考慮隧道降水和開(kāi)挖施工過(guò)程的三維地面沉降模擬

馬新雨，王 俊，周 欣，張 云*，徐永福

1. 南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023；

2. 蘇錫常南部通道建設(shè)指揮部，無(wú)錫 214000；

3. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240

1 引言

在采用明挖法施作隧道時(shí)，開(kāi)挖前的工程降水會(huì)導(dǎo)致土體中孔隙水壓力減小，后續(xù)的土方開(kāi)挖會(huì)造成土體卸載、應(yīng)力釋放。無(wú)論是工程降水還是土方開(kāi)挖都會(huì)改變土體原有的應(yīng)力狀態(tài)，都會(huì)對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生巨大擾動(dòng)，引起地面沉降，影響坐落于其上的建（構(gòu)）筑物安全和正常使用（Boscardin and Cording，1989；劉念武等，2014；閤超和劉秀珍，2014；鄭翔等，2017）。因此，實(shí)際工程中必須對(duì)明挖法隧道施工產(chǎn)生的地面沉降進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

Ou 等（1993）基于臺(tái)北十多個(gè)開(kāi)挖案例建立了經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)的地面沉降計(jì)算公式。劉寶琛等（1995）基于單元開(kāi)挖，應(yīng)用隨機(jī)介質(zhì)理論計(jì)算地下開(kāi)挖引起的地表位移。唐孟雄等（1966）根據(jù)前人研究成果和實(shí)測(cè)資料提出按正態(tài)分布密度函數(shù)計(jì)算基坑開(kāi)挖引起的地面沉降量。Leu 和Lo（2004）利用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸模型進(jìn)行開(kāi)挖引起的地表沉降分析。這些方法計(jì)算簡(jiǎn)便，但不能考慮復(fù)雜的土層條件和實(shí)際施工方法及施工過(guò)程，而土體具有顯著的非線(xiàn)性、非彈性變形特征，隧道施工產(chǎn)生的地面沉降與施工方法和施工過(guò)程密切相關(guān)，因此，有限元數(shù)值模擬方法在計(jì)算隧道等復(fù)雜施工所引起的地面沉降方面得到了廣泛應(yīng)用（Dong et al., 2017）。古少楓等（2014）采用ABAQUS 模擬討論了明挖順作基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的地面沉降以及泊松比對(duì)地面沉降的影響，劉振江（2019）運(yùn)用FLAC3D 軟件模擬了城市綜合管廊開(kāi)挖引起的地表沉降。秦會(huì)來(lái)等（2012）利用ABAQUS 模擬土釘支護(hù)基坑的二維變形情況，模擬結(jié)果表明超前支護(hù)土釘工程可以使地面最大沉降后移。邱平（2019）采用ABAQUS 分析了山東某工程基坑降水引起周?chē)馏w的沉降。陳俊達(dá)等（2012）利用ABAQUS 建立三維模型，模擬上海地區(qū)某現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，得出抽水引起的水平位移遠(yuǎn)小于豎向位移。張威（2014）建立對(duì)比模型分析了抽水過(guò)程中軟土土層參數(shù)和止水帷幕對(duì)地面沉降的影響。許多工程算例表明ABAQUS 可較好地模擬基坑開(kāi)挖或降水引起的地面沉降，但目前大部分模擬研究?jī)H考慮基坑施工中單一過(guò)程（如降水、開(kāi)挖、支護(hù)）引起的變形，并未從整個(gè)施工過(guò)程的角度進(jìn)行全過(guò)程模擬。付培帥等（2017）以大連某地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖為例，綜合考慮降水、開(kāi)挖、內(nèi)支撐等施工過(guò)程，采用ABAQUS 建立二維模型模擬研究支護(hù)樁的水平位移、內(nèi)支撐軸力和樁側(cè)土壓力，并與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了比較，但未對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)的地面沉降問(wèn)題進(jìn)行分析。

