基坑开挖对下卧隧道影响的数值模拟分析

谢素云 吴佩兰 钟昌龙

摘要：在总结国内外学者研究成果的基础上.以建于地铁盾构隧道上方的某地下广场开挖工程为背景，通过有限差分软件FLAC3D建立了数值模型;以隧道抗浮方式为变量，设置了不同方案，对比分析提出了核心区施工最优方案，以期给类似的设计和施工提供一些参考。

关键词：坑底支护;隧道变形;数值模拟

中圖分类号：U455

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2019）17-0107-02

1 引言

城市建设的高速发展带来了大量的深基坑工程，这些深基坑通常位于闹市区，它的施工，无论是基坑开挖还是井点降水，都不可避免地会影响周围在运营的地铁，特别是基坑工程位于已经建成投入运营地铁隧道几米之内的上方的时候。本文即是以建于某市地铁1号线盾构隧道上方的某基坑开挖工程为背景，通过有限差分软件FLAC3D，来分析基坑开挖对下卧隧道的数值影响，得出结论，给类似的设计和施工提供一些参考。

2 工程概况

某基坑开挖工程是一个下沉式广场，详见图1。下沉广场基坑面积为12053m2，基坑深度为5.3 m。地铁1号线穿越长度52.7 m，盾构顶距离地下室底板最小距离为3m，开挖阶段隧道最小覆土约为0.5倍洞径。

3 基坑核心区施工方案对比分析

周裕倩等[1]对上海某下沉广场基坑开挖对地铁一号线隧道影响进行模拟，毛朝辉等[2]对上海某路下立交工程进行有限元分析，张玉成等[3]通过广东某广场基坑开挖卸荷对下方地铁隧道影响的数值模拟分析了隧道的变形，前辈们的研究成果给笔者一定的启发，本工程数值模拟过程共有如下几个步骤。

（1）土体在自重的作用下产生固结沉降，达到模型的初始平衡状态，然后把此时的位移场和速度场赋零。

（2）进行隧道开挖，由于盾构隧道在注浆衬砌之前存在应力释放，所以要计算一定的时步，然后把位移场和速度场赋零。

（3）基坑开挖第一步，计算一定的时步，求解平衡。

（4）基坑开挖第二步，计算一定的时步，求解平衡。

（5）基坑开挖第i步，计算一定的时步，求解平衡（不同的方案有不同的开挖步）。

按照上述内容，建立起来的三维数值模型如图2所示。

根据工程特点，核心区数值模拟时考虑以下四个方案，以作对比和分析。

方案一。未采用任何加固措施，直接对土体进行分层开挖，第一层开挖2.2 m，第二层开挖3.1 m。

方案二。采用门式水泥搅拌桩加固措施，仍然采用分层开挖，第一层开挖2.2 m，第二层开挖3.1 m。

方案三。采用门式水泥搅拌桩加固措施的同时，在开挖范围内满布抗浮桩，仍然采用分层开挖，第一层开挖2.2 m，第二层开挖3.1 m。

方案四。在方案三的基础上，第一层2.2 m整体开挖，第二层3.1 m分成9块，按照图3顺序分块开挖，每开挖完一块，在其上堆载，然后计算受力位移状况。

本分析使用FLAC3D软件对某湖下沉广场基坑开挖对某市地铁一号线在不同的隧道抗浮方式下的影响进行了分析。通过对数值计算结果的整理分析，汇总如下表1所示。

由此可见，对于大面积开挖基坑下卧的地铁隧道保护，不采取任何加固措施足非常危险的。而单纯地依靠地基加同也是难以满足要求的，首先，无限加大加固区的深度是不可能的，而且地基加固过程本身也会对土体产生一定的扰动。采用门市水泥搅拌桩和抗拔桩相结合，可以有效控制基坑下部的地层位移，从而达到保护基坑下卧隧道的目的。在这基础之上采用分块开挖并在每块开挖完成后在其上加载，可以很大程度地提高安全性。

4 基坑整体开挖方案优化分析

基坑的开挖可以采用的方法多种多样，在设计之前，就应该根据建筑物的硬性要求、现场的调查研究和工程地质勘察报等，综合施工的经济性、适用性、安全性、可靠性，施工场地的位置和大小，基坑开挖的深度、形状、大小、时间和总体施工工期等因素，并充分考虑周围建筑物的重要性，规划出在技术上、经济上都比较可行的基坑开挖方式[4，5]。

根据工程特点，数值模拟时考虑以下两个方案，以作对比和分析。

方案一：施工组织计划的方案，先进行广场隧道盾构穿越段即核心区土方开挖，再进行非核心区土方开挖，按图4 中序列号顺序依次开挖，如图所示，核心区进行分块开挖，非核心区进行放坡开挖。

方案二：核心区土方和非核心区土方同时开挖，对照图4中的序号按如下顺序依次开挖①→13 14→①→14 15→③→26 27→④→18 22 24→⑤→23 25→⑥→21→⑦→⑩11→⑧→16→⑨→17→20 19

通过对数值计算结果的整理分析，把隧道在两种基坑开挖方案下随着开挖步的增加的最大竖向位移变化情况汇总，见表2。

从表2可以看出，两种方案下的隧道最大竖向位移都随着开挖步的增加而增加，而且最终位移大致在隧道变形限值范围之内。在没有采取其他控制措施的情况下，方案一中前10个开挖步是核心区土方的开挖，隧道产生的最大竖向位移所占比例很小，方案二中隧道产生的最大竖向位移呈阶梯型增长，说明开挖歼挖小块土方时产生的位移小，开挖大块土方时产生的位移大。

4结语

（1）本文通过数值模拟选择的方案与实际吻合，验证了数值模拟的可行性，也为类似工程施工方案的选择奠定了基础。

（2）对于大面积开挖基坑下卧的地铁隧道保护，不采取任何加固措施是非常危险的。而单纯地依靠地基加固也是难以满足要求的，首先无限加大加固区的深度是不可能的，其次地基加固过程本身也会对土体产生一定的扰动。采采用门式水泥搅拌桩和抗拔桩相结合，可以有效控制基坑下部的地层位移，从而达到保护基坑下卧隧道的目的。在这基础之上采用分块开挖并在每块开挖完成后在其上加堆载，很大程度地提高了安全性。

（3）实际工程中，先进行广场隧道盾构穿越段即核心区土方开挖，再进行非核心区土方开挖，可以根据监测数据及时进行结构底板的堆载反压，使得隧道最大变形处于可控范围;但是在工期紧张或者其他不可控制因素影响下，采用核心区土方和非核心区土方同时开挖的开挖方式也是满足要求的，这可以看作基坑开挖的一种优化的方式。

参考文献：

[1]周裕倩，袁金荣，张中杰.基坑施工过程仿真模拟及环境保护[J].地下空间.2004，24（5）：719-723.

[2]毛朝辉，刘国彬.基坑开挖引起下方隧道变形的数值模拟[J].地下工程与隧道.2005（4）：24～27.

[3]张玉成，杨光华，姚捷，等，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（1）：84-87.

[4]窦远明，分部开挖过程中基坑支护结构的变形和土压力形状研究[D].天津：天津大学，2001.

[5]曲广峰，深基坑工程的三维非线性数值分析[D].天津：天津大学，2003.

收稿日期：2019-10-28

作者简介：谢素云（1988-）.女，助教，研究方向为结构工程。

通讯作者：钟昌龙（1980 -）.男，副教授，主要从事园林教学和管理工作。