敏感环境下深大基坑开挖分析及数值模拟

摘 要: 邻近已有地铁隧道的深大基坑的开挖是一项非常复杂的工程，开挖工程中如何能够安全地控制地铁隧道的变形尤其重要。对某邻近地铁区间隧道的深基坑施工进行全过程跟踪监测，及时反映不同工况下基坑围护结构变形、立柱回弹的变化特征; 分析基坑施工对周边环境，特别是对邻近地铁隧道的影响，同时应用三维有限元分析手段，对地铁隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行弹塑性分析。分析结果与工程实测数据比较吻合，表明整体有限元方法可以较好地模拟此类工程问题，从而为实际工程的设计施工提供一定的理论和计算依据。

关键词: 深大基坑; 地铁隧道; 变形; 数值模拟

      随着地下空间得到越来越多的重视，地下工程的数目和规模迅速增大，不可避免地面临在已有地铁区间隧道附近开挖基坑的问题，这就要求基坑工程在设计和施工时不仅要考虑自身的稳定要求，还要把对周围环境的影响控制在允许范围内。随着地铁的建成通车，地铁沿线往往成为商业、住宅建筑等开发的黄金地带，因而越来越多的基坑工程位于已运行地铁隧道之上或两侧，这些临近施工荷载必然引起周围地层移动，导致地铁隧道隆起变形，尤其是对于目前广泛采用的盾构法施工的软土隧道，严重时会引发隧道渗水、漏泥或局部破坏，从而对隧道结构安全和地铁列车正常运营产生严重威胁^［1-3］。

      况龙川等^［4］实测分析了深基坑施工对地铁隧道的影响; 戚科骏等^［5］分析了临近地铁隧道的深基坑开挖影响; 丁勇春等^［6］对上海某邻近地铁隧道的基坑进行了监测分析; 张治国等^［7］对临近基坑施工对地铁隧道影响进行了数值模拟分析，得出一些有益的结论。

      本文对某深大基坑开挖过程邻近已有的地铁隧道及基坑内进行了实时监测，并采用三维有限元的模拟对地铁区间隧道在基坑施工过程中所产生的影响进行了弹塑性分析，现场监测数据和模拟结果比较吻合，为类似的工程设计提供了一定的理论和计算依据。

 

      该工程主体建筑由二幢塔楼( 主楼和附楼) 及 7层的裙房组成，基坑总面积约 13800m²，基坑周长约 470m。主楼区普遍开挖深度 23． 50m，附楼区和裙楼区普遍开挖深度 21． 00m。该基坑工程总面积大; 开挖深度深; 工期要求紧; 场地周围有大量的市政管线，基地东侧中央路下设地铁一号线区间地铁隧道，地铁隧道周边超前支护锚杆外端距离基坑约 2． 0m，地铁主体衬砌结构距离基坑约 5． 0m。工程的规模和复杂的场地条件对基坑工程的设计施工均提出了极大的挑战。

 

      支护方案采用“两墙合一”地下连续墙的围护结构形式，综合本基坑形状较不规则、基坑开挖深度较深以及周边环境等因素的考虑，本基坑竖向设置 3 道钢筋混凝土水平支撑系统，支撑呈边桁架加对撑布置，该支撑布置形式受力明确，可加快土方开挖、出土速度。钢筋混凝土内支撑可发挥其混凝土材料抗压承载力高、变形小、刚度大的特点，对减小围护体水平位移，并保证围护体整体稳定具有重要作用。同时第1 道支撑对撑位置又可作为施工中挖、运土用的栈桥，方便施工，降低了施工技术措施费。基坑开挖到坑底后再由下而上顺作地下室结构，并拆除相应支撑系统。基坑的平面监测项目及测点布置如图 1 所示。

      实际监测方案中，沿基坑周边连续墙共布置 16 个水平位移测点，编号为 QX1 ～ QX16。根据监测数据的整理分析，各施工工况下连续墙最大水平位移一般出现在各边中点附近。选取邻近地铁隧道侧的监测点QX4，连续墙的水平位移如图 2 所示。从图 2 中可以看出: QX4 测点水平位移较大，最大水平位移值为32． 14mm( 深度 － 11m) 。QX4 测点位于基坑东侧长边中点附近，临近地铁区间隧道，最大水平位移增量出现在 stage 4 工况，即完成第 3 道支撑施工开挖到设计标高处。

      基坑东侧地铁区间隧道竖向位移变化如图 3 所示。基坑施工期间，隧道竖向变形主要表现为上抬。

      左线隧道与基坑东侧长边相对应的 L4 ～ L16 测点上抬位移值较大，特别是 L7 和 L10 ～ L14 测点，基坑施工期间左线隧道最大上抬位移为 8． 2mm( L7 测点) ，L10 ～ L14 测点最大上抬位移约 7． 7mm。支护结构变形在 stage 5 工况以后几乎不再增长，而地铁隧道埋在 土 体 中 一 定 深 度 ( 左 线 衬 砌 结 构 顶 面 标 高－ 9． 5m) ，土体变形由于具有蠕变特性，故距基坑一定距离外由基坑土体开挖卸荷引起的土体变形响应时间上具有一定的滞后性，从而引起地铁隧道的响应在挖土完成后仍有一定程度的增长。

      基坑东侧地铁区间隧道水平位移变化如图 4 所示。基坑施工期间整个区间隧道的水平位移并无较明显的变化规律。

      为准确分析深基坑开挖对邻近地铁隧道产生的影响，并考虑基坑开挖的空间效应，采用大型通用有限元分析软件 ABAQUS 按连续介质有限元方法进行弹塑性分析，对基坑开挖卸荷对临近地铁隧道的影响进行数值模拟分析，得到了基坑围护结构变形以及对地铁隧道变形影响的程度与发展规律。

