流固耦合作用下基坑開挖及降水對下臥既有地鐵隧道的影響研究

岳云鵬,鄭先昌,劉曉玉,張龍云,劉繼強

(1.廣州大學土木工程學院,廣州 510006； 2.中鐵南方投資集團有限公司,深圳 518052)

隨著我國近年來城市規模的不斷擴大，地下空間開發越來越多，地下城市軌道交通已成為城市發展的重要組成部分。隨之而來的是下臥既有地鐵隧道的建設安全問題。隧道上方基坑開挖卸荷會使原狀土體的應力狀態發生改變，進而引起隧道結構的內力變化，嚴重時會危及地鐵隧道的運營安全。為滿足基坑開挖條件，施工時通常要進行降水處理，然而基坑開挖及降水都會引起隧道變形。針對基坑施工對地表及隧道變形的影響，有部分學者進行了大量的研究。陳仁朋等[1]總結了近年來基坑開挖對地鐵隧道的影響規律和控制措施；高盟等[2]應用三維彈塑性模型，對鄰近運營隧道的基坑開挖過程進行數值分析；鄭剛等[3-4]采用土體小應變剛度的本構模型，分析天津某鄰近既有隧道基坑開挖過程及隧道變形規律，劃分了隧道變形的影響區域；張強等[5]對考慮注漿加固基坑開挖引起的既有盾構隧道上浮變形進行影響性分析；陳曉丹等[6]通過分析巖溶地區近距離基坑施工對已建地鐵隧道變形影響因素，提出沉降發生后的搶險措施和處理方案；一些學者[7-8]分析了砂卵石地層中基坑開挖對鄰近隧道的影響，得出了隧道在砂卵石地層中內徑收斂的趨勢；肖瀟等[9]針對隧道與基坑之間的連接墻進行數值分析，探討了深基坑施工對明挖隧道的影響規律；卜康正等[10-11]基于Mindlin應力解，推導得到在側摩阻力作用下復合地基的下臥地鐵隧道軸線上的附加荷載及位移計算公式；孟小偉[12]分析了坑內加固及時空效應對隧道變形的影響；章潤紅等[13]利用HSS本構模型，對基坑卸載作用下，地鐵結構附加彎矩和位移的影響性進行分析；聶浩等[14]對雙排樁支護施工時，盾構隧道的變形影響進行數值分析；楊帆等[15]通過數值模擬，對控制隧道變形的隔離柱進行敏感性分析。

目前，考慮流固耦合作用下，基坑開挖降水對下臥地鐵隧道的影響問題研究相對較少。金曉飛等[16]對考慮滲流影響的基坑開挖施工過程進行分析；王春波等[17]總結了近年來基坑工程流固耦合理論的研究現狀；一些學者[18-19]基于比奧固結理論，對基坑開挖及降水引起地面沉降進行數值分析；章榮軍等[20]將基坑開挖降水對鄰近樁基的影響規律利用考慮流固耦合作用的數值模擬方法進行了探討；黃戡等[21-22]基于流固耦合理論，分析了基坑開挖及降水的受力特性對鄰近地鐵隧道區間的影響；張治國等[23]對基坑降水及加固等施工措施對開挖過程與隧道變形的影響規律進行數值分析。

結合深圳前海地鐵保護區某基坑工程，分析基坑降水深度、降水速度等不同條件下基坑開挖及降水施工對下臥地鐵隧道變形影響，并與現場實測結果進行對比，分析結果能為基坑降水及開挖時下臥地鐵隧道的運營安全提供參考。

1 工程概況及隧道監測

1.1 工程概況

深圳前海區某地鐵保護區基坑工程基坑里程K0+080～K0+194，基坑開挖范圍為113.8 m×51.5 m，最大開挖深度約為13.4 m。其基坑工程與地鐵11號線空間分布平面關系如圖1所示，區間隧道下穿基坑，基坑坑底距隧道豎向距離約為5.3 m。基坑內部采用φ1 000 mm的鉆孔灌注樁進行支護，坑外止水帷幕為φ600 mm的旋噴樁，基坑內采用井點降水，降水至基坑底以下1 m處，開挖方式為橫向放坡分層分塊開挖的方法，按照由A至D的施工順序進行跳挖施工。