在很多采用明挖法施工的重大工程項(xiàng)目中，基坑降水作業(yè)和開(kāi)挖作業(yè)一般為先后進(jìn)行或交替進(jìn)行，要較好地模擬明挖法隧道施工所導(dǎo)致的地面沉降，必須將所有施工環(huán)節(jié)都納入到分析中來(lái)，同時(shí)還需考慮到兩者在施工中的先后順序，盡可能地模擬真實(shí)的施工流程。此外，二維剖面模型容易忽略基坑問(wèn)題的空間性從而難于反映基坑的整體性狀（古少楓等，2014；Li et al., 2018），因此，必須建立三維模型來(lái)模擬施工過(guò)程引起的地面沉降。

本文根據(jù)無(wú)錫市某湖底隧道施工方案，選取其中兩個(gè)具有代表性圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案的區(qū)段，利用ABAQUS/CAE2016 建立流固耦合彈塑性分析模型，兩個(gè)區(qū)段分別采用放坡開(kāi)挖施工和鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式施工，這兩種方式在明挖法中較為常用，也是本文案例采用的主要手段，根據(jù)結(jié)果對(duì)兩個(gè)區(qū)段在整個(gè)降水開(kāi)挖施工作業(yè)過(guò)程所引起的地面沉降以及基坑周?chē)耐馏w變形進(jìn)行全過(guò)程分析，同時(shí)對(duì)兩個(gè)區(qū)段間地面沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比。

2 工程概況

無(wú)錫市某湖底隧道采用圍堰明挖法，全長(zhǎng)5410 m，湖中段開(kāi)挖深度12.0～15.3 m，隧道主體結(jié)構(gòu)寬43.2 m，高8 m，總體為東西走向。施工采用分層降水方案，止水帷幕采用Φ850@600 mm三軸水泥攪拌樁。在基坑開(kāi)挖前20 d 進(jìn)行預(yù)降水，當(dāng)坑內(nèi)水位位于開(kāi)挖面以下1 m 時(shí)進(jìn)行開(kāi)挖，之后再依次進(jìn)行第二次降水作業(yè)、第二次開(kāi)挖，直至開(kāi)挖到坑底標(biāo)高。

從沿線(xiàn)場(chǎng)地環(huán)境、地層情況以及開(kāi)挖深度等多方面綜合考慮，將隧道由西向東，分為13 個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)段，對(duì)各區(qū)段分別進(jìn)行基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)，包括工法樁、放坡、鉆孔灌注樁等。為了分析隧道施工引起的地面沉降，本文根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征選取兩個(gè)典型區(qū)段進(jìn)行模擬，分別記為A 區(qū)段和B 區(qū)段，已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)挖和監(jiān)測(cè)施工的區(qū)段記為C 區(qū)段。A 和C 區(qū)段采用放坡開(kāi)挖施工，分三級(jí)開(kāi)挖，每級(jí)高度為5.0 m，放坡坡率為1 : 1.5，臺(tái)寬2.5 m； B 區(qū)段采用鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，鉆孔灌注樁型號(hào)為Φ1000@1200 mm，基坑內(nèi)設(shè)三道支撐，第一道選用鋼筋混凝土支撐，C30 混凝土，沿隧道軸向水平間距8.0 m，斷面尺寸800 mm×1000 mm，第二和第三道采用Φ609鋼管支撐，鋼管壁厚16 mm，沿隧道方向水平間距4.0 m，同時(shí)，在每道鋼筋混凝土支撐處設(shè)置兩根型鋼格構(gòu)柱作為臨時(shí)支撐立柱，利用隧道主體結(jié)構(gòu)的鉆孔灌注樁作為支撐立柱的基礎(chǔ)。三個(gè)區(qū)段的截面支護(hù)方式設(shè)計(jì)圖分別如圖1、2、3 所示。模擬所需參數(shù)根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)土工試驗(yàn)確定，取值如表1、2、3 和4 所示。

