基坑開挖及降水對周邊地鐵隧道變形的影響分析

孫 琳,李云安，魯賢成，陳琦文，胡樂健，石文祥

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢430074)

隨著我國城市化進程的加快，東部沿海城市人口密度越來越大，城市用地緊張，不可避免地會造成建筑用地越來越靠近運營的地鐵隧道，甚至就在運營的地鐵隧道上方。基坑開挖會改變周邊土體的應(yīng)力場與應(yīng)變場，降水則會改變周邊土體的滲流場，從而影響土體的應(yīng)力及應(yīng)變，導(dǎo)致周邊土體中的地鐵隧道變形并產(chǎn)生附加應(yīng)力，嚴(yán)重影響地鐵運營。因此，基坑開挖及降水對周邊地鐵隧道變形的影響研究也成為當(dāng)下的熱點。

目前國內(nèi)外對基坑開挖引起鄰近地鐵隧道變形的研究主要集中在基坑開挖對地鐵隧道變形的影響規(guī)律[1]、變形計算[2]以及控制措施[3]等，主要研究方法有實測分析法[4-7]、理論解析法[8-11]、數(shù)值模擬法[12-16]、模型試驗法[17-20]。Burford[4]通過研究The Shell building建筑開挖引起的Bakerloo line隧道位移發(fā)現(xiàn)，由于坑底固結(jié)緩慢，在開挖30年后仍有上浮位移，認(rèn)為是上覆土壓力卸載導(dǎo)致了倫敦黏土的長期隆起；Kojima等[5]、劉庭金[6]、肖同剛[7]等運用實測分析法，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了基坑開挖對隧道變形的影響規(guī)律；劉國彬等[8]根據(jù)大量的實測資料，提出了軟土基坑隆起變形的殘余應(yīng)力分析法;Goh等[9]在研究隧道開挖對樁基影響時提出了兩階段分析法；張治國等[10]、魏綱等[11]采用理論解析法對基坑開挖引起鄰近隧道變形進行了研究；Dole?alová[12]、鄭剛等[13]、高廣運等[14]、宋曉鳳等[15]、岳云鵬等[16]運用數(shù)值模擬的方法對基坑開挖引起鄰近隧道變形進行了研究；Kusakabe等[17]、Ng等[18]采用離心模型試驗的方法，研究了基坑開挖對周邊地鐵隧道變形的影響；梁發(fā)云等[19]以上海某緊鄰地鐵隧道的深基坑工程為背景，采用模型試驗方法研究了深基坑開挖對地鐵隧道變形的影響。

綜上可見，眾多學(xué)者既有從單個方法，又有結(jié)合多種方法互相印證分析對基坑開挖對周邊地鐵隧道變形的影響進行了研究。在上述研究的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合深圳前海某基坑工程，考慮基坑開挖及降水情況，基于有限元軟件建立了基坑三維有限元模型，分析基坑開挖及降水對周邊地鐵隧道變形的影響，并與現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)的監(jiān)測結(jié)果進行了對比，并分析了不同降水深度基坑開挖對地鐵隧道變形的影響。該研究結(jié)果可為基坑開挖及降水對鄰近地鐵隧道變形的影響研究提供參考。

1 工程概況

1.1 場地概況

某基坑工程項目場地位于深圳前海區(qū)，場地地貌單元屬珠江口海漫灘堆積區(qū)，后經(jīng)大面積的填海改造。基坑長約350 m，寬約170 m，開挖深度為21～27 m；1號線地鐵隧道位于基坑的東北角，隧道外邊緣距離坑邊最小距離約37.6 m。基坑4個角部采用樁撐支護，其中基坑南側(cè)采用雙排樁+內(nèi)支撐，樁頂設(shè)板與南側(cè)卓越雙排樁連接起來；基坑北側(cè)中段采用樁錨支護。基坑支護與1號線地鐵隧道平面圖和剖面圖見圖1和圖2，錨索支護剖面圖見圖3。

圖1 基坑支護與1號線地鐵隧道平面圖Fig.1 Plan of foundation pit support and the tunnel of subway Line 1

圖2 基坑支護與1號線地鐵隧道的相對位置關(guān)系 剖面圖Fig.2 Section of relative position relationship between the foundation pit support and the tunnel of subway Line 1

圖3 錨索支護剖面圖(單位：mm)Fig.3 Section of the anchor support(unit:mm)

