基坑开挖对下卧隧道的影响分析

张晓鹏

摘 要：随着社会经济的不断发展，许多城市开始兴建地铁，以缓解城市交通压力，而基坑紧邻隧道进行开挖的案例也时常出现。为明确基坑开挖对下卧隧道的影响，本文以一位于隧道上部的基坑开挖工程为例，采用PLAXIS 2D有限元软件进行基坑的支护及开挖步骤分析，研究基坑开挖期间隧道位移及应力的变化。结果表明，随着基坑开挖的推进，隧道变形逐渐增大，隧道最大变形出现在隧道顶部，隧道最大弯矩出现在隧道两侧的水平位置处。

关键词：基坑开挖;下卧隧道;HSS模型;隧道变形;应力变化

中图分类号：U451 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）15-0085-03

Abstract： With the continuous development of social economy， many cities have begun to build subways to relieve urban traffic pressure， and cases of excavation of foundation pits next to tunnels often appear. In order to clarify the impact of foundation pit excavation on the underlying tunnel， this paper takes a foundation pit excavation project located in the upper part of the tunnel as an example， and uses PLAXIS 2D finite element software to analyze the foundation pit support and excavation steps， and studies the changes of tunnel displacement and stress during foundation pit excavation. The results show that as the excavation of the foundation pit progresses， the deformation of the tunnel gradually increases， the maximum deformation of the tunnel appears at the top of the tunnel， and the maximum bending moment of the tunnel appears at the horizontal position on both sides of the tunnel.

Keywords： foundation pit excavation;underlying tunnel;HSS model;tunnel deformation;stress change

隨着城市的发展，基坑开挖工程越来越多，很多更是紧邻隧道进行开挖。基坑开挖会使邻近既有隧道发生变形，若未处理好这种影响，有可能导致隧道产生较大变形甚至破坏[1-2]。目前，基坑开挖管控已日趋严格，对于一些特殊环境，如隧道，许多规范已提出了严格的要求，变形控制要求已从厘米级变成毫米级。因此，分析基坑开挖对邻近既有隧道的影响已越发重要。

罗鑫等通过两阶段法计算了基坑开挖引起的下卧隧道隆起变形，并采用数值模拟软件模拟了四种不同工况下隧道的变形[3]。李连祥等采用PLAXIS 3D软件分析了基坑开挖对邻近隧道水平位移的影响，并拟合了隧道最大水平位移与基坑宽度、隧道与基坑水平距离的关系公式[4]。石显祥利用MIDAS软件，研究了基坑开挖过程中地铁隧道的变形情况，并分析了隧道埋深、基坑与隧道净距对隧道变形的影响[5]。王利军等FLAC 3D有限差分软件，分析了基坑开挖过程中地铁隧道的整体变形规律[6]。本文以一位于隧道上部的基坑开挖工程为例，通过数值模拟软件建立基坑开挖对下卧隧道的影响分析模型，分析基坑开挖过程中隧道位移及应力的变化情况，为今后类似工程的设计提供依据。

1 工程概况

内蒙古某紧邻隧道的基坑工程深度为12 m，长度为50 m，拟建三层地下室，基坑采用地下连续墙加三层内支撑的形式，地下连续墙埋深为18 m，内支撑分别设置在地表下-1、-5、-9 m处。基坑下方有一中心埋深为25 m的隧道，隧道外径为6.2 m，基坑坑底距隧道拱顶仅9.9 m，模型几何尺寸如图1所示。图中，数据单位均为米（m）。

基坑部分土层主要为2.1 m杂填土、7.5 m砂土，砂土以下都是粉质黏土，场地内无地下水，因此下文不考虑地下水的影响。

2 数值分析模型

采用PLAXIS 2D数值模拟软件建立基坑开挖对下卧隧道的影响分析模型，仅考虑平面应变的情况。采用15节点（含12个高斯应力积分点）三角形实体单元模拟土层，地下连续墙采用5节点板单元模拟，内支撑采用锚定杆单元模拟，相应的界面采用五组节点定义，数值模型边界条件采用标准边界。模型边界外设为50 m，基坑开挖深度以下设为38 m，基本可以消除边界效应的影响。

土体采用HSS模型模拟，该模型可以考虑小应变条件下土体剪切模量随剪切应变进行强烈非线性变化的特性，所以采用HSS模型能够更好地模拟基坑开挖引起的变形[7]。土体物理力学参数如表1所示。其中，[h]为土层厚度;[γ]为土体天然容重;[c]为土的有效黏聚力;[φ]为土的有效内摩擦角;[Eref50]为三轴排水剪切试验的参考割线模量;[Erefoed]为固结试验中的参考切线模量;[Erefur]为三轴排水剪切试验的参考加卸载割线模量;[Gref0]为小应变刚度试验中的参考初始模量;[m]为刚度应力水平相关幂指数;[γ0.7]为割线剪切模量衰减到初始剪切模量70%时所对应的剪应变。[m]及[γ0.7]可取《PLAXIS岩土工程软件使用指南》中的经验值[8]。

