基坑工程桩降水对邻近双线隧道影响的数值模拟分析

石晓燕，赵 宇，陈灿辉

(军事科学院 国防工程研究院 勘察设计研究所， 湖北 武汉 430010)

目前，我国城市建设发展较快，大型工程日益增多，因此大基坑、深基坑工程也随之增加。大型、深基坑工程的开挖不仅对邻近建筑物安全的影响颇大[1-5]，同时对城市道路、地下电缆及各类生活管道的安全也存在威胁[6]。如果基坑开挖地区的地下水位较高，为了保证干燥的施工环境就必须进行基坑降水，然而大面积的降水必然会导致周边地下水降低而引起土体有效应力的增加，使周边土体发生大面积沉降[7]，这种沉降与降水的方式、时间、深度等有关，也与地基土特性有关。

作为现在各大城市最便捷的交通方式，地铁基本贯穿整个城区，基坑开挖降水必然引起土体应力变化，影响到正在运行的地铁隧道。特别是大型深基坑的施工，较大的施工作业面以及较深的降水要求，对相邻近的地铁隧道影响颇为显著[8-11]。

目前，我国关于基坑开挖降水对周边环境影响的研究主要集中于基坑降水对周边环境沉降影响，且基坑降水时间多为基坑开挖过程中[12-16]，而关于基坑降水施工对邻近既有隧道的影响报道较少，且对基坑开挖完成之后的坑底工程桩降水施工对周边隧道、管线的影响鲜有关注。事实上在基坑开挖完成之后经常需要进行坑底工程桩施工，对于采用人工挖孔桩作为基础的建筑物往往需要进行坑底降水，以满足人工挖孔要求。对于此类工程，由于工程桩标高较低，所需降水高度更大，在降水过程中不可避免的会对周边管线、隧道造成一定影响，因此就有必要对其影响程度及范围进行研究，以保证周边既有管线、隧道的正常运营。

综上所述，本文通过深圳某基坑坑底工程桩降水工程，利用坑底工程桩降水过程的数值模拟，分析对临近水平双线地铁隧道的影响特性，包括水平双线隧道的变形规律及最大内力变化规律。

1 数值模拟

1.1 模型尺寸

深圳某基坑坑底工程桩降水工程，位于福田区新洲路东侧，主楼拟建高度为72 m，地下室4层，基坑坑底标高为-18 m。建筑场地边界红线与一正在运行的地铁隧道水平间距6.2 m，隧道埋深16 m，左右线隧道水平间距12.5 m，与基坑开挖边线间距仅10 m。地下水位埋深较深，约介于3.2 m至8.0 m。

基坑设计采用咬合桩与内支撑支护相结合的体系。桩径约1.2 m，工程桩间距2.0 m，内部支撑采用钢筋混凝土撑，支撑截面为0.6 m×0.8 m，垂向布置两道，首道支撑设于地下2.4 m，与二道间距7.0 m。基坑顶部设置冠梁，冠梁为矩形截面，尺寸1.0 m×0.8 m，腰梁采用钢筋混凝土梁，基坑的止水方式采用排桩和旋喷咬合桩相结合。基坑坑底及坑顶均设置砖砌式排水沟，并在角点位置设置集水井，用于排出基坑内的积水。基坑坑底桩布置于相应建筑物的筏板下，使其将建筑物上部荷载传递至深部土层。

为了便于模拟施工全过程，本文的研究作以下假设：

(1) 土体物理力学性质及渗透系数各向同性。

(2) 基坑开挖及降水问题仅考虑平面应变，不考虑三维横向应变。

(3) 过程中不考虑时间因素。

(4) 仅考虑降水及开挖稳定后的变形情况。

图1为基坑开挖围护桩与左、右线隧道的数值模型。模型边界与基坑间距不小于36 m，与地铁隧道间距不小于16 m，底边界距基坑底部要大于36 m，基坑断面宽40 m，基坑外布设20 kPa的均布荷载进行模拟。

图1基坑开挖围护桩与左、右线隧道数值模型

1.2 材料特性

有限元分析假设基坑支撑、维护与隧道衬砌结构为线弹性体，物理力学参数见表1。隧道内、外径分别为5.7 m、6.0 m，基坑围护结构深24 m，围护桩通过等刚度转换简化为等厚度连续墙。

设钻孔桩桩径为D，桩净距为t，则单根桩应等价为长(D+t)的壁式地下连续墙，若等价后的地下连续墙厚度为h，则有等刚度转化原则可得：

(D+t)h3/12=πD4/64

(1)

(2)

通过计算，转化后的连续墙厚度为848 mm。上文中内支撑为0.6 m×0.8 m的钢筋混凝土撑，垂向间距7 m，横向间距5 m～9 m。假设各土层为弹塑性变形，则破坏可采用摩尔-库仑准则。根据地勘报告及室内试验，土体弹性力学特性参数见表2，表中变形模量取0.25倍的弹性模型。

表1 结构构件物理力学参数

表2 土体物理力学特性参数

1.3 边界条件

模型边界皆为位移边界，其中左右边界及下边界固定，即位移为0(X=0)，上边界为自由边界。

1.4 施工工况

基坑开挖完成后，在基坑内进行工程桩的施工，由于坑底大面积降水，水位下降孔隙水压力消散，导致土体有效应力增加，周边土体产生沉降变形，影响到邻近地铁隧道的正常运行。为了比较直观地反映出由于坑底工程桩降水引起的邻近左、右线隧道变形变化的规律及最大内力变化规律，同时对基坑开挖过程和降水过程进行模拟，分析比较基坑开挖和坑底工程桩降水引起的基坑周边隧道变形与内力大小，能够更加直观的反应出坑底基坑降水对周边既有隧道的影响程度。结合实际基坑施工过程与数值分析需要，将施工过程及坑底降水划分为如下施工工况，见表3。