圖1 區(qū)段A降水開(kāi)挖設(shè)計(jì)截面圖Fig. 1 Cross-section of dewatering and excavation design of Section A

圖2 區(qū)段B降水開(kāi)挖及圍護(hù)設(shè)計(jì)截面圖Fig. 2 Cross-section of dewatering, excavation and enclosure design of Section B

圖3 區(qū)段C降水開(kāi)挖設(shè)計(jì)截面圖Fig. 3 Cross-section of dewatering and excavation design of Section C

表1 區(qū)段A土層性質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil property parameters of Section A

表2 區(qū)段B土層性質(zhì)參數(shù)表Table 2 Soil property parameters of Section B

表3 區(qū)段C土層性質(zhì)參數(shù)表Table 3 Soil property parameters of Section C

表4 其它材料性質(zhì)參數(shù)表Table 4 Property parameters of other materials

圖4 區(qū)段A網(wǎng)格剖分圖Fig. 4 Mesh of Section A

區(qū)段A 模擬區(qū)域長(zhǎng)600 m、高59 m、寬60 m，坐標(biāo)軸的設(shè)置如圖4 所示， X 和Y 軸位于水平底面內(nèi)，X 軸方向垂直于隧道走向，Y 軸平行于隧道走向，Z 軸垂直向上為正。區(qū)段B 和C 的坐標(biāo)軸設(shè)置與區(qū)段A 相同。土體完全飽和，模型頂面處孔隙水壓力為零，與隧道延長(zhǎng)方向平行的兩個(gè)垂直邊界面（X=0 m 和X=600 m 平面）以及模型底面處均為定水頭。除上表面外，其余邊界面（X=0 m、X=600 m、Y=0 m、Y=60 m 和Z=0 m 平面）均為法向固定約束。為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，計(jì)算時(shí)將土層近似水平分布，土體采用彈塑性模型和摩爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則（Orazalin et al., 2015），其它結(jié)構(gòu)均采用線(xiàn)彈性模型，土體與混凝土結(jié)構(gòu)間為摩擦接觸，土體采用C3D8P 實(shí)體單元，其它結(jié)構(gòu)采用C3D8R 實(shí)體單元。模擬時(shí)的分析步及時(shí)間設(shè)定如表5 和6所示，區(qū)段C 的分析步基本同區(qū)段A 一致。模擬結(jié)果云圖中土體位移以沿坐標(biāo)軸正向?yàn)檎?，位移值單位為米。模擬過(guò)程中采用ABAQUS 的Model Change 功能實(shí)現(xiàn)對(duì)土體的開(kāi)挖，改變降水井中的孔隙水壓力值以實(shí)現(xiàn)降水目的。

表5 區(qū)段A分析步Table 5 Analytical steps of Section A

表6 區(qū)段B分析步Table 6 Analytical steps of Section B

3 開(kāi)挖施工全過(guò)程模擬

3.1 模擬結(jié)果的合理性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬方法的正確性，選取已經(jīng)開(kāi)始施工作業(yè)和監(jiān)測(cè)作業(yè)的區(qū)段C，建立對(duì)應(yīng)計(jì)算模型，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)地監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證方法的合理性。整理2018 年7 月27 日至2019 年1 月16 日共計(jì)173 天的基坑周?chē)孛娴奈灰票O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，這一區(qū)段主要是對(duì)隧道在地面和湖底間連接段的施工，采用放坡開(kāi)挖施工，基坑開(kāi)挖尺寸相對(duì)較小，因此開(kāi)挖后土體的位移量相對(duì)于另外兩個(gè)區(qū)段較小，完成全部開(kāi)挖作業(yè)后的地表位移云圖如圖5，選取基坑外側(cè)距離基坑4 m 的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的地表計(jì)算結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（圖6），可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)曲線(xiàn)的位移走勢(shì)和位移最大值基本一致，由此可以說(shuō)明本文所建立的模擬方法能可靠地模擬實(shí)際工程引起的地面沉降。

