基坑开挖及降水对周边地铁隧道变形的影响分析

孙 琳,李云安，鲁贤成，陈琦文，胡乐健，石文祥

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉430074)

随着我国城市化进程的加快，东部沿海城市人口密度越来越大，城市用地紧张，不可避免地会造成建筑用地越来越靠近运营的地铁隧道，甚至就在运营的地铁隧道上方。基坑开挖会改变周边土体的应力场与应变场，降水则会改变周边土体的渗流场，从而影响土体的应力及应变，导致周边土体中的地铁隧道变形并产生附加应力，严重影响地铁运营。因此，基坑开挖及降水对周边地铁隧道变形的影响研究也成为当下的热点。

目前国内外对基坑开挖引起邻近地铁隧道变形的研究主要集中在基坑开挖对地铁隧道变形的影响规律[1]、变形计算[2]以及控制措施[3]等，主要研究方法有实测分析法[4-7]、理论解析法[8-11]、数值模拟法[12-16]、模型试验法[17-20]。Burford[4]通过研究The Shell building建筑开挖引起的Bakerloo line隧道位移发现，由于坑底固结缓慢，在开挖30年后仍有上浮位移，认为是上覆土压力卸载导致了伦敦黏土的长期隆起；Kojima等[5]、刘庭金[6]、肖同刚[7]等运用实测分析法，根据现场监测数据分析了基坑开挖对隧道变形的影响规律；刘国彬等[8]根据大量的实测资料，提出了软土基坑隆起变形的残余应力分析法;Goh等[9]在研究隧道开挖对桩基影响时提出了两阶段分析法；张治国等[10]、魏纲等[11]采用理论解析法对基坑开挖引起邻近隧道变形进行了研究；Doležalová[12]、郑刚等[13]、高广运等[14]、宋晓凤等[15]、岳云鹏等[16]运用数值模拟的方法对基坑开挖引起邻近隧道变形进行了研究；Kusakabe等[17]、Ng等[18]采用离心模型试验的方法，研究了基坑开挖对周边地铁隧道变形的影响；梁发云等[19]以上海某紧邻地铁隧道的深基坑工程为背景，采用模型试验方法研究了深基坑开挖对地铁隧道变形的影响。

综上可见，众多学者既有从单个方法，又有结合多种方法互相印证分析对基坑开挖对周边地铁隧道变形的影响进行了研究。在上述研究的基础上，本文结合深圳前海某基坑工程，考虑基坑开挖及降水情况，基于有限元软件建立了基坑三维有限元模型，分析基坑开挖及降水对周边地铁隧道变形的影响，并与现场支护结构的监测结果进行了对比，并分析了不同降水深度基坑开挖对地铁隧道变形的影响。该研究结果可为基坑开挖及降水对邻近地铁隧道变形的影响研究提供参考。

1 工程概况

1.1 场地概况

某基坑工程项目场地位于深圳前海区，场地地貌单元属珠江口海漫滩堆积区，后经大面积的填海改造。基坑长约350 m，宽约170 m，开挖深度为21～27 m；1号线地铁隧道位于基坑的东北角，隧道外边缘距离坑边最小距离约37.6 m。基坑4个角部采用桩撑支护，其中基坑南侧采用双排桩+内支撑，桩顶设板与南侧卓越双排桩连接起来；基坑北侧中段采用桩锚支护。基坑支护与1号线地铁隧道平面图和剖面图见图1和图2，锚索支护剖面图见图3。

图1 基坑支护与1号线地铁隧道平面图Fig.1 Plan of foundation pit support and the tunnel of subway Line 1

图2 基坑支护与1号线地铁隧道的相对位置关系 剖面图Fig.2 Section of relative position relationship between the foundation pit support and the tunnel of subway Line 1

图3 锚索支护剖面图(单位：mm)Fig.3 Section of the anchor support(unit:mm)

