基坑開挖對周邊環(huán)境影響的三維數(shù)值分析

王冰玲

(安徽三聯(lián)學院，安徽 合肥 230601)

近年來，隨著我國城市建設迅猛發(fā)展，各類深大基坑工程日益增多。然而，基坑開挖不僅會影響相鄰建(構)筑物的安全，也會威脅城市地下排水管道、電纜、煤氣管道的安全及附近道路的正常運行［1］。在基坑開挖過程中，由于坑內(nèi)土體被挖除，基坑周圍土體的水平應力不斷卸載，導致該部分土體的體應力減小，剪切應力增大，周圍土體隨之發(fā)生較大變形。這種變形與地基土特性、基坑開挖深度與寬度、暴露時間、支護結構體系剛度、施工工藝、施工質(zhì)量等有關［2］。現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)基坑周圍土體沉降直接取決于支護結構側向位移，其影響范圍(水平及垂直方向)一般是開挖深度的2～3倍［3-4］。

隨著城市化進程加快，基坑周邊存在地鐵隧道的情況難以避免?；娱_挖將引起周邊土體的應力變化，這必將對運營期間隧道的變形產(chǎn)生不可忽略的影響。特別是在進行深基坑開挖時，由于深基坑的基坑深度接近隧道埋深，其對隧道的影響更為顯著。BURFORD最早報道了倫敦地鐵隧道因上方基坑開挖導致在27年間地表累計隆起量為50mm［5］。CHANG等分析了臺北地鐵因鄰近基坑開挖導致隧道損壞的事故，并給出了緊鄰地鐵實施深基坑開挖的控制建議［6］。SHARMA等研究了新加坡MRT隧道受側上方大面積開挖影響的特性［7］。近年來，我國國內(nèi)多地也有大量類似案例報道［8-9］。不少研究通過現(xiàn)場監(jiān)測手段，分析了深基坑開挖對鄰近隧道的影響，同時在工程經(jīng)驗和實測結果的基礎上提出了諸多控制方法，并將方法應用于工程實際［10-11］。此外，不少學者通過數(shù)值模擬方法研究了運營隧道與深基坑之間的相互影響［12］。然而，上述研究主要集中于采用平面二維有限元分析，將基坑開挖簡化為二維代表面進行分析，而實際上由于基坑開挖的三維特性，簡化二維代表面并不能準確反映基坑開挖三維變形特性，因此采用三維數(shù)值分析方法能更真實地反映基坑開挖對周邊環(huán)境的影響?；谏鲜龇治?，結合深圳地區(qū)某具體工程，通過三維數(shù)值方法研究了基坑開挖對鄰近水平雙線隧道的影響特性。

1 工程概況

擬建場地位于深圳市南山區(qū)蛇口南水步行街北側，石云路東側，蛇口幼兒園西北側，港深通駕校訓練場地內(nèi)。場地原始地貌單元屬海漫灘，后經(jīng)人工改造，場地原始地貌業(yè)已改變，場地地勢較平坦，測得各鉆孔孔口標高介于3.80～4.20m。擬建建筑物為地上4層，框架結構，地下1層，為機動車停車庫及設備用房，地下室埋深4.9m。根據(jù)設計圖紙，場地正負零相對于絕對標高為4.250m，基坑底絕對標高為-1.000m，現(xiàn)狀地面標高約3.900m，開挖深度約4.9m。

基坑北側與地鐵2號線相鄰，基坑支護邊線與地鐵線路走向一致，基坑支護邊線與地鐵隧道左線外邊緣的距離為6m，基坑底比相鄰地鐵隧道底高出7.1m。

本項目基坑周圍環(huán)境條件較復雜，地質(zhì)條件一般，其支護安全等級為三級?？紤]安全性、經(jīng)濟性及施工便利性，本基坑南側支護采用單排攪拌樁+鋼管+土釘，其余各側采用雙排攪拌樁+土釘，攪拌樁深度為8.9m。為研究基坑開挖卸荷過程對鄰近周邊環(huán)境的影響，采用三維數(shù)值模擬方法分析基坑開挖過程中周邊土體及鄰近隧道的變形特性，并對相應變形特性進行了分析。

2 三維數(shù)值模型及參數(shù)確定

本文采用有限元分析軟件MidasGTS420，該軟件包含了豐富的單元庫和材料庫，能夠模擬各種材料受力和變形行為，具有較完整的巖土工程分析過程和材料模型，可提供解決土力學和巖石力學、地下結構、基坑開挖、土結構相互作用等絕大多數(shù)巖土工程問題。