基坑支護结构及隧道隧道如表2所示。其中，[EA]为材料的轴向刚度;[EI]为材料的抗弯刚度;[γ0]为材料的附加容重;[μ]为材料的泊松比;[L]为内支撑平面外间距;[R]为结构与土相互作用下的土体强度折减系数，在缺少相关资料时可取0.65。

基坑分三步进行开挖，模拟的计算步如下：建设地连墙，计算地应力平衡;开挖至-4 m深度处;在-1 m深度处设置内支撑;开挖至-8 m深度处;在-5 m深度处设置内支撑;开挖至-12 m深度处;在-9 m深度处设置内支撑。

3 数值模拟分析

本次模拟采用PLAXIS 2D数值模拟软件中的小应变土体硬化（HSS）本构模型。该模型是以经典的塑形理论为基础的屈服面模型。该模型弹性部分采用了双刚度，分别定义了加卸载模量，且考虑了土体压硬特性。塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，能够比较好地描述应力-应变关系的双曲线形式及土体的剪胀性。在基坑开挖的数值模拟中，前人研究表明，采用线弹性模型模拟土体，较难预测土层的变形及应力分布，而考虑土体小应变情况下，土体刚度的非线性特性能够较好地模拟土与结构的相互作用，因此采用HSS模型能较好地模拟基坑开挖对下卧隧道的影响[9]。

4 隧道变形

隧道前后变形对比如图2所示。从图中可以看出，隧道变形包括隧道整体向上位移及隧道受到两侧水平方向的挤压，隧道最终由圆形变为蛋形。基坑开挖过程中，隧道隆起变形的变化趋势如图3所示。从图中可以看出，随着隧道的开挖，隧道变形逐渐增大，当基坑开挖完成时，隧道发生最大变形，这是由于随着基坑的开挖，基坑卸荷应力逐渐增大。由于隧道位于基坑下方，因此隧道最大变形出现在隧道拱顶处。从隧道的变形形式可以看出，位于基坑下方的隧道以竖向变形为主，隧道最大竖向变形为21 mm。因此，当遇到位于隧道上方的基坑开挖时，应格外注意隧道顶部的变形是否超出规范的变形控制要求。

5 隧道弯矩

本文选取了隧道顶部、隧道底部及隧道右侧水平位置的弯矩进行分析。由于整体模型的对称性，隧道左右水平位置的弯矩相同，因此可只取隧道水平位置一侧的弯矩进行分析。隧道顶部、隧道底部及隧道右侧水平位置的弯矩分别为141 kN·m、180 kN·m及159 kN·m。最大弯矩出现在隧道水平位置处，由弯矩分布也可看出，隧道变形形式主要为蛋形，由水平两侧向中部挤压，隧道两侧水平位置弯矩最大，而最大变形出现在隧道顶部。

6 结论

本文通过数值模拟软件模拟了基坑开挖对下卧隧道的影响，分析了开挖过程中的隧道变形。研究表明，随着基坑的开挖，隧道变形逐渐变大，当基坑开挖完成后，隧道变形达到最大;隧道最大变形的部位出现在隧道顶部，在基坑施工过程中，应格外注意该部分的变形;由于隧道的变形形式主要为蛋形，隧道最大弯矩出现在隧道两侧的水平位置处。

参考文献：

[1]王灿，凌道盛，王恒宇.软土结构性对基坑开挖及邻近地铁隧道的影响[J].浙江大学学报（工学版），2020（2）：264-274.

[2]张琦，王月峰，李建春，等.深基坑紧邻地铁隧道安全评价方法[J].中国安全科学学报，2021（4）：95-104.

[3]罗鑫，王冰洁，尹燕良，等.基坑开挖影响下下卧盾构隧道变形及控制措施研究[J].安全与环境工程，2021（2）：86-94.

[4]李连祥，张强，石锦江，等.基坑开挖邻近隧道水平形变位移规律[J].山东大学学报（工学版），2021（1）：46-52.

[5]石显祥.基于MIDAS的深基坑开挖变形及其对邻近地铁隧道的影响研究[J].矿产与地质，2020（6）：1189-1194.

[6]王利军，邱俊筠，何忠明，等.超大深基坑开挖对邻近地铁隧道变形影响[J].长安大学学报（自然科学版），2020（6）：77-85.

[7]李青，徐中华，王卫东，等.上海典型黏土小应变剪切模量现场和室内试验研究[J].岩土力学，2016（11）：3263-3269.

[8]北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS岩土工程软件使用指南[M].北京：人民交通出版社，2016：18-20.

[9]JARDINE R，POTTS D，FOURIE A，et al.Studies of the influence of non-linear stress-strain characteristics in soil-structure interaction[J].Geotechnique，1986（3）：377-396.