基坑開挖對下臥既有隧道變形影響數值分析

陳俏

摘要：文章以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件建立模型，在考慮了四種工況的基礎上，分析基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響。結果表明：基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%，隧道向上隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關系;隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置;隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小，基坑中部隆起值略大于兩側;樁墻頂部水平位移最大，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。

關鍵詞：基坑開挖;隧道;位移;數值模擬

0 引言

隨著城市化進程的推進，很多城市中的地鐵、污水管等隧道錯綜復雜。由于城市建設用地有限，在既有隧道上方進行基坑開挖不可避免。基坑開挖會導致原有土體卸荷，進而引發(fā)隧道變形，合理的設計和控制施工對于保護下臥既有隧道非常重要。近年來，有關基坑開挖對下臥既有隧道的影響的研究如下：李家平、賀希英等人[1-2]以某地區(qū)淺基坑開挖為例，采用數值方法分析了實施地基加固、抗拔樁以及考慮時空效應的分塊、限時開挖等技術措施以減小下部隧道變形的效果;高強、林杭等人[3-4]以西安南門外綜合改造工程環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號線盾構隧道為依托，采用FLAC3D有限差分程序對市政隧道基坑開挖對下臥地鐵盾構隧道的影響進行數值分析;杜磊、林川等人[5-6]以北京地鐵8號線上方基坑卸荷開挖為背景，運用MIDAS/GTS軟件，分別針對3種不同工況對施工全過程進行動態(tài)模擬，結果表明隧道隆起變形近似呈正態(tài)分布，最大值發(fā)生在基坑正下方的隧道斷面。

本文以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件進行建模分析，在考慮了四種工況的基礎上，著重對基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響進行了分析，研究結果可為工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

粉土作為一種處于黏性土和砂土之間的一類土，具有較為特殊的性質，主要表現為飽和的粉土在地震時容易產生液化現象，給工程造成危害。某工程地區(qū)土體主要為粉土，地下存在已建好的地鐵隧道，按照設計將在隧道上方建立一棟建筑物，在基礎施工時進行基坑開挖，基坑長和寬相等，隧道正下穿基坑底側。為了保證基坑開挖不會對既有隧道產生危害，本文主要利用數值軟件進行數值模擬分析，以便為施工提供參考。圖1為隧道與基坑位置及尺寸示意圖，隧道中心埋深為15.2 m，基坑開挖深度為6.0 m，支護樁板墻之間間距為31 m。

2 數值建模

2.1 模型建立

如圖2所示，采用大型有限元軟件ABAQUS進行建模分析。模擬過程中隧道外直徑為6.0 m，考慮到隧道的洞徑以及開挖影響范圍，所建模型長、寬、高均取70 m，隧道中心埋深為15.2 m，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。隧道采用預制管片支護，如圖2（b）所示，支護樁墻采用連續(xù)的結構地連墻代替，厚度取0.65 m。隧道圍巖和樁墻采用實體單元建立，襯砌采用結構單元，模型網格共計66 372個。根據現有研究成果，修正劍橋模型在基坑開挖方面較為適用，本文即采用修正的劍橋模型作為本構模型。

2.2 模型計算參數

表1為粉土的基本物理力學參數，在劍橋模型中，土體初始孔隙比取0.80，修正劍橋模型臨界狀態(tài)有效應力比取1.42，對數體積模量為0.061 4，彈性對數體積模量為0.002 2。表2給出了隧道襯砌及樁墻的力學參數。

2.3 模型計算工況

模擬過程中含有多個步驟，為了分析不同工況的結果，本文按照施工流程進行模型計算。在基坑開挖之前，應先進行隧道開挖支護，并考慮既有隧道已經固結穩(wěn)定，將位移清零，基坑開挖過程中分成以下工況，具體如圖3所示，其中工況四即表示施工完成。

3 數值結果分析

3.1 隧道豎向位移分析

基坑開挖會引起隧道上覆土體卸荷，進而擾動隧道，導致隧道整體出現上隆現象。為了分析各個工況下隧道豎向位移的情況（如圖4所示），給出了沿隧道方向，隧道頂部的豎向位移值，取豎向向上位移為正（下同）。由圖4可知，工況一時，豎向位移基本為零，之后，隨著基坑開挖深度的增加，隧道頂部隆起愈來愈強，其中基坑中部位置下隧道豎向位移最大。工況二、工況三、工況四對應的最大豎向位移值分別為3.12 mm、6.58 mm和11.24 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的位移釋放比分別為27.8%和58.5%。此外，基坑寬度為31 m，在基坑邊界處工況二、工況三、工況四對應的隧道豎向位移值分別為1.28 mm、2.99 mm和5.07 mm，相對于工況四，工況二、工況三在基坑邊界處的位移釋放比分別為25.2%和59.0%。