2.1 單元選取

對于地鐵盾構隧道襯砌，考慮長寬及厚度影響，用殼單元Shell63模擬，該單元既具彎曲能力又具膜力，可承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。水泥土攪拌樁支護結構將其等效為一定厚度的板，采用板單元模擬水泥攪拌樁支護效果。土體采用Solim5單元模擬，該單元可進行塑性、蠕變、應力硬化、大變形及大應變分析，同時適用于線彈性材料和彈塑性D-P模型。

2.2 接觸分析

在進行樁土及盾構襯砌接觸分析時，樁體、盾構襯砌等剛度較大物體接觸面被當成“目標面”，土體接觸面被當成“接觸面”。

2.3 邊界條件

模型底部的約束條件為水平、豎直方向都固定;模型四周約束條件為水平方向固定，豎直方向自由。

2.4 計算參數(shù)

根據(jù)基坑開挖的特點分析和土的工程特性的不同，本文對于人工填土、黏土采用修正劍橋模型(ClayPlasticity)模擬，對于粗砂礫、全風化砂巖、強風化砂巖和中風化砂巖，本報告采用Drucker-Prager模型進行模擬。

D-P材料參數(shù)有土體的黏聚力C、內(nèi)摩擦角φ、膨脹角φf。膨脹角用來控制體積膨脹的大小。此外還有彈模E、泊松比υ。土體影響范圍寬度取5倍基坑寬度，樁端土體深度取1.5倍樁長。同濟大學楊敏等［13］認為：對于上海地區(qū)軟土地基土對應的土體彈模E0，同勘察報告給出的壓縮模量ES1-2近似存在以下關系：

式中，λ為比例系數(shù)，取2.5～3.5。

根據(jù)勘察報告所提供的參數(shù)及相關經(jīng)驗公式，模型土層及支護結構參數(shù)設置如表1，2所示。

表1 土層材料模型參數(shù)

表2 支護結構材料參數(shù)

2.5 計算模型

根據(jù)場地情況，建模時綜合考慮計算時間與計算規(guī)模的協(xié)調(diào)，有限元計算模型如圖1所示，模型尺寸210m×180m×59m，模型共104689個節(jié)點，97916個單元，其中包括62678個六面體單元(土體)，6540個板單元(圍護結構)，10380個板單元(地鐵結構)。計算模型同時考慮了基坑開挖過程中樁與土、隧道襯砌與土的相互作用，并考慮基坑開挖的全過程，進行分步模擬分析。

圖1 三維基坑開挖數(shù)值模型

2.6 計算工況設置

根據(jù)設計文件，基坑采用分布開挖方式進行施工，計算工況如表3所示。

表3 計算工況

3 數(shù)值模擬結果分析

數(shù)值模型可模擬基坑分步開挖全過程，這里主要對基坑開挖到坑底時(Stage5)基坑支護結構及鄰近隧道變形特性進行分析。

3.1 周邊土體及基坑圍護結構變形分析

圖2，3為基坑開挖到基坑坑底-4.900m時，基坑周邊土體沉降及支護結構水平位移分布云圖。從圖中可以看出，對于基坑周邊土體而言，當基坑開挖至坑底時，在基坑長邊方向周邊土體發(fā)生一定的沉降，沉降主要位于長邊中間及拐角等部位。這主要因為對于長邊來說其支護剛度相對短邊較小，在中間及應力集中的拐角部位出現(xiàn)一定程度的沉降，且最大沉降區(qū)域位于支護結構外側一定距離內(nèi)，在支護結構周邊形成一個沉降槽，沉降槽距基坑邊緣1/3基坑開挖寬度，最大沉降值為9.2mm。因此，在基坑開挖過程中尤其需要注意長邊方向中間和拐角等部位的沉降特性，防止基坑開挖過程造成鄰近管線的破壞。

對于基坑支護結構而言，在支護結構拐角等部位由于應力集中，基坑圍護結構產(chǎn)生較大的水平變形，這主要是因為基坑圍護結構采用水泥攪拌樁，其支護剛度相對較小。當基坑開挖至坑底時，其最大水平變形達35mm，主要集中于長短邊拐角處，因此在基坑開挖過程中需重點關注拐角等部位的變形情況，防止基坑失穩(wěn)。

