深基坑開挖和降水對既有地鐵隧道安全影響分析

涂芬芬，田志國

(建設綜合勘察研究設計院有限公司，北京 100007)

0 引言

隨著我們城市建設的發展，地鐵隧道在各大城市交通中發揮著重要的作用，全面帶動城市發展，在其沿線形成了局部區域的蓬勃快速發展，地鐵沿線中修建大型建筑物涌現大量的深大基坑項目，特別是對于人口集聚密集型的特大型城市，尤為突出。但是城市密集型城市中心的基坑工程，周圍管線和構筑物等周圍環境的保護也是基坑工程設計和施工需要考慮的問題[1-2]。

為了保證地鐵沿線修建深基坑的安全可靠，學者以及工程師們對此展開了廣泛的研究[3-4]。王景山[5]針對在運營地鐵隧道上方或鄰近位置修建道路工程問題，為防止基坑開挖卸載引起地鐵隧道隆起變形，研究采用基坑坑底加固分區、分層和跳槽開挖避免或減小地鐵隆起變形。陳喜鳳等[6]提出利用蟻群優化算法，建立優化的支持向量機預測模型，進而預測緊鄰基坑的地鐵隧道沉降。左殿軍等[7]采用ABAQUS數值模擬研究了招商銀行深圳分行大廈深基坑開挖過程中引起臨近地鐵隧道的影響，研究表明考慮襯砌與土的相互作用，隧道的水平位移值明顯低于支護樁。袁靈等[8]采用樁板擋墻和荷載轉換結構減少基坑開挖及加載對地鐵隧道的影響，并通過智能監測分析超高層建筑修建過程中地鐵隧道變形。彭濤等[9]通過識別導致深基坑及地鐵破壞的諸多風險因素，采用層次分析法計算風險權重，得出其中隔水帷幕滲水、降水不當和開挖方式不當，這三個風險因素發生概率較高。王利軍等[10]利用FLAC3d軟件研究了基坑開挖過程中鄰近地鐵隧道的坑外地表沉降、基坑圍護結構變形和隧道整體變形，得到地鐵隧道-土-圍護結構相互作用受地鐵隧道與基坑之間相對位移影響顯著。

以上已有研究主要集中在基坑開挖過程中的圍護結構和隧道變形上，同時針對基坑開挖和降水引起應力-滲流耦合對基坑和鄰近隧道的影響研究較少。本文以深圳市泰豐·貝悅匯項目為工程背景，采用MIDAS-GTSNX軟件對基坑開挖過程中最不利工況對地鐵隧道的安全影響評估、基坑開挖降水對坑后地下水的影響和坑后地下水位下降對地鐵隧道的影響，該數值模擬結果為該工程順利完成提供重要保證，以期為深圳地區和同類型工程的設計和施工提供參考價值。

1 工程概況

本項目位于深圳市羅湖區翠竹路與布心路交匯處附近，場地北側相鄰布心路，東側緊鄰貝翠竹路，南側為水貝工業區，西側為水貝工業區，交通便利。項目總用地面積約為4 520.70 m2，總建筑面積約為57 640 m2，地上建筑面積約為45 000 m2，地下建筑面積約為12 640 m2。擬建建筑為1棟30層公寓辦公樓，結構形式框架核心筒結構，設有3層地下室。

擬建物設計±0.00標高為24.00 m。場地設地下室3層，基坑深度約14.60 m，基坑周長約253.255 m。東側、東北鄰近地鐵3號線水貝站—田貝站區間暗挖隧道，基坑圍護結構與隧洞最小凈距離約32.57 m。

根據本基坑開挖深度、周邊環境條件、地質條件，基坑安全性等級定為一級，鄰近地鐵側基坑采用直徑1.4 m間距1.8 m咬合樁作基坑圍護結構，一道混凝土內支撐支護。本基坑采用咬合樁支護兼作止水帷幕，基坑與地鐵平面位置關系見圖1。

2 地質水文概況

2.1 工程地質條件

本場地原始地貌為臺地地貌，后經人工挖填，地勢較平坦，已無原地貌景觀，周邊為市政道路、辦公樓、高層民居、學校及地鐵等。場地測得的鉆孔孔口標高23.02 m～23.90 m。主要地層及其力學參數如表1所示。

