）侧方隧道各个测点的位移变化为隧道纵向竖向变形趋势一致，都为逐渐增大到峰值后再逐渐减小的凹槽型，位移最大处为中心线处.
（4）与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱.不同工况下基坑一圈围护结构位移的趋势均相似，最大水平位移都在中间位置，其中工况二影响最大，占比总位移百分之五十.
参考文献：
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作者：肖博文 席培胜 朱荣军
地铁隧道位移分析论文 篇2：
基坑开挖对下卧既有隧道变形影响数值分析
摘要：文章以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件建立模型，在考虑了四种工况的基础上，分析基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响。结果表明：基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%，隧道向上隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系;随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置;随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小，基坑中部隆起值略大于两侧;桩墙顶部水平位移最大，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。
关键词：基坑开挖;隧道;位移;数值模拟
0 引言
随着城市化进程的推进，很多城市中的地铁、污水管等隧道错综复杂。由于城市建设用地有限，在既有隧道上方进行基坑开挖不可避免。基坑开挖会导致原有土体卸荷，进而引发隧道变形，合理的设计和控制施工对于保护下卧既有隧道非常重要。近年来，有關基坑开挖对下卧既有隧道的影响的研究如下：李家平、贺希英等人[1-2]以某地区浅基坑开挖为例，采用数值方法分析了实施地基加固、抗拔桩以及考虑时空效应的分块、限时开挖等技术措施以减小下部隧道变形的效果;高强、林杭等人[3-4]以西安南门外综合改造工程环城南路市政隧道上跨既有地铁2号线盾构隧道为依托，采用FLAC3D有限差分程序对市政隧道基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的影响进行数值分析;杜磊、林川等人[5-6]以北京地铁8号线上方基坑卸荷开挖为背景，运用MIDAS/GTS软件，分别针对3种不同工况对施工全过程进行动态模拟，结果表明隧道隆起变形近似呈正态分布，最大值发生在基坑正下方的隧道断面。
本文以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件进行建模分析，在考虑了四种工况的基础上，着重对基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响进行了分析，研究结果可为工程设计和施工提供参考和借鉴。
1 工程概况
粉土作为一种处于黏性土和砂土之间的一类土，具有较为特殊的性质，主要表现为饱和的粉土在地震时容易产生液化现象，给工程造成危害。某工程地区土体主要为粉土，地下存在已建好的地铁隧道，按照设计将在隧道上方建立一栋建筑物，在基础施工时进行基坑开挖，基坑长和宽相等，隧道正下穿基坑底侧。为了保证基坑开挖不会对既有隧道产生危害，本文主要利用数值软件进行数值模拟分析，以便为施工提供参考。图1为隧道与基坑位置及尺寸示意图，隧道中心埋深为15.2 m，基坑开挖深度为6.0 m，支护桩板墙之间间距为31 m。
2 数值建模
2.1 模型建立
如图2所示，采用大型有限元软件ABAQUS进行建模分析。模拟过程中隧道外直径为6.0 m，考虑到隧道的洞径以及开挖影响范围，所建模型长、宽、高均取70 m，隧道中心埋深为15.2 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。隧道采用预制管片支护，如图2（b）所示，支护桩墙采用连续的结构地连墙代替，厚度取0.65 m。隧道围岩和桩墙采用实体单元建立，衬砌采用结构单元，模型网格共计66 372个。根据现有研究成果，修正剑桥模型在基坑开挖方面较为适用，本文即采用修正的剑桥模型作为本构模型。