3.2 區(qū)段A

區(qū)段A 采用完全放坡開(kāi)挖，故而基坑頂部的開(kāi)挖寬度加大至120 m。由于無(wú)需施作擋土墻，僅由止水帷幕和樁基施工（STEP 2）造成的土體位移較小。開(kāi)挖跨度的增加也使得開(kāi)挖后土體的隆起量增大，最后一層土體開(kāi)挖結(jié)束后，基坑底部的土體產(chǎn)生接近1 m 的隆起。開(kāi)挖完成后的最終土體位移分布如圖7 所示，抽水后的最終孔隙水壓力分布如圖8 所示。

圖5 區(qū)段C開(kāi)挖完全后的土體位移分布圖Fig. 5 Distribution of soil displacement after complete excavation of Section C

圖6 區(qū)段C的計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of the amount of subsidence between simulated and monitored in Section C

沿模型上表面取距基坑邊不同距離的點(diǎn)進(jìn)行分析，這些點(diǎn)距基坑邊的距離分別為0 m、1 m、6 m、20 m、40 m、70 m、120 m、200 m（圖9）。各點(diǎn)在垂直于隧道方向的位移（X 向位移）、沿隧道軸線(xiàn)方向的位移（Y 向位移）和垂直于地面方向的位移（Z 向位移）隨分析步的變化如圖10 所示。

圖7 區(qū)段A開(kāi)挖完全后的土體位移分布圖Fig. 7 Distribution of soil displacement after complete excavation of Section A

圖8 區(qū)段A開(kāi)挖完全后的孔隙水壓力分布圖Fig. 8 Distribution of pore water pressure after complete excavation of Section A

圖9 區(qū)段A 選取點(diǎn)分布圖Fig. 9 Position of selected points of Section A

圖10 區(qū)段A 各距離處的X、Y、Z向位移Fig. 10 Displacement in X-、Y-、Z-direction of all selected points in Section A

由圖10 可以看出，整個(gè)施工過(guò)程中土體都向坑內(nèi)方向位移。在第一次抽水（STEP 3）開(kāi)始前，土體整體位移不大，在止水帷幕與土體相互摩擦的作用下，帶動(dòng)距離基坑20 m 左右的土體出現(xiàn)0.01 m 的位移。第一次降水完成后，基坑附近的土體產(chǎn)生較大的位移，整體位移量控制在0.08 m以?xún)?nèi)，之后的首次開(kāi)挖分析步（STEP 5）中，距基坑邊最近的土體率先出現(xiàn)反彈，這是由土體卸荷作用引起的，同時(shí)，止水帷幕外的土體開(kāi)始向坑內(nèi)涌，帶動(dòng)上方土體繼續(xù)向坑內(nèi)變形。第二次降水（STEP 6）延續(xù)第一次降水的趨勢(shì)。第二層開(kāi)挖完成后，距離基坑20 m 內(nèi)的土體表面的位移量都出現(xiàn)不同幅度減小，且距離坑邊越近減小量越大，減小量的最大值出現(xiàn)在坑邊，為0.046 m。與距離基坑坑邊較近處的土體位移規(guī)律不同，距離坑邊70 m 和120 m 處的土體表面一直維持向坑內(nèi)的移動(dòng)。就整體看來(lái)，土體位移隨與坑邊距離的增加出現(xiàn)先增后減的規(guī)律。

區(qū)段A 的地面Y 向位移除去緊鄰基坑邊的土體外，大部分位移量均控制在0.2 mm 之內(nèi)。由于止水帷幕頂端距離基坑頂部有1 m 的距離，這一范圍內(nèi)的土體在降水完成后并不會(huì)被挖去，故其在第一級(jí)降水完成（STEP 4）時(shí)產(chǎn)生了較大位移，最大位移量為1.2 mm，之后的施工過(guò)程對(duì)此處的土體地面位移影響較小。