如圖5所示，給出了沿隧道方向，隧道底部的豎向位移值。由圖5可知，工況一時，豎向位移基本為零，隨著基坑開挖深度的增加，隧道底部隆起增大，其中基坑中部位置下隧道豎向位移最大。工況二、工況三、工況四對應的最大豎向位移值分別為1.98 mm、4.35 mm和7.64 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的位移釋放比分別為25.9%和56.9%。對于隧道底部，工況二、工況三、工況四時的最大豎向位移分別為隧道頂部的63.5%、66.1%和67.8%。此外，在基坑邊界處工況二、工況三、工況四對應的隧道豎向位移值分別為1.21 mm、2.78 mm和4.81 mm，相對于工況四，工況二、工況三在基坑邊界處的位移釋放比分別為25.2%和57.8%。

綜上可知，基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%。此外，相對于基坑開挖完成后，在基坑開挖1/3時，隧道位移釋放了約25%～28%;在基坑開挖2/3時，隧道位移釋放了約56%～59%，隧道頂部位移增大速度略大于底部，且隧道位移隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關系。

3.2 隧道水平位移分析

基坑開挖引起隧道上覆土體卸荷時，不僅會對隧道豎向位移產生影響，同時對隧道水平位移（即模型x方向）也產生影響。為了分析各個工況下隧道水平位移情況（如圖6所示），給出了基坑正中心下部對應隧道管片的水平位移值，沿該隧道管片截面，共選取15個監(jiān)測點，第1個監(jiān)測點為隧道頂部，監(jiān)測點按順時針布置，任意兩監(jiān)測點夾角為24°，取指向x正方向為正。由圖6可知，隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置。工況二、工況三、工況四對應的最大水平位移值分別為0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的水平位移釋放比分別為31.4%和56.0%。

3.3 基坑豎向位移分析

基坑開挖不僅會導致隧道整體出現上隆現象，而且會導致基坑底部上隆。為了分析各個工況下基坑底部豎向位移情況（如圖7所示），給出了沿縱向方向（即與隧道平行方向）和橫向方向，基坑底部的豎向位移值，取豎向向上位移為正。由圖7可知，縱向和橫向的基坑底部位移變化規(guī)律相同，當沿縱向時，工況一豎向位移基本為零，之后，隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起愈來愈強，其中基坑中部豎向位移最大，工況二、工況三、工況四對應的最大豎向位移值分別為8.62 mm、14.67 mm和21.04 mm;當沿橫向時，工況一豎向位移基本為零，基坑中部豎向位移最大，工況二、工況三、工況四對應的最大豎向位移值分別為8.43 mm、14.57 mm和20.89 mm。由于沿縱向和橫向基坑底部隆起值基本相當，可以得出，隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小。此外，對于工況二和工況三，基坑底部任一位置隆起基本相同，對于工況四，基坑中部隆起大于兩邊。

3.4 樁墻水平位移分析

樁墻的水平位移量在很大程度上反映基坑支護效果的好壞以及安全與否，本節(jié)提取出沿土體深度樁墻的水平位移值，以右側樁墻為例（如圖8所示）。由圖8可知，樁墻頂部水平位移最大，且朝向基坑里側，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。工況一樁墻水平位移基本為零，工況二、工況三、工況四對應的最大樁墻水平位移值分別為3.87 mm、6.74 mm和8.92 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的樁墻水平位移比分別為43.4%和75.6%。

4 結語

本文以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件進行建模分析，在考慮了四種工況的基礎上，著重對基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響進行了分析，主要得到以下結論：

（1）基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%。相對于基坑開挖完成后，在基坑開挖1/3時，隧道位移釋放了約25%～28%;在基坑開挖2/3時，隧道位移釋放了約56%～59%，隧道向上隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關系。

（2）隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置。工況二、工況三、工況四對應的最大水平位移值分別為0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相對于工況四，工況二、工況三的最大水平位移比分別為31.4%和56.0%。

（3）隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小。此外，對于工況二和工況三，基坑底部任一位置隆起基本相同，對于工況四，基坑中部隆起大于兩邊。

（4）樁墻頂部水平位移最大，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。相對于工況四，工況二、工況三的樁墻水平位移比分別為43.4%和75.6%。

[1]李家平.基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響的數值分析[J].地下空間與工程學報，2009，5（s1）：1 345-1 348.

[2]賀希英，高 強，張曉光，等.黃土地區(qū)基坑開挖對下臥變截面地鐵隧道影響數值分析[J].水利與建筑工程學報，2019（1）：221-226.

[3]高 強，于文龍.市政隧道基坑開挖對既有下臥地鐵盾構隧道影響分析[J].隧道建設，2014，34（4）：311-317.

[4]林 杭，陳靖宇，郭 春，等.基坑開挖對鄰近既有隧道變形影響范圍的數值分析[J].中南大學學報（自然科學版），2015（46）：42-47.

[5]杜 磊，王育平，明德志，等.基坑卸荷開挖對下臥地鐵隧道影響的數值分析[J].山東科技大學學報（自然科學版），2016，35（6）：62-67.

[6]林 川，馬永峰.基坑開挖對下臥盾構隧道影響的數值分析[J].低溫建筑技術，2010（7）：90-92.

作者簡介：陳 俏（1984—），工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護工作。