基坑開挖對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)變形影響監(jiān)測技術(shù)研究

摘" 要：為保證基坑開挖期間鄰近隧道結(jié)構(gòu)的安全，該文分析基坑開挖對鄰近隧道變形的影響機理，以某商業(yè)建筑物的深基坑為研究對象，分析隧道變形的監(jiān)測原則、監(jiān)測方案（測點布置、監(jiān)測頻率、預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)）等，并隨隧道結(jié)構(gòu)不同位置的拱頂位移和側(cè)墻位移監(jiān)測結(jié)果進行分析。隨后，利用有限元軟件Midas/GTS建立計算模型，來驗證隧道變形的監(jiān)測結(jié)果，研究成果可為類似項目的監(jiān)測提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：基坑開挖；隧道變形；影響機理；變形監(jiān)測；有限元

中圖分類號：TU753" " " 文獻標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）09-0104-04

Abstract： In order to ensure the safety of adjacent tunnel structures during foundation pit excavation， this paper analyzes the influence mechanism of foundation pit excavation on the deformation of adjacent tunnels. Taking the deep foundation pit of a commercial building as the research object， the monitoring principles and monitoring plans of tunnel deformation （measurement point layout， monitoring frequency， early warning standards） are analyzed， etc.， and the monitoring results of crown displacement and side wall displacement at different positions of the tunnel structure are analyzed. Subsequently， a calculation model was established using the finite element software Midas/GTS to verify the monitoring results of tunnel deformation. The research results can provide certain reference for the monitoring of similar projects.

Keywords： foundation pit excavation; tunnel deformation; influence mechanism; deformation monitoring; finite element

近年來，我國城鎮(zhèn)化不斷推進，建筑物及地鐵工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴大。如果基坑距離既有地鐵隧道距離較近，其開挖時會破壞隧道周圍土體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，使土體的應(yīng)力重分布，從而使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加應(yīng)力和變形（水平位移和豎向位移）[1]。在基坑開挖期間，不僅要保證基坑的穩(wěn)定性，還要保證緊鄰基坑地鐵區(qū)間隧道的變形不能過大，以免影響地鐵正常運營。因此，進一步研究基坑開挖對鄰近既有隧道結(jié)構(gòu)變形影響監(jiān)測技術(shù)具有重要意義。

1" 鄰近基坑的隧道結(jié)構(gòu)變形影響機理

基坑開挖對鄰近隧道變形的影響因素體現(xiàn)在基坑圍護結(jié)構(gòu)、基坑開挖、基坑降水等方面，具體闡述如下。

1.1" 基坑圍護結(jié)構(gòu)的影響

基坑施工圍護結(jié)構(gòu)后，坑內(nèi)土體因開挖不斷卸荷，使得圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外的土壓力不同，推動圍護結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)部移動，引起隧道變形。在圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)、外土壓力差相同的條件下，其剛度越大，抗變形能力越強，向基坑內(nèi)部的移動距離越小，對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響也越小。如圍護結(jié)構(gòu)剛度不足，可能導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形[2]。

1.2" 基坑開挖的影響

在基坑開挖期間，坑底會因卸荷而隆起，使得基坑周圍土體進入屈服狀態(tài)。隨著基坑開挖深度的加大，土體塑性區(qū)會持續(xù)擴展，即受基坑開挖影響的土體范圍越來越大。當(dāng)塑性區(qū)擴展至隧道周邊，就會影響隧道結(jié)構(gòu)的變形，如圖1所示[3]。一般情況下，基坑與既有隧道距離越近，基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響就越大。

1.3" 基坑降水的影響

對應(yīng)地下水埋藏較淺的區(qū)域，基坑開挖前要先進行降水處理。根據(jù)土力學(xué)中的有效應(yīng)力原理，地下水位下降后，基坑內(nèi)外會因水頭差而產(chǎn)生滲流壓力，且基坑周圍土體的有效應(yīng)力增大。滲流壓力和有效應(yīng)力的增大會加快土體固結(jié)，使地表沉降，進而影響隧道結(jié)構(gòu)的變形[4]。

2" 工程概況

2.1" 基坑方案

研究對象為某商業(yè)建筑物，其地上共32層，設(shè)置3層地下，總建筑面積約85 500 m2，地上建筑面積約61 500 m2，地下建筑面積約24 000 m2。建筑物的基坑結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，重要性系數(shù)為1.1?；用娣e約6 500 m2，基本呈矩形，尺寸為130 m×50 m（長×寬），基坑最大開挖深度約16.0 m，基坑支護采用“地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐+放坡”的方案，基坑周邊僅西側(cè)有主干路，道路下方為地鐵區(qū)間隧道穿過。地鐵隧道外徑為6.2 m、內(nèi)徑為5.5 m，采用盾構(gòu)法施工，中心線距離基坑邊緣15.5 m。

