深基坑开挖与邻近隧道相互影响的分析

摘 要: 采用三维快速拉格朗日方法( FLAC^3D) 模拟软土地区深基坑的分步开挖和支护过程。根据隧道与基坑不同位置关系，分为“紧贴型”和“浅埋型”两类、共 7 种工况，分析基坑分步开挖对邻近地铁隧道变形的影响以及隧道对基坑连续墙变形和墙后地表位移的影响。数值分析土体采用修正剑桥模型，考虑了连续墙和土体的接触滑移作用。数值分析结果发现隧道变形大小与基坑距离关系并不完全单调，隧道的存在对基坑墙后土体有明显的“加筋效应”。

关键词: 基坑开挖; 相邻隧道; 数值分析; 修正剑桥模型; 三维快速拉格朗日方法

 

      深基坑工程设计和施工需要考虑基坑开挖对相邻建筑物的影响。隧道是较为典型的地下建筑物，基坑开挖往往导致邻近隧道发生变形，引起隧道漏水、漏泥，影响隧道的使用和适用性，甚至造成隧道主体结构发生破坏^［1-2］。为了既能够保证隧道安全运行又能在隧道周边实施必要的工程建设，有必要分析两者间的相互作用规律，为解决上述问题获得技术支持。

      王卫东等^［1］、高广运等^［2］对基坑施工引起运营地铁车站和隧道的变形进行了数值模拟，发现基坑开挖卸荷会使隧道产生位移，由于隧道相对土层的刚度较大，隧道的变形以竖向上抬的刚体变位为主。

      本文采用 FLAC^3D建立三维数值模型，土体采用修正剑桥模型，考虑连续墙与土体的接触滑移，分析了不同工况下深基坑开挖与单行隧道间的相互影响。

 

      计算模型的三维尺寸为 120m × 6m × 100m( y 方向取水平支撑距离) ，基坑平面尺寸 40m × 20m，开挖深度 20m，隧道直径 6m。地下连续墙支护方案，插入比 1． 0。考虑对称性，取模型一半计算。

      模型的边界条件: 在对称面上施加对称边界条件，竖向边界约束水平方向位移，底面约束三个方向的位移，上表面边界自由。

      单元网格采用不均匀网格，基坑开挖区及其附近和隧道区的网格较密，远处网格稀疏。地下连续墙采用 FLAC^3D内置的衬砌单元 Liner 模拟，基坑设计计算参数如表 1 所示。

      共设 5 道水平向支撑，采用 FLAC^3D内置的能承受弯矩和轴力的梁单元 Beam 来模拟，基本参数如表 2所示。支撑与地下连续墙之间的连接按刚结考虑。隧道衬砌采用 Shell 单元模拟，基本参数如表 3 所示。

      FLAC^3D中的衬砌单元与土体间的切向相互作用具有单面特性，因而不能同时考虑围护墙与内、外两侧土体的相互接触。计算模型中采用以下近似处理办法: 衬砌单元建立在墙外土体区域的外表面上以模拟围护墙与墙外土体的相互接触作用，围护墙与坑内土体的相互接触采用在坑内外土体间建立接触面单元，墙底处衬砌单元节点与坑内外土体网格点自由度耦合，假定墙底处结构单元节点与网格点变形协调。接触界面摩擦系数取为 0． 20，最大剪应力 20kPa。

      修正剑桥模型能够反映土体加载与卸载模量的差异，考虑土体材料静水压力屈服特性和压硬性，在软土地基开挖分析中应用非常广泛。因此本文土体采用修正剑桥模型模拟，上海第③层土的计算参数为^［3］: 重度 γ =18． 0，初始孔隙比 e₀= 1． 20，侧压力系数 K₀= 0． 50，泊松比 ν = 0． 30，v － lnp'平面正常固结曲线斜率和回弹曲线斜率依次为 λ = 0． 12、κ = 0． 012，p'-q' 平面上临界状态线的斜率 M = 1． 2。

 

      计算分7 种工况，工况1 基坑附近无隧道; 工况2 ～工况 5 为“浅埋型”工况，坑深 H =10m，基坑与隧道间距分别为5m、10m、19m、35m; 工况2、工况6、工况7 为“紧贴型”工况，隧道离基坑围护结构仅 5m，坑深 H 分别为 10m、20m、29m，且未考虑加固措施。

数值模拟的步骤如下:

      ( 1) 施工地下连续墙并生成地应力;

      ( 2) 施工第 1 道支撑并开挖至地面以下 4m 处;

      ( 3) 施工第 2 道支撑并开挖至地面以下 8m 处;

      ( 4) 施工第 3 道支撑并开挖至地面以下 12m 处;

      ( 5) 施工第 4 道支撑并开挖至地面以下 16 处;

      ( 6) 施工第 5 道支撑并开挖至地面以下 20m 处。

      分析模型的第 1 道支撑设置在地面，因而没有悬臂开挖阶段，这是深基坑支护理想的开挖方案。通过依次激活结构单元、移除相应的土体单元和接触面单元来实现基坑的开挖过程。

 

