基坑開挖對鄰近地鐵結構影響的數值模擬研究

黃筱淇 胡盛亮 李達宏

（南昌市城市規劃設計研究總院集團有限公司，江西 南昌 330038）

0 引言

隨著城市建設的快速發展，公共交通和市政建設如火如荼［1］。然而，在城市建設和改造過程中，常常面臨著施工區域鄰近地鐵隧道、地鐵車站等情況［2-4］。在施工過程中，基坑工程開挖施工會引起土體變形，鄰近結構所受土體應力狀態發生變化，常常面臨失穩破壞等問題［5］。因此，針對施工過程中基坑開挖過程中地表位移、豎向位移、鄰近結構土體變形開展研究非常重要［6-8］。

但在實際工程中，基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的影響是一個復雜問題［9-10］。由于諸多限制因素，許多基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的研究大都采用了二維條件下的模擬。因此，本研究選取某城市地鐵隧道、地鐵車站附近的基坑開挖工程為研究對象，通過現場實測土體參數和室內原位土剪切試驗及固結試驗，獲得土體的基本情況。同時，結合Midas 數值模擬軟件，分析基坑開挖卸載對下方既有盾構隧道的影響機理和規律，并對實測數據和數值模擬結果進行對比和分析。

1 工程概況

1.1 分析對象與南昌市軌道4 號線車站以及其他區間的位置關系

1.1.1 新建江紡路雨污水管道與民火區間位置關系。本工程為江紡路雨污水管道與南昌市軌道4 號線民園路西站至火炬站盾構區間（以下簡稱“民火區間“），包括平行段和相交段。平行段為江紡路箱涵橋以東約200 m 范圍內，北側污水管外壁與地鐵隧道外壁最小平面距離為0.81 m，其他管道也有相應距離。相交段共有3 處，分別為1#、2#、3#相交處，位置關系見表1。

表1 江紡路雨污水管涵與民火區間具體位置關系

1.1.2 新建民園路雨水箱涵與民火區間位置關系。新建民園路雨水箱涵布置在道路南、北側非機動車道下，與地鐵4 號線隧道共有2 處相交，位置關系見表2。

表2 民園路雨水箱涵與地鐵盾構區間具體位置關系

1.1.3 新建民園路雨水箱涵與火炬站之間關系。火炬站主體位于現狀民園路下，車站主體結構外底標高為-0.418 m，外頂標高為15.082 m。本次新建雨水箱涵外壁距離火炬站主體結構外壁最小為11.45 m，距離火炬站2 號出入口結構外壁最小為9.97 m，本段箱涵內底標高為14.72～14.80 m。民園路（科技大道～高新大道）段新建雨水箱涵均采用鋼板樁支護開挖。

1.2 工程地質概況

工程建設場地土層按其巖性及工程特性，自上而下依次劃分為①-1 雜填土、②-1 淤泥、③-1 粉質黏土、③-2 細砂、③-3 中砂、③-4 粗砂、③-5 礫砂及⑤泥質粉質巖。通過對土層進行原位取樣，開展室內剪切試驗、固結試驗、滲透試驗等，測得各層位原位土室內試驗結果及土體物理力學參數見表3。

2 基坑開挖對鄰近地鐵結構影響的數值模擬

2.1 計算軟件

本研究采用巖土、隧道結構專用有限元分析軟件Midas∕GTS NX。施工階段分析采用的是累加模型，即每個施工階段都繼承了上一個施工階段的分析結果，并累加了本施工階段的分析結果，即上一個施工階段中結構體系與荷載的變化會影響到后續階段的分析結果。

2.2 材料本構關系

為了研究施工過程中各結構構件的荷載效應，以便指導設計，本次分析土體材料本構模型取用修正的莫爾-庫倫（Modified Mohr-Coulomb）彈塑性模型，結構材料按線彈性模型考慮。

土體修正的莫爾-庫倫本構是在莫爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構基礎上改善的本構模型，適用于各種類型的地基，特別適用于有摩擦特性的材料。修正的莫爾-庫倫本構用于模擬具有冪率關系的非線性彈性模型和彈塑性模型的組合模型。如圖1 所示，修正的莫爾-庫倫本構的剪切屈服面與莫爾-庫倫本構的屈服面相同，壓縮屈服面為橢圓形的帽子本構。另外，修正的莫爾-庫倫本構的剪切屈服面與壓縮屈服面分別獨立，在剪切方向和壓縮方向采用了雙硬化模型（Double Hardening）。

圖1 修正莫爾-庫倫本構模型p-q平面

莫爾-庫倫本構的偏平面形狀為六邊形，在計算頂點的塑應變方向時需要采用特別的數值計算方法。但是，如圖2 所示，修正的莫爾-庫倫本構為了消除分析過程中的不穩定因素，偏平面采用了圓角處理，使計算的收斂性更好。修正的莫爾-庫倫本構模型在p-q平面上采用了相關流動法則，在偏平面上采用了非關聯流動法則。另外，如圖2 所示，使用Δp值，移動剪切屈服面可以反映莫爾—庫倫本構的黏聚力效果。

圖2 修正莫爾-庫倫本構模型偏平面

2.3 模型參數的確定

土層材料及結構材料屬性見表4、表5。

表4 土層材料屬性

表5 結構材料屬性

2.4 邊界條件

該工程雨污水管涵采用明挖法施工，基坑范圍內采用分層開挖，計算模型范圍以外輪廓為基準、外擴一定距離后而建立。有限元模型邊界條件為模型側面邊界固定水平位移，底部邊界固定豎向位移，上部邊界為地表自由面。