與橫向位移分布規(guī)律大體相同，在第一次抽水開(kāi)始前，不同距離的土體發(fā)生輕微沉降，這時(shí)的土體沉降量隨距基坑邊距離的增大而減小。在將水位降到第一層開(kāi)挖底面下1 m 后，整個(gè)土體的沉降依舊保持隨與基坑邊距離的增大而遞減的趨勢(shì)，基坑周?chē)馏w沉降較大，最大為0.116 m。第一層土體被挖去后，在20 m 范圍之內(nèi)產(chǎn)生大幅的回彈，基坑邊和止水帷幕頂端相對(duì)于初始位置由沉降變?yōu)槁∑稹５诙⊿TEP 6）、第三步（STEP 8）降水作業(yè)均使土體在有效應(yīng)力增加的作用下發(fā)生下沉。但是，距離坑邊70 m 和20 m 處分別在第二步（STEP 7）和第三步（STEP 9）開(kāi)挖完成后不再發(fā)生回彈，而是繼續(xù)下沉，土體的大量開(kāi)挖不僅在坑內(nèi)出現(xiàn)巨大的隆起，還使坑外遠(yuǎn)處土體開(kāi)始繞過(guò)止水帷幕向坑內(nèi)移動(dòng)，故而此時(shí)的地表土體繼續(xù)產(chǎn)生沉降。200 m 處的土體沉降變化極小，其最大值不超過(guò)0.005 m。

3.3 區(qū)段B

區(qū)段B 采用地下連續(xù)墻支護(hù)方式，開(kāi)始第一次降水作業(yè)過(guò)程中，隨著土體中水的抽出，引起地面小范圍沉降，與此同時(shí)，止水帷幕很好地將基坑外的水隔離開(kāi)，保證了后續(xù)開(kāi)挖工作的進(jìn)行。緊接著第一層土體開(kāi)挖工作，開(kāi)始施作混凝土支撐和格構(gòu)柱，兩側(cè)土壓力很快作用到連續(xù)墻并傳遞到支撐上，與此同時(shí)，坑底的土體也由于引力釋放產(chǎn)生回彈，回彈量為0.1872 m。之后依次進(jìn)行第二次和第三次開(kāi)挖，并分別施作第一層鋼支撐和第二層鋼支撐。在完全開(kāi)挖完成后，基坑底部產(chǎn)生了0.9733 m 的土體回彈?；油瓿扇客馏w開(kāi)挖和降水作業(yè)后的土體位移分布如圖11 所示，此時(shí)的孔隙水壓力分布如圖12 所示。

相對(duì)于基坑底部的土體變形，更多的關(guān)注點(diǎn)應(yīng)該放在基坑外側(cè)的地面的沉降。按照區(qū)段A 的方式，同樣沿基坑邊向模型邊緣選取距離基坑邊為0 m、1 m、7 m、17 m、30 m、55 m、90 m、200 m的八個(gè)點(diǎn)進(jìn)行全過(guò)程的分析。各點(diǎn)土體垂直于隧道走向的位移（X 向位移）、平行于隧道走向的位移（Y 向位移）和垂直于地面方向的位移（Z 向位移）如圖13 所示。

圖11 區(qū)段B開(kāi)挖完全后的土體位移分布圖Fig. 11 Distribution of soil displacement after complete excavation of Section B

圖12 區(qū)段B開(kāi)挖完全后的孔隙水壓力分布圖Fig. 12 Distribution of pore water pressure after complete excavation of Section B

圖13 區(qū)段B 各距離處的X、Y、Z向位移Fig. 13 Displacement in X-、Y-、Z-direction of all selected points in Section B