2.2" 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露，基坑場地內(nèi)的巖土體類型豐富，自上而下分別為素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖和中風(fēng)化花崗巖，不同巖土體的特征和參數(shù)見表1。

2.3" 水文條件

基坑場地內(nèi)的地下水以潛水～微承壓水為主，受大氣降水的下滲及相鄰含水層的側(cè)向滲透補給，并總體隨地形由北向南滲流、排泄。在勘察鉆探時，地下水初見水位埋深在4.05～6.30 m。在鉆探結(jié)束后48 h統(tǒng)一測得的地下水穩(wěn)定水位埋深3.8～5.95 m。

GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》將基坑開挖的影響范圍劃分為3個區(qū)域：主要影響區(qū)、次要影響區(qū)、可能影響區(qū)。地鐵隧道距離基坑周邊的距離在0.7 H～2 H（H為基坑開挖深度）內(nèi)，處于次要影響區(qū)，有必要對隧道變形進行監(jiān)測[5]。

3" 隧道結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)場監(jiān)測

3.1" 監(jiān)測原則

通過對隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測，基坑建設(shè)方和地鐵運營方能及時掌握基坑開挖對地鐵隧道的影響，并判斷地鐵工程的結(jié)構(gòu)安全，對可能發(fā)生的事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報，避免惡性事故的發(fā)生。為了實現(xiàn)上述目的，隧道監(jiān)測時應(yīng)堅持以下原則[6]。

一是及時性原則?；娱_挖后要按規(guī)范要求的監(jiān)測頻率及時檢測，且采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)要及時處理。如果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)有異常，應(yīng)及時向相關(guān)單位匯報，并查明原因，采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

二是可靠性原則。為了保證隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，要對測量儀器進行校準(zhǔn)，所有測量儀器必須送專門機構(gòu)檢測，檢定合格并在有效期內(nèi)使用，且測量儀器要由經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員來測量。另外，隧道結(jié)構(gòu)變形沉降觀測是一項長期性、系統(tǒng)性的觀測工作，應(yīng)做到“五定”，即固定觀測人員、固定儀器、固定水準(zhǔn)點和水準(zhǔn)路線、固定觀測方法及固定觀測周期，以保證監(jiān)測成果的可靠性。

三是經(jīng)濟性原則。監(jiān)測人員不可盲目布置測點，且監(jiān)測斷面布置不可過于密集，以降低隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測成本。

3.2" 監(jiān)測方案

為了減少隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測工作對地鐵運營的影響，宜采用自動化監(jiān)測技術(shù)，即各個測點安裝位移傳感器，并通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)來實時監(jiān)測。

3.2.1" 測點布置

根據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》及設(shè)計文件，該地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測拱頂位移、側(cè)墻位移、結(jié)構(gòu)底板位移等。隧道每間隔20 m布置一個監(jiān)測斷面，共15個監(jiān)測斷面，且一個監(jiān)測斷面布置4個測點，如圖2所示。在監(jiān)測前，測點要穩(wěn)固埋設(shè)、標(biāo)識清楚，不得影響被監(jiān)測對象的正常使用。

3.2.2" 監(jiān)測頻率

隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測頻率應(yīng)結(jié)合基坑開挖進度確定。在基坑開挖初期，隧道監(jiān)測頻率低。隨著基坑開挖深度的增加，隧道監(jiān)測頻率可慢慢提高。如果基坑開挖期間有突發(fā)事件（比如存在勘察未發(fā)現(xiàn)的不良地質(zhì)、地下水流動加快、基坑及周邊大量積水、長時間連續(xù)降雨和支護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂等），要提高隧道的監(jiān)測頻率。待隧道結(jié)構(gòu)變形穩(wěn)定后，可結(jié)束監(jiān)測[7]。結(jié)合GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》及基坑自身特點，制定了隧道結(jié)構(gòu)變形的監(jiān)測頻率，見表2。

3.2.3" 預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

隧道結(jié)構(gòu)可從變形速率和累積變形量2方面開展變形預(yù)警。當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)的變形速率連續(xù)3天大于0.5 mm/d或累計變形量超過3.5 mm，監(jiān)測人員應(yīng)及時向基坑施工單位預(yù)警。施工單位人員應(yīng)查明原因，并采取相應(yīng)的保護措施。監(jiān)測數(shù)據(jù)報警后，立即與項目監(jiān)測負責(zé)人聯(lián)系，判斷可能存在的險情特征，對目前的變形情況提出合理化的施工技術(shù)措施或建議，放入監(jiān)測報表中一并提交各方參考[8]。

3.3" 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑施工完成后，統(tǒng)計了隧道結(jié)構(gòu)不同監(jiān)測斷面的拱頂位移和側(cè)墻位移，見表3。