1.2 场地工程地质及水文地质条件

根据勘察报告，该地段场地原始地貌为滨海滩涂，分布有较厚的淤泥层，后经人工填海改造，回填至现状标高，地势总体较为平坦。场地地层岩性从地表向下为人工填石、素填土、淤泥、砂质黏性土、混合花岗岩风化层(全、强、中、微风化)。场地地下水赋存于土层孔隙和基岩裂隙中，上方为潜水孔隙水，主要赋存于填土、砂层中；下方为基岩裂隙水，主要赋存于基岩的强、中风化层中。

2 三维有限元模型建立与施工工况

2.1 三维有限元模型建立

由于基坑范围太大，若建立整个基坑模型，划分网格的数量太多，计算分析会耗时较长，因基坑形状近似为长方形，且支护结构较为对称，因此在保证计算精度的前提下可建立四分之一基坑模型，模型范围如图1红色线框区域所示。本文利用MIDAS GTS NX软件建立了基坑三维有限元模型见图4，并进行基坑开挖及降水计算。模型尺寸为260 m×170 m×40 m，基坑开挖范围为173 m×84 m×22 m。模型土层采用3D实体单元，支撑和立柱采用1D

图4 基坑三维有限元模型Fig.4 Three dimensional finite element model of the foundation pit

梁单元，地铁衬砌采用壳单元，排桩为“一荤一素”咬合式，这里将排桩简化成地连墙，采用壳单元模拟。基坑支护与地铁隧道三维图见图5。

图5 基坑支护与地铁隧道三维图Fig.5 Three dimensional drawing of the foundation pit support and the subway tunnel

2.2 模型参数

根据现场实际情况和已有研究成果分析，本模型土体本构模型采用修正的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)模型，该模型更适用于淤泥或砂土。根据《基坑工程手册》[20]可知，排桩简化成地连墙，桩体等效刚度的计算公式如下：

(1)

(2)

式中：D为桩的直径(m)；t为桩间净距(m);h为桩体等效刚度即等效地连墙厚度(m)，见图6。

图6 桩体等效刚度计算示意图Fig.6 Diagram of equivalent stiffness calculation of the pile

由公式(2)可计算得出等效地连墙厚度h约为1.1 m。该基坑工程场地地层岩土体物理力学参数和基坑支护结构参数，见表1和表2。

表1 某基坑工程场地地层岩土体物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil in strata at a foundation pit engineering project site

表2 基坑支护结构参数Table 2 Parameters of the foundation pit supporting structure

2.3 施工工况

本基坑工程主要针对基坑开挖时是否考虑降水对地铁隧道变形的影响进行了对比研究，具体施工工况见表3。

表3 基坑开挖及降水施工工况Table 3 Construction conditions of foundation pit excavation and dewatering

3 数值模拟计算与分析

3.1 基坑开挖是否考虑降水对基坑支护结构变形的影响对比分析及模型验证

基坑在开挖时，坑内土体开挖卸荷使坑内外土体产生压力差，坑外土体对基坑支护结构产生挤压的作用，从而使基坑支护结构产生变形。降水会造成渗透力改变土体的应力，从而进一步影响基坑支护结构的变形。本文选取基坑支护结构A、B两点剖面(见图7)进行数值计算与分析，模拟得到基坑支护结构A、B两点地连墙的水平位移，见图8和图9。

图7 基坑支护结构A、B两点剖面线位置Fig.7 Position of the section lines at point A and point B of the foundation pit supporting structure

图8 基坑支护结构A点地连墙的水平位移Fig.8 Horizontal displacement of the diaphragm wall at point A of the foundation pit supporting structure

图9 基坑支护结构B点地连墙水平位移Fig.9 Horizontal displacement of the diaphragm wall at point B of the foundation pit supporting structure

由图8、图9可见，考虑降水和未考虑降水条件下基坑支护结构地连墙的变形差异较大，考虑降水时地连墙的变形更大，且与实际监测数据更接近，更符合实际情况。实际中，基坑工程地下水应力场与渗流场之间存在耦合作用，降水作用打破了地下水原渗流场的平衡，同时会引起地下水应力场的改变，水在发生渗流时，渗流力会加剧土体的移动，使土体变形增大，因此当存在地下水时不能忽视水的作用。