1.2 場地工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，該地段場地原始地貌為濱海灘涂，分布有較厚的淤泥層，后經(jīng)人工填海改造，回填至現(xiàn)狀標(biāo)高，地勢總體較為平坦。場地地層巖性從地表向下為人工填石、素填土、淤泥、砂質(zhì)黏性土、混合花崗巖風(fēng)化層(全、強、中、微風(fēng)化)。場地地下水賦存于土層孔隙和基巖裂隙中，上方為潛水孔隙水，主要賦存于填土、砂層中；下方為基巖裂隙水，主要賦存于基巖的強、中風(fēng)化層中。

2 三維有限元模型建立與施工工況

2.1 三維有限元模型建立

由于基坑范圍太大，若建立整個基坑模型，劃分網(wǎng)格的數(shù)量太多，計算分析會耗時較長，因基坑形狀近似為長方形，且支護結(jié)構(gòu)較為對稱，因此在保證計算精度的前提下可建立四分之一基坑模型，模型范圍如圖1紅色線框區(qū)域所示。本文利用MIDAS GTS NX軟件建立了基坑三維有限元模型見圖4，并進行基坑開挖及降水計算。模型尺寸為260 m×170 m×40 m，基坑開挖范圍為173 m×84 m×22 m。模型土層采用3D實體單元，支撐和立柱采用1D

圖4 基坑三維有限元模型Fig.4 Three dimensional finite element model of the foundation pit

梁單元，地鐵襯砌采用殼單元，排樁為“一葷一素”咬合式，這里將排樁簡化成地連墻，采用殼單元模擬。基坑支護與地鐵隧道三維圖見圖5。

圖5 基坑支護與地鐵隧道三維圖Fig.5 Three dimensional drawing of the foundation pit support and the subway tunnel

2.2 模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實際情況和已有研究成果分析，本模型土體本構(gòu)模型采用修正的摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)模型，該模型更適用于淤泥或砂土。根據(jù)《基坑工程手冊》[20]可知，排樁簡化成地連墻，樁體等效剛度的計算公式如下：

(1)

(2)

式中：D為樁的直徑(m)；t為樁間凈距(m);h為樁體等效剛度即等效地連墻厚度(m)，見圖6。

圖6 樁體等效剛度計算示意圖Fig.6 Diagram of equivalent stiffness calculation of the pile

由公式(2)可計算得出等效地連墻厚度h約為1.1 m。該基坑工程場地地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)和基坑支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，見表1和表2。

表1 某基坑工程場地地層巖土體物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil in strata at a foundation pit engineering project site

表2 基坑支護結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Parameters of the foundation pit supporting structure

2.3 施工工況

本基坑工程主要針對基坑開挖時是否考慮降水對地鐵隧道變形的影響進行了對比研究，具體施工工況見表3。

表3 基坑開挖及降水施工工況Table 3 Construction conditions of foundation pit excavation and dewatering

3 數(shù)值模擬計算與分析

3.1 基坑開挖是否考慮降水對基坑支護結(jié)構(gòu)變形的影響對比分析及模型驗證

基坑在開挖時，坑內(nèi)土體開挖卸荷使坑內(nèi)外土體產(chǎn)生壓力差，坑外土體對基坑支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擠壓的作用，從而使基坑支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。降水會造成滲透力改變土體的應(yīng)力，從而進一步影響基坑支護結(jié)構(gòu)的變形。本文選取基坑支護結(jié)構(gòu)A、B兩點剖面(見圖7)進行數(shù)值計算與分析，模擬得到基坑支護結(jié)構(gòu)A、B兩點地連墻的水平位移，見圖8和圖9。

圖7 基坑支護結(jié)構(gòu)A、B兩點剖面線位置Fig.7 Position of the section lines at point A and point B of the foundation pit supporting structure

圖8 基坑支護結(jié)構(gòu)A點地連墻的水平位移Fig.8 Horizontal displacement of the diaphragm wall at point A of the foundation pit supporting structure

圖9 基坑支護結(jié)構(gòu)B點地連墻水平位移Fig.9 Horizontal displacement of the diaphragm wall at point B of the foundation pit supporting structure

由圖8、圖9可見，考慮降水和未考慮降水條件下基坑支護結(jié)構(gòu)地連墻的變形差異較大，考慮降水時地連墻的變形更大，且與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)更接近，更符合實際情況。實際中，基坑工程地下水應(yīng)力場與滲流場之間存在耦合作用，降水作用打破了地下水原滲流場的平衡，同時會引起地下水應(yīng)力場的改變，水在發(fā)生滲流時，滲流力會加劇土體的移動，使土體變形增大，因此當(dāng)存在地下水時不能忽視水的作用。