2.2 模型计算参数
表1为粉土的基本物理力学参数，在剑桥模型中，土体初始孔隙比取0.80，修正剑桥模型临界状态有效应力比取1.42，对数体积模量为0.061 4，弹性对数体积模量为0.002 2。表2给出了隧道衬砌及桩墙的力学参数。
2.3 模型计算工况
模拟过程中含有多个步骤，为了分析不同工况的结果，本文按照施工流程进行模型计算。在基坑开挖之前，应先进行隧道开挖支护，并考虑既有隧道已经固结稳定，将位移清零，基坑开挖过程中分成以下工况，具体如图3所示，其中工况四即表示施工完成。
3 数值结果分析
3.1 隧道竖向位移分析
基坑开挖会引起隧道上覆土体卸荷，进而扰动隧道，导致隧道整体出现上隆现象。为了分析各个工况下隧道竖向位移的情况（如图4所示），给出了沿隧道方向，隧道顶部的竖向位移值，取竖向向上位移为正（下同）。由图4可知，工况一时，竖向位移基本为零，之后，随着基坑开挖深度的增加，隧道顶部隆起愈来愈强，其中基坑中部位置下隧道竖向位移最大。工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为3.12 mm、6.58 mm和11.24 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的位移释放比分别为27.8%和58.5%。此外，基坑宽度为31 m，在基坑边界处工况二、工况三、工况四对应的隧道竖向位移值分别为1.28 mm、2.99 mm和5.07 mm，相对于工况四，工况二、工况三在基坑边界处的位移释放比分别为25.2%和59.0%。
如图5所示，给出了沿隧道方向，隧道底部的竖向位移值。由图5可知，工况一时，竖向位移基本为零，随着基坑开挖深度的增加，隧道底部隆起增大，其中基坑中部位置下隧道竖向位移最大。工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为1.98 mm、4.35 mm和7.64 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的位移释放比分别为25.9%和56.9%。对于隧道底部，工况二、工况三、工况四时的最大竖向位移分别为隧道顶部的63.5%、66.1%和67.8%。此外，在基坑边界处工况二、工况三、工况四对应的隧道竖向位移值分别为1.21 mm、2.78 mm和4.81 mm，相对于工况四，工况二、工况三在基坑边界处的位移释放比分别为25.2%和57.8%。
综上可知，基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%。此外，相对于基坑开挖完成后，在基坑开挖1/3时，隧道位移释放了约25%～28%;在基坑开挖2/3时，隧道位移释放了约56%～59%，隧道顶部位移增大速度略大于底部，且隧道位移隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系。
3.2 隧道水平位移分析
基坑开挖引起隧道上覆土体卸荷时，不仅会对隧道竖向位移产生影响，同时对隧道水平位移（即模型x方向）也产生影响。为了分析各个工况下隧道水平位移情况（如图6所示），给出了基坑正中心下部对应隧道管片的水平位移值，沿该隧道管片截面，共选取15个监测点，第1个监测点为隧道顶部，监测点按顺时针布置，任意两监测点夹角为24°，取指向x正方向为正。由图6可知，随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置。工况二、工况三、工况四对应的最大水平位移值分别为0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的水平位移释放比分别为31.4%和56.0%。
3.3 基坑竖向位移分析
