《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Insights into the mechanism of settlement and stability of cantilever retaining walls under tunnel-induced ground movements using finite element analysis
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摘要随着城市基础设施的不断扩展，在诸如悬臂式挡土墙之类的现有结构附近进行隧道施工已变得越来越常见。本研究探讨了在干燥的丰浦砂地上建造的悬臂式挡土墙在下方进行隧道挖掘时的反应情况。研究采用了三维有限元分析方法，考虑了不同的隧道深度，该深度通过覆盖层与隧道直径的比值（C/D，其中C为
摘要
随着城市基础设施的不断扩展，在诸如悬臂式挡土墙之类的现有结构附近进行隧道施工已变得越来越常见。本研究探讨了在干燥的丰浦砂地上建造的悬臂式挡土墙在下方进行隧道挖掘时的反应情况。研究采用了三维有限元分析方法，考虑了不同的隧道深度，该深度通过覆盖层与隧道直径的比值（C/D，其中C为从地面到隧道顶部的覆盖层深度，D为隧道直径）来表示，数值分别为1.83、3.33、4.83和6.33，同时还研究了两种隧道掘进方向（从回填区向天然地面掘进以及相反方向）。此外，该参数化研究还分析了不同隧道体积损失率（即1%、2%、3%和4%）对挡土墙的影响。研究采用了低塑性本构模型来模拟丰浦砂在隧道挖掘作用下的非线性行为及小应变刚度特性。通过离心机试验的逆向分析，验证了采用经过校准参数的数值模拟结果的准确性。数值模拟结果表明，隧道深度和掘进方向都会显著影响挡土墙的性能。较浅的隧道（C/D=1.83）由于墙体底部与下方土壤之间的接触部分丧失，导致的沉降量仅为11.5毫米，倾斜角度为0.06°；而较深的隧道（C/D=6.33）则会导致21.2毫米的较大沉降量，倾斜角度仅为0.05°。此外，隧道掘进方向也会显著影响墙体的倾斜程度，从天然地面向回填区掘进时，墙体的倾斜角度会增加62%。隧道挖掘还会导致作用在墙体上的总侧向力发生显著变化，使其作用点向墙体底部移动，进而增加倾覆力矩。对于最浅的隧道（C/D=1.83），总侧向力增加了230%，达到197千牛/米，倾覆力矩则达到了315千牛·米/米。观察到了挡土墙底部的滑动现象，当C/D=3.33时，位移量最大，可达18.0毫米。另外，隧道体积损失率从1%增加到4%时，墙体的响应程度也逐渐加剧，最大沉降量可达29毫米，总侧向力的增加量则为112千牛/米。
引言
随着全球基础设施项目的快速发展，挡土墙在交通工程领域（如道路、桥梁、路堤以及高速铁路轨道）中的作用愈发重要，这一点已毋庸置疑（Pramanik等人，2022年；Mirmoradi等人，2021年；Zhang等人，2024年；Zou等人，2025a年；Diao等人，2026a年）。挡土墙的作用在于抵抗被加固土体施加的力，从而防止土体移动，进而稳定被加固侧的公路、铁路轨道或建筑物（Li，2012年；Chugh和Labuz，2011年；Yang等人，2022年）。为此，被加固土体所提供的支撑力必须足够大，才能避免墙体结构发生位移。此外，在被加固土体上建造建筑物也是常见的做法，这就需要特别关注土壤的性能是否能够满足预期要求（Kim等人，2021年；Fan等人，2020年）。要确保这些挡土墙的稳定性，就必须解决诸如墙体滑动、倾覆以及基础失效等关键问题（Soomro等人，2026年；Soomro等人，2026年）。由于城市化进程的加速，土地资源日益稀缺，因此人们开始重视地下隧道建设，以此来缓解交通拥堵问题（Diao等人，2026b年；Lin等人，2024年；Liu等人，2021年；Liu等人，2023年；Song等人，2026年）。随着城市化程度的持续提升，人们对高效的地下交通解决方案的需求也在不断增加，比如地铁和隧道，这就使得在现有结构旁边，包括挡土墙旁边修建隧道成为一种不可避免的趋势（Li，2012年；Zou等人，2025b年；Liu等人，2024年；Lu等人，2023年；Xiao等人，2024年）。Li（2012年）报道了在香港 Kennedy Town地区，作为西岛线铁路项目的一部分，在两座古老的石砌挡土墙下方修建隧道的一个案例。图1展示了纵向截面图，显示了在香港这两座挡土墙下方进行的隧道施工情况。在这个项目中，隧道施工对挡土墙的影响是一个重大挑战，尤其是挡土墙可能出现的沉降和倾斜问题，以及那些在挡土墙中扎根的树木的状况。隧道与挡土墙之间的相互作用可能会导致一系列结构问题，包括过度变形、滑动，甚至墙体坍塌。