圖13為距基坑邊不同距離處的地表各點(diǎn)X、Y 和Z 向位移隨分析步變化。連續(xù)墻體外側(cè)土體均表現(xiàn)為向基坑內(nèi)移動(dòng)。與區(qū)段A 相同，止水帷幕和連續(xù)墻以及降水井的開(kāi)挖對(duì)土體的影響較小，之后的坑內(nèi)第一輪降水引起土體向坑內(nèi)方向快速移動(dòng)，最大值為0.05 m。此后，土層表面不同點(diǎn)的橫向位移趨勢(shì)出現(xiàn)分化，坑邊的連續(xù)墻和止水帷幕在開(kāi)挖開(kāi)始后得到了鋼筋混凝土支撐和鋼支撐的支護(hù)作用，因此在后面的降水和開(kāi)挖施工過(guò)程中兩者的頂部位移得到了很好的控制；與之相反，墻外土體在后續(xù)施工中繼續(xù)向坑內(nèi)方向移動(dòng)。值得注意的是距離坑邊7 m 處的土體表面在第二（STEP 8）和第三（STEP 10）步土體開(kāi)挖中出現(xiàn)了位移減小，可見(jiàn)內(nèi)支撐可以很好地控制基坑變形、限制地面位移（張運(yùn)良等，2012）。距離坑邊17 m 處的土體表面也在第二層開(kāi)挖時(shí)出現(xiàn)了類(lèi)似的情況。

地面Y 向位移的分布規(guī)律可以分為臨近基坑的土體和距離基坑較遠(yuǎn)的土體兩個(gè)部分來(lái)分析。首先，臨近基坑的土體位移量較大，并且每一步施工均會(huì)引起該區(qū)域土體產(chǎn)生較大位移。其次，17 m、30 m、55 m 和90 m 處的土體在整個(gè)施工過(guò)程中的變化趨勢(shì)基本相同，均是在第一級(jí)降水（STEP 4）完成后和第二級(jí)開(kāi)挖（STEP 8）完成后出現(xiàn)向兩個(gè)方向的最大位移，同時(shí)從第一級(jí)開(kāi)挖（STEP 5）完成后總體變化曲線(xiàn)呈現(xiàn)為一個(gè)開(kāi)口向上的凹形曲線(xiàn)?？傮w來(lái)看，土體在Y 向上的位移量較小，最大值不超過(guò)0.02 mm。

對(duì)于區(qū)段B 的地面沉降，可分為止水帷幕內(nèi)外兩側(cè)進(jìn)行分析。內(nèi)側(cè)的連續(xù)墻和止水帷幕兩者頂部的垂向位移變化規(guī)律基本一致，各抽水階段均會(huì)引起向下的豎向位移，而開(kāi)挖階段則會(huì)出現(xiàn)向上的豎向位移，在最后出現(xiàn)最大的隆起量0.14 m ；外側(cè)土體距離17 m 處及以?xún)?nèi)的土體在完全開(kāi)挖完成后土體表面為隆起，再向遠(yuǎn)處發(fā)展變?yōu)槌两?，沉降量隨著距離的增加先增長(zhǎng)后降低，進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn)，距離為17 m 處沉降值的變化速率由于開(kāi)挖深度加深不斷增大。整個(gè)過(guò)程中，200 m 處的土體位移都在0.005 m 之內(nèi)。

3.4 樁基礎(chǔ)對(duì)土體位移的影響

僅從地表位移上無(wú)法直觀看出樁基礎(chǔ)與土體作用的關(guān)系，故沿模型X 軸方向選取截面以分析樁基礎(chǔ)在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地面沉降的影響作用。

（1）區(qū)段A

在放坡開(kāi)挖段選取三個(gè)沿隧道軸線(xiàn)方向的垂直截面，對(duì)比三個(gè)截面在施工全部結(jié)束后的土體Z 向位移分布情況，三個(gè)截面的位置如圖14 所示。最左側(cè)是基坑中心軸位置附近的剖面圖，可以看出，樁基的上半部分受到的樁土間摩擦力方向向上（Dickin et al.，1990），而到下半部分受到的力方向向下。土體開(kāi)挖后，坑底土體向上隆起，帶動(dòng)樁向上移動(dòng)，而較深處的土體又阻礙樁的向上移動(dòng)，從而在位移分布圖上出現(xiàn)了相反的位移方向。中間截面位于止水帷幕外側(cè)，該截面上土體的中下部豎向位移大于上半部和底部，止水帷幕對(duì)這一上半部分的土體起到了固定的作用。距離基坑100 m 處的截面（最右側(cè)圖）的豎向位移基本為零。