3.2 基坑开挖及降水对地铁隧道变形的影响分析

在对地铁隧道变形进行分析时，取靠近基坑一侧的隧道作为分析对象，以隧道与模型边界的交点为原点向左取200 m，如图10所示，取A、C点所在轴线分析隧道的水平位移，取B、D点所在轴线分析隧道的沉降即竖向位移。

图10 隧道轴线控制示意图Fig.10 Diagram of the tunnel axis control

为研究考虑基坑降水条件下基坑开挖及降水对基坑及周边隧道变形的影响规律，在模型的基础上增加了渗流边界条件，采用定水头边界，即定义每次降水时水位面的水头为一定值，基坑开挖及降水的施工工况见表3，模拟得到基坑开挖及第七次降水孔隙水压力分布云图，以及不同基坑开挖及降水施工工况下隧道左右侧(A、C点)水平位移曲线、隧道顶底部(B、D点)竖向位移曲线，见图11至图15。

图11 基坑开挖及第七次降水孔隙水压力分布云图Fig.11 Distributuion of pore water pressure of the seventh dewatering in foundation pit excavation

图15 不同基坑开挖及降水施工工况下隧道底部(D点) 竖向位移曲线Fig.15 Vertical displacement curves of the bottom of the tunnel (point D) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

由图12和图13可见，隧道左、右侧的水平位移呈“横鸭蛋”状，这是因为在上覆土体的重力作用下，隧道受到挤压作用而有一定程度的压扁情况；隧道在水平方向的变形受基坑开挖及降水协同作用的影响较大，在降水条件下，基坑开挖对隧道水平位移的影响较为显著，在模型中隧道中部附近(图7中所标注的原点开始，向正方向延伸100 m左右)的水平位移达到较大值，此处隧道水平变形受到的影响最大；第四次开挖后隧道的水平位移急剧增加，这是由于第四次开挖后基坑支护结构的总体刚度不够所致。

图12 不同基坑开挖及降水施工工况下隧道左侧(A点) 水平位移曲线Fig.12 Horizontal displacement curves of the left side of the tunnel (point A) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

图13 不同基坑开挖及降水施工工况下隧道右侧(C点) 水平位移曲线Fig.13 Horizontal displacement curves of the right side of the tunnel (point C) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

由图14和图15可见，隧道顶、底部均产生了沉降，隧道顶部的沉降偏大，隧道顶、底部的竖向位移呈整体下降趋势，但隧道中部的竖向变形相对较大；隧道的竖向位移受降水的影响也较为明显，与隧道的水平位移相似，第四次开挖后隧道的竖向位移也急剧增加，速率加快，第五次开挖后由于基坑的支护结构整体刚度较大，基坑的竖向变形受到抑制，隧道的竖向变形也逐渐减慢。总体来讲，隧道的竖向变形相对较大。

图14 不同基坑开挖及降水施工工况下隧道顶部(B点) 竖向位移曲线Fig.14 Vertical displacement curves of the top of the tunnel (point B) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[21]中规定：隧道的水平和竖向变形控制值为20 mm，可见基坑开挖及降水之后，该隧道支护结构的变形满足安全要求。但是相对来说，该隧道的变形较大，需要做进一步分析，并在施工过程中要注意隧道变形的监测，有条件的情况下可以进行施工风险评价[22]。因本文采取三维建模计算，模型按最不利原则进行了简化，其计算结果偏于保守，建议进行典型剖面分析，并运用多软件进行模拟与对比分析，以便得出可靠的结果。

3.3 不同初始地下水水位(降水深度)对地铁隧道变形的影响分析

因三维模型计算较慢、时间较长，故本文在分析不同初始地下水水位对地铁隧道变形的影响时，采用二维模型进行模拟。建立的基坑二维有限元模型见图16，基坑支护与地铁隧道的相对位置关系剖面图见图17。模型开挖深度取22 m，开挖宽度取168 m，根据已有研究及基坑开挖影响范围的计算结果，基坑模型尺寸长度取388 m，深度取80 m；土体本构模型及其参数等均与三维有限元模型一样；初始地下水水位(降水深度)分别取-1 m、-3 m、-5 m、-7 m、-9 m、-11 m；隧道距基坑边的距离s取14 m，隧道中心埋深h取16.3 m，围护桩桩径D取1.4 m，桩长L取30 m，支撑截面尺寸取1.0 m×1.2 m。