基坑开挖不仅会导致隧道整体出現上隆现象，而且会导致基坑底部上隆。为了分析各个工况下基坑底部竖向位移情况（如图7所示），给出了沿纵向方向（即与隧道平行方向）和横向方向，基坑底部的竖向位移值，取竖向向上位移为正。由图7可知，纵向和横向的基坑底部位移变化规律相同，当沿纵向时，工况一竖向位移基本为零，之后，随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起愈来愈强，其中基坑中部竖向位移最大，工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为8.62 mm、14.67 mm和21.04 mm;当沿横向时，工况一竖向位移基本为零，基坑中部竖向位移最大，工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为8.43 mm、14.57 mm和20.89 mm。由于沿纵向和横向基坑底部隆起值基本相当，可以得出，隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小。此外，对于工况二和工况三，基坑底部任一位置隆起基本相同，对于工况四，基坑中部隆起大于两边。
3.4 桩墙水平位移分析
桩墙的水平位移量在很大程度上反映基坑支护效果的好坏以及安全与否，本节提取出沿土体深度桩墙的水平位移值，以右侧桩墙为例（如图8所示）。由图8可知，桩墙顶部水平位移最大，且朝向基坑里侧，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。工况一桩墙水平位移基本为零，工况二、工况三、工况四对应的最大桩墙水平位移值分别为3.87 mm、6.74 mm和8.92 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的桩墙水平位移比分别为43.4%和75.6%。
4 结语
本文以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件进行建模分析，在考虑了四种工况的基础上，着重对基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响进行了分析，主要得到以下结论：
（1）基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%。相对于基坑开挖完成后，在基坑开挖1/3时，隧道位移释放了约25%～28%;在基坑开挖2/3时，隧道位移释放了约56%～59%，隧道向上隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系。
（2）随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置。工况二、工况三、工况四对应的最大水平位移值分别为0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相对于工况四，工况二、工况三的最大水平位移比分别为31.4%和56.0%。
（3）随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小。此外，对于工况二和工况三，基坑底部任一位置隆起基本相同，对于工况四，基坑中部隆起大于两边。
（4）桩墙顶部水平位移最大，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。相对于工况四，工况二、工况三的桩墙水平位移比分别为43.4%和75.6%。
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作者简介：陈 俏（1984—），工程师，主要从事高速公路养护工作。
作者：陈俏
地铁隧道位移分析论文 篇3：
深基坑施工对紧邻地铁线路区间影响数值模拟研究
摘要：本文基于有限元分析方法，以南通某深基坑施工为典型案例，采用MIDAS/GTS NX岩土专业分析软件建立三维数值模型，探究了某深基坑开挖、回筑、上部结构施工对紧邻地铁区间隧道结构的叠加影响。结果表明：（1）受基坑开挖影响范围的土层侧方水平位移基本指向坑内，而竖向位移在基坑底部土层表现为隆起，在基坑周围则表现为轻微的局部沉降;（2）随着基坑施工不断推进，周边地层侧向位移和竖向沉降均呈现先增大后减小的趋势;（3）基坑开挖是导致地铁隧道产生变形的最主要原因，而基坑结构回筑及上层建构筑物施工对紧邻地铁隧道影响较小，地铁隧道侧向、竖向及总位移均随着基坑工程的不断推进呈现先增大后减小的趋势。
