基坑開挖對下臥隧道變形及參數影響分析

朱冬冬

(新疆新路交通工程有限責任公司 烏魯木齊市 830000)

0 引言

城市建設過程中，由于地下交通錯綜復雜，經常會遇到既有隧道上方基坑開挖工程。基坑開挖過程中，土體會發生卸荷效應，進而會影響隧道的安全。文獻[1-2]采用大型有限元軟件對某市地鐵隧道上方的基坑工程開挖進行了模擬，并與現場實測數據相結合，進行了對比分析；文獻[3-4]以某城市地鐵隧道正上方基坑開挖為研究對象，采用有限元分析軟件對基坑開挖的全過程進行了模擬分析，研究結果可為隧道變形控制提供參考；文獻[5]以某地地鐵6號線建設為研究對象，采用數值方法重點分析了基坑開挖寬度、隧道直徑以及地層模量變化對隧道變形的影響；文獻[6]采用數值模擬方法，重點模擬了對基坑的開挖和支護過程，驗證了基坑開挖中使用樁錨支護結構這一方法的的可行性。主要以某城市既有隧道上方基坑開挖工程為研究對象，采用有限元軟件建立數值模型，重點研究基坑開挖對下臥隧道沉降影響，并主要對基坑開挖深度、隧道中心與基坑底部距離二者的所產生的影響進行分析。

1 工程概況

某擬建基坑工程下側存在一條已經運營的城市地鐵，已知該隧道外直徑為6.0m，下穿基坑正中央，基坑長和寬相等，該處主要土質為粉土。隧道中心的埋深為16m，基坑的開挖深度h1為6.0m。隧道中心與基坑底部距離h2為10m，支護樁板墻之間間距為32m，樁板墻的深度為20m，具體如圖1所示。主要利用數值軟件進行數值模擬分析，以便為施工提供參考。

圖1 隧道與基坑位置關系圖

2 數值建模

2.1 網格劃分

通過采用ABAQUS有限元軟件建模，數值模型大致如圖2所示。模擬過程中，相關參數按上述工程概況取值，模型的長寬高均為60m。如圖2所示，給出了隧道模型圖和隧道與樁板墻位置模型圖，隧道采用預制管片支護。支護樁墻采用連續結構的連墻代替，厚度大小取0.65m。隧道圍巖和樁墻均采用實體單元進行模擬；襯砌采用結構單元模擬；此外，本構模型均采用修正劍橋模型。

圖2 數值模型圖

2.2 計算參數和過程

模擬過程中粉土的物理力學參數主要如表1所示。此外，劍橋模型中的土體初始孔隙比取0.80，修正劍橋模型臨界狀態有效應力比取1.42，對數體積模量為0.0614，彈性對數體積模量為0.0022。隧道襯砌及樁墻的力學參數則如表2所示。

表1 土的物理力學參數

表2 隧道結構以及樁墻的相關力學參數

在基坑開挖之前，應先進行隧道開挖支護，并考慮既有隧道已經固結穩定，將位移清零。基坑開挖過程中每次開挖2m，分三次開挖完成。

3 數值結果分析

3.1 基坑開挖誘發的隧道豎向變形分析

基坑開挖完后的隧道整體沉降云圖如圖3所示。由圖3可知，基坑正中心隧道頂部隆起最大，最大值為11.3mm。由基坑中心處隧道向兩端隧道隆起值逐漸減小，從隧道頂部到底部，隧道隆起值也逐漸減小。

圖3 基坑開挖完后的隧道沉降云圖

現場實測與數值模擬得到的隧道沉降對比曲線如圖4所示。圖中顯示沿隧道縱向方向，隧道頂部最大豎向位移呈現出近似高斯曲線分布。其中，基坑正中心下方隧道隆起值最大，向兩側緩慢減小。現場實測值比數值模擬值大8.0%左右，說明數值結果的可靠性。在基坑寬度范圍內，現場實測值略大于數值模擬值，在基坑寬度范圍之外，數值模擬與現場實測曲線近似重合。