      在本工程分析中，对土体采用弹塑性本构的方法进行模拟分析，结构网格图如图 5 所示。

      图 6 为基坑开挖至基底后地下连续墙位移的计算结果。理论计算和实测结果表明: 本工程基坑开挖深度21． 0m( 局部 23． 5m) ，基坑开挖至基底后，计算所得地下连续墙最大侧移 21． 4mm，实测最大侧移27．9mm，在基坑围护结构变形要求可控制的范围之内。

      图 7 为有限元分析所得的隧道最终变形云图，从图 7 中可以较为直观地了解隧道水平和竖向变形的空间分布情况。理论计算结果表明: 本工程基坑开挖深度21． 0m( 局部23． 5m) ，开挖至基底后，地铁隧道最大水平和竖向位移均发生在靠近基坑侧隧道。可以看到，近侧和远侧隧道均向基坑内发生水平移动，竖向变形主要表现为上抬，这与现场实测的趋势保持一致。由图 7 可知: 基坑开挖至底部后，近侧隧道产生最大水平侧移为 4． 8mm，位置靠近东侧地墙中部。实测所得的地墙最大位移为 1． 1mm，发生在第 1 皮土方开挖施工步的 L9 测点处。而在基坑开挖至基底后，其最大水平侧移稳定在 0． 7mm( 测点 L11) 。

      图 8 显示了三维分析所得的隧道竖向位移形态，可见在基坑开挖的影响范围内，隧道主要表现为上抬，计算最大上抬量为 3． 5mm，发生在近 L13 侧点处。实测表明: 在基坑开挖至坑底后，近侧隧道 L13 测点处发生最大上抬( 5． 7mm) 。可见有限元计算较为真实地反映了邻近隧道的竖向位移情况。

      通过现场实测和三维有限元模拟表明: 在周边有地铁隧道等敏感环境下，基坑开挖对地铁隧道的影响满足相关控制指标要求。由于基坑工程土体开挖卸荷过程中对围护体变形、基底隆起等分析理论尚不完备，围护结构与土体位移尚难以精确计算，需要辅以三维有限元计算对基坑开挖的全过程进行较为准确的模拟，以合理考虑基坑工程的时空效应，对基坑工程对周边环境、特别是邻近地铁隧道变形的影响作出定性和定量的分析。本三维分析较好地还原了地下连续墙变形随空间位置的变化和各施工步下的挠曲形态，对邻近地铁隧道与周边地层的变形预测与现场实测也较为一致。但值得注意的是: 三维有限元分析还无法合理模拟诸如地下连续墙的成槽、实时跟踪注浆等施工工艺对周边地层和结构的扰动和影响，因此导致计算值与实测结果出现了一定的偏差。随着城市地下铁路系统等敏感地下空间结构的不断建设，如何采用三维有限元的分析方法合理模拟基坑工程对周边环境和结构的影响，仍将是一门重要的研究课题，其相关理论与实践有待进一步的提高和发展。

 

［1］ 刘国彬，王卫东． 基坑工程手册［M］． 第 2 版． 北京: 中国建筑工业出版社，2009( Liu Guobin，Wang Weidong．Excavation engineering bandbook［M］． 2nd Edition. Beijing: China Architecture ＆ Building Press，2009 ( in Chinese) )

［2］ 王卫东，吴江斌，翁其平． 基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟［J］． 岩土力学，2004，25( 增 1) :251-255 ( Wang Weidong，Wu Jiangbin，Weng Qiping．Numerical modeling of affection of foundation pit excavation on metro tunnel［J］． Rock and Soil Mechanics，2004，25( S1) : 251-255( in Chinese) )

［3］ 姜忻良，宗金辉，孙良涛． 天津某深基坑工程施工监测及数值模拟分析［J］． 土木工程学报，2007，40( 2) : 79-103 ( Jiang Xinliang， Zong Jinhui， Sun Liangtao．Construction monitoring and numerical simulation for a deep excavation in Tianjin ［J］． Chinese Civil Engineering Journal，2007，40( 2) : 79-103( in Chinese) )

［4］ 况龙川． 深基坑施工对地铁隧道的影响［J］． 岩土工程学 报， 2000，22 ( 3 ) : 284-288 ( Kuang Longchuan．Influence of construction of deep foundation pit on tunnels of metro［J］． Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22( 3) : 284-288( in Chinese) )

［5］ 戚科骏，王旭东，蒋刚，等． 临近地铁隧道的深基坑开挖

分析［J］． 岩石力学与工程学报，2005，24( 增 2) : 5485-5489 ( Qi Kejun， Wang Xudong， Jiang Gang， et al．Analysis of deep pit excavation adjacent to tunnel［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24( S2) : 5485-5489( in Chinese) )

［6］ 丁勇春，戴斌，王建华，等． 某邻近地铁隧道深基坑施工监测分析［J］． 北京工业大学学报，2008，34( 5) : 492-497( Ding Yongchun，Dai Bin，Wang Jianhua，et al． Field observation of a deep excavation adjacent to subway tunnels ［J］． Journal of Beijing University of Technology，2008，34( 5) : 492-497( in Chinese) )

［7］ 张治国，张谢东，王卫东． 临近基坑施工对地铁隧道影响的数值模拟分析［J］． 武汉理工大学学报，2007，29( 11 ) : 93-97 ( Zhang Zhiguo，Zhang Xiedong，Wang Weidong． Numerical modeling analysis on deformation effect of metro Tunnels due to adjacent excavation of foundationpit［J］． Journal of Wuhan University of Technology，2007，29( 11) : 93-97( in Chinese) )