关键词：深基坑;邻近施工;地铁车站;数值模拟
1 引言
随着我国经济建设的高速发展，城市地上与地下空间的协同开发利用已经成为我国城市基础建设的重要组成部分。城市地铁网络化运营不断向快速、大容量、立体化的方向发展，随之带动了沿地铁线地区房地产的开发高潮， 地上建构筑物不可避免地要在地铁站附近展开施工建设，涌现出大量的岩土工程新问题。基坑开挖规模、深度越来越大，周边环境越来越复杂，基坑开挖过程中卸载、降水、振动、加载等作用不同程度上影响着周边环境，引起周边土体产生变形、倾斜、隆起、沉降等影响。特别是在地铁盾构隧道周边进行深基坑施工时，由于隧道对这些影响非常敏感，在施工过程中不仅要保证地铁隧道结构的安全，还要保证地铁运营的安全，因此对于该类深基坑工程的设计、施工及监测都有着更高的要求，从而引出了深基坑施工对紧邻地铁线路区间影响的新课题。
地铁车站不同于一般建筑物，为保证地铁的安全运营，车站内线路轨道的允许变形控制极为严格，一般以毫米计，一旦轨道变形不能满足养护规范要求，可能会危及行车安全。大量研究表明，基坑开挖势将引起周边地表及深层土体产生较大的位移，引起邻近建筑物、管线、地铁隧道等结构产生不均匀变形甚至发生开裂破坏，从而对隧道结构安全和地铁列车正常运营产生严重威胁[1-2]。在这种条件下如何保证基坑围护结构的自身安全，如何控制基坑开挖对邻近车站的干扰影响，己成为亟待解决的问题。J. S. Sharma等[3]以新加坡某基坑开挖影响相邻隧道工程为例，通过数值模拟计算结果与实测结果对比，得到隧道在开挖过程的变形与受力受隧道刚度影响的结论。况龙川[4-5]通过对上海某广场项目实测数据的分析，结果表明在隧道旁侧开挖深基坑，隧道会产生向基坑内的侧移，横截面产生变形。戚科骏等[6]以上海某临近隧道基坑工程为背景，模拟基坑开挖不同阶段、不同施工方案对隧道的影响，结果显示基坑底部加固深度和开挖时间因素影响隧道最终变形。王卫东等[7]结合上海市闸北区大宁商业中心基坑，采取盆式开挖配合钢管斜坡撑，地铁侧坑内被动区采用水泥土搅拌桩加固和遵循时空效应原理的设计开挖工况等控制隧道变形采取的设计技术措施。同时结合上海地区大量深基坑工程设计和施工实践，探讨了深基坑工程存在地铁隧道等复杂敏感环境条件下的设计方法[8]。郑立常等[9]采用自动化监测技术实时监测广州某商业中心项目基坑开挖对临近运营地铁1号线隧道结构变形位移，利用动态监测数据科学指导基坑施工，保证了地铁运营安全。
本文基于有限元分析方法，采用MIDAS/GTS NX岩土专业分析软件建立三维数值模型，模拟南通某深基坑开挖、回筑、上部结构施工对紧邻地铁区间隧道结构的叠加影响，提供参考性建议，以降低该工程施工的風险。
2 工程概况
2.1 工程建设背景。拟建南通某大厦用地面积11894m2，总建筑面积67155.44 m2（地上47325.16 m2，地下19790.28 m2）。上24层，地下2层，高约99.4m。框架核心筒结构，采用桩筏基础，桩基均采用钻孔灌注桩及预制管桩。如图1，该项目共分二个基坑，按基坑编号顺序进行施工，塔楼位于一区基坑，一区基坑开挖面积约7492 m2，二区基坑面积约1960 m2，总面积约9452 m2，开挖外包周长约396m，其中临地铁线一侧边长约105m。一区围护结构边线距离地铁线两站区间下行线最小净距约30m，二区围护结构边线距离区间最小净距约16.5m。
地铁线两站区间线路沿路中向南前行，区间上行线全长1050.387m，下行线全长 1058.863m。线路平面含两段曲线，曲线半径分别为400m、800m，左右线间距为12.5～15.9m。设一座联络通道及泵房。线路纵坡呈 V 字坡。线路最大坡度 28‰，最小坡度 2‰。隧道顶埋深 10.0～19.6m。主要穿越粉砂夹砂质粉土、粉砂层、淤泥质粉质黏土。区间隧道采用盾构法施工，联络通道采用人工冻结法加固，类矿山法施工。
