某基坑開挖對臨近寧蕪鐵路隧道影響的有限元模擬與現場實測

呂善國

（南京南大巖土工程技術有限公司，江蘇 南京 21 1800）

1 概述

1.1 工程概況

南京某基坑工程位于南京市雨花臺區、江寧區南站北一路，東至綠都大道，南臨京滬高鐵，西接規劃道路，北靠繞城公路、南站茶都小區；該建設項目為商業混合、商業金融用地。其地塊平面總圖如圖1 所示，圖中基坑北側東西走向線為穿過此地塊的寧蕪貨隧道（圖中地鐵12 號線和寧高城際線未建）。

基坑采用明挖順作法施工，基坑東北角和西北角采用鉆孔灌注樁+一道鋼筋混凝土角撐支護形式，其余區段采用懸臂樁支護形式。

基坑北側緊鄰寧蕪貨線鐵路隧道，其等級為Ⅰ級，該段已施工隧道為明挖暗埋結構。

圖1 總平面圖

圖2 臨近鐵路隧道處基坑支護典型剖面圖

1.2 工程地質和水文地質條件

工程地質勘察報告顯示，本場地為崗地地貌單元，基坑影響深度范圍內場地土層從上而下分布為：

①素填土：灰黃色、褐黃色及灰色，很濕～飽和，主要由可塑狀粉質粘土組成，結構較松散，欠壓實。厚度在0.80～15.10m。

③1 粉質粘土：褐黃、黃褐色，飽和，硬塑，局部可塑，中壓縮性。層厚0.50～12.10m。

④粉質黏土夾礫石：褐黃色，飽和，可塑，土質不均勻，中壓縮性。礫石以石英質為主，圓磨度較差，呈次棱角狀，直徑1～6cm，少量大于10cm，含量3%～10%,呈稍～中密狀，局部含量較多。層厚0.20～2.40m。

⑤1 強風化泥質粉砂巖：紫紅色，上部呈堅硬土狀，基巖結構大部分被破壞，礦物成分顯著變化，下部呈土夾碎塊狀，手捏易碎，干鉆難以鉆進。巖體基本質量等級為Ⅴ級。層厚1.00～5.40m。

⑤2 中風化泥質粉砂巖：棕紅色，巖芯呈段柱狀～中柱狀，裂隙較發育，多由方解石填充，捶擊聲啞，無回彈。巖石在水中易軟化。屬于極軟巖，巖體較完整，巖體基本質量等級為Ⅴ級。最大揭露層厚20.6m。

根據地下水賦存條件，場區地下水類型主要為松散地層中的孔隙潛水，其次為下部粉砂質粘土夾礫石中的孔隙水。孔隙潛水穩定水位埋深為1.4～3.7m。近地表分布的淺層潛水含水層為①層人工填土，該層透水性較強，水量較豐富，富水性較好；深層潛水含水層為④粉質黏土夾礫石，該層厚度較薄，且局部分布，透水性較差、水量較小、富水性較差，含水層含水量不穩定。③1 粉質粘土、⑤1 強風化泥質粉砂巖含水微弱，基本不透水，視為相對隔水層。