圖1 地鐵保護區平面示意(單位：m)

1.2 隧道監測

地鐵隧道雙線軸線間水平距離為18 m，襯砌內外徑分別為5.7 m和6.3 m，環寬1.5 m，厚0.35 m，每環管片由3塊管片通過螺栓進行連接，襯砌結構混凝土強度等級為C50。雙線隧道自里程K0+080開始進入支護樁下側，按照《城市軌道交通工程檢測技術規范》的要求，在基坑開挖及降水期間，控制地鐵隧道的水平與豎向位移不大于25 mm。為了確保基坑在開挖及降水中隧道變形滿足控制要求，隧道兩側采用φ550@1 000 mm抗拔樁進行圍護，并在基坑開挖結束時在坑底施作抗浮板。在里程K0+60～K0+200，每隔10 m布置1個隧道監測斷面，左、右線各布置15個監測斷面，每個監測斷面內布置5個監測點，其中拱腳和拱腰各2個，拱頂布置1個，監測方案如圖1、圖2所示。

圖2 基坑典型斷面示意(單位：m)

2 數值模擬

2.1 模型建立

利用MIDAS GTS NX軟件中的滲流分析模塊對模型進行流固耦合分析，計算基坑開挖降水及圍護結構各個施工階段中隧道變形及襯砌結構內力的變化。本模型整體尺寸為160 m×210 m×43.6 m，基坑開挖范圍為115 m×75 m×13.4 m。

土層在模型中自上而下分別為：填石、填土10.9 m，淤泥層2.7 m，黏土層6.1 m，砂質黏性土層7.9 m，全風化花崗巖層4 m，強風化花崗巖層7.4 m，土層計算參數如表1所示。模型中支護排樁長10.6 m，樁間坡面掛網噴射C20混凝土；抗拔樁長20 m；隧道襯砌為長20 m的C50混凝土管片，地下水位為-1.7 m。土層采用3D實體單元進行模擬；利用2D板單元對隧道襯砌、抗浮板、掛網噴射混凝土進行模擬；排樁、抗拔樁采用1D梁單元進行模擬，各結構單元計算參數如表2所示。

表1 土層計算參數

表2 結構計算參數

止水帷幕利用等效剛度法模擬成地連墻，地連墻通過2D板單元模擬，在止水帷幕與土體間建立剛性連接的界面單元，設置強度折減系數為0.65，用以模擬圍護結構與土的共同作用。通過修改單元模擬屬性，設置滲透系數為0 m/d的界面單元模擬止水帷幕截水性質，以達到防水、止水效果。在模型底部設置約束及不透水層，四周設置水平約束及節點水頭模擬坑外初始水位，在模型上表面設置自由位移面，通過設置壓力水頭來模擬坑內降水。

2.2 流固耦合理論

考慮水流連續性和土體位移平衡的三維比奧固結理論方程為

(1)

(2)

式中，G為剪切模量；μ為泊松比；wx、wy、wz為位移分量；u為孔隙水壓力；K為等效滲透系數。

將比奧固結方程以增量的形式表示

(3)

2.3 施工步驟模擬

本基坑采用分層降水、分層分塊開挖的原則，按照“降水—開挖—支護”的形式進行，模擬施工步驟如表3所示。

表3 施工模擬步驟

2.4 模型及參數驗證

基于以上參數及工況，對K0+120、K0+130、K0+140三個橫斷面隧道監測點1豎向位移進行模擬，基坑與隧道關系模型如圖3所示，施工工序11結束后左右線隧道豎向位移模擬值和實測值如圖4所示。數值模擬結果與現場監測結果較接近，土層參數與結構參數取值合理。

圖3 開挖基坑與隧道關系示意

圖4 K0+120～K0+140橫斷面隧道豎向位移曲線

3 計算結果分析

3.1 施工階段分析

基坑開挖卸荷會使下臥地鐵隧道產生不良影響，有必要對不同工況下隧道變形進行模擬分析。主要模擬對比工況降水深度在基坑底1 m的模型與不進行基坑降水模型在基坑開挖過程中隧道豎向位移情況，開挖過程中右線隧道R07-1監測點豎向位移如圖5所示。

