相邻运营中的地铁双隧道在分阶段排水和开挖过程中的差异性水力-力学响应

《Transportation Geotechnics》：Differential hydro-mechanical responses of adjacent operational metro twin tunnels to staged dewatering and excavation

　　摘要

在现有地铁隧道上方或附近进行的深度挖掘通常需要抽水，这可能会在周围地基中引发复杂的水力-力学扰动。然而，相邻的双隧道对预先抽水和随后的抽水-挖掘阶段的响应差异尚未得到充分理解。为了解决这个问题，开发了一个三维水力-力学有限元模型，并根据对底层隧道和隔膜墙的现场测量数据进行了验证，以区分预先抽水和随后的抽水-挖掘对相邻双隧道的影响。特别关注了孔隙水压力分布、渗流场重新分布以及底层隧道和侧向相邻隧道的变形模式。进行了标准化参数分析，以评估隧道-挖掘距离和额外抽水深度的影响。结果表明，隧道的响应受抽水引起的有效应力增加与挖掘引起的卸载之间的竞争控制。在预先抽水期间，底层隧道主要表现为沉降；而侧向相邻隧道则同时发生沉降和向坑内的侧向移动。在抽水和挖掘同时进行时，底层隧道以隆起为主，而侧向相邻隧道则向挖掘方向发展出侧向为主的变形模式。侧向相邻隧道的最大垂直和水平位移随着隧道-挖掘距离d/Dt的增加而减小，当d/Dt = 4时，表明在研究条件下，从近场显著影响区过渡到较远的次要影响区。额外的抽水可以抑制底层隧道的隆起，但会加剧侧向相邻隧道的沉降，这表明两个控制目标之间存在权衡。在所研究的案例中，sa/He = 0.25标志着边际效益开始下降，而不是一个普遍的最优值。这些发现为类似抽水挖掘项目中的变形预测和施工控制提供了一个阶段依赖的解释和标准化评估框架。

引言

随着城市地下空间的快速发展，深度挖掘往往在现有运行的地铁隧道和其他地下结构上方或附近进行[4],[16],[20],[47]。作为高度敏感的地下基础设施，现有地铁隧道在发生过度沉降、隆起、侧向移动或差异变形时，可能会出现衬砌损坏、接缝张开、防水性能丧失和使用寿命下降等问题[3],[24],[37]。因此，准确评估受深度挖掘影响的相邻运行地铁隧道的变形响应对于密集城市地下工程中的风险评估和变形控制至关重要[18],[30],[41],[48]。

在实际的深度挖掘项目中，通常在挖掘前和挖掘过程中进行抽水，以提供干燥和稳定的施工条件，并防止管道破裂或基础隆起等水力故障[2],[23],[29],[34]。然而，由于截水墙的渗透不足、截水不完全或围护结构的局部缺陷，坑外的地下水往往不能完全与挖掘区隔离开来[15],[22],[23],[42]。因此，坑内抽水可能会改变挖掘外的孔隙水压力分布和渗流场，增加土壤的有效应力，并引起附近基础设施（如隧道和桩基础）的沉降和变形[7],[15],[43]。相比之下，土壤挖掘主要导致卸载和应力释放，从而引起坑底反弹、墙侧土壤移动和土壤位移的重新分布[4],[5]。对于与深度挖掘相邻的现有隧道，这两种机制并不是简单的叠加；相反，它们可能会施加根本不同的、有时甚至是相互竞争的机械效应，即渗流引起的沉降和卸载引起的隆起或侧向移动[17]。因此，与抽水挖掘相关的隧道响应应被视为 groundwater 抽水和挖掘卸载共同作用的水力-力学结果，它们的相对贡献会随着施工条件的不同而变化。

已经有很多研究致力于挖掘、抽水或其联合效应引起的隧道变形。以往关于挖掘引起的隧道响应的研究阐明了分阶段挖掘、墙体移动、隧道-挖掘距离以及土壤-隧道相互作用的作用[8],[9],[16],[21],[32]。关于坑内抽水的研究进一步表明，地下水抽水、含水层连通性、截水墙配置和补给条件可以显著影响抽水引起的隧道变形的幅度和空间分布[15],[19],[23],[43]。更近期的分析和数值研究在预先抽水或联合挖掘-抽水条件下检查了隧道变形，为特定加载情景下的隧道位移提供了定量框架[10],[11],[17],[19],[26]。这些研究表明，抽水倾向于通过减少孔隙水压力和增加有效应力来促进沉降，而挖掘卸载则可能导致隆起或侧向移动，具体取决于隧道-挖掘的配置。然而，现有的分析模型通常理想化了变形预测的加载条件，而数值研究通常在未明确分离预先抽水效应及其随后被挖掘卸载修改的情况下复现了分阶段的施工响应。因此，预先抽水和抽水-挖掘阶段之间的耦合以及隧道变形模式的阶段依赖性转变尚未得到充分阐明。

