基坑施工对已建下卧地铁影响的有限元分析

荆子菁 林德建

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122; 2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310058)

基坑施工对已建下卧地铁影响的有限元分析

荆子菁1林德建2

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122; 2.浙江大学建筑设计研究院有限公司，浙江杭州 310058)

结合杭州地铁1号线上部某基坑开挖工程的实际情况，采用FLAC三维有限元，模拟了基坑降水及土体开挖施工全过程，得到了基坑施工对地铁隧道竖向位移的影响，其成果可为类似工程提供借鉴。

基坑，地铁隧道，土体开挖，竖向位移

0 引言

随着城市地下空间的利用率逐渐增加，新建基坑周边环境条件逐渐复杂。如何通过合理的基坑围护设计、施工来减少新建基坑施工对周边环境尤其是重要建(构)筑物的影响是岩土工程师的主要任务。

本文以杭州市地铁1号线上方金沙湖城市开挖幸福北路穿湖隧道施工的实例为背景，采用FLAC3D有限元模拟基坑施工对地铁1号线隧道变形的影响。根据分析结果得出了通过合理的安排施工的顺序及步骤，可减小基坑施工对下卧地铁的影响［1，2］。

1 工程概况

1.1 工程概述

杭州市下沙金沙湖城市开挖涉及下卧地铁隧道的工程包括绿轴下沉广场、科技文化中心地下通道、幸福北路穿湖隧道三个工程。其中幸福北路穿湖隧道工程隧道管片顶至基坑底的净距:左线7.49 m，右线6.89 m，穿越地铁1号线部分基坑的开挖深度约8.5 m。

对下卧地铁保护的设计思路为:基坑坑底至隧道顶部之间土层采用水泥土搅拌桩进行加固，在1号线左右线之间及盾构隧道两侧设置d=0.6 m间距1.0 m的抗拔桩。典型加固剖面见图1。

图1 基坑与地铁隧道剖面关系图

1.2 工程地质及水文条件

工程范围内地层自上而下主要为:填土、砂质粉土夹粉砂、砂质粉土层、淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土层、粘土层、中砂及圆砾层等。地铁隧道位于砂质粉土层中。地下水位埋深约为2.0 m。各土层厚度见表1。

2 模型条件的确定

2.1 本构模型

对岩土体采用Mohr-Coulomb模型进行模拟。

对地铁隧道管片、抗拔桩等采用线弹性模型进行模拟。

2.2 施工步骤

有限元模拟基坑施工的主要步骤为:1)初始应力平衡及位移清零;2)模拟基坑施工前降水;3)保留应力场，对降水引起的位移场清零;4)模拟基坑土体开挖完成且底板施工完成;5)模拟基坑施工完成后水位回升。

表1 模型参数取值表

3 有限元计算结果

3.1 降水引起地铁隧道的位移

根据基坑降水引起的地铁隧道竖向、水平位移云图可知(如图2所示)，地铁隧道竖向位移为8.64 cm。地铁下部各土层压缩量及其所占总沉降量的比例见表2;地铁隧道水平位移最大值为4.96 mm。

3.2 基坑土体开挖引起地铁隧道的竖向位移

根据基坑土体开挖后引起地铁隧道的竖向、水平位移云图可知(如图3所示)，隧道的竖向位移为25.31 mm(上浮)，水平位移为1.33 mm。

3.3 基坑施工完成水位回升引起地铁隧道的竖向位移

根据基坑施工完成地下水位回升后引起地铁隧道的竖向、水平位移云图可知(如图4所示)，隧道的竖向位移为28.63 mm(上浮)，隧道的水平位移为0.94 mm。

图2 基坑降水引起的隧道竖向和水平位移云图

表2 地铁隧道各下卧土层的最终固结沉降 cm

图4 水位回升后地铁隧道竖向和水平位移云图

3.4 降水引起地铁隧道下土体的瞬时沉降的模拟

对降水荷载下粘性土的瞬时沉降进行有限元分析，粘性土层的压缩模量取为30 MPa，不排水条件下的泊松比取为0.499。得到粘性土层的瞬时沉降为5.2 mm。

4 地铁隧道下土层的计算分析

4.1 降水引起隧道下土体的竖向位移计算

施工期地铁隧道的沉降由三部分组成:

1)砂质粉土层的最终固结沉降;

2)淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层等粘性土层的固结沉降;

3)淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层的瞬时沉降。砂质粉土层的固结沉降量:d1=3.7 mm。

降水引起的三层粘性土在基坑施工期间固结沉降量为:d2=d ×Ut=82.7×0.103=8.5 mm。

经计算:本基坑工程中粘性土层在施工期间的固结度约为10.3%。

粘性土层的瞬时沉降量d3=5.2 mm。

降水引起地铁隧道下土体在施工期内的总沉降量:d1+d2+d3=3.7+8.5+5.2=17.4 mm。

4.2 基坑开挖引起地铁隧道下土体的位移

在降水引起地铁隧道竖向沉降的条件下，开挖完成后下卧地铁的总竖向位移为8 mm(上浮)，水位回升后地铁隧道总竖向位移为11 mm(上浮)。

5 结语

通过对幸福北路过街地道基坑施工有限元分析可得到如下结论:

1)降水后基坑下方地铁的竖向位移量为17.4 mm(下沉)，水平位移为4.96 mm;基坑土体开挖后地铁的竖向位移为8 mm(上浮)，水平位移为1.33 mm;水位回升后地铁的竖向位移为11 mm (上浮)，水平位移为0.94 mm。基坑施工对下部地铁的竖向位移影响较大，水平位移影响较小。

2)本次模型模拟的是基坑降水降至设计水位，而实际施工按照土方开挖顺序分块、分期降水。分期降水引起的地铁沉降量较本模型引起的隧道沉降量小。

3)实际施工中采用分期降水、分块开挖间隔进行的办法来减小基坑施工对地铁产生的影响［3］，基坑施工分块的规模及不同区块的施工先后顺序对地铁隧道的位移影响还需要进一步分析论证。

［1］张玉成，杨光华，姚 捷.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析［J］.岩土工程学报，2010，32(S1): 109-114.

［2］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(sup):251-255.

［3］李家平.基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响的数值分析［J］.地下空间与工程学报，2009，12(S5):1345-1348.

Finite element analysis of the effect of foundation pit construction on metro tunnels

Jing Zijing1Lin Dejian2
(1.Huadong Engineering Corporation Limited，POWERCHINA Group，Hangzhou 311122，China; 2.The Architectural Design Research Institute of Zhejiang University Co.，Ltd，Hangzhou 310058，China)

Combining with the actual situation of a foundation pit excavation engineering in the upper part of Hangzhou metro line 1.The model which used the FLAC3D finite element analysis software simulated the whole process included the dewatering and the excavation.The vertical displacement of foundation pit construction on the of metro tunnel is obtained.It is helpful to other similar projects.

foundation pit，metro tunnel，excavation，vertical displacement

TU463

:A

1009-6825(2016)36-0075-02

2016-10-13

荆子菁(1984-)，女，工程师