圖5 不同工況下R07-1監測點豎向位移

對比兩種工況下隧道豎向變形可發現，考慮降水工況下，地鐵隧道的位移變化有所不同。未考慮降水工況的本構模型造成的坑外土附加變形要比基坑開挖卸荷作用引起的土體變形大，使隧道產生了較大的隆起。本基坑工程若是不考慮基坑降水進行計算，隧道最終豎向隆起值為33.65 mm，與實際結果產生了較大偏差。計算結果表明：在基坑開挖過程中，抗浮板與抗拔樁相結合的圍護結構可使隧道的豎向位移滿足《城市軌道交通工程檢測技術規范》對應的控制要求，但在土體開挖過程中，監測到隧道豎向變形已多次達到預警值(20 mm)，在變形控制要求較為嚴格的工程中，需要采取一定的工程措施，保護隧道變形。

3.2 降水深度分析

基于Midas GTS NX中的完全應力-滲流耦合分析模塊，對水位分別降至基坑底以下1，3，5，7，9，11 m進行計算，隧道在施工工序11結束后基坑縱斷面上隧道監測點1豎向位移如圖6所示。

由于基坑開挖方式為從A到D分塊開挖施工，每塊土體的開挖施工都會引起隧道一定的位移量，在分塊開挖效應累計的作用下，最后一塊土體(即D塊)開挖引起的位移增量最高，使得隧道最終呈“M”形曲線隆起，豎向位移最大處位于隧道中部的兩側位置。且由于基坑兩側土體(即A塊)受約束較大，中部土體受約束較小，使得開挖結束后導致下臥隧道兩端豎向位移小于中部近20 mm。

對比不同降水方案下隧道結構豎向位移曲線可以發現，地鐵隧道在原方案降水開挖的情況下，隧道數值模擬最高隆起值為26.5 mm，現場實際監測結果為22.9 mm，滿足設計要求。隨著降水深度的增加，基坑降水會使土體產生固結，使隧道產生較大沉降。從隧道豎向位移曲線可以看出，基坑降水至基坑底7 m以下后對隧道隆起的增加量較小，沉降量開始上升，當基坑降水至坑底11 m時，隧道隆起量較小，但隧道邊緣沉降量較大，左線最大值為18.05 mm，右線最大沉降值為17.86 mm，在現場施工中降水量應引起重視。因此當基坑在開挖過程中，如果隧道豎向位移控制要求較嚴格，可適當增加基坑降水的深度控制隧道隆起，基坑降水深度最佳宜設置在基坑底5 ～7 m。

圖6 不同降水方案隧道豎向位移曲線

本工程在降水深度為基坑底1 m時隧道水平方向的位移結果見圖7。基坑開挖范圍內隧道水平方向位移沿基坑中軸線對稱分布，隧道左線水平方向最大位移為9.06 mm，隧道右線水平方向最大位移為9.24 mm。隧道左、右線水平方向位移最大值均在隧道縱向中部位置，且基坑開挖范圍內隧道中部位移以豎向隆起為主，豎向位移整體大于水平位移。

在基坑施工過程中，隧道上方土體因開挖卸荷會使原狀土體的應力狀態發生改變，進而使下臥隧道襯砌結構受力而產生變形。當襯砌結構變形過大時會產生裂縫、滲水等事故，嚴重時會造成隧道內部基礎設施發生故障，甚至影響地鐵的運營安全。因此，基坑下臥隧道襯砌結構的變形也應得到重視，11號線在基坑開挖完成時，K0+140橫斷面襯砌結構變形趨于穩定時的云圖如圖8所示(變形放大100倍)。