2.5 計算工況及研究思路

有限元模型中，采用二維平面應變單元模擬地層，采用一維梁單元模擬管片等結構，混凝土結構和鋼板樁構件采用線彈性模型，結構特性見表6。

現有的工業互聯網平臺，盡管水平參差不齊，各有千秋，但是至少初心都是好的，都是想為工業轉型升級貢獻力量，順便爭取一點研發經費。

表6 結構特性

根據該工程雨污水管與鄰近地鐵結構立體關系及施工特點，對該項目的施工全過程進行模擬，施工工序見表7。

表7 施工工序

3 明挖基坑對地鐵盾構區間和車站的影響分析

3.1 江紡路雨污水管涵施工對民火區間的影響分析

3.1.1 數值模擬。江紡路新建雨、污水管道和箱涵采用共溝放坡開挖，分析的計算模型包括了基坑開挖、卸載、鄰近區間隧道等，概化的模型及網格剖分如圖3 所示。雨、污水管放坡開挖的步驟模型示意如圖4所示。

圖3 計算模型示意（模型尺寸77 m×30 m）

圖4 鄰近地鐵區間雨污水管施工數值模擬過程

3.1.2 計算結果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結果如圖5 所示。結果表明，雨水箱涵施工開挖時右側水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越小；豎向位移最大值并未發生在基坑底部，而是在上方一定位置處，管涵開挖結束時水平最大位移為5.05 mm，豎向最大位移為20.03 mm。

圖5 管道明挖施工整體位移云圖（單位：m）

該工程雨污水管道施工鄰近地鐵隧道，考慮管涵開挖過程中對隧道結構穩定存在影響，模擬探討了施工對區間隧道結構的變形影響，其結果如圖6所示。由圖6 可知，位于管涵施工左側的地鐵隧道受到的影響最大，其最大水平位移發生在其左側，其位移為2.11 mm。最小水平位移發生在其右側，其位移為0.33 mm。最大豎向位移發生在其右上方，其位移為3.40 mm。由計算結果可知，民火區間最大水平位移約為2.11 mm，最大豎向位移約為3.40 mm，根據《地鐵設計規范》［11］，地鐵區間施工位移控制在10 mm內，滿足區間隧道對變形保護的要求。

圖6 管道明挖施工過程隧道位移云圖

3.2 民園路雨水箱涵施工對民火區間的影響分析

3.2.1 數值模擬。新建雨水箱涵亦采用放坡開挖。模型尺寸和概化的模型及網格剖分如圖7 所示。其各個步驟模型如圖8所示。

圖7 計算模型（模型尺寸67 m×30 m）

圖8 鄰近地鐵區間箱涵施工數值模擬過程

3.2.2 計算結果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結果如圖9 所示。結果表明，雨水箱涵施工開挖時右側水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越小；豎向位移最大值并未發生在基坑底部，而是在上方一定位置處，管涵開挖結束時水平最大位移為6.45 mm，豎向最大位移為23.83 mm。

圖9 雨水箱涵明挖施工整體位移云圖（單位：m）

圖10 箱涵明挖施工過程隧道位移云圖（單位：m）

3.3 民園路雨水箱涵施工對火炬站的影響分析

3.3.1 數值模擬。民園路新建雨水箱涵采用鋼板樁支護開挖，計算模型包括了基坑開挖、卸載、鋼板樁、鄰近地鐵車站結構等，概化的模型及網格剖分如圖11所示。其各個步驟模型如圖12所示。

圖11 概化的模型及網格剖分（模型尺寸70 m×30 m）

圖12 鄰近地鐵車站箱涵施工數值模擬過程

3.3.2 計算結果。雨水箱涵明挖施工整體位移計算結果如圖13 所示。結果表明，雨水箱涵施工開挖時左側水平位移最大，且隨著開挖深度越深水平位移越小；豎向位移最大值發生在基坑底部，管涵開挖結束時水平最大位移為17.41 mm，豎向最大位移為11.05 mm。

圖13 雨水箱涵明挖施工整體位移云圖

根據調研得知，雨水箱涵施工鄰近地鐵車站，考慮管涵開挖過程中對車站結構穩定存在影響，模擬了施工對車站結構的變形影響，其結果如圖14 所示。由圖14 可知，其最大水平位移為0.10 mm，最大豎向位移為0.34 mm，滿足地鐵車站對變形保護的要求。

圖14 雨水箱涵明挖施工過程車站位移云圖

4 結論

結合南昌市雨污水處理箱涵施工基坑開挖對鄰近結構影響的數值分析，可得出以下結論。

①經計算分析，箱涵開挖過程中，不可避免引起坑底及周邊土體位移變形，進而影響周邊結構物穩定性。

②經分析三個不同項目箱涵開挖對地鐵盾構區間和車站位移變形影響可知，三者中最大水平位移為2.4 mm，豎向最大位移為8.8 mm，均滿足地鐵車站對變形保護的要求。

③箱涵橋鄰近地鐵車站及區間上方三軸攪拌樁加固施工前，應對施工范圍內地表進行加固整平，并充分考慮施工機械荷載。加固過程中應注意控制注漿壓力等措施，盡量減小施工對地鐵設施的擾動。箱涵橋基坑開挖應分塊、分層、跳倉開挖。

④施工期間，須遵循先監測后施工的原則，委托有資質和軌道交通運營監測業績的第三方監測單位對地鐵車站進行變形監測。

⑤施工期間，除對地鐵結構進行詳細監測外，需要增加對既有管道、截污箱涵等的監測，確保施工和地鐵結構運營安全。