表1 主要地層及其力學計算參數

2.2 水文地質條件

因受周邊場地施工對地下水位的影響，鉆孔測得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m,相應標高21.31 m～22.27 m。地下水流向為西北至東南向。地下水位受地貌形態、雨季大氣降水、地表水系下滲影響較大，地下水變化幅度在1.0 m～2.0 m。

2.3 地鐵安全允許指標

依據該市地鐵運營安全保護區和建設規劃控制區工程管理辦法的相關標準，地鐵監測項目的控制標準見表2。

表2 地鐵監測項目控制標準

3 模型建立

本項目采用MIDAS/GTS軟件對基坑開挖過程中最不利工況對地鐵隧道的安全影響評估、基坑開挖降水對坑后地下水的影響和坑后地下水位下降對地鐵隧道的影響。

MIDAS/GTS的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。為防止模型邊界影響，采用與基坑、地鐵隧道邊緣各處的距離不小于3H～5H(H為基坑深度)，模型底面為基坑底以下為強風化巖。

圖2為項目有限元模型圖，模型中土體采用實體單元，支護結構及基坑圍護結構樁將按剛度等效成混凝土板單元，隧道的襯砌采用板單元，冠梁、內支撐和立柱采用一維梁單元模擬，其截面尺寸與實際結構完全相同。

3.1 材料本構模型及計算參數

地鐵隧道襯砌等假設為線彈性體，各土層則假設為彈塑性體，材料的破壞準則采用修正摩爾-庫侖準則，基坑支護結構采用二維或一維結構單元，用混凝土C30模擬取彈性變形性能。土層等其他參數選取表1中所列數值，泊松比取0.15～0.35。各個支護結構的材料參數見表3，具體的三維模型見圖3。

表3 支護結構材料參數

3.2 初始條件和邊界條件

計算模型中各垂直邊邊界條件為水平鉸支約束，模型底面為豎向位移約束，具體的邊界條件模型見圖4。各計算施工階段邊界條件不變。場地初始豎向應力場為土體自重σz，水平向應力σx按式(1)確定：

σx=K0σz

(1)

其中，K0為靜止土壓力系數，全風化巖取0.6，強風化巖取0.5，其他土按K0=1-sinφ。

本項目有限元分析模擬是通過給定土層重度和泊松比等參數后，用計算模型程序進行應力自平衡計算，場地內應力平衡后的應力場即為初始應力場。計算出現的變形通過強行歸零來實現初始變形條件。

3.3 模型的截水帷幕和水位設置

因本項目地下水位較高，根據勘察得鉆孔測得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m，相應標高21.31 m～22.27 m，地下水變化幅度在1.0 m～2.0 m。因此本次模擬會考慮基坑降水對基坑和地鐵的影響，周邊和基坑周邊的初始水位埋深為1 m。因基坑采用咬合樁，形成良好的止水帷幕，本次模型采用界面單元模擬整個截水帷幕，生成截水帷幕的同時還要有剛性連接來保證節點的耦合，具體的界面單元、剛性連接和降水位置見圖5。

本次模擬基坑開挖過程采用兩次降水的方案，因本項目只有一道支撐在絕對標高19.90 m處，即在相對地面標高-4.1 m，所以第一次降水結合相應的地質剖面，設置在相對地面標高-4.6 m，第二次降水在坑底以下0.5 m，相對地面標高為-15.1 m處。

3.4 施工階段模擬

為了同時模擬基坑開挖和降水對地鐵隧道安全性影響，采用應力-滲流的耦合模型，形成初始的滲流場，且每一次需先進行瞬態或穩態的滲流分析后，才能進行下一步開挖的應力分析。主要的模擬計算工況如下：

1)第一工況：初始的滲流場階段，場地及基坑周邊的初始水位的設置，然后進行滲流分析，形成初始的滲流場。

2)第二工況：初始應力階段，場地初始應力分析、位移清零。

3)第三工況：支護樁施工階段應力分析，基坑未開挖前，需進行超前支護，首先是支護樁的施工，此次評估采用等剛度代換的原則，用板單元模擬同等剛度的地連墻，同時也進行立柱樁的施工。

