基于Midas/GTS NX的軟土基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響 分析

【摘要】隨著地下空間的大規(guī)模開發(fā)利用，鄰近基坑施工將不可避免地對既有的地鐵隧道產(chǎn)生影響。依托紹興地區(qū)亞運(yùn)城市提升鏡水路綜合管廊工程某鄰近地鐵隧道的軟土基坑，基于Midas/GTS NX對該基坑的施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析該軟土基坑的自身安全及對既有隧道造成的影響，為后續(xù)施工提供參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】軟土基坑； 地鐵隧道； 數(shù)值模擬

【中圖分類號(hào)】U452.2+6【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-06-29

［作者簡介］朱澤峰（1992—），男，碩士，工程師，從事軌道交通巖土、結(jié)構(gòu)工作。

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及基礎(chǔ)建設(shè)的增多，工程建設(shè)用地范圍不斷縮減，不可避免地會(huì)面臨新建工程緊鄰已有建（構(gòu)）筑物的問題。基坑開挖會(huì)對周圍建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生影響，而在軟土地區(qū)，受到地層特性限制，其影響范圍及強(qiáng)度將會(huì)增加。 因此，研究軟土基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間的影響及如何采取措施降低工程風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究。左殿軍、章紅兵等［1-2］通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，基坑開挖對鄰近地鐵盾構(gòu)區(qū)間產(chǎn)生一定影響，并隨著基坑開挖深度的增加而加大。馬永峰等［3］通過有限元分析軟土基坑的加固方式，發(fā)現(xiàn)軟土基坑加固能明顯控制基坑開挖對周邊地鐵隧道的影響。韋宗科等［4］研究發(fā)現(xiàn)，鄰近基坑的隧道變形大小不僅受基坑開挖卸荷程度的影響，還與隧道與開挖基坑的距離有關(guān)。

結(jié)合亞運(yùn)城市提升鏡水路綜合管廊工程某鄰近地鐵隧道的軟土基坑工程，利用有限元軟件Midas/GTS NX建立三維模型，研究了軟土基坑開挖對隧道變形的影響，得到隧道變形的一般性規(guī)律，為實(shí)際施工及后續(xù)工程提供參考依據(jù)。

1 工程概況

明挖基坑平面呈條狀，明挖基坑總長約346.59 m，分為1號(hào)、2號(hào)基坑施工，基坑寬度為7.5～7.7 m，最大開挖深度6.911～11.834 m。基坑與既有地鐵隧道基本平行，明挖基坑與地鐵隧道最小水平凈距為40.5 m。地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工，頂部覆土10.0" m，管片外徑6.7" m，內(nèi)徑5.9" m，主要穿越土層為⑤1淤泥質(zhì)粘土，平面相對關(guān)系如圖1、圖2所示。基坑范圍內(nèi)土體從上至下土層依次為：①2素填土、③1-2淤泥質(zhì)黏土、⑤1淤泥質(zhì)黏土、⑦3粉質(zhì)黏土、⑧1-2含黏性土粉砂。明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用850@600 mmSMW工法樁，隔一插二，樁長24" m，支撐形式為1道600 mm×800 mm混凝土支撐+2道609 mm鋼支撐；加固形式采用850@600 mm三軸攪拌樁抽條加固（坑底以下3 m）。

2 三維模型的建立

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

本次采用Midas/GTS NX軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。模型總長500 m，寬330 m，深度60 m。明挖管廊基坑尺寸：7.7 m×346.5 m，開挖深度6.911～11.834 m，采用1道600 mm×800 mm混凝土支撐+2道609 mm鋼支撐；地鐵隧道頂部覆土10.0 m，管片外徑6.7 m，內(nèi)徑5.9 m。

模型邊界條件為位移約束邊界條件：模型側(cè)面為法向位移約束，下表面為x、y、z位移約束，上表面為自由端。整體模型如圖3、圖4所示。

為更好地反映基坑開挖對鄰近地鐵隧道地影響，土體采用修正Mohr-Coulomb模型，土體參數(shù)參考地勘報(bào)告和鄰近工程經(jīng)驗(yàn)取值，其中，γ為土體重度；c′為土體有效粘聚力；φ′為有效內(nèi)摩擦角；Erefoed為主固結(jié)加載模量;Erefoed≈Es；Eref50為割線模量;Eref50≈1.2Erefoed；Erefur為卸載模量;Erefur≈8Eref50；m為應(yīng)力相關(guān)冪指數(shù)，取值范圍為0.5（硬土）～1（軟土）。土體參數(shù)如表1所示。

沈亞［5］研究了SMW工法樁數(shù)值模擬時(shí)的本構(gòu)模型及參數(shù)取值，基坑SMW工法樁以及既有盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)均采用彈性模型，2D面單元模擬。內(nèi)支撐采用1D線單元模擬。模型結(jié)構(gòu)體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2.2 計(jì)算工況

本模型分別建立未加固、抽條加固、滿堂加固等三個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算分析，對比分析加固方案對基坑開挖及既有隧道的影響，整個(gè)模擬過程包含1個(gè)初始狀態(tài)和7個(gè)施工步序，具體如表3所示。

