基于Midas/GTS NX的軟土基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響 分析

【摘要】隨著地下空間的大規(guī)模開發(fā)利用，鄰近基坑施工將不可避免地對既有的地鐵隧道產(chǎn)生影響。依托紹興地區(qū)亞運城市提升鏡水路綜合管廊工程某鄰近地鐵隧道的軟土基坑，基于Midas/GTS NX對該基坑的施工過程進行數(shù)值模擬，分析該軟土基坑的自身安全及對既有隧道造成的影響，為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。

【關鍵詞】軟土基坑； 地鐵隧道； 數(shù)值模擬

【中圖分類號】U452.2+6【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-06-29

［作者簡介］朱澤峰（1992—），男，碩士，工程師，從事軌道交通巖土、結構工作。

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展及基礎建設的增多，工程建設用地范圍不斷縮減，不可避免地會面臨新建工程緊鄰已有建（構）筑物的問題?；娱_挖會對周圍建（構）筑物產(chǎn)生影響，而在軟土地區(qū)，受到地層特性限制，其影響范圍及強度將會增加。 因此，研究軟土基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間的影響及如何采取措施降低工程風險具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)學者對此進行了一些研究。左殿軍、章紅兵等［1-2］通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，基坑開挖對鄰近地鐵盾構區(qū)間產(chǎn)生一定影響，并隨著基坑開挖深度的增加而加大。馬永峰等［3］通過有限元分析軟土基坑的加固方式，發(fā)現(xiàn)軟土基坑加固能明顯控制基坑開挖對周邊地鐵隧道的影響。韋宗科等［4］研究發(fā)現(xiàn)，鄰近基坑的隧道變形大小不僅受基坑開挖卸荷程度的影響，還與隧道與開挖基坑的距離有關。

結合亞運城市提升鏡水路綜合管廊工程某鄰近地鐵隧道的軟土基坑工程，利用有限元軟件Midas/GTS NX建立三維模型，研究了軟土基坑開挖對隧道變形的影響，得到隧道變形的一般性規(guī)律，為實際施工及后續(xù)工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

明挖基坑平面呈條狀，明挖基坑總長約346.59 m，分為1號、2號基坑施工，基坑寬度為7.5～7.7 m，最大開挖深度6.911～11.834 m?；优c既有地鐵隧道基本平行，明挖基坑與地鐵隧道最小水平凈距為40.5 m。地鐵隧道采用盾構法施工，頂部覆土10.0" m，管片外徑6.7" m，內(nèi)徑5.9" m，主要穿越土層為⑤1淤泥質(zhì)粘土，平面相對關系如圖1、圖2所示?；臃秶鷥?nèi)土體從上至下土層依次為：①2素填土、③1-2淤泥質(zhì)黏土、⑤1淤泥質(zhì)黏土、⑦3粉質(zhì)黏土、⑧1-2含黏性土粉砂。明挖基坑圍護結構采用850@600 mmSMW工法樁，隔一插二，樁長24" m，支撐形式為1道600 mm×800 mm混凝土支撐+2道609 mm鋼支撐；加固形式采用850@600 mm三軸攪拌樁抽條加固（坑底以下3 m）。

2 三維模型的建立

2.1 計算模型及邊界條件

本次采用Midas/GTS NX軟件進行三維數(shù)值模擬分析。模型總長500 m，寬330 m，深度60 m。明挖管廊基坑尺寸：7.7 m×346.5 m，開挖深度6.911～11.834 m，采用1道600 mm×800 mm混凝土支撐+2道609 mm鋼支撐；地鐵隧道頂部覆土10.0 m，管片外徑6.7 m，內(nèi)徑5.9 m。

模型邊界條件為位移約束邊界條件：模型側面為法向位移約束，下表面為x、y、z位移約束，上表面為自由端。整體模型如圖3、圖4所示。

為更好地反映基坑開挖對鄰近地鐵隧道地影響，土體采用修正Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)參考地勘報告和鄰近工程經(jīng)驗取值，其中，γ為土體重度；c′為土體有效粘聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；Erefoed為主固結加載模量;Erefoed≈Es；Eref50為割線模量;Eref50≈1.2Erefoed；Erefur為卸載模量;Erefur≈8Eref50；m為應力相關冪指數(shù)，取值范圍為0.5（硬土）～1（軟土）。土體參數(shù)如表1所示。

沈亞［5］研究了SMW工法樁數(shù)值模擬時的本構模型及參數(shù)取值，基坑SMW工法樁以及既有盾構區(qū)間結構均采用彈性模型，2D面單元模擬。內(nèi)支撐采用1D線單元模擬。模型結構體計算參數(shù)如表2所示。