表3 数值模拟的施工工况

2 结果分析

由于本文主要研究基坑坑底工程桩降水对邻近隧道的影响，因此对基坑开挖过程中邻近隧道的内力与变形不作重点分析，只给出基坑开挖完成之后邻近隧道最大变形及内力情况。通过对比坑底工程桩降水引起的隧道最大内力与变形，直观反映坑底降水对邻近隧道的影响程度。为了全面分析基坑开挖对隧道的影响，本文从水压力分布、变形和内力三个方面进行研究。

2.1 水压力分布规律

图2、图3为当坑内水位降至-18 m和-30 m情况下计算模型得到的场地水压力分布图。由图2、图3可看出，基坑水位降至-18 m时，左线隧道水位大致在-10m处，右线隧道水位大致在-12 m处位置；由于坑底工程桩施工，采用进一步降低水位的施工措施，坑底水位降至-30 m以满足干燥的施工环境要求，此时左线隧道水位大致在-16 m处，右线隧道水位大致在-22 m处位置。在这个过程中左线隧道水位下降深度为6 m左右，而此时右线隧道下降深度达到了10 m，右线隧道水位下降程度要显著大于远侧左线隧道，其水位下降幅度是左线隧道的1.7倍左右。

2.2 邻近隧道变形变化规律

图4、图5为不同工况下邻近双线隧道最大横向及竖向变形图。从图4、图5中可以看出邻近双线隧道横向及竖向变形均随着工程桩降水施工而有着不同程度的增大，但不同隧道不同方向上的最大变形值增加幅度并不一样。对于左线隧道，其横向及竖向最大变形值分别增加了42.1%、91.5%；右线隧道其横向及竖向最大变形值分别增加了5.8%、144.6%。邻近双线隧道竖向沉降受基坑降水影响非常显著，地下水位降低使周边土体的有效应力增加，导致土体沉降变形程度的增大，既而导致隧道竖向变形的增加，对于右线隧道由于水位下降程度更为明显，其沉降值增长幅度也更为显著。因此对于降水施工尤其需要注意邻近管道竖向沉降的大小。

图2 基坑降水至-18.0 m水压力云图

图3 基坑降水至-30.0 m水压力云图

图4 邻近隧道最大横向变形变化规律图

图5邻近隧道最大沉降变形变化规律图

隧道往基坑开挖侧移动的横向变形主要受基坑开挖卸荷影响，对于左线隧道由于降水之后管片两侧水头梯度较大，导致管片左侧存在较大水头压力作用于管片上，使得其横向变形有较大幅度的增长，所以即使对于远离开挖侧的隧道，在降水施工中仍要密切监测其变形的发展。

2.3 邻近左、右线隧道最大内力的变化规律

图6～图8为不同工况下邻近左、右线隧道最大内力变化规律图。可知双线隧道其内力值均因坑底工程桩降水施工而有所增大。对于左线隧道其最大轴力、最大剪力及最大弯矩值增长幅度分别为9.9%、17.9%、14.7%，隧道所受剪力及弯矩受施工降水更为明显，这主要是因为施工降水之后，左线隧道处水头梯度更大，隧道管片左右两侧所受到的水头压力差值更大，导致其管片所受剪力及弯矩增长较为显著。

图6 邻近隧道最大轴力变化规律图

图7 邻近隧道最大剪力变化规律图

图8邻近隧道最大弯矩变化规律图

右线隧道的最大轴力、最大剪力及最大弯矩值增长幅度分别为4.3%、4.5%、7.3%，管片所受内力相比左线隧道增长幅度较小，其原因也可以从隧道处水头压力分布进行分析。降水完成之后，右线隧道完全处于地下水位以下，隧道管片剪力及弯矩主要由周边土压力差导致，其变化程度弱于左侧管线，因此管片内力增长幅度也相对较小。

右线隧道的管片剪力及弯矩值均大于左线隧道，其主要受基坑开挖影响，越靠近基坑开挖侧其所受剪力及弯矩值越大。然而对于管片最大轴力，在工程桩降水完成后，左线隧道所受最大轴力要大于右线隧道，这主要是因为降水结束后，右线隧道处其水头下降程度更为显著，管片已不受水头压力影响，因此管片所受外部荷载相对于左线隧道要小，导致了管片最大轴力要小于左线隧道，所以在这种工况下尤其需要注意远离基坑开挖侧的左线隧道的安全。

3 结 论

本文通过数值模拟，研究了坑底工程桩降水对临近双线隧道的影响，得出如下结论：

(1) 工程桩施工降水会引起基坑周边土体水位大幅度下降，靠近基坑开挖侧的隧道其水位下降程度要显著大于远侧的隧道，本工程中其水位下降幅度是左线隧道的1.7倍左右。

(2) 邻近隧道竖向沉降受降水影响显著，在基坑降水过程中应密切注意邻近隧道沉降变化情况。

(3) 双线隧道其内力值均由于坑底工程桩降水施工而有所增大，远离基坑开挖一侧隧道处水头梯度较大，隧道管片左右两侧所受到的水头压力差值更大，故远离基坑开挖侧隧道内力增长更为显著。

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