為研究在整個基坑開挖過程中周邊土體及基坑支護結構變形特性，對基坑開挖各階段內(nèi)土體最大沉降及支護結構最大水平位移進行分析，不同基坑開挖深度下土體最大沉降及圍護結構最大水平位移如圖4所示。總體而言，基坑周邊土體最大沉降及圍護結構最大水平位移隨基坑開挖深度的增加而增加。尤其是圍護結構的水平位移情況，當基坑開挖深度達4.0m后，其水平變形快速增長，當開挖深度達4.9m時，最大水平位移達35mm，基坑接近于臨界破壞狀態(tài)。對于周邊土體沉降而言，當開挖深度小于4.0m時，其最大沉降值隨開挖深度的增加而增大，當開挖深度大于4.0m后，其最大沉降值反而有著較為明顯的下降，這可能是因為由于基坑開挖深度較淺，圍護結構發(fā)生沿坑底的傾斜旋轉變形，在坑底上部圍護結構發(fā)生向基坑內(nèi)部的傾斜變形，在坑底下部，圍護結構發(fā)生向外的傾斜位移，導致圍護結構外圍一定距離范圍外土體發(fā)生隆起的變形，從而使得最大沉降值有所減小。圍護結構的這種以坑底為旋轉中心的整體傾斜變形從圍護結構水平位移云圖中有所體現(xiàn)。

圖2 地表沉降分布云圖(單位：m)

圖3 圍護結構體系水平位移分布云圖(單位：m)

3.2 鄰近基坑地鐵隧道變形分析

根據(jù)基坑開挖至坑底時鄰近地鐵隧道豎向及水平位移分布云圖可以看出，鄰近雙線隧道其變形主要位于基坑開挖側附近。由于基坑開挖的卸荷效應，導致鄰近地鐵隧道產(chǎn)生斜向基坑開挖側的變形。當基坑開挖至4.9m時，鄰近地鐵隧道最大豎向隆起變形為4.8mm，而最大水平位移已達5.5mm。基坑開挖不僅會使基坑發(fā)生垂直于隧道方向的水平變形，而且會產(chǎn)生沿隧道方向的縱向變形，其最大縱向變形約1mm，明顯小于橫向的水平位移。鄰近隧道豎向或橫向移位不僅會影響地鐵的正常運營，變形過大的情況還會導致盾構襯砌的破壞或者管片間連接的失效，影響地鐵隧道的安全運營，因此在基坑支護方案的設計時，要充分考慮鄰近隧道、管線等地埋結構的變形情況，保證周邊相應設施的正常使用及安全。

同基坑周邊土體變形特性分析方法類似，為研究在整個基坑開挖過程中鄰近隧道變形特性，對基坑開挖各個階段內(nèi)隧道最大豎向及橫向水平位移進行分析，不同基坑開挖深度下鄰近隧道最大豎向及橫向變形特性如圖5所示。從圖中可以看出鄰近隧道水平位移在基坑開挖深度小于2m時，其橫向變形基本為0，當基坑開挖深度進一步增大時，隧道橫向水平位移迅速增大，當開挖深度達到基坑底部時，其最大水平位移已達5.5mm?？紤]到隧道埋置的相對位置，隧道發(fā)生橫向變形的啟動深度約為9m，當埋置深度小于該深度時，隧道橫向水平位移開始顯著增長。

對于隧道豎向隆起變形，其受基坑開挖卸荷影響較為顯著，在基坑開挖前期，其豎向隆起變形增長較快，基坑開挖深度約為4m時，其最大豎向隆起變形已達6mm，之后隧道的隆起變形有所降低，其原因可能與周邊土體沉降變形特性類似，與支護結構的旋轉傾斜變形特性有關，只是由于隧道埋置于攪拌樁以下，圍護結構對隧道產(chǎn)生一個向下的作用力，導致其隆起變形有所減小。

圖4 基坑周邊土體及支護結構最大位移發(fā)展曲線

圖5 鄰近隧道最大位移發(fā)展曲線

4 結語

本文利用數(shù)值模擬的方法，研究了基坑開挖對周邊土體、支護結構及鄰近雙向地鐵隧道的變形影響，根據(jù)數(shù)值模擬結果得出如下結論。

1)基坑開挖引起的周邊土體沉降主要發(fā)生在開挖基坑長邊中部及拐角部位，在圍護結構外圍形成一個沉降槽，其最大沉降位置位于圍護結構外1/3基坑寬度處。

2)圍護結構的最大水平位移位于基坑長短邊拐角處，其最大水平位移在開挖前期變化緩慢，當基坑開挖深度接近臨界深度時，水平位移迅速增大。

3)基坑開挖會引起鄰近地鐵隧道的移位，其中豎向隆起變形對基坑開挖較為敏感，隧道的橫向位移存在一個啟動埋置深度，本案例中其啟動埋置深度約為9m。

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