2.2工程地质概况。在勘探深度范围内可分为10个工程地质层，除表层填土（Q4ml）外，其余属第四纪长江冲积层和海陆交互沉积层（②～⑧层土为Q4al，⑨、⑩层土为Q3mc）。自上而下土层分布为：①素填土;②砂质粉土;③粉砂夹砂质粉土;④砂质粉土;⑤粉砂;⑥粉质黏土;⑦粉质黏土;⑧粉砂夹砂质粉土;⑨粉砂;⑩细砂夹中粗砂。其中，①素填土和⑦粉质黏土中局部夹有的淤泥质土属于特殊性土。岩土性质指标、强度参数、变形参数、地基承载力等各项岩土性质指标及有关参数如表1。
3数值计算模型
基于该工程项目的特殊性，本次数值模拟主要考虑大厦项目基坑开挖、结构回筑及塔楼施工对周边地层及地铁隧道结构的叠加影响。考虑到基坑开挖施工过程的复杂性，采用MIDAS/GTS NX岩土专业有限元分析软件建立三维模型，模拟基坑开挖、回筑、上部结构施工对相邻地铁区间隧道结构产生的影响，并提供参考性建议以降低基础工程施工对区间隧道的影响。
如图3所示，考虑边界条件的影响，本次模拟模型大小采用 216.4m（长）×165.4m（宽）×50m（深），其中宽是指沿地铁线隧道延伸方向的长度。模型静力分析边界条件：包括位移边界和改变属性边界。位移边界模型在垂直于隧道延伸方向两侧边界约束其x方向的位移，隧道延伸方向两侧边界约束其y方向的位移，底部边界约束其z方向的位移，地表为自由边界。模型土体取①～⑦土层，各土层相关参数取自表1，模型荷载主要为自重+超载+上部塔楼荷载：地面超载20Kpa，塔楼施工模拟通过在框架柱上施加荷载来实现，单根框架柱的荷载值为3285KN。
本次建模过程中，土体采用实体单元建模。模型本构关系选用修正摩尔-库伦模型，修正摩尔-库伦模型是对Mohr-Coulomb模型的改进，由非线性弹性模型和弹塑性模型组合，可以模拟不受剪切破坏或压缩屈服影响的双硬化行为。模型用板单元模拟地下连续墙、钻孔灌注桩。在程序中使用板单元模拟围护桩，板单元厚度使用刚度等效法确定，用下式进行计算：
其中，L为灌注桩间距，h为等效后的板单元厚度，d为灌注桩直径。建模时钻孔灌注桩等效板单元厚度均采用0.68m，材料选用与实际工程对应的C30。盾构区间的管片采用0.35m厚的板单元模拟，材料为C50。
为了尽可能达到与实际相符的计算环境，需要对地层及结构进行部分简化和处理，以适应计算理论和软件，本次计算基本假定包括：（1）初始应力只考虑围岩的自重应力，忽略构造应力的影响;（2）所有材料均为均质、连续、各项同性，土体水平成层分布;（3）围岩按修正摩尔—库伦理想弹性材料考虑，车站结构、围护结构、支撑、隧道管片均为均质弹性材料;（4）钻孔灌注桩的围护结构按照抗弯刚度等效为对应厚度的地墙进行模拟， 有利于节点耦合及分析计算;（5）管片之间的连接不作考虑，只作为整体进行简化分析，对管片刚度进行等效折减;（6）机械荷载不考虑机械在运作过程中产生的震动荷载。
4 数值计算结果
为直观对应建造过程中的重要施工节点，本文中选取了如表2所示的五个主要节点工况作为该项目建设施工的全周期表征。
4.1 基坑开挖及结构回筑对周边地层影响
将x方向定义为垂直于隧道纵向的方向，y方向为沿隧道纵向的方向，z方向为竖向。考虑到地铁隧道纵向刚度较大，基坑开挖和回筑在y方向对地层及隧道影响较小。因此，本文仅对施工过程中x和z方向的变形展开研究。图3为主要节点工况地层位移云图，图中从左往右分别为周边地层x方向、z方向以及总位移云图。从图中可以看出，随着工程不断推进，基坑开挖回筑在x和z方向对周边底层的影响不断变化，基坑四周土层出现局部沉降，而基坑底部则出现明显的隆起。
图4为基坑周边土体最大位移随工程施工阶段发展的最大位移曲线，由图可知，随着基坑施工不断推进，周边土体x方向最大位移和z方向最大沉降均呈现先增大后减小的趋势。以周边土体x方向最大位移为例，在工况Ⅳ（地下室顶板施工完成时）条件下，周边土体x方向最大位移高达5.78mm，比工况Ⅰ（一区基坑开挖完成时）条件下分别高出120.6%，随后发生下降，在工况Ⅳ（地下室顶板施工完成时）条件下，周边土体x方向最大位移下降至4.9mm，相比在工况Ⅳ低15.2%。这是因为地基土体在较短时间内开挖深度较大时，基坑土体自重应力释放造成回弹以及基坑周围土体在自重作用下造成挤压造成的。随着回填工程的不断完善，挡土墙侧向压力及基底回弹力得以限制，周边地层x方向变形和基地隆起减弱。而当基坑回填全部完成，上方构筑物开始施工后，在附加应力的作用下，地基土被不断压实，地基发生明显的竖向沉降和侧向变形。对于坑底隆起最大位移，在Ⅰ～Ⅳ工况条件下的变化不大，地下室顶板施工完成后，坑底隆起得到明显抑制，而当塔楼施工完成时（工况Ⅴ），坑底隆起最大位移降至8.67mm，比工况一条件下降低了64.1%。这是由于地基在上覆建构筑物自重压力作用下，收附加应力影响，基坑土体自重应力释放以及基坑周围土体的挤压得到有效抑制，土体再次被压缩，从而表现出明显的坑底相对下沉。
