基坑開挖對下臥隧道的影響分析

張曉鵬

摘 要：隨著社會經濟的不斷發展，許多城市開始興建地鐵，以緩解城市交通壓力，而基坑緊鄰隧道進行開挖的案例也時常出現。為明確基坑開挖對下臥隧道的影響，本文以一位于隧道上部的基坑開挖工程為例，采用PLAXIS 2D有限元軟件進行基坑的支護及開挖步驟分析，研究基坑開挖期間隧道位移及應力的變化。結果表明，隨著基坑開挖的推進，隧道變形逐漸增大，隧道最大變形出現在隧道頂部，隧道最大彎矩出現在隧道兩側的水平位置處。

關鍵詞：基坑開挖;下臥隧道;HSS模型;隧道變形;應力變化

中圖分類號：U451 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）15-0085-03

Abstract： With the continuous development of social economy， many cities have begun to build subways to relieve urban traffic pressure， and cases of excavation of foundation pits next to tunnels often appear. In order to clarify the impact of foundation pit excavation on the underlying tunnel， this paper takes a foundation pit excavation project located in the upper part of the tunnel as an example， and uses PLAXIS 2D finite element software to analyze the foundation pit support and excavation steps， and studies the changes of tunnel displacement and stress during foundation pit excavation. The results show that as the excavation of the foundation pit progresses， the deformation of the tunnel gradually increases， the maximum deformation of the tunnel appears at the top of the tunnel， and the maximum bending moment of the tunnel appears at the horizontal position on both sides of the tunnel.

Keywords： foundation pit excavation;underlying tunnel;HSS model;tunnel deformation;stress change

隨著城市的發展，基坑開挖工程越來越多，很多更是緊鄰隧道進行開挖。基坑開挖會使鄰近既有隧道發生變形，若未處理好這種影響，有可能導致隧道產生較大變形甚至破壞[1-2]。目前，基坑開挖管控已日趨嚴格，對于一些特殊環境，如隧道，許多規范已提出了嚴格的要求，變形控制要求已從厘米級變成毫米級。因此，分析基坑開挖對鄰近既有隧道的影響已越發重要。

羅鑫等通過兩階段法計算了基坑開挖引起的下臥隧道隆起變形，并采用數值模擬軟件模擬了四種不同工況下隧道的變形[3]。李連祥等采用PLAXIS 3D軟件分析了基坑開挖對鄰近隧道水平位移的影響，并擬合了隧道最大水平位移與基坑寬度、隧道與基坑水平距離的關系公式[4]。石顯祥利用MIDAS軟件，研究了基坑開挖過程中地鐵隧道的變形情況，并分析了隧道埋深、基坑與隧道凈距對隧道變形的影響[5]。王利軍等FLAC 3D有限差分軟件，分析了基坑開挖過程中地鐵隧道的整體變形規律[6]。本文以一位于隧道上部的基坑開挖工程為例，通過數值模擬軟件建立基坑開挖對下臥隧道的影響分析模型，分析基坑開挖過程中隧道位移及應力的變化情況，為今后類似工程的設計提供依據。

1 工程概況

內蒙古某緊鄰隧道的基坑工程深度為12 m，長度為50 m，擬建三層地下室，基坑采用地下連續墻加三層內支撐的形式，地下連續墻埋深為18 m，內支撐分別設置在地表下-1、-5、-9 m處。基坑下方有一中心埋深為25 m的隧道，隧道外徑為6.2 m，基坑坑底距隧道拱頂僅9.9 m，模型幾何尺寸如圖1所示。圖中，數據單位均為米（m）。

基坑部分土層主要為2.1 m雜填土、7.5 m砂土，砂土以下都是粉質黏土，場地內無地下水，因此下文不考慮地下水的影響。

2 數值分析模型

采用PLAXIS 2D數值模擬軟件建立基坑開挖對下臥隧道的影響分析模型，僅考慮平面應變的情況。采用15節點（含12個高斯應力積分點）三角形實體單元模擬土層，地下連續墻采用5節點板單元模擬，內支撐采用錨定桿單元模擬，相應的界面采用五組節點定義，數值模型邊界條件采用標準邊界。模型邊界外設為50 m，基坑開挖深度以下設為38 m，基本可以消除邊界效應的影響。

土體采用HSS模型模擬，該模型可以考慮小應變條件下土體剪切模量隨剪切應變進行強烈非線性變化的特性，所以采用HSS模型能夠更好地模擬基坑開挖引起的變形[7]。土體物理力學參數如表1所示。其中，[h]為土層厚度;[γ]為土體天然容重;[c]為土的有效黏聚力;[φ]為土的有效內摩擦角;[Eref50]為三軸排水剪切試驗的參考割線模量;[Erefoed]為固結試驗中的參考切線模量;[Erefur]為三軸排水剪切試驗的參考加卸載割線模量;[Gref0]為小應變剛度試驗中的參考初始模量;[m]為剛度應力水平相關冪指數;[γ0.7]為割線剪切模量衰減到初始剪切模量70%時所對應的剪應變。[m]及[γ0.7]可取《PLAXIS巖土工程軟件使用指南》中的經驗值[8]。