隧道施工会在周围土壤中引发应力分布变化（Liu等人，2025年；Soomro等人，2020年；Wang等人，2025年；Wang等人，2026年；Zhang等人，2026年），这会影响侧向土压力，进而可能导致墙体位移或倾斜，从而对挡土墙或周边结构造成破坏。在相关文献中，有许多研究人员报道了隧道施工对周边结构的影响，包括桩基结构和框架结构（Xu等人，2025年；Ng等人，2014年；Soomro等人，2020年；Soomro等人，2022a年；Ng等人，2015年；Franza和Marshall，2018年）。人们通过多种方式研究这种相互作用，比如实地考察、实验室中的离心机实验，以及数值分析和解析方法（Pang等人，2005年；Jacobsz等人，2006年；Loganathan等人，2000年；Lee，2013年；Huang等人，2009年；Zhang等人，2011年）。先前的研究表明，隧道施工引发的沉降量会受到诸多因素的影响，比如隧道体积损失率，以及隧道挖掘深度与周边桩基的距离关系。以往的大部分研究都集中在桩基和建筑框架在隧道挖掘作用下的反应表现上。然而，关于隧道施工对挡土结构的影响，目前还没有得到充分的研究。由于隧道施工本质上是一种会引发地层移动的应力释放过程，因此这种施工活动可能会危及挡土墙的稳定性。隧道施工引发的地层移动以及由此产生的地表沉降，都是必须准确确定的重点参数。地层刚度的降低是导致隧道施工引发沉降的原因之一（Atkinson等人，1990年；Benz，2007年；Zhuang等人，2025年；Zheng等人，2026a年）。基于以上考虑，本研究探讨了在干燥的丰浦砂地上，当下方有隧道正在掘进时，悬臂式挡土墙在功能性和稳定性方面的反应情况。为了实现研究目标，研究者使用了Abaqus 6.14–2版有限元软件，结合先进的低塑性砂土模型，开展了三维有限元分析（Hibbitt等人，2015年）。这项研究的主要内容包括分析在整个隧道施工过程中，挡土墙所出现的差异沉降、侧向位移、滑动以及倾覆力矩等情况。
章节摘录
所建立数值模型的几何特性
本研究探讨了在干燥的丰浦砂地上，当在悬臂式挡土墙下方进行隧道施工时，该挡土墙在功能性和稳定性方面的反应情况。据Ishihara（1993年）的研究，丰浦砂由亚角状颗粒组成，其粒径的中位数（D50）约为0.17毫米，均匀系数（Uc）为1.7。丰浦砂的最大孔隙比和最小孔隙比分别為0.977和0.597，其临界状态的有效摩擦角（φ’c）为
通过离心机试验的逆向分析来验证经校准的模型参数
如2.3节所述，低塑性砂土模型的参数是根据以往关于丰浦砂的实验室试验数据得出的。为了验证这些参数的适用性，并评估所采用的本构模型的预测能力，研究者通过将数值模拟结果与Lu Hu等人于2023年报告的、关于在砂土中挖掘隧道时的实验地表沉降测量数据进行了对比，从而对模型进行了验证。由于
挡土墙下方隧道的C/D比对挡土墙的影响
本节探讨了不同隧道深度对现有挡土墙的影响，这些隧道深度是通过C/D比值来表示的。C/D比值决定了由隧道施工引发的应力释放所导致的地层位移情况。较浅的隧道会导致隧道顶部上方的最大沉降量较大，且沉降槽较窄；而较深的隧道则会导致沉降量较小，但沉降槽较宽。此外，隧道周围在不同位置还会形成偏应力区和应力释放区
研究的局限性及未来工作建议
需要指出的是，本研究选取的是一种典型情况，即隧道从挡土墙的中心下方穿过。选择这种配置是为了深入理解隧道施工引发的沉降、倾斜、滑动、土压力重新分布以及悬臂式挡土墙和土钉墙稳定性等机制。但在实际项目中，隧道的走向很可能会偏离墙体中心线，从而导致不对称的
总结与结论
本研究探讨了在干燥的砂地上建造的悬臂式混凝土挡土墙，在C/D比值为1.83、3.33、4.83和6.33的情况下，当在其下方进行隧道挖掘时的反应情况。此外，研究还分析了两种相反的隧道掘进方向，即从回填区向天然地面掘进，以及从天然地面向回填区掘进所产生的影响。根据数值模拟结果，可得出以下结论：
CRediT作者贡献说明
Mukhtiar Ali Soomro：撰写——审阅与编辑、验证、监督、概念构思。Rizwan Ali Soomro：撰写——初稿撰写、软件应用、研究方法、实验研究、正式分析、数据整理。Sharafat Ali Darban：撰写——审阅与编辑、验证、研究方法、实验研究。Amir Detho：实验研究、验证、结果可视化、撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国徐州的中国矿业大学，感谢该校为这项研究提供的资金支持。同时，作者也感谢沙特阿拉伯阿拉尔市北方边境大学的科学研究处，该机构也为这项研究提供了资金援助，项目编号为NBU-FPEJ-2026-3727-01。
Mukhtiar Ali Soomro|Rizwan Ali Soomro|Sharafat Ali Darban|Amir Detho