圖4 實測與數值結果對比曲線

3.2 參數影響分析

3.2.1基坑開挖深度h1的影響

為了分析基坑開挖深度h1變化產生的影響，假定隧道中心與基坑底部距離h2為6m且不變，分別取h1為4m、6m、8m、10m和12m五種情況，由于篇幅有限，本節只給出了h1取4m和12m時的模型豎向云圖，具體如圖5所示。由圖可知，當h1取4m時，基坑底部正中心隆起值最大，最大值為14.5mm，從基坑中心向基坑兩邊，隆起逐漸減小。當h1取12m時，基坑底部正中心隆起值為27.6mm，即隨著基坑開挖深度的增大，基坑底部土體和隧道的豎向位移均增大。

圖5 不同基坑開挖深度時的模型豎向位移云圖

不同基坑開挖深度時隧道頂部最大豎向位移曲線如圖6所示。由圖6可知，h1取4m、6m、8m、10m和12m時的隧道頂部最大豎向位移分別為7.2mm、10.4mm、12.6mm、15.1mm和16.9mm，即表示隧道頂部最大豎向位移隨基坑開挖深度增大而則增大。

圖6 不同基坑開挖深度對應的隧道頂部豎向位移

相比于h1取4m時，h1取6m、8m、10m和12m時的隧道頂部最大豎向位移分別增大了44.4%、75.0%、109.7%和134.7%。

綜上可知，隨基坑開挖深度增大，基坑底部土體和隧道頂部最大豎向位移逐漸增大，這是由于基坑開挖會誘發土體發生卸荷效應，進而引起基坑底部土體和隧道上隆。

3.2.2隧道中心與基坑底部距離h2的影響

為了分析隧道中心與基坑底部距離h2變化產生的影響，假定基坑開挖深度h1為6m且不變。本節取h2為2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m共七種情況，由于篇幅有限，本節只給出了h2取2m和20m時的模型豎向云圖，具體如圖7所示。

圖7 不同h2時的模型豎向位移云圖

由圖7可知，當h2取2m時，基坑底部正中心隆起值最大，大小為22.0mm，當h2取20m時，基坑底部正中心隆起值為19.7mm。即，隨著隧道中心與基坑底部距離的增大，基坑底部土體和隧道的豎向位移均減小。

隧道中心與基坑底部不同距離時的最大豎向位移曲線如圖8所示。由圖可知，h2取2m、5m、8m、11m、14m、17m和20m時的隧道頂部最大豎向位移分別為12.4mm、11.2mm、9.3mm、7.8mm、6.5mm、5.1mm和4.3mm，隧道頂部最大豎向位移隨隧道中心與基坑底部距離的增大而減小，相比于h2取2m時，h2取5m、8m、11m、14m、17m和20m時的隧道頂部最大豎向位移分別減小了9.7%、25.0%、37.1%、47.6%、58.9%和65.3%。

圖8 隧道頂部最大豎向位移隨h2變化曲線

4 結論

主要采用數值模擬方法對某城市隧道上方基坑開挖工程進行研究，得到以下結論：

(1)基坑開挖之后，隧道發生整體的隆起，其中基坑正中心隧道頂部隆起最大，由基坑中心下方處隧道向兩端隧道隆起值逐漸減小，從隧道頂部到底部，隧道隆起值也逐漸減小。

(2)通過數值模擬方法得到隧道最大隆起值為11.3mm，現場實測得到隧道最大隆起值為12.2mm，二者相差8.0%左右，由于現場施工情況與數值模擬不完全一致，盡管有一定出入，但認為數值模型分析及結果是合理的。

(3)隨基坑開挖深度增大，隧道頂部最大豎向位移逐漸增大，這與基坑開挖會誘發土體出現卸荷效應有關。此外，隨著基坑開挖深度的不斷增大，土體卸荷的水平也不斷增大，導致隧道豎向位移逐漸增大。

(4)隨著隧道中心與基坑底部距離的增大，隧道頂部最大豎向位移逐漸減小。這是因為此時隧道距離基坑底部距離越來越遠，基坑開挖卸荷對隧道產生的影響逐漸減小，使得隧道豎向位移逐漸減小。