基坑開挖引起下方既有地鐵回彈變形的數值模擬分析

郝維鈁

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著城市發展，對地下空間的需求和利用越來越大，既有地鐵上方明挖修建地下結構的情況逐步增多，地鐵上方基坑開挖產生的卸載，對地鐵隧洞會產生一定的影響。本文以三維有限元模型對整個施工過程進行數值模擬，根據分析結果更好地指導設計和施工。

1 項目概況

汾江路隧道位于佛山市禪城區季華路與汾江路交匯處，為季華路下穿汾江路，隧道為雙向六車道，全長520 m，其中暗埋段長110 m，采用單箱雙室的矩形框架結構，見圖1。

圖1 工程總體平面圖

汾江路隧道在十字路口處上跨既有地鐵廣佛線季華園站～同濟路站區間。地鐵隧洞為盾構法施工，外徑6.0 m，管片厚度0.3 m，兩條地鐵隧洞的凈距約7 m。地鐵隧洞頂覆土約16.3 m，地鐵上方基坑開挖深度約9.6 m，地鐵襯砌結構頂距基坑底約6.7 m。

隧道所處地層透水性較強，且位于市區，采用地下連續墻圍護，明挖施工。

2 工程地質概況

土層主要物理力學指標見表1。

表1 土層主要物理力學指標

括號內為經驗數值。場地主要含水層為中砂、粗砂層，屬中等～強透水性，涌水量大，水量豐富。

3 隧道基坑開挖工況

隧道基坑開挖工況見圖2、圖3。

圖2 隧道基坑東西分區抽條開挖平面圖

圖3 隧道西側基坑分層抽條開挖斷面圖（單位：mm）

采用800 mm厚地下連續墻加內支撐圍護，為隔離地鐵上方基坑，該位置分割成獨立的方形基坑，減少隧道縱向其余位置開挖對地鐵的影響。地鐵隧洞中間設置一排?1 000旋挖樁隔離，先后獨立開挖，避免一次性卸載過大，同時可減少該條地鐵上方的開挖卸載對另外一條地鐵線的影響。基坑底以下采用?850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，加固土體底距離地鐵襯砌結構頂2.0 m。

地鐵上方基坑平面分為東西兩個區域，先施工西區，深度方向上分層開挖，每層開挖不超過2 m。在第二道支撐下土體又進行抽條開挖，每條開挖完成后及時澆筑該條墊層。實時監測地鐵的變形，根據監測結果，若變形較大，應及時澆筑隧道底板，底板達到設計強度后采用砂袋堆載等進行反壓。本工程監測數據地鐵變形較小，均在可控范圍內，最終是所有墊層施工完成后一次澆筑隧道底板。

4 三維建模

三維分析選擇采用MIDAS-GTS軟件，內支撐、鉆孔灌注樁、地下連續墻均按各向同性材料考慮；土體按理想彈塑性體考慮；因止水帷幕與圍護樁剛度相差較大，計算過程中不考慮其抗彎性，將其作為安全儲備。采用板單元模擬盾構管片、連續墻、圍護樁，未考慮與土體之間的摩擦，基坑內支撐、冠梁、腰梁采用梁單元模擬，對基底下隧道上的土體加固，通過調整土體的C、?值進行模擬，見圖4～圖7。

圖4 隧道基坑三維模型

圖5 地鐵隧洞三維模型

圖6 地下連續墻及支撐三維模型

圖7 汾江路隧道三維模型

5 基坑開挖施工模擬

通過單元的“激活、鈍化”實現土體開挖、結構施作等施工過程，施工過程中考慮20 kPa的地表均布超載作用。僅列出基坑開挖過程的模擬，其余隧道澆筑、基坑回填等工況不再具體列出，見圖8～圖 13。

圖8 西側基坑開挖至第一層土體底模型

圖9 西側基坑抽條開挖第二層土體W1模型

圖10 西側基坑抽條開挖第二層土體W2模型

圖11 西側基坑抽條開挖第二層土體W3模型

圖12 西側基坑抽條開挖第二層土體W4模型

圖13 西側澆筑完隧道結構并覆土模型

同樣順序施工東側隧道并覆土，不再具體列出模擬過程。

6 計算結果

計算結果見圖14～圖18。

圖14 西側基坑開挖至第一層土體底地鐵豎向變形

圖15 西側基坑開挖第二層土體W1地鐵豎向變形

圖16 西側基坑開挖第二層土體W2地鐵豎向變形

圖17 西側基坑開挖第二層土體W3地鐵豎向變形

圖18 西側基坑開挖第二層土體W4地鐵豎向變形

東側基坑施工工況類似，不再列出具體的計算過程，僅列出開挖東側基坑第二層土體E4，即開挖至基坑底的計算結果，見圖19～圖21。

圖19 東側基坑開挖第二層土體E4地鐵豎向變形

圖20 完整工況下的西側地鐵回彈變形曲線圖

圖21 完整工況下的東側地鐵回彈變形曲線圖

根據以上統計結果，隨著隧道分區建設，地鐵出現回彈變形，西側回彈變形最大值為5.2 mm，東側回彈變形最大值為5.8 mm，均出現在地鐵正上方的基坑開挖至基底時。此時，地鐵變形曲率半徑為 19 396 m≥15 000 m，相對變曲0.75/2 500≤1/2 500，滿足地鐵保護的相關要求[1]。隨著地鐵上方的隧道澆筑以及土方回填，地鐵回彈變形逐漸減小。

7 施工期間監測結果

根據地鐵相關監測單位提供的的監測數據，基坑開挖期間西側地鐵的回彈變形見圖22，最大回彈變形約4 mm。東側地鐵的回彈變形在2 mm以內，且監測數據規律性不明顯，不再單獨列出。兩條地鐵回彈變形的監測數據相比于理論計算值偏小，且監測結果存在差別。分析認為應該跟地質情況及坑底加固參數取值有關，地鐵隧洞下半部分位于強風化粉砂質泥巖和微風化粉砂質泥巖中，其透水性、破碎程度及周邊土體的參數取值等限于巖土工程的特點，來自于試驗及經驗，無法取得精確值[2]，且巖面會存在起伏，兩條地鐵所處土體也不盡相同。

圖22 基坑開挖期間西側地鐵回彈變形監測值

8 結語

（1）建立正確的三維有限元數值模型，合理的模擬施工工況，可較為真實的反應施工期間基坑開挖卸載對地鐵回彈變形的影響，數值分析結果在一定程度上可以為設計和施工提供指導。

（2）地鐵上方明挖基坑分區、分層、抽條開挖，避免地鐵上方的一次性卸載過大，可有效的控制地鐵的回彈變形。

（3）施工監測為施工提供信息化指導，同時監測數據也是對三維有限元數值分析的驗證。鑒于地下工程施工的復雜性，地層的參數取值不夠精確等，三維有限元數值分析結果與實際施工數據存在一定的偏離。