      如图 1 所示，基坑开挖会引起隧道向基坑一侧的水平位移，并随开挖步的增加逐渐增大; 隧道与基坑水平间距越远，基坑开挖引起的隧道最终水平位移越小。

      由图 2 可知，当隧道离基坑较近时( 工况 2、工况3) ，随着开挖步的增加，隧道竖向位移先向上后向下，隧道与基坑间距越大，最终竖向位移越小; 当隧道距离基坑较远时( 工况 4、工况 5) ，随着开挖步的增加，隧道竖向位移先向下后向上，距离越远，最终竖向位移越小。亦即，对浅埋型隧道，基坑开挖最终引起隧道竖向位移大小与水平距离之间的关系并不是单调的，存在一个“临界距离”( 介于工况 3 与工况 4 之间) ，使得基坑最终开挖引起隧道的竖向位移最小。

      基坑开挖会引起隧道向基坑一侧的水平位移。水平位移随开挖深度的增大而增大，当隧道位于基坑开挖深度附近时( 工况 6) ，水平位移最小，如图 3所示。

      由图 4 可知，除工况 2 外( 该工况的竖向位移较小) ，隧道的位移向上，且随开挖深度的增大而增大，隧道位于基坑开挖深度附近时竖向位移最大。

      综上，当隧道位于基坑最终开挖深度附近时( 工况6) ，隧道变形以竖向位移为主。当隧道既“紧贴”又“浅埋”时( 工况 2) ，隧道变形主要为水平方向。

      先分析没有隧道时( 工况 1) 基坑开挖引起的地表沉降和侧移。如图 5 和图 6 所示，墙后地表最大沉降为 15． 20mm，最大沉降的发生位置并不是位于基坑边缘，而是位于距离挡墙 18． 1m 处。最大地表侧移为11． 30mm，最大侧移位置距基坑 26． 2m。

      再来分析浅埋工况下水平距离对墙后地表位移的影响。如图 7 和图 8 所示，有隧道情况下墙后地表最大沉降和侧移均明显减小，图 8 中工况 4 墙后地表沉降最小，可知应存在一个“临界距离”使得墙后地表沉降达最小值。图 8 中工况 5 的地表侧移最小，表明随隧道与基坑间距的增加，墙后地表侧移会逐步“恢复”到工况 1 的情况，所以也存在某个“临界距离”使得墙后地表最大侧移值最小。

      如图 9、图 10 所示，在有隧道且“紧贴”的工况下，墙后地表最大位移明显减小，隧道埋深位于基坑开挖深度附近时( 工况 6) ，地表最大沉降达最小值，但在更远的地表处却产生了一定的隆起和侧移。

      图 11( a) 和图 11( b) 分别为浅埋和紧贴工况下基坑最终开挖步下地下连续墙水平位移曲线。由图 11( a) 可知，从“浅埋”工况 1 到工况 3，地下连续墙最大侧移逐渐减小，但是很不明显。工况 4 和工况 5 地下连续墙水平位移明显减小，并且随隧道与基坑之间的水平距离增大( 工况 4 下连续墙最大侧移最小) ，地下连续墙最大侧移增大。因此存在一个“临界距离”使地连墙侧移达最小值。

      由图 11( b) 可知，“紧贴型”工况当隧道埋深在基坑最终开挖深度附近( 工况 6) 时地下连续墙最大侧移最小。

 

      ( 1) “浅埋型”工况下，基坑开挖会引起隧道向基坑一侧的水平位移。水平位移随开挖步的增加逐渐增大，隧道与基坑水平间距越大，开挖引起的隧道最终水平位移越小。隧道竖向位移与基坑和隧道之间的水平距离关系并不是单调的，存在某一“临界距离”，使得基坑最终开挖引起隧道的竖向位移最小。

      ( 2) “紧贴型”工况下，当隧道埋深在基坑最终开挖深度附近时，隧道变形以竖向为主。当隧道既是“紧贴”又是“浅埋”时，隧道变形主要为水平方向。

      ( 3) “浅埋型”工况下，隧道存在使得基坑开挖引起的墙外地表沉降和侧移减小，存在不同的“临界距离”分别使墙后地表最大沉降和最大侧移达到最小。

      ( 4) “紧贴型”工况下，基坑开挖引起的墙外地表沉降和侧移比无隧道工况下要小，隧道埋深在基坑最终开挖深度附近时，地表最大沉降达最小值，但在更远的地表处同时产生隆起。

      ( 5) “浅埋型”工况下，存在一个“临界距离”使得连续墙侧移达到最小。

      ( 6) “紧贴型”工况下，当隧道埋深在基坑最终开挖深度附近时，连续墙最大侧移值达到最小。

 

［1］ 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 2) :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( S2) : 251-255( in Chinese) )

［2］ 高广运，高盟，杨成斌，等． 基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究［J］． 岩土工程学报，2010，32( 3) :453-459( Gao Guangyun，Gao Meng，Yang Chengbin，et al． Influence of deep excavation on deformation of operating metro tunnels and countermeasure［J］． Chinese Journal of Geotechnical and Engineering，2010，32 ( 3 ) : 453-459 ( in Chinese) )

［3］ DGJ 08-37—2002 岩土工程勘察规范［S］