基坑开挖对涉支护结构下穿盾构隧道变形的三维模拟与影响规律研究

(广东省地质建设工程集团公司，广东 广州 510080)

0 引 言

随着城市化进程的日益加快，地铁上盖建筑越来越多，临近或骑压于地铁隧道上方的基坑工程随之增多(丁智等，2021；许四法等，2021；应宏伟等，2021；张宏等，2021)。深厚软土地层中的深基坑施工开挖势必引起场地应力的重新分布，打破基坑紧邻地铁隧道的受力平衡，若不严格控制基坑开挖过程中的施工效应，受影响的地铁盾构隧道易出现因过大的不均匀沉降而导致的渗漏甚至接头或主体结构的破坏，极大影响地铁隧道的结构安全和正常运营，因此需严格控制已运营地铁轨道的变形(陈俊生等，2012；李健津等，2016)。

传统的基坑设计规范方法只能计算支护结构自身的受力和变形，无法评估基坑开挖对紧邻隧道结构变形的影响，采用有限元软件建立包括基坑支护结构及周边建构筑物的三维数值模型是解决该问题的有效方法(温科伟等，2018)。

近年来，对基坑施工引起的安全问题，尤其是地铁隧道的安全问题进行了大量的数值模拟研究，并取得了一定的成果(王卫东等，2004；黄宏伟等，2012；魏纲，2013；郑刚等，2016；程康等，2020；葛鹏等，2020；魏纲等，2020)。深厚软土地区埋深较浅的盾构隧道必会影响基坑支护结构的布置(隧道与支护结构相涉)，导致受影响部分的支护结构嵌固深度不足，踢脚位移和坑底隆起较大，因而对下穿隧道的变形产生重大影响。

然而，深基坑开挖对紧邻既有隧道结构变形的影响规律的研究尚显不足。以珠海某大厦深基坑支护工程为例，结合以往的研究，采用Midas/GTS有限元软件，建立有效的三维模型，对受不同下穿隧道影响的支护结构的布置形式进行数值分析，为相关工程提供理论支撑和应用参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

某大厦基坑支护工程项目占地面积为21 921 m2，2层地下室。基坑的±0.00标高相当于绝对标高的+4.3 m，两层地下室基坑底相对标高为-11.1 m，基坑开挖深度约11.0 m，支护总长约555 m。场地的原始地貌属滨海滩涂，现已填土整平。其中，基坑东北角下方有某城轨盾构隧道穿越，隧道顶距基坑底的最小竖向距离仅11.48 m。基坑侧壁安全等级为一级。

图1 基坑支护结构平面布置图Fig. 1 Layout of foundation pit supporting structure

1.2 水文地质工程地质概况

场地区域地质条件复杂，地下水丰富，土质情况较差，场内地层发育，自上而下依次为人工填土2.2～22.3 m、淤泥0.4～20.6 m、黏土1.2～12.2 m、全风化花岗岩0.6～6.8 m、强风化花岗岩0.3～7.8 m、中风化花岗岩3.0～5.7 m，地层分布不均。基坑开挖范围主要为人工填土和淤泥，人工填土层较厚。基坑开挖前，在基坑周边设置φ750@450的搅拌桩作止水帷幕，基坑周边淤泥层最厚>17 m；基坑东北角下方有某城轨盾构隧道穿过，隧道上半部分位于淤泥层，拟采用φ700@400的水泥搅拌桩对坑内进行加固，加固范围为宽15 m、深15 m。考虑基坑所处地质条件和其他综合因素，拟采用灌注桩+内支撑支护，选用1 200 mm支护桩，间距1 400 mm，设置2道钢筋混凝土支撑。基坑支护结构平面布置见图1，隧道与基坑支护结构的典型剖面见图2。