由表3可知：基坑施工結(jié)束后，該地鐵隧道結(jié)構(gòu)的拱頂位移和側(cè)墻位移的最小值分別為0.36 mm和0.46 mm，最大值分別為1.39 mm和1.60 mm，均未達到表2的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，說明基坑施工對隧道結(jié)構(gòu)變形的影響在可控范圍內(nèi)。同時，隧道結(jié)構(gòu)的變形呈“中間大、兩側(cè)小”的分布趨勢，這是因為基坑距離隧道中間部位較近，使得基坑開挖引起的附加應(yīng)力對隧道變形的影響大。

4" 有限元法驗證隧道變形監(jiān)測結(jié)果

近年來，計算機技術(shù)不斷進步，可利用有限元軟件Midas/GTS建立基坑和隧道的仿真模型，對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果相互驗證。

4.1" 仿真模型建立

4.1.1" 假設(shè)條件

仿真模型難以完全還原基坑的真實情況，需作出以下假設(shè)：①基坑周圍巖土體是均勻連續(xù)的，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合摩爾-庫侖理論；②基坑土體開挖前，只考慮其在自重應(yīng)力作用下的固結(jié)，不考慮地下水流動；③支護結(jié)構(gòu)和周圍土體的變形是完全協(xié)調(diào)的，不考慮時間效應(yīng)。

4.1.2" 幾何模型

根據(jù)彈性力學(xué)中的圣維南定理，Midas/GTS軟件計算基坑時，要考慮模型的“邊界效應(yīng)”，即模型幾何尺寸不宜過小。結(jié)合工程經(jīng)驗，幾何尺寸應(yīng)為基坑尺寸的2～3倍，故該基坑幾何模型的尺寸取300 m×150 m×60 m（長×寬×深）。為了提高建模效率，可在CAD繪圖軟件中繪制出基坑和隧道的線條模型，再將其導(dǎo)入Midas/GTS軟件[9]。隨后，用正8面體實體單元來模擬巖土體，基坑范圍內(nèi)的網(wǎng)格尺寸適當(dāng)加密（尺寸取0.1 m），基坑周邊的網(wǎng)格尺寸可適當(dāng)稀釋（尺寸取0.5 m）。最終，共劃分出10 256個單元、11 269個節(jié)點，如圖3所示。

4.1.3" 施工模擬

深基坑的施工劃分為5步，具體如下：平整場地，施工地下連續(xù)墻→開挖土體，施工第一道內(nèi)支撐→開挖土體，施工第二道內(nèi)支撐→開挖土體，施工第三道內(nèi)支撐→內(nèi)支撐達到設(shè)計強度后，開挖土體至基坑底。在Midas/GTS軟件中，可用“1”單元模擬基坑開挖，即開挖一層土體，將該層土體設(shè)置為“1”單元。另外，可用實體單元模擬地下連續(xù)墻，用柱單元模擬內(nèi)支撐。

4.2" 驗證結(jié)果分析

利用Midas/GTS軟件計算了基坑開挖后，鄰近隧道結(jié)構(gòu)的最大拱頂位移和最大側(cè)墻位移與監(jiān)測值進行對比，如圖4所示。本文定義了“相對誤差”來驗證隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測值的準(zhǔn)確性，計算方法如式（1）所示。一般情況下，相對誤差越小，說明監(jiān)測值與計算值的誤差越小，監(jiān)測結(jié)果的可靠性越高。

將圖4計算結(jié)果代入式（1），得到隧道拱頂位移的相對誤差為1.46%，側(cè)墻位移的相對誤差為1.23%，這說明隧道變形的監(jiān)測值和計算值相差不大，可以相互驗證。

5" 結(jié)論

本文分析了鄰近基坑的隧道變形影響因素，以某商業(yè)建筑的深基坑為研究對象，分析了隧道變形監(jiān)測要點，分析了監(jiān)測結(jié)果，并利用有限元軟件對監(jiān)測結(jié)果進行驗證，得到了以下結(jié)論。

1）基坑開挖會破壞隧道周邊巖土體的應(yīng)力平衡，使其發(fā)生變形，具體變形量取決于基坑圍護結(jié)構(gòu)、基坑開挖、基坑降水等因素。

2）隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測應(yīng)堅持及時性、可靠性、經(jīng)濟性原則，合理布置測點和監(jiān)測頻率。如隧道變形速率連續(xù)3天大于0.5 mm/d或累計變形量超過3.5 mm，應(yīng)及時預(yù)警。

3）隧道結(jié)構(gòu)的變形呈“中間大、兩側(cè)小”的分布趨勢，變形量大小取決于距基坑位置距離。

4）為了驗證隧道監(jiān)測結(jié)果的可靠性，可利用Midas/GTS軟件的計算值進行驗證。如計算值與監(jiān)測值的相對誤差過大，應(yīng)復(fù)核監(jiān)測結(jié)果。

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