基坑支護結構及隧道隧道如表2所示。其中，[EA]為材料的軸向剛度;[EI]為材料的抗彎剛度;[γ0]為材料的附加容重;[μ]為材料的泊松比;[L]為內支撐平面外間距;[R]為結構與土相互作用下的土體強度折減系數，在缺少相關資料時可取0.65。

基坑分三步進行開挖，模擬的計算步如下：建設地連墻，計算地應力平衡;開挖至-4 m深度處;在-1 m深度處設置內支撐;開挖至-8 m深度處;在-5 m深度處設置內支撐;開挖至-12 m深度處;在-9 m深度處設置內支撐。

3 數值模擬分析

本次模擬采用PLAXIS 2D數值模擬軟件中的小應變土體硬化（HSS）本構模型。該模型是以經典的塑形理論為基礎的屈服面模型。該模型彈性部分采用了雙剛度，分別定義了加卸載模量，且考慮了土體壓硬特性。塑性部分采用非相關聯流動法則和各向同性的硬化準則，能夠比較好地描述應力-應變關系的雙曲線形式及土體的剪脹性。在基坑開挖的數值模擬中，前人研究表明，采用線彈性模型模擬土體，較難預測土層的變形及應力分布，而考慮土體小應變情況下，土體剛度的非線性特性能夠較好地模擬土與結構的相互作用，因此采用HSS模型能較好地模擬基坑開挖對下臥隧道的影響[9]。

4 隧道變形

隧道前后變形對比如圖2所示。從圖中可以看出，隧道變形包括隧道整體向上位移及隧道受到兩側水平方向的擠壓，隧道最終由圓形變為蛋形。基坑開挖過程中，隧道隆起變形的變化趨勢如圖3所示。從圖中可以看出，隨著隧道的開挖，隧道變形逐漸增大，當基坑開挖完成時，隧道發生最大變形，這是由于隨著基坑的開挖，基坑卸荷應力逐漸增大。由于隧道位于基坑下方，因此隧道最大變形出現在隧道拱頂處。從隧道的變形形式可以看出，位于基坑下方的隧道以豎向變形為主，隧道最大豎向變形為21 mm。因此，當遇到位于隧道上方的基坑開挖時，應格外注意隧道頂部的變形是否超出規范的變形控制要求。

5 隧道彎矩

本文選取了隧道頂部、隧道底部及隧道右側水平位置的彎矩進行分析。由于整體模型的對稱性，隧道左右水平位置的彎矩相同，因此可只取隧道水平位置一側的彎矩進行分析。隧道頂部、隧道底部及隧道右側水平位置的彎矩分別為141 kN·m、180 kN·m及159 kN·m。最大彎矩出現在隧道水平位置處，由彎矩分布也可看出，隧道變形形式主要為蛋形，由水平兩側向中部擠壓，隧道兩側水平位置彎矩最大，而最大變形出現在隧道頂部。

6 結論

本文通過數值模擬軟件模擬了基坑開挖對下臥隧道的影響，分析了開挖過程中的隧道變形。研究表明，隨著基坑的開挖，隧道變形逐漸變大，當基坑開挖完成后，隧道變形達到最大;隧道最大變形的部位出現在隧道頂部，在基坑施工過程中，應格外注意該部分的變形;由于隧道的變形形式主要為蛋形，隧道最大彎矩出現在隧道兩側的水平位置處。

參考文獻：

[1]王燦，凌道盛，王恒宇.軟土結構性對基坑開挖及鄰近地鐵隧道的影響[J].浙江大學學報（工學版），2020（2）：264-274.

[2]張琦，王月峰，李建春，等.深基坑緊鄰地鐵隧道安全評價方法[J].中國安全科學學報，2021（4）：95-104.

[3]羅鑫，王冰潔，尹燕良，等.基坑開挖影響下下臥盾構隧道變形及控制措施研究[J].安全與環境工程，2021（2）：86-94.

[4]李連祥，張強，石錦江，等.基坑開挖鄰近隧道水平形變位移規律[J].山東大學學報（工學版），2021（1）：46-52.

[5]石顯祥.基于MIDAS的深基坑開挖變形及其對鄰近地鐵隧道的影響研究[J].礦產與地質，2020（6）：1189-1194.

[6]王利軍，邱俊筠，何忠明，等.超大深基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形影響[J].長安大學學報（自然科學版），2020（6）：77-85.

[7]李青，徐中華，王衛東，等.上海典型黏土小應變剪切模量現場和室內試驗研究[J].巖土力學，2016（11）：3263-3269.

[8]北京金土木軟件技術有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京：人民交通出版社，2016：18-20.

[9]JARDINE R，POTTS D，FOURIE A，et al.Studies of the influence of non-linear stress-strain characteristics in soil-structure interaction[J].Geotechnique，1986（3）：377-396.