4)第四工況：第一次降水滲流分析，基坑開挖前，進行基坑內的降水至第一道支撐以下，在相對標高-4.6 m處。

5)第五工況：第一次開挖階段，第一次開挖到相對標高-4.6 m處，同時出現冠梁。

6)第六工況：第二次降水滲流分析，第二次開挖前，進行基坑內的降水至坑底以下，在相對標高-15.1 m處。

7)第七工況：第二次開挖，開挖到相對標高-14.6 m處，同時出現內支撐。

4 結果與分析

4.1 基坑開挖過程中的基坑位移分布

通過以上施工階段的建模分析，最危險的工況是發生在第一道支撐完成后，開挖到基坑底的第七工況，因此，給出最不利的第七工況模型的計算結果如圖6，圖7所示。基坑在第七工況下各方向位移值見表4。

表4 基坑在第七工況下各方向位移值

從圖6，圖7和表4可知，基坑的短邊方向發生了20 mm左右的位移，主要集中在支護結構的中部，基坑的長邊方向發生了最大25 mm左右的位移，均滿足其基坑支護設計的變形30 mm的要求。

4.2 基坑開挖過程中的隧道位移分布

圖8為最不利工況(第七工況)下地鐵隧道產生的X方向、Y方向和Z方向上的位移分布云圖。從圖8中可以看到，由于基坑開挖導致基坑周圍土體向基坑方向移動致使隧道向基坑方向所產生的位移遠大于其他方向上的位移值。在第七工況下各方向位移值隧道變形見表5。

表5 在第七工況下各方向位移值隧道變形 mm

由圖8,表5可知，因基坑的開挖，導致隧道產生了向基坑方向的變形值為2.46 mm。因基坑的開挖，導致了周邊的土體沉降，隧道處產生了1.67 mm的沉降變形。根據表2可知，隧道的沉降和水平位移都符合隧道變形的要求。

以上研究可知，基坑開挖對其鄰近地鐵隧道X方向的水平位移影響最大，將左側隧道節點編號如圖9(a)所示，圖9(b)顯示基坑兩次開挖引起左側隧道X向位移值，從中可以看到兩次開挖基坑引起5號和6號節點處隧道變形最大，且第二次基坑開挖引起隧道出現較大范圍的水平位移，建議在基坑開挖過程中要關注隧道5號和6號節點處的水平側向位移。

4.3 降水對地連墻和地鐵隧道變形的影響

為了研究降水對基坑和地鐵隧道變形的影響，分別進行了未考慮降水施工工況和考慮降水的流固耦合施工工況下的基坑開挖數值模擬，圖10,圖11分別為未考慮降水和考慮降水第二次基坑開挖圍護結構和地鐵隧道變形圖，表6給出了兩種工況下基坑支護結構地連墻和地鐵隧道的最大變形量。

從圖10，圖11中可以看到兩種工況下，考慮降水基坑圍護結構和隧道變形較未考慮降水情況下有顯著差異，降水對土體變形的影響主要是由于地下水的存在，使得基坑周圍應力場與滲流應力場之間的耦合作用，基坑降水引起土體應力場與地下水的滲流場失去原有的平衡，在降水過程中滲流力促使土體急劇運動，使得降水周圍土體變形增大。表6顯示考慮降水影響下基坑圍護結構和地鐵隧道的最大變形比相同工況下未考慮降水情況分別增加了1.4倍和2.2倍，因此實際工程中不能忽視地下降水對基坑圍護結構和周圍土體變形的影響。

表6 未考慮和考慮降水兩種施工 工況下圍護結構和地鐵隧道最大變形量 mm

5 結語

本文以深圳市泰豐·貝悅匯項目深基坑工程為工程背景，利用MIDAS GTS軟件建立三維有限元模型，對其基坑開挖和降水施工階段進行數值模擬，分析基坑開挖和降水對基坑變形和周圍鄰近地鐵隧道變形的影響，得到以下結論：

1)基坑開挖引起地鐵隧道的變形，以朝向基坑方向的水平位移為主，豎向位移為輔，基坑施工過程中更應關注地鐵隧道的側向水平位移。

2)由于地下水的作用，基坑支護結構地下連續墻和隧道變形更大，考慮降水影響下基坑地下連續墻和地鐵隧道的最大變形比相同工況下未考慮降水情況分別增加了1.4倍和2.2倍，因此，實際工程中不能忽視地下降水對基坑和周圍土體變形的影響。

3)深基坑降水和開挖過程的數值模擬結果可以給出基坑和地鐵隧道變形影響較大的范圍，為指導施工現場監測重點區域變形提供有效參考依據。