圖7 隧道區間水平方向位移

圖8 K0+140橫斷面襯砌結構變形穩定時云圖

地鐵區間襯砌結構變形趨勢表現為地鐵隧道靠近基坑橫斷面中軸線方向側向變形，變形趨勢呈“水平向壓縮、豎向拉伸”的豎橢圓狀。隧道頂部及兩側腰部變形相對較大，且左線隧道變形穩定值比右線隧道稍大，在基坑開挖范圍內左線隧道最大變形值為26.40 mm，最小變形值為15.36 mm；右線隧道最大變形值為19.72m，最小變形值為15.00 mm。在基坑開挖時建議采取分層分塊的方式進行開挖，減少對隧道的不利影響。

3.3 滲流速度分析

基坑底部抗浮板與止水帷幕完成施工后，滲流呈曲線流經在抗浮板結構周圍。滲流速度云圖如圖9所示，滲流速度在不同平面內的空間差異性較為明顯，xy方向，yz方向和xz方向基坑周圍滲流速度分別為0.000 3～0.65 m/d，0.001 4～0.64 m/d和0.001～0.53 m/d，基坑周圍總的滲流速度為0.001 2～0.067 m/d。

3.4 降水速度分析

為了分析降水速度對隧道變形的影響，建立4種工況進行分析，降水速度分別設置為0.25，0.5，1，2，3 m/d。降水速度對地鐵隧道與抗拔樁豎向變形的影響見圖10，降水速度對抗拔樁內力的影響見圖11。

圖9 滲流速度云圖

圖10 降水速度對地鐵隧道與抗拔樁豎向變形的影響

圖11 降水速度對抗拔樁內力的影響

由于隧道所在區間土層為弱透水層，在不同降水速度條件下，隧道豎向位移基本保持不變；抗拔樁在降水速度加快至0.5 m/d后，水平剪力由116 kN增至119 kN，彎矩由125 kN·m增至128 kN·m，豎向位移小幅度增大；在降水速度加快至1 m/d后，抗拔樁剪力、彎矩變化趨于穩定，軸力由5 004 kN增長至5 153 kN。因此降水速度應該在現場施工中進行控制，雖然在弱透水土層中，降水速度對隧道變形的影響較小，但降水過程中抗拔樁圍護結構內力的增長情況應該引起重視。

3.5 完全應力-滲流耦合分析

在MIDAS GTS NX施工階段分析中，應力-滲流-邊坡分析是對施工過程中進行流固耦合及邊坡穩定性分析，完全應力-滲流耦合分析是考慮非穩定滲流的流固耦合分析。現分別進行兩種耦合分析，降水深度為基坑底1 m時L10、R10監測斷面隧道變形情況如圖12所示。

圖12 不同類別耦合分析對比

在兩種耦合分析情況下，地鐵隧道的變形規律相似，隧道頂部的豎向位移最大(L10-1、R10-1測點)，隧道靠近基坑側腰部水平位移最大(L10-5、R10-2測點)。完全應力-滲流耦合數值模擬的結果比應力-滲流-邊坡耦合數值模擬的結果稍小，完全應力-滲流耦合的分析結果與現場監測結果更接近。

4 結論

(1)降水深度對隧道豎向位移影響較大，隨著降水深度增加會對隧道隆起有抑制效果，但過大的降水深度會使隧道發生沉降。工程中如果豎向位移控制要求較嚴格，可適當增加基坑降水的深度控制隧道隆起，基坑降水深度最佳宜設置在基坑底5 ～7 m。

(2)在分塊開挖效應下，隧道豎向呈“M”形曲線隆起，基坑開挖范圍內隧道位移以豎向隆起為主，豎向位移整體大于水平位移。隧道襯砌結構變形趨勢表現為“水平向壓縮、豎向拉伸”的豎橢圓狀。在實際施工中建議以分層分塊的方式進行開挖，減少對隧道的不利影響。

(3)土體滲流在空間上存在差異；當隧道所在區間土層為弱透水層時，基坑降水速度對隧道變形影響不大，但降水速度對隧道圍護結構的內力影響應該引起重視。

(4)地鐵隧道在頂部豎向位移最大，靠近基坑側的腰部水平位移最大，考慮基坑降水的流固耦合分析模擬結果更接近實測結果。