圖14 區(qū)段A各處的垂向位移分布圖Fig. 14 Z-direction displacement of Section A

（2）區(qū)段B

直立開(kāi)挖段同樣選取三個(gè)截面，截面選取如圖15 所示。不難發(fā)現(xiàn)，基坑底部中心軸附近的土體剖面（最左側(cè)圖）出現(xiàn)了同放坡開(kāi)挖區(qū)段同樣的變化規(guī)律，即樁兩端分別受到兩個(gè)方向相反的力作用。不僅如此，反映止水帷幕外側(cè)土體剖面豎向位移分布的中間圖也與放坡開(kāi)挖區(qū)段的規(guī)律保持一致。距離基坑100 m 處的土體剖面（最右側(cè)圖）上半部分的位移量要明顯大于下半部分，由于止水帷幕和擋土墻限制了墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)的移動(dòng)，而基坑底部出現(xiàn)隆起，同時(shí)帶動(dòng)底部?jī)蓚?cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)致上半部分的土體出現(xiàn)下沉的趨勢(shì)，故而沉降量較大。

4 結(jié)果對(duì)比分析

4.1 單一施工同全過(guò)程影響對(duì)比分析

通常就降水施工來(lái)說(shuō)，隨著降水深度的增加，距離基坑不同距離處地表沉降近似呈線(xiàn)性增加，最大沉降發(fā)生在同一位置（金小榮等，2005）。觀察兩區(qū)段的沉降曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，三次降水的降水深度基本相同，但是最大沉降發(fā)生的位置逐漸變遠(yuǎn)，基坑土體的開(kāi)挖使得距離基坑較遠(yuǎn)處的土體對(duì)距離基坑較近處的土體產(chǎn)生了向坑內(nèi)擠壓的作用。開(kāi)挖作業(yè)所產(chǎn)生的沉降曲線(xiàn)通常呈現(xiàn)典型凹槽形（張?jiān)屏嫉龋?012），而坑內(nèi)的降水作業(yè)帶來(lái)的地表下沉進(jìn)一步加劇了基坑全部開(kāi)挖完成后的地面沉降量。此外，樁基礎(chǔ)會(huì)對(duì)坑內(nèi)土體的隆起起到限制作用，進(jìn)而有助于控制地表沉降。

4.2 各施工環(huán)節(jié)對(duì)比分析

圖15 區(qū)段B各處的垂向位移分布圖Fig. 15 Z-direction displacement of Section A

模擬結(jié)果分析表明，在兩個(gè)區(qū)段中各個(gè)施工作業(yè)產(chǎn)生的沉降量相對(duì)于最后總的沉降值所占比例有所不同，降水作業(yè)在兩個(gè)區(qū)段中的比例均為30%～40%，開(kāi)挖施工作業(yè)所占比例為60%～70%，而止水帷幕、擋土墻及樁基礎(chǔ)的施工所引起的位移量不超過(guò)總位移量的1%。B 區(qū)段中降水作業(yè)的占比略大于區(qū)段A，這是由于隨著開(kāi)挖深度的增加和支撐的施作，連續(xù)墻發(fā)揮主要承載作用部位會(huì)發(fā)生變化（崔春義等，2008），進(jìn)而限制了開(kāi)挖引起的基坑兩側(cè)土體的位移。

