深基坑開挖對鄰近軟土隧道的影響分析

金 彪

(杭州市城建設計研究院有限公司，浙江 杭州 310021)

1 概述

隨著我國地下空間綜合利用的迅速發展，鄰近工程之間相互影響的案例屢見不鮮，越來越多的基坑工程鄰近或上跨既有隧道，兩者之間的關系越來越密切。基坑開挖會破壞土體原有平衡應力場，引起土體應力重分布，從而對既有隧道產生附加的應力和位移[1-3]。因此如何評估基坑工程對既有隧道的影響，從而控制既有隧道變形具有重大意義，也引起了人們的廣泛關注。對于這個課題，國內外學者從理論分析、數值模擬、現場監測和模型試驗等各方面展開了廣泛的研究。姜兆華、張永興[4]對基坑開挖對鄰近隧道的縱向位移影響的計算方法做了一些研究。徐長節等[5]運用有限元軟件對相鄰隧道受基坑施工的影響進行了數值分析研究，分析表明，采取加強有關圍護結構剛度以及分塊對稱開挖等措施能顯著控制已建隧道的變形，同時說明在基坑開挖前對其鄰近隧道的影響進行模擬分析是十分必要的。蔣洪勝等[6]通過對比隧道變形的現場監測結果和開挖基坑周邊土體位移場的理論分析，分別從隧道的豎向沉降、水平位移以及橫向變形等角度討論了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。

三維數值模擬作為計算領域的重要手段，可以考慮土體與既有隧道的相互作用，是目前分析基坑開挖對既有隧道影響的主要方法。本文以某工程實例為背景，在此基礎上采用MIDAS GTS NX三維有限元數值模擬方法計算分析了基坑開挖對鄰近軟土隧道應力和變形的影響，研究方法和結論可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

擬建項目位于杭州市上城區，項目總用地面積8 174 m2，地下總建筑面積約17 012 m2，項目擬建1幢12層和1幢4層商務樓，地基處理采用鉆孔灌注樁。本工程基坑面積約6 050 m2，周長約425 m，地下室設置3層，挖深約為14.6 m～16.8 m。本基坑工程圍護結構采用厚度800 mm的地下連續墻，坑外設置一道厚700 mm的TRD水泥地下連續墻，坑內設置一道直徑850 mm的水泥攪拌樁止水帷幕結合控制性降水，基坑設置三道鋼筋混凝土水平內支撐。

基坑南側為已建軟土下穿城市隧道，基坑邊距離隧道最近水平凈距約18.7 m。本次基坑主要影響隧道區段為西側U型槽段和遮陽棚段。其中西側U型槽段采用C35鋼筋混凝土結構，總長115 m，總寬20.6 m，底板厚度1.0 m，側墻厚0.5 m～1.0 m，底板下設15 cm厚C20素混凝土墊層。西側遮陽棚段采用C35鋼筋混凝土結構，總長61 m，總寬18.1 m～19.5 m，底板側墻厚0.8 m，底板下設15 cm厚C20素混凝土墊層和30 cm碎石墊層。

3 有限元模擬分析

3.1 計算模型建立

本次模擬根據現場實際地形、基坑及下穿隧道的分布三維空間情況建立三維數值模型，然后模擬實際施工中土體自重應力場平衡、圍護結構施工、基坑土體開挖到主體結構澆筑的整個過程。

充分考慮基坑開挖的深度、基坑的平面尺寸以及與已建下穿隧道的距離等工程影響范圍后，模型大小選取為長260 m×寬180 m×高70 m。隧道結構采用板單元模擬；支撐采用梁單元模擬；圍護結構地連墻采用板單元模擬。建立基坑、隧道及周邊地層分布的三維數值模型，并劃分有限元網格，如圖1所示。基坑圍護結構地連墻、支撐、立柱及隧道結構三維網格模型如圖2所示。

