软粘土中由圆形梁支撑的深层地下室邻近既有隧道的变形机理

为什么在隧道旁开挖深基坑很重要

随着城市更多向地下发展而非向外扩张，工程师不得不在运行中的地铁隧道旁开挖大型地下室。在软土中移除土体可能导致邻近隧道发生位移、开裂或失稳。本研究关注一种在深层地下室内使用圆形梁的支护新方式如何改变地层的响应以及对邻近隧道的影响，并为施工期间保持城市轨道系统安全提供指导。

监测软粘土中的巨型基坑

研究人员以一处软粘土施工现场为起点，该处开挖了一个非常大的地下室并采用了一种少见的支护体系。施工方没有使用传统的直梁支护，而是用两道大型圆形混凝土梁支撑围护结构。现场部署了大量监测设备，传感器记录了围护结构的侧向变形和分阶段开挖时地表的沉降。基于这些详尽的现场资料，团队建立了一个三维数值模型，忠实再现了地层剖面、围护与梁的布置以及现场的开挖顺序。

将计算预测与实际地面变形比对

为确保数值模型反映真实情况，作者将模型预测与监测数据进行了比对。他们采用了一种针对软粘土在极微应变下会变刚、受扰动后又变软的高级土体本构模型。计算得到的围护结构横向位移和地表沉降与观测值几乎一致。模型预测的最大地表沉降与观测值的差异小于2%，并且模型也正确再现了最大沉降位置及开挖后受扰动区向后延伸的范围。这种高度一致性使团队有信心利用该模型研究许多在现场难以或无法直接试验的隧道与地下室布置。

邻近隧道的真实位移方式

在经过验证的模型基础上，研究人员模拟了一条典型地铁隧道靠近一侧由圆形梁支撑的深层地下室的工况。他们改变了三个主要参数：隧道拱顶上方的覆土深度、隧道与地下室之间的距离，以及地下室长度与深度的比值。模拟结果显示，隧道并非仅仅下沉，而是以三维方式发生位移，且横向弯曲占主导。隧道的最大位移通常出现在与地下室中部相对的位置，对于许多现实布置，横向位移几乎是竖向沉降的两倍。随着隧道与地下室之间距离的增加，横向和竖向位移都急剧减小，尤其在大约一到两倍开挖深度的范围内变化明显。

埋深与地下室尺寸改变风险

覆土深度对隧道位移的影响并非直观单调。随着隧道埋得更深，位移先增大后又减小，通常在隧道拱顶位于开挖深度略超过一半处时响应最强。隧道截面周围的变形形态随深度变化而发生旋转，最大应变位置也随之改变。地下室尺寸同样重要：较长的开挖释放了周围粘土中的更多应力，导致隧道的横向位移和沉降几乎随地下室长度线性增加。当地下室长度超过其深度约六倍时，预测的隧道位移在未采取特殊防护措施的情况下会超过常见的运营限值。

供工程师使用的简便图表

为了将这些复杂的三维结果转化为实用工具，作者将多组模拟结果整理汇总成一张简明的设计图表。该图表将地下室周围空间划分为隧道位移可忽略、可接受或值得关注的不同区带。这些区带主要取决于隧道与地下室的相对距离以及隧道埋深与开挖深度的比值。对于每一种组合，图表指示隧道位移大致会保持在5、10或20毫米以内，还是会超过这些阈值。

对城市施工的启示

对非专业读者而言，关键信息是：在软粘土中由圆形梁支撑的深层地下室可以在靠近地铁隧道的情况下安全施工，但隧道位移主要受距离、埋深与地下室长度的控制。横向推动通常比简单沉降更为关键。本文提出的设计图表为工程师快速评估规划开挖是否可能安全提供了便利，并可据此判断何时需要在开挖前采取如土体改良或隔离墙等额外保护措施。

引用: Qi, S., Wang, B. Deformation mechanisms of an existing tunnel adjacent to deep basement supported by circular beams in soft clays. Sci Rep 16, 14633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50853-z

关键词: 隧道变形, 深基坑开挖, 软粘土, 地下室施工, 地铁隧道安全