4.2 基坑开挖及结构回筑对地铁隧道影响
盾构隧道直径与受基坑开挖影响区域长度相比非常小，可以近似考虑只受弯曲变形，不考虑剪切变形，因此盾构隧道纵向变形计算可以采用计算简便、不考虑剪切效应的Winkler地基模型。隧道纵向可以视为作用在地基上的均质梁，通过对该弹性地基梁的计算，得到隧道纵向变形分布情况。图6为主要节点工况下地铁隧道位移云图，从左往右分别为地铁隧道的x向位移、z向位移及总位移云图。可以发现，地铁隧道在各个工况下的位移云图与图3中地层位移存在明显的相关性。这是由于基坑开挖后，坑底的回弹变形及侧壁水平变形较大，将使周围土体产生自由位移场，土体在位移场的作用下与隧道产生发生相互作用，隧道因此产生附加的应力，在附加应力作用下，隧道产生附加的位移。对于实际工程，需要注意的是，由于隧道刚度的存在，土层与隧道相互作用影响，土体中的隧道衬砌管片在荷载作用下发生变形时，管片周围的土体阻止其变形，此时土体的位移与隧道的位移并不一致，隧道与周围土体相互作用力不断调整，直至形成新的平衡状态。因此，地铁隧道在施工过程中的变形特征直接受周围地层位移场影响，但并不完全等同于周圍土体变形。
图7为施工过程中主要节点工况地铁隧道最大位移发展曲线。可以看出，地铁隧道x方向、z方向及总位移最大值均随着基坑工程的不断推进呈现先增大后减小的趋势。以x方向位移最大值为例，在工况Ⅱ（二区基坑开挖完成时）条件下，x方向最大位移达到2.672mm，相比工况Ⅰ条件下增大了70.3%，说明基坑开挖对紧邻地铁隧道影响较大，可能导致紧邻地铁隧局部产生较大变形;在工况Ⅳ（地下室顶板施工完成时）条件下，x方向最大位移为2.816mm，仅比工况Ⅱ和工况Ⅲ分别高出了5.4%和1.8%，说明基坑结构回筑对紧邻地铁隧道影响很小，几乎可忽略不计;在工况Ⅴ（塔楼施工完成时）条件下，x方向最大位移为2.594mm，比工况Ⅳ下降了%7.9%，说明基坑上方建构筑物对紧邻地铁隧道的局部大变形具有一定的缓和作用，这可能受紧邻地铁隧道的刚度及建构筑物体量等诸多工程因素影响。因此，在紧邻地铁线路的深基坑施工中应特别注意基坑开挖阶段的工程安全性，降低深基坑开挖对紧邻地铁线路的危险性影响。
5 结论
本文基于有限元方法，以以南通某深基坑施工为典型案例，采用MIDAS/GTS NX岩土专业分析软件建立三维数值模型，探究某深基坑开挖、回筑、上部结构施工对紧邻地铁区间隧道结构的叠加影响，得到如下结论：
（1）受基坑开挖影响范围的土层侧方水平位移基本指向坑内，而竖向位移则在不同区域表现相反。基坑底部土层在土体自重应力释放及基坑周围土体的挤压作用下造成回弹，整体表现为明显的隆起;而基坑周围土体则表现为轻微的局部沉降。随着基坑结构回筑及上方建构筑物的建设，受基坑开挖影响范围的土层变形逐渐恢复。
（2）随着基坑施工不断推进，周边地层侧向位移和竖向沉降均呈现先增大后减小的趋势。基坑开挖将引起基坑底部地层土体自重应力释放造成回弹基底回弹，以及基坑周围土体在自重作用下向内挤压在成基坑周围明显的侧向变形。随着基坑上层建筑施工不断完善，地基土在附加应力作用下产生压缩，基坑周边地层侧向变形和基底回弹将得以有效控制。
（3）基坑开挖是导致地铁隧道产生变形的最主要原因，而基坑结构回筑及上层建构筑物施工对紧邻地铁隧道影响较小。坑底的回弹变形及侧壁水平变形较大，将使周围土体产生自由位移场，土体在位移场的作用下与隧道产生发生相互作用，隧道因此产生附加的应力和位移。此外，地铁隧道侧向、竖向及总位移均随着基坑工程的不断推进呈现先增大后减小的趋势。
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作者：徐长胜