3.2 基坑開挖及降水對地鐵隧道變形的影響分析

在對地鐵隧道變形進行分析時，取靠近基坑一側(cè)的隧道作為分析對象，以隧道與模型邊界的交點為原點向左取200 m，如圖10所示，取A、C點所在軸線分析隧道的水平位移，取B、D點所在軸線分析隧道的沉降即豎向位移。

圖10 隧道軸線控制示意圖Fig.10 Diagram of the tunnel axis control

為研究考慮基坑降水條件下基坑開挖及降水對基坑及周邊隧道變形的影響規(guī)律，在模型的基礎(chǔ)上增加了滲流邊界條件，采用定水頭邊界，即定義每次降水時水位面的水頭為一定值，基坑開挖及降水的施工工況見表3，模擬得到基坑開挖及第七次降水孔隙水壓力分布云圖，以及不同基坑開挖及降水施工工況下隧道左右側(cè)(A、C點)水平位移曲線、隧道頂?shù)撞?B、D點)豎向位移曲線，見圖11至圖15。

圖11 基坑開挖及第七次降水孔隙水壓力分布云圖Fig.11 Distributuion of pore water pressure of the seventh dewatering in foundation pit excavation

圖15 不同基坑開挖及降水施工工況下隧道底部(D點) 豎向位移曲線Fig.15 Vertical displacement curves of the bottom of the tunnel (point D) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

由圖12和圖13可見，隧道左、右側(cè)的水平位移呈“橫鴨蛋”狀，這是因為在上覆土體的重力作用下，隧道受到擠壓作用而有一定程度的壓扁情況；隧道在水平方向的變形受基坑開挖及降水協(xié)同作用的影響較大，在降水條件下，基坑開挖對隧道水平位移的影響較為顯著，在模型中隧道中部附近(圖7中所標(biāo)注的原點開始，向正方向延伸100 m左右)的水平位移達到較大值，此處隧道水平變形受到的影響最大；第四次開挖后隧道的水平位移急劇增加，這是由于第四次開挖后基坑支護結(jié)構(gòu)的總體剛度不夠所致。

圖12 不同基坑開挖及降水施工工況下隧道左側(cè)(A點) 水平位移曲線Fig.12 Horizontal displacement curves of the left side of the tunnel (point A) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

圖13 不同基坑開挖及降水施工工況下隧道右側(cè)(C點) 水平位移曲線Fig.13 Horizontal displacement curves of the right side of the tunnel (point C) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

由圖14和圖15可見，隧道頂、底部均產(chǎn)生了沉降，隧道頂部的沉降偏大，隧道頂、底部的豎向位移呈整體下降趨勢，但隧道中部的豎向變形相對較大；隧道的豎向位移受降水的影響也較為明顯，與隧道的水平位移相似，第四次開挖后隧道的豎向位移也急劇增加，速率加快，第五次開挖后由于基坑的支護結(jié)構(gòu)整體剛度較大，基坑的豎向變形受到抑制，隧道的豎向變形也逐漸減慢。總體來講，隧道的豎向變形相對較大。

圖14 不同基坑開挖及降水施工工況下隧道頂部(B點) 豎向位移曲線Fig.14 Vertical displacement curves of the top of the tunnel (point B) under different foundation pit excavation and dewatering conditions

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[21]中規(guī)定：隧道的水平和豎向變形控制值為20 mm，可見基坑開挖及降水之后，該隧道支護結(jié)構(gòu)的變形滿足安全要求。但是相對來說，該隧道的變形較大，需要做進一步分析，并在施工過程中要注意隧道變形的監(jiān)測，有條件的情況下可以進行施工風(fēng)險評價[22]。因本文采取三維建模計算，模型按最不利原則進行了簡化，其計算結(jié)果偏于保守，建議進行典型剖面分析，并運用多軟件進行模擬與對比分析，以便得出可靠的結(jié)果。

3.3 不同初始地下水水位(降水深度)對地鐵隧道變形的影響分析

因三維模型計算較慢、時間較長，故本文在分析不同初始地下水水位對地鐵隧道變形的影響時，采用二維模型進行模擬。建立的基坑二維有限元模型見圖16，基坑支護與地鐵隧道的相對位置關(guān)系剖面圖見圖17。模型開挖深度取22 m，開挖寬度取168 m，根據(jù)已有研究及基坑開挖影響范圍的計算結(jié)果，基坑模型尺寸長度取388 m，深度取80 m；土體本構(gòu)模型及其參數(shù)等均與三維有限元模型一樣；初始地下水水位(降水深度)分別取-1 m、-3 m、-5 m、-7 m、-9 m、-11 m；隧道距基坑邊的距離s取14 m，隧道中心埋深h取16.3 m，圍護樁樁徑D取1.4 m，樁長L取30 m，支撐截面尺寸取1.0 m×1.2 m。