2.3 控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)該城市《城市軌道交通運(yùn)營管理辦法》，已運(yùn)營地鐵隧道50 m范圍內(nèi)，需按CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》給出的安全控制指標(biāo)值進(jìn)行控制隧道變形，具體詳見表4。

3 數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果分析

3.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

深基坑開挖時(shí)首先需要保證自身的基坑變形，因此需要

對基坑變形進(jìn)行分析，圖5為基坑開挖時(shí)各施工步序基坑水平變形。

采取抽條加固時(shí)，基坑的最大水平位移為17.0 mm，采取滿堂加固時(shí)，基坑的最大水平位移為14.8 mm，根據(jù)浙江省標(biāo)準(zhǔn)DB33/T 1096-2014《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》，基坑變形控制值為2%H=23.6 mm（H為基坑開挖深度），最大變形均小于控制值，說明抽條加固、滿堂加固方案均能保證基坑安全，但滿堂加固相較于抽條加固減少變形的效果不明顯，抽條加固更加經(jīng)濟(jì)合理。

未采用坑內(nèi)加固時(shí)，基坑最大變形58.1 mm，大于基坑變形控制值，未加固方案不能保證基坑的安全穩(wěn)定。基坑加固時(shí)，各階段基坑變形均小于基坑未加固工況，隨著開挖深度的增加，未加固工況的變形增幅明顯增大，表明軟土基坑坑底加固對于控制基坑變形起到有利作用，能有效減少基坑的自身變形。

3.2 既有隧道變形分析

通過數(shù)值模擬計(jì)算，得到各施工步序下基坑開挖引起的既有地鐵隧道水平、豎向變形。新開挖基坑底部標(biāo)高高于既有地鐵隧道標(biāo)高，基坑開挖范圍內(nèi)的土體卸載會(huì)使得基坑底部土體產(chǎn)生隆起，基坑外側(cè)的土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)方向變形的趨勢，進(jìn)而影響周圍土體內(nèi)的既有隧道一起產(chǎn)生豎向上浮、水平向坑內(nèi)變形的位移。

根據(jù)計(jì)算數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，抽條加固方案時(shí)，既有隧道最大水平位移為-0.49 mm，最大豎向位移為0.5 mm；滿堂加固方案時(shí)，既有隧道最大水平位移為-0.43 mm，最大豎向位移為0.48 mm，均遠(yuǎn)小于城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制值，新開挖基坑對既有地鐵隧道的影響可控，抽條加固即能滿足自身變形要求及既有隧道位移控制要求。

未加固時(shí)最大水平位移為-3.50 mm，最大豎向位移為-0.88 mm。對比加固方案可得到基坑內(nèi)的坑底加固能有效控制坑底土體的隆起和側(cè)向土體的變形，同時(shí)未加固工況下，基坑開挖對既有隧道的影響仍可控，基坑與既有隧道的最小凈距為40.5 m，大于3倍坑深時(shí)，基坑開挖對既有隧道的影響較小。

4 結(jié)論

依托亞運(yùn)城市提升鏡水路綜合管廊工程明挖基坑建立三維模型，研究了軟土基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響，得出結(jié)論：

（1）通過建立Midas/GTS NX三維模型，分析得到基坑自身開挖過程的變形值，表明基坑抽條加固的圍護(hù)方案合理，能保證基坑自身的穩(wěn)定性。

（2）經(jīng)分析既有地鐵隧道的最大水平、豎向位移值均能滿足CJJ/T 202-2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》安全控制值，表明該基坑開挖對既有隧道的影響可控，能保證隧道的正常運(yùn)營安全。

（3）對比分析坑底加固與未加固工況，表明軟土基坑的坑底加固能有效控制基坑的自身變形，減小對既有隧道的影響。同時(shí)滿堂加固相較于抽條加固費(fèi)用增加較多，但抽條加固即可滿足變形控制要求，因此在保證工程安全的前提下，經(jīng)濟(jì)性也成為軟土基坑設(shè)計(jì)的重要考量因素。

參考文獻(xiàn)

［1］ 左殿軍， 史林， 李銘銘，等. 深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數(shù)值計(jì)算分析［J］. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2014， 36（zk2）：391-395.

［2］ 章紅兵， 范凡， 胡昊. 基坑群施工對鄰近隧道影響與隧道保護(hù)［J］. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016， 50（5）：7.

［3］ 馬永峰， 史宣陶， 周丁恒，等. 臨近地鐵隧道的軟土深基坑開挖三維數(shù)值模擬［J］. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版）， 2015， 30（2）：7.

［4］ 韋宗科， 陳健， 陳斌，等. 軟土基坑開挖對臨近既有隧道變形影響研究［J］. 人民長江， 2022（6）：53.

［5］ 沈亞. SMW圍護(hù)結(jié)構(gòu)用于地鐵車站深基坑變形規(guī)律研究［D］. 南京：南京林業(yè)大學(xué)， 2009.