除了施工阶段效应外，隧道与挖掘之间的相对位置也在控制隧道变形中起着关键作用。现有研究主要关注单一位置的隧道配置，研究了上层挖掘对底层隧道的影响[28],[33],[35]，或者坑侧相邻隧道的影响[5],[36],[49]。然而，在许多城市地铁系统中，两个运行的隧道可能会相对于同一挖掘不对称布置，其中一个隧道从挖掘下方穿过，另一个则位于其旁边[4],[6],[20],[46]。在这种配置下，底层隧道和侧向相邻隧道在相同的抽水-挖掘过程中可能会经历不同的孔隙水压力重新分布、应力释放路径和土壤位移模式。因此，它们的差异性水力-力学响应尚未得到系统量化，标准化指数在工程评估中的适用性也尚未充分讨论。

为了填补这些空白，本研究为深圳的一个代表性挖掘项目开发了一个三维水力-力学有限元模型，根据对底层隧道和隔膜墙的现场测量数据对模型进行了验证，并研究了相邻运行的双地铁隧道对分阶段抽水和挖掘的响应。与之前将抽水或挖掘引起的隧道变形主要视为独立问题的研究不同，本研究区分了预先抽水阶段和随后的联合抽水-挖掘阶段，并明确了它们在隧道响应中的不同和相互作用角色。特别关注了底层隧道和侧向相邻隧道的差异性水力-力学响应，包括施工过程中的孔隙水压力演变、渗流场重新分布和隧道变形模式。此外，还进行了标准化隧道-挖掘距离 d/Dt 和额外抽水深度 sa/He 的参数分析，以支持影响区评估和基于权衡的变形控制。本研究旨在提高对抽水挖掘引起的相邻隧道耦合水力-力学响应的理解，并为类似城市地下环境中的变形预测和施工控制提供可转移的基础。

项目背景

本研究基于中国深圳一个与运行中的地铁隧道相邻的通风管道挖掘项目。在该原型项目中，挖掘位于一个地下水位较浅的密集建造城市区域内的现有1号线隧道上方。挖掘的宽度为19.4米，长度为35.8米，深度为8.0米。挖掘底部与底层隧道顶部之间的垂直间隙仅约为4米。隧道系统由两条隧道组成。

参考模拟和模型评估

为了在代表性的工程条件下评估所提出的三维数值模型，首先为与运行的双地铁隧道相邻的通风管道挖掘项目建立了一个参考模拟。参考案例再现了原型项目中采用的分阶段抽水-挖掘过程，并随后根据对底层隧道和隔膜墙的现场测量数据进行了验证。分析从初始状态开始。

预先抽水下的响应

基于参考数值模型，本节研究了挖掘前预先抽水对周围地面和相邻双隧道的影响。特别关注了孔隙水压力分布和地面位移的演变、底层隧道和侧向相邻隧道的差异性响应，以及隧道-挖掘距离的影响。

抽水和挖掘下的响应

本节研究了在抽水和挖掘的共同作用下，周围地面和相邻双隧道的响应。特别关注了孔隙水压力分布和地面位移的演变、底层隧道和侧向相邻隧道的差异性变形特征，以及隧道-挖掘距离和额外抽水深度的影响。

工程意义和局限性

标准化的隧道-挖掘距离 d/Dt 提供了一个实用的指标，用于识别侧向相邻隧道的空间影响范围。在研究条件下，当 d/Dt = 4 时，可以将它视为区分近场显著影响区和较远次要影响区的实用参考距离。当 d/Dt < 4 时，应密切关注侧向相邻隧道的沉降和向坑内的水平位移，以及隔膜墙的位移。

结论

本研究建立了一个三维水力-力学有限元模型，并根据对底层隧道和隔膜墙的现场测量数据进行了验证，以研究相邻双隧道对基础坑抽水和挖掘的分阶段响应。通过区分预先抽水阶段和随后的联合抽水-挖掘阶段，本研究阐明了 groundwater 抽水、渗流场重新分布和挖掘卸载如何共同作用于隧道响应。

作者贡献声明

Chi Minliang：撰写——原始草稿、可视化、数据整理。Yang Kaifang：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论。Huang Wei：撰写——审阅与编辑。Xu Changjie：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、概念化。Ding Zhi：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了中国山地土木工程安全与韧性国家重点实验室（项目编号 SQQZ2025119）、国家自然科学基金（项目编号 52508413）、浙江科技大学研究生研究创新基金（项目编号 2025yjskc10）以及中国国家重点研发计划（项目编号 2023YFC3009400）的资助。

作者列表

Chi Minliang | Yang Kaifang | Huang Wei | Xu Changjie | Ding Zhi

中国南昌华东交通大学山地土木工程安全与韧性国家重点实验室，江西省南昌市 330013