圖16 基坑二維有限元模型Fig.16 Two dimensional finite element model of the foundation pit

圖17 基坑支護與地鐵隧道相對位置關(guān)系剖面圖Fig.17 Section of relative position of the foundation pit support and the subway tunnel

不同初始地下水水位條件下基坑開挖及降水對地鐵隧道水平位移和豎向位移的影響曲線，見圖18和圖19。

圖18 不同初始地下水水位條件下基坑開挖及降水 對隧道左側(cè)水平位移的影響曲線Fig.18 Curves of the influence of foundation pit excavation and dewatering on horizontal displacement of the left side of the tunnel under different initial groundwater levels

圖19 不同初始地下水水位條件下基坑開挖及降水 對隧道頂部豎向位移的影響曲線Fig.19 Curves of the influence of foundation pit excavation and dewatering on vertical displacement of the top of the tunnel under different initial groundwater levels

由圖18和19可見，隧道的變形與初始地下水水位存在相關(guān)性，當(dāng)初始地下水水位埋深小于7 m時，隧道的變形與初始地下水水位呈線性相關(guān)；隧道的變形受施工工況的影響也較為顯著，當(dāng)基坑開挖深度較淺(開挖深度小于7 m)且初始地下水水位埋深小于7 m時，隧道變形受初始地下水水位的影響顯著，當(dāng)初始地下水水位埋深大于7 m時，初始施工階段(第一、第二次開挖)下的隧道變形受初始地下水水位的影響不明顯。總體來看，地下水滲流對基坑及隧道變形的影響較大，水是基坑工程中不容忽視的一個重要因素。初始地下水水位埋深越淺，對基坑及鄰近構(gòu)筑物的影響越大，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钚∮?.3倍開挖深度H時，地下水滲流對基坑變形的影響顯著，當(dāng)初始地下水水位埋深大于0.5倍開挖深度H時，地下水水位對基坑工程的影響相對較弱。

4 結(jié) 論

本文以深圳前海某基坑工程為研究對象，考慮基坑開挖及降水情況，利用MIDAS GTS NX軟件建立基坑三維有限元模型和二維有限元模型，分析了基坑開挖及降水對周邊地鐵隧道變形的影響，且與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比，并分析了不同降水深度基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，得到如下結(jié)論：

(1) 基坑開挖時，考慮降水時地連墻的變形更大，且與監(jiān)測數(shù)據(jù)更接近，更符合實際情況。實際中，基坑工程地下水應(yīng)力場與滲流場存在耦合作用，降水作用下，打破了地下水原滲流場的平衡，同時會引起地下水應(yīng)力場的改變，水在發(fā)生滲流時，滲流力會加劇土體的移動，使土體變形增大，因此當(dāng)存在地下水時不能忽視水的作用。

(2) 基坑開挖及降水對周邊地鐵隧道變形的影響較大，且離作業(yè)場地越近，隧道的變形越大；隧道水平方向的變形呈“橫鴨蛋”狀，隧道豎向方向的變形呈整體下降趨勢。因此，基坑開挖中尤其在降水作用下，當(dāng)周邊有重要的構(gòu)筑物時，需要嚴(yán)格控制變形，并進行驗算與論證。

(3) 水是基坑工程中不容忽視的一個重要因素，不同基坑開挖深度、降水深度對周邊地鐵隧道變形的影響不同。其中，初始地下水水位埋深越淺，對基坑及鄰近構(gòu)筑物的影響越大，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钚∮?.3倍的開挖深度H時，地下水滲流對基坑變形的影響顯著；當(dāng)初始地下水水位埋深大于0.5倍開挖深度H時，地下水水位對基坑工程的影響相對較弱。

(4) 本研究所在地區(qū)強、中風(fēng)化花崗巖的滲透系數(shù)較大，水量較大，地下水具有一定的承壓性，由于沒有相應(yīng)的承壓水的數(shù)據(jù)資料，沒有模擬地下水承壓狀態(tài)，故本文結(jié)果僅為潛水狀態(tài)下的模擬結(jié)果。