2.2 計算工況

本模型分別建立未加固、抽條加固、滿堂加固等三個模型進行計算分析，對比分析加固方案對基坑開挖及既有隧道的影響，整個模擬過程包含1個初始狀態(tài)和7個施工步序，具體如表3所示。

2.3 控制標準

根據(jù)該城市《城市軌道交通運營管理辦法》，已運營地鐵隧道50 m范圍內(nèi)，需按CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》給出的安全控制指標值進行控制隧道變形，具體詳見表4。

3 數(shù)值模擬預測結果分析

3.1 基坑支護結構變形

深基坑開挖時首先需要保證自身的基坑變形，因此需要

對基坑變形進行分析，圖5為基坑開挖時各施工步序基坑水平變形。

采取抽條加固時，基坑的最大水平位移為17.0 mm，采取滿堂加固時，基坑的最大水平位移為14.8 mm，根據(jù)浙江省標準DB33/T 1096-2014《建筑基坑工程技術規(guī)程》，基坑變形控制值為2%H=23.6 mm（H為基坑開挖深度），最大變形均小于控制值，說明抽條加固、滿堂加固方案均能保證基坑安全，但滿堂加固相較于抽條加固減少變形的效果不明顯，抽條加固更加經(jīng)濟合理。

未采用坑內(nèi)加固時，基坑最大變形58.1 mm，大于基坑變形控制值，未加固方案不能保證基坑的安全穩(wěn)定。基坑加固時，各階段基坑變形均小于基坑未加固工況，隨著開挖深度的增加，未加固工況的變形增幅明顯增大，表明軟土基坑坑底加固對于控制基坑變形起到有利作用，能有效減少基坑的自身變形。

3.2 既有隧道變形分析

通過數(shù)值模擬計算，得到各施工步序下基坑開挖引起的既有地鐵隧道水平、豎向變形。新開挖基坑底部標高高于既有地鐵隧道標高，基坑開挖范圍內(nèi)的土體卸載會使得基坑底部土體產(chǎn)生隆起，基坑外側的土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)方向變形的趨勢，進而影響周圍土體內(nèi)的既有隧道一起產(chǎn)生豎向上浮、水平向坑內(nèi)變形的位移。

根據(jù)計算數(shù)值模擬計算結果，抽條加固方案時，既有隧道最大水平位移為-0.49 mm，最大豎向位移為0.5 mm；滿堂加固方案時，既有隧道最大水平位移為-0.43 mm，最大豎向位移為0.48 mm，均遠小于城市軌道交通結構安全控制值，新開挖基坑對既有地鐵隧道的影響可控，抽條加固即能滿足自身變形要求及既有隧道位移控制要求。

未加固時最大水平位移為-3.50 mm，最大豎向位移為-0.88 mm。對比加固方案可得到基坑內(nèi)的坑底加固能有效控制坑底土體的隆起和側向土體的變形，同時未加固工況下，基坑開挖對既有隧道的影響仍可控，基坑與既有隧道的最小凈距為40.5 m，大于3倍坑深時，基坑開挖對既有隧道的影響較小。

4 結論

依托亞運城市提升鏡水路綜合管廊工程明挖基坑建立三維模型，研究了軟土基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，得出結論：

（1）通過建立Midas/GTS NX三維模型，分析得到基坑自身開挖過程的變形值，表明基坑抽條加固的圍護方案合理，能保證基坑自身的穩(wěn)定性。

（2）經(jīng)分析既有地鐵隧道的最大水平、豎向位移值均能滿足CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》安全控制值，表明該基坑開挖對既有隧道的影響可控，能保證隧道的正常運營安全。

（3）對比分析坑底加固與未加固工況，表明軟土基坑的坑底加固能有效控制基坑的自身變形，減小對既有隧道的影響。同時滿堂加固相較于抽條加固費用增加較多，但抽條加固即可滿足變形控制要求，因此在保證工程安全的前提下，經(jīng)濟性也成為軟土基坑設計的重要考量因素。

參考文獻

［1］ 左殿軍， 史林， 李銘銘，等. 深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計算分析［J］. 巖土工程學報， 2014， 36（zk2）：391-395.

［2］ 章紅兵， 范凡， 胡昊. 基坑群施工對鄰近隧道影響與隧道保護［J］. 上海交通大學學報， 2016， 50（5）：7.

［3］ 馬永峰， 史宣陶， 周丁恒，等. 臨近地鐵隧道的軟土深基坑開挖三維數(shù)值模擬［J］. 青島大學學報（工程技術版）， 2015， 30（2）：7.

［4］ 韋宗科， 陳健， 陳斌，等. 軟土基坑開挖對臨近既有隧道變形影響研究［J］. 人民長江， 2022（6）：53.

［5］ 沈亞. SMW圍護結構用于地鐵車站深基坑變形規(guī)律研究［D］. 南京：南京林業(yè)大學， 2009.