2 三维有限元模型的建立

2.1 基本情况

受下穿隧道的影响，支护桩桩底仍位于淤泥层中(图2)，导致支护桩嵌固深度不足，影响基坑支护结构的稳定性。常规情况下，支护桩嵌固深度愈大，支护稳定性愈好，但对于下穿隧道的情况，支护桩嵌固深度愈大，施工过程中对隧道的影响愈大。因此，利用三维有限元数值模拟分析支护桩底面与隧道顶面的竖向间距S以及支护桩边缘与隧道边缘的水平间距S1对基坑支护结构水平位移和隧道隆起变形的影响规律，确定短桩部分支护结构的合理布置范围，S和S1的几何意义如图3所示。三维有限元模型(图4)取510 m×270 m×50 m(长×宽×高)的区域，上部为自由边界，底部全约束，各侧边限制对应方向的水平位移，根据抗弯刚度相等的原则，支护桩等效为连续墙，宽0.954 m。

图2 基坑支护结构剖面图(剖面位置见图1)Fig. 2 Sections of foundation pit supporting structure (see Fig. 1 for section position)(a) Section 4-2-4-2；(b) Section 4′-4′

图3 S和S1的几何意义示意图Fig. 3 Schematic diagram of geometric meaning of S and S1

图4 Midas/GTS有限元模型Fig. 4 Midas/GTS finite element model

2.2 施工工况模拟

有限元模拟共设置下列7个施工工况：① 初始地应力平衡，步位移清零；② 施工支护桩、冠梁、支撑立柱和第一道支撑；③ 基坑开挖至第二道支撑底，施工第二道支撑和对应腰梁；④ 基坑开挖至坑底，施工完毕。

2.3 基本假定

该模型建立的基本假定主要如下：① 土体本构模型采用Mohr-Coulomb本构模型，支护结构体系和下穿盾构隧道本构模型采用线性弹性模型，有限元模型各材料物理力学参数见表1；② 假定各土层均呈均质水平分布，模型地层分布取下穿隧道部分基坑坑边的最不利钻孔(图2中的ZK52)为代表；③ 不考虑基坑开挖过程中地下水的影响；④ 不考虑时间因素。

表1 有限元模型各材料物理力学参数

3 数值模拟结果与分析

3.1 支护桩底与隧道顶竖向间距S的影响模拟结果(S1=4 m)

根据支护桩底与隧道顶竖向间距S对隧道隆起量影响的模拟结果(图5)、S对支护结构东侧水平位移影响的模拟结果(图6)、S对支护结构南侧水平位移影响的模拟结果(图7)，可得出支护结构的水平位移和下穿隧道隆起量随S的变化规律(图8)。

图8显示：当S<4 m时，支护结构的最大水平位移及隧道的隆起变形均随S的增加而缓慢增加；当S≥4 m时，支护结构的最大水平位移及隧道的隆起变形均随S的增加而快速增加。随着S的增加，支护桩的嵌固深度减小，支护结构的整体刚度降低，坑底淤泥更易绕过支护桩底而隆起，导致支护结构水平位移和下穿隧道隆起变形增加。当S=5 m时，支护结构的最大水平位移为39.2 mm，超过其深层水平位移的监测预警值(36.0 mm)；当S=4 m时，支护结构的最大水平位移为35.3 mm，接近预警值。因此，建议S≤4 m。基坑坑底以下仍有较厚的淤泥，为避免坑底产生不可控的隆起，实际工程中S=3 m，此时对应的支护桩嵌固深度为8.48 m。

3.2 支护桩边缘与隧道边缘间距S1的影响模拟结果(S=3 m)

根据支护桩边缘与隧道边缘间距S1对隧道隆起量影响的模拟结果(图9)、S1对支护结构东侧水平位移影响的模拟结果(图10)、S1对支护结构南侧水平位移影响的模拟结果(图11)，可以得出支护结构水平位移和下穿隧道隆起量随S1的变化规律(图12)。

图12显示：当S1≤4 m时，支护结构的最大水平位移及隧道的隆起变形均随S1的增加而缓慢增加；当S1>4 m时，支护结构的最大水平位移及隧道隆起变形均随S1的增加而快速增加。随着S1的增加，短桩分布范围增加，支护结构整体刚度相应降低，淤泥从短桩底部涌入坑底的范围更大，坑底隆起量增加，导致支护结构的水平位移和下穿隧道隆起变形增加；当S=6 m时，支护结构最大水平位移达36.9 mm，基坑东侧桩底踢脚位移为27.2 mm，超过支护结构深层水平位移的监测预警值(36.0 mm)以及支护结构底部水平位移预警值(24.0 mm)。因此，建议S1≤4 m。实际工程中S1=4 m。