2 基坑開挖數值模擬分析

2.1 模型建立

根據本工程的實際情況和特點，采用MIDAS-GTS 軟件進行二維有限元平面分析，并作如下基本假定：

1）將土層簡化為水平層狀分布的彈塑性材料，其本構模型采用M-C 彈塑性模型。

2）土體與樁采用平面單元，邊坡支護和既有隧道襯砌結構均采用梁單元。

3）模型的左、右邊界分別施加水平位移約束，底部施加豎向位移約束，頂面自由。

4）模型中圍護樁支撐采用樁側施加水平約束力來模擬。

5）根據工程經驗和理論分析，所取模型長×高尺寸分別為180m×40m，在此區域模擬土層，并選取最不利圍護區段進行模擬計算，具體模型網格劃分如圖3 所示。

圖3 基坑開挖后網格模型

2.2 力學參數

根據本項目巖土工程詳細勘察報告及相關資料規范，選取基坑開挖所穿越地層的物理力學參數，如表1 和表2 所示。

2.3 計算工況

本次數值模擬計算中，通過殺死基坑開挖土體以及激活基坑支護結構[3]來模擬基坑開挖。具體步驟如下：

step1：對隧道結構與地層的二維模型就行初始狀態計算；

step2：殺死邊坡土體來模擬邊坡開挖；

step3：激活邊坡支護單元模擬坡面噴漿支護；

step4：激活基坑圍護樁單元，支撐位置施加約束力，約束力取理正單元計算值150KN/m；

step5 至step7：考慮到基坑深度，因此模擬開挖時將基坑分成三次開挖，每一次通過殺死基坑土體單元來模擬；

通過對不同工況的模擬來評估基坑開挖對既有隧道結構的影響。

2.4 數值模擬結果與分析

圖4 基坑開挖至坑底后水平位移云圖

從圖4 可以看出，基坑開挖后土體朝基坑側發生水平位移，隨著基坑開挖深度增加，基坑開挖至坑底最大水平位移約28mm。

圖5 和圖6 分別基坑開挖至坑底后鐵路隧道結構水平位移和垂直位移變形云圖。從圖中看出在基坑開挖過程中隧道向著基坑方向出現整體變形，左側襯砌水平位移大于右側襯砌。隨著基坑開挖，隧道結構水平位移不斷增大，左側墻和底板變形較大，頂板及右側墻水平位移相對較小。基坑開挖完后結構水平位移最大值為3.32mm，位于左側墻中部。

隧道襯砌的豎向沉降位移隨著基坑的開挖不斷增大，總體上襯砌結構向著基坑方向斜向上變形。左側墻頂部產生的附加位移最大，底板及右側墻則最小。基坑開挖完后隧道左側最大上抬量4.75mm，右側最大沉降量-3.11mm。

圖5 基坑開挖至坑底后隧道結構水平位移云圖

圖6 基坑開挖至坑底后隧道結構垂直位移云圖

表1 土層物理力學參數表

表2 基坑圍護及隧道結構相關物理力學參數表

圖7 鐵路隧道縱向各斷面位置平面布設圖

3 現場實測

3.1 測點布置

由于已建鐵路隧道保護要求嚴格，基坑開挖范圍內填土較厚，工程的不確定性因素多[4]，為確保鐵路隧道的安全，沿鐵路隧道縱向選取19 個斷面實時進行水平、垂直位移監測，每個隧道斷面布設6 個變形監測點（水平、垂直位移點公用）。隧道縱向各斷面位置平面布設見圖7，鐵路隧道監測斷面選取點位詳見圖8。

圖8 監測斷面監測點布設示意圖

3.2 監測結果分析

監測工作于2014年6月7日布設全部監測點并完成初測，至2015年4月28日進行最后一次監測，歷時325 天，貫穿整個基坑施工過程，直至地下室頂板施工完成基坑側壁回填結束。

圖9 里程K22+840 隧道斷面水平位移變化曲線圖

圖10 隧道縱向各斷面測點水平位移累計變化曲線圖

圖9 為距離基坑較近典型隧道斷面水平位移變化曲線圖。圖10 為隧道縱向各斷面測點水平位移累計變化曲線圖。從隧道結構水平位移監測結果得出監測點750-J3 的累計水平位移量最大，其累計位移量為4.2mm，未超過報警值（10mm），其余各點累計變化量均小于4.2mm。在整個地下室施工階段，隧道結構水平位移變化幅度較小，且變化較為平緩。各監測點之間差異變化較小，未對隧道結構產生破壞性影響。

圖11 里程K22+840 隧道斷面垂直位移變化曲線圖

圖12 隧道縱向各斷面測點垂直位移累計變化曲線圖

圖11 為距離基坑較近典型隧道斷面垂直位移累計變化圖。圖12 為隧道縱向各斷面測點垂直位移累計變化圖。從隧道結構垂直位移監測結果得出結構垂直位移監測點750-J5 的累計變化量最大，其累計位移量為3.3mm，未超過報警值（10.0mm）。從變化曲線圖來看，在整個地下室施工階段，隧道結構垂直位移變形出現小幅度上浮現象，經分析主要是臨近基坑土方挖除后，隧道結構上方覆土中潛水水位的變化，引起隧道輕微上浮。基坑坑底位于風化巖地層，地質條件較好，且基坑開挖深度小于隧道埋深，施工過程對隧道結構垂直方向影響較小，各監測斷面差異沉降較小，未對隧道結構產生破壞性影響。

4 結論

本文結合工程實例采用MIDAS 有限元軟件模擬了基坑工程開挖期間臨近鐵路隧道的變形發展趨勢及其受影響程度。并結合項目實施過程中鐵路隧道的監測結果分析得出如下結論：

1）現場實測結果證明本項目基坑支護結構選型合理，基坑整體變形安全可控，寧蕪貨線隧道K22+630～K22+860 各監測項目監測點的變化速率及累計變化量均較小，寧蕪貨線處于安全可控狀態。

2）經過對比分析發現，鐵路隧道現場實測的變形趨勢與數值模擬結果基本一致。

3）工程實踐證明，數值模擬技術在基坑工程中的應用是可行性，可以為基坑支護設計和施工提供有價值的參考意義[2]。