4.3 兩區(qū)段位移的對(duì)比分析

首先，兩個(gè)區(qū)段的最大和最小X 向位移值基本相同，均表現(xiàn)為從基坑邊向外側(cè)先增加后減小，這樣的變化規(guī)律是由于擋土墻和止水帷幕對(duì)其臨近的土體具有一定的限制作用；其次，在Y 向位移上兩個(gè)區(qū)段表現(xiàn)出的變化完全不同，區(qū)段A 在第一層降水時(shí)基坑邊0 m 處的土體發(fā)生了1.3 mm 的位移，在之后的步驟中的位移值均不大于0.3 mm，各距離處的土體位移走勢(shì)波動(dòng)不大。相反，區(qū)段B中距基坑不同距離處的土體的位移波動(dòng)較大，但是其位移值均極小，均未超過(guò)0.02 mm。最后，放坡開(kāi)挖區(qū)段和直立開(kāi)挖區(qū)段在Z 向位移的變化規(guī)律上表現(xiàn)一致，但是，兩個(gè)區(qū)段的最大沉降量卻發(fā)生在不同的分析步。區(qū)段A 內(nèi)的最大沉降量出現(xiàn)在第一層降水施工時(shí)，最大隆起位移出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖完成后，且均發(fā)生于坑邊0 m 處土體，止水帷幕外側(cè)遠(yuǎn)處土體在整個(gè)過(guò)程中始終表現(xiàn)為下沉，而6 m 處的土體在整個(gè)過(guò)程中位移值波動(dòng)最大。區(qū)段B 內(nèi)的土體除在7 m 處出現(xiàn)了先下沉后隆起的波動(dòng)外，其它處土體在所有施工階段均為下沉，最大沉降量出現(xiàn)在基坑開(kāi)挖完成后基坑外側(cè)30 m處。由此可見(jiàn)，即便有混凝土支撐和鋼支撐的支護(hù)，較深的直立開(kāi)挖相對(duì)于放坡開(kāi)挖對(duì)周?chē)馏w的豎向位移量影響更大，但兩區(qū)段的沉降影響范圍基本相同。

5 結(jié)論

考慮到隧道降水施工引起的地面沉降與施工過(guò)程有關(guān)以及基坑問(wèn)題的空間特性，本文對(duì)不同施工方法引起的地面沉降進(jìn)行了三維模型模擬分析，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于放坡開(kāi)挖區(qū)段（區(qū)段A），降水所帶來(lái)的土體內(nèi)部有效應(yīng)力的增加使地表土體產(chǎn)生下沉，而開(kāi)挖對(duì)地表土體的影響受到開(kāi)挖深度和與基坑間的距離兩方面的影響，隨著與基坑距離的增加，土體從隆起慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橄鲁粒笙鲁林抵饾u減小。

（2）采用考慮施工過(guò)程的模擬方法能夠明確各施工作業(yè)步對(duì)地面沉降的貢獻(xiàn)。對(duì)所分析的隧道而言，在整個(gè)施工過(guò)程中，降水和開(kāi)挖所造成的沉降占最后總地面沉降值的比例分別為30%～40%和60%～70%。 鉆孔灌注樁圍護(hù)、直立開(kāi)挖區(qū)段（區(qū)段B）和放坡開(kāi)挖區(qū)段（區(qū)段A）的降水施工對(duì)地表土體引起的位移規(guī)律一致，均為地表土體在每次降水施工中發(fā)生沉降；開(kāi)挖所引起的土體位移變化在距基坑不同距離處表現(xiàn)不同，距離基坑超過(guò)17 m 的地表土體的下沉量會(huì)繼續(xù)增加，而距離7 m和17 m 處的土體在開(kāi)挖施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定的回彈，直至最后一步開(kāi)挖完成，基坑邊至7 m 的范圍內(nèi)地面土體出現(xiàn)隆起。盡管在總體分布規(guī)律上兩個(gè)區(qū)段基本相同，但是區(qū)段B產(chǎn)生的垂向位移量更大。

（3）除去降水施工和開(kāi)挖施工會(huì)引起地面位移外，止水帷幕和擋土墻的施工也會(huì)產(chǎn)生不小的地面沉降，同時(shí)樁基礎(chǔ)會(huì)在開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)地面沉降起到限制作用。