图5 S对隧道隆起量影响的模拟结果示意图Fig. 5 Simulation results diagrams of the influence of S on tunnel uplift

图6 S对支护结构东侧水平位移影响的模拟结果示意图Fig. 6 Simulation results diagrams of the influence of S on the eastern horizontal displacement of the supporting structure

图7 S对支护结构南侧水平位移影响的模拟结果示意图Fig. 7 Simulation results diagrams of the influence of S on the southern horizontal displacement of the supporting structure

图8 支护结构水平位移和下穿隧道隆起量随S的变化规律1-支护结构南侧最大位移；2-支护结构东侧最大位移；3-下穿隧道最大隆起量Fig. 8 Changes of horizontal displacement of the supporting structure and uplift of underneath tunnels with respect to S

4 数值模拟与现场监测结果比较

根据上述分析，该大厦基坑支护工程涉下穿盾构隧道部分的短桩布置范围为S=3 m、S1=4 m。对支护结构与下穿隧道相涉的位置均进行了相应监测(图13、图14)。图14展示了开挖至坑底时Midas/GTS有限元软件模拟结果与监测结果的对比，其中，BCX1测斜管位于短桩处，管底未能进入相对稳定的土层，测斜管位移以管口为相对零点，监测支护桩底部的相对位移情况，深层位移监测结果是相对的；S8测斜管位于正常长度的支护桩中，以管底位移为相对零点。

图14显示，基坑东侧的实测深层水平位移最大值为19.8 mm(预警值为36.0 mm)，支护结构底部水平位移最大值为23.9 mm(预警值为24.0 mm)，均小于监测预警值，同时，基坑东侧土体深层水平位移的监测值与有限元模拟的结果具有良好的一致性。目前项目已完工，基坑支护结构应用效果良好，基坑下穿某城轨盾构隧道已建成通车，运行效果良好。

图9 S1对隧道隆起量影响的模拟结果示意图Fig. 9 Simulation results diagrams of the influence of S1 on tunnel uplift

图10 S1对支护结构东侧水平位移影响的模拟结果示意图Fig. 10 Simulation results diagrams of the influence of S1 on the eastern horizontal displacement of the supporting structure

图11 S1对支护结构南侧水平位移影响的模拟结果示意图Fig. 11 Simulation results diagrams of the influence of S1 on the southern horizontal displacement of the supporting structure

图12 支护结构水平位移和下穿隧道隆起量随S1的变化规律1-支护结构南侧最大位移；2-支护结构东侧最大位移；3-下穿隧道最大隆起量Fig. 12 Changes of horizontal displacement of the supporting structure and uplift of underneath tunnels with respect to S1

图13 基坑监测平面布置图Fig. 13 Foundation pit monitoring layout

图14 计算结果与监测结果对比图1-BCX1监测结果；2-BCX1模拟结果；3-S8监测结果；4-S8模拟结果Fig. 14 Comparison between calculation results and monitoring results

5 结 论

某大厦基坑支护工程地质条件复杂，地下水丰富，基坑开挖深度大，同时，东北角下穿涉支护结构盾构隧道，对基坑的支护结构，尤其是与下穿隧道相涉部分的支护结构的选型提出了较高要求。通过研究支护桩底面与隧道顶面的竖向间距S以及支护桩边缘与隧道边缘的水平间距S1对基坑支护结构和隧道隆起的影响规律，探索涉下穿隧道的支护结构的合理布置形式。主要结论如下。

(1) 深厚软土地层中基坑开挖会导致下穿盾构隧道产生较大的隆起变形。

(2) 隧道顶部支护桩嵌固深度的减小对支护结构变形和下穿隧道隆起均产生重要影响。当S<4 m时，支护结构的最大水平位移以及隧道的隆起变形均随S的增加而缓慢增加；当S≥4 m时，支护结构的最大水平位移以及隧道的隆起变形均随S的增加而快速增加。当S1≤4 m时，支护结构的最大水平位移以及隧道的隆起变形均随S1的增加而缓慢增加；当S1>4 m时，支护结构的最大水平位移及隧道的隆起变形均随S1的增加而快速增加。