3.2 材料參數選取

本次模擬土體材料本構模型采用修正摩爾—庫侖模型，同理想彈塑性模型不同的是，它可以考慮土體的壓縮硬化和剪切硬化特性，屈服面隨塑性應變的發生而擴張。本模型大量用于基坑開挖、盾構隧道推進等工程的有限元模擬，模擬結果與實際情況吻合較好。

本次模擬在幾何模型的底部施加水平和豎直方向約束，在模型四周豎向邊界施加水平方向約束，模型上部邊界設為自由端。

根據該工程勘察深度范圍內揭露的地層，結合室內土工試驗，可將場地地基土劃分為9個工程地質層。其分布及力學參數主要根據巖土工程勘察報告選取，部分參數通過地勘報告結合理論、軟件說明中的公式進行推導并參考其他工程的經驗取值獲得。具體參數見表1。

3.3 數值分析步驟

基坑工程的現場實際施工階段非常復雜，也經常發生變化，因此在數值模擬中一般是將其簡化，選取較為重要的施工階段進行模擬分析。本次模擬針對幾個重要工況進行了分析，施工步驟詳見表2。

3.4 數值計算結果分析

通過三維數值模擬，得到基坑開挖完成后下穿隧道的水平位移和豎向位移云圖，見圖3,圖4。同時，也可以得到各工況下隧道的最大水平位移和最大豎向位移，見表3。

表1 土層參數表

表2 數值分析施工步驟表

表3 主要工況下隧道最大位移表

施工工況隧道最大水平位移/mm隧道最大豎向位移/mm工況三0.310.69工況四0.441.32工況五0.552.02工況六0.632.31

由以上計算結果可知，基坑開挖過程中，土體開挖導致隧道結構的最大水平位移為0.63 mm，最大豎向位移為2.31 mm，均發生在基坑開挖至坑底時。基坑開挖過程中，隧道結構水平位移方向為朝向基坑；隧道結構豎向位移表現為沉降。同時，可以看到隧道結構的水平位移和豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷增加，在開挖至坑底時達到最大。此外，基坑開挖導致的隧道結構位移以豎向位移為主，水平位移較小，是由于本基坑工程圍護結構剛度較大，很好的控制了基坑周邊土體的側向變形，隧道結構位移主要是基坑開挖卸荷導致周邊土體沉降帶來的豎向位移。

綜合上述有限元結果分析，可認為本基坑工程開挖會造成鄰近軟土隧道結構發生一定程度的水平位移和豎向位移，其中以豎向位移為主，但整體位移量較小，在正常施工情況下，隧道結構的位移可控制在安全范圍內，本基坑工程是安全可行的。

4 結語

本文結合鄰近軟土隧道的深基坑工程，基于MIDAS GTS NX軟件，建立了基坑圍護結構、軟土隧道和周邊土體的三維有限元數值模型，分析評估了基坑開挖對鄰近軟土隧道的影響，得到結論如下：

1)基坑開挖會對鄰近軟土隧道產生影響，造成隧道結構發生一定的水平位移和豎向位移。根據有限元數值模擬計算，隧道結構的位移較小，在正常施工情況下，隧道結構的位移可以控制在安全范圍內，本基坑工程開挖不會對隧道的安全運營產生影響。

2)根據有限元數值模擬分析，在基坑圍護結構剛度較好的情況下，基坑開挖造成隧道結構的位移以豎向位移為主，主要是由基坑開挖卸荷導致基坑周邊土體沉降帶來的。因此，在設計和施工中，不僅要考慮基坑圍護結構的加強，也要采取適當的措施減少基坑開挖卸荷帶來的影響。

3)三維有限元數值模擬能夠較為真實的反映深基坑開挖過程中的實際狀況，分析基坑開挖對鄰近隧道的影響，結合工程實際監測數據，可以為工程實踐提供較為可靠的定量依據。本案例可為類似工程的設計和施工提供有益參考。