图16 基坑二维有限元模型Fig.16 Two dimensional finite element model of the foundation pit

图17 基坑支护与地铁隧道相对位置关系剖面图Fig.17 Section of relative position of the foundation pit support and the subway tunnel

不同初始地下水水位条件下基坑开挖及降水对地铁隧道水平位移和竖向位移的影响曲线，见图18和图19。

图18 不同初始地下水水位条件下基坑开挖及降水 对隧道左侧水平位移的影响曲线Fig.18 Curves of the influence of foundation pit excavation and dewatering on horizontal displacement of the left side of the tunnel under different initial groundwater levels

图19 不同初始地下水水位条件下基坑开挖及降水 对隧道顶部竖向位移的影响曲线Fig.19 Curves of the influence of foundation pit excavation and dewatering on vertical displacement of the top of the tunnel under different initial groundwater levels

由图18和19可见，隧道的变形与初始地下水水位存在相关性，当初始地下水水位埋深小于7 m时，隧道的变形与初始地下水水位呈线性相关；隧道的变形受施工工况的影响也较为显著，当基坑开挖深度较浅(开挖深度小于7 m)且初始地下水水位埋深小于7 m时，隧道变形受初始地下水水位的影响显著，当初始地下水水位埋深大于7 m时，初始施工阶段(第一、第二次开挖)下的隧道变形受初始地下水水位的影响不明显。总体来看，地下水渗流对基坑及隧道变形的影响较大，水是基坑工程中不容忽视的一个重要因素。初始地下水水位埋深越浅，对基坑及邻近构筑物的影响越大，当地下水水位埋深小于0.3倍开挖深度H时，地下水渗流对基坑变形的影响显著，当初始地下水水位埋深大于0.5倍开挖深度H时，地下水水位对基坑工程的影响相对较弱。

4 结 论

本文以深圳前海某基坑工程为研究对象，考虑基坑开挖及降水情况，利用MIDAS GTS NX软件建立基坑三维有限元模型和二维有限元模型，分析了基坑开挖及降水对周边地铁隧道变形的影响，且与现场监测结果进行对比，并分析了不同降水深度基坑开挖对地铁隧道变形的影响，得到如下结论：

(1) 基坑开挖时，考虑降水时地连墙的变形更大，且与监测数据更接近，更符合实际情况。实际中，基坑工程地下水应力场与渗流场存在耦合作用，降水作用下，打破了地下水原渗流场的平衡，同时会引起地下水应力场的改变，水在发生渗流时，渗流力会加剧土体的移动，使土体变形增大，因此当存在地下水时不能忽视水的作用。

(2) 基坑开挖及降水对周边地铁隧道变形的影响较大，且离作业场地越近，隧道的变形越大；隧道水平方向的变形呈“横鸭蛋”状，隧道竖向方向的变形呈整体下降趋势。因此，基坑开挖中尤其在降水作用下，当周边有重要的构筑物时，需要严格控制变形，并进行验算与论证。

(3) 水是基坑工程中不容忽视的一个重要因素，不同基坑开挖深度、降水深度对周边地铁隧道变形的影响不同。其中，初始地下水水位埋深越浅，对基坑及邻近构筑物的影响越大，当地下水水位埋深小于0.3倍的开挖深度H时，地下水渗流对基坑变形的影响显著；当初始地下水水位埋深大于0.5倍开挖深度H时，地下水水位对基坑工程的影响相对较弱。

(4) 本研究所在地区强、中风化花岗岩的渗透系数较大，水量较大，地下水具有一定的承压性，由于没有相应的承压水的数据资料，没有模拟地下水承压状态，故本文结果仅为潜水状态下的模拟结果。