基坑降水開挖對既有盾構隧道影響的數值模擬研究

摘要 為研究在地下水作用下基坑降水開挖對鄰近既有建筑結構的影響，基于FLAC3D有限差分數值模擬軟件，對武漢市二環線接線隧道與地鐵8號線斜交段基坑降水開挖工程進行了模擬計算。計算結果表明：基坑降水開挖施工會對近距離既有隧道產生一定的影響，在合理的圍護結構下，基坑降水開挖施工完成后，盾構隧道管片產生的最大位移約為4.5mm，在地鐵保護控制標準范圍之內。

關鍵詞 基坑；FLAC3D；位移

中圖分類號 U452.2⁺6 文獻標志碼 A

0引言

隨著地上空間已不能滿足人們持續增長的發展需要，地下空間得到大規模的開發，各種地下建筑結構的修建很大程度上緩解了地面空間的壓力。但隨著地下建筑結構修建的越來越多，新工程修建時其周邊既有結構也越多，距離也越近，此時就需要考慮新工程修建對既有結構的影響。

地下工程修建時基坑的開挖是必不可少的工序，基坑開挖會使基坑周邊土體產生較大的位移，尤其當基坑區域存在地下水時，對周邊結構的影響會更大。基于該問題，眾多學者作了大量研究：王振南等［1］依托蘇南下穿地鐵高架線某新建地鐵車站基坑項目，采用三維數值模擬方法結合現場監測分析研究了近距離基坑開挖對鄰近運營地鐵高架的影響研究。結果表明：基坑降水開挖過程中，土體開挖較淺時，橋墩基礎會有所上抬，隨基坑降水以及開挖深度加深，橋墩基礎會發生沉降，同時基坑開挖會造成鄰近的樁基極限承載力輕微損失，但能滿足最大設計荷載要求。曹志豪［2］采用有限差分方法分析了蘇州某地區地鐵隧道周邊基坑降水對地鐵盾構隧道的影響，考慮了不同降水深度兩種工況，計算結果表明，隨著基坑降水深度的增加，隧道的變形逐漸增大，基坑降水時，隧道豎直位移為沉降變形，并由于沉降拋物線原理，管片環遠離基坑側的拱頂及拱腰位置處的沉降值大于靠近基坑側隧道底部的沉降值。史貴林等［3］以常州市關河東路北側、青龍道路六十九西側地塊項目為背景，結合數值模擬和理論分析手段，對基坑降水所造成的對周邊環境的影響進行了深入的研究。研究表明，基坑降水對周邊環境產生了一定程度的影響，形成較為明顯的“降水漏斗”，并以基坑為中心向外擴散，但位移均在地鐵保護控制標準范圍之內。馬強［4］以某隧道明挖段及盾構井基坑開挖為背景，通過數值模擬的方法分析了基坑開挖引發鄰近建筑物的位移變化。結果表明，基坑開挖完成后，建筑物最大沉降值在遠離基坑一側，靠近基坑一側發生隆起；建筑物樁基向基坑一側發生位移，樓頂有向遠離基坑方向的位移。建筑物總體位移值較小，無傾覆風險，驗證了基坑開挖方案的安全可靠。馬昆泉［5］以武漢市中國新聞社中部新聞信息中心深基坑工程對周圍既有武漢地鐵2號線和5號線影響為項目依托，采用數值模擬方法研究和評估基坑開挖對周圍隧道變形的影響，為工程建設評估提供一定的參考，結果表明，在采取一定的工程措施之后，相關影響可以控制在可接受的范圍之內。

根據現階段的研究，本文擬采用沿途工程常用的有限差分數值計算軟件FLAC3D，對武漢市二環線接線隧道與地鐵8號線斜交段基坑工程進行模擬計算，考慮在降水滲流情況下二環接線隧道基坑開挖對地鐵8號線盾構管片的影響，以期為相關工程提供一定的借鑒作用。

1工程簡介

1.1工程概況

武漢市二環線接線隧道與地鐵8號線斜交，交角約31°，相交段落長度約106.23m，兩者的平面位置關系如圖1所示，縱斷面位置關系如圖2所示。二環接線隧道上跨地鐵8號線段為明挖基坑隧道，存在敞開段暗埋段，地鐵8號線與二環線接線隧道空間相交段為盾構法施工隧道，隧道外徑6.2m，管片厚度0.35m，采用C50混凝土管片。2條線路交叉處采取的措施為：在地鐵交叉范圍內兩側各預埋了1排800@1000mm的鉆孔灌注樁，樁間采用等長700@1000mm的高壓旋噴樁進行樁間止水。采用雙軸攪拌樁加固盾構外輪廓以外5m范圍，底部3m范圍。與地鐵交叉段在坑內對地鐵隧道上部的土體采用三軸攪拌樁加固，加固體豎向進入卵石層1.0m，水平方向加固范圍為跨地鐵段整個分步開挖范圍。

1.2工程地質條件

二環接線隧道與地鐵8號線空間相交位置的土層依次為雜填土、粉質黏土、含黏性中砂、中粗砂夾卵石。根據地質勘察結果，各土層地層特性為：

（1）雜填土：雜色-褐灰-黃褐色，濕-飽和，高壓縮性，由黏性土與磚塊、塊石、片石、混凝土路面等混合而成。在東湖路陸域段存在15～20cm的混凝土瀝青路面，路面下有厚1.5m左右的塊石路基填土。該層土結構松散、土質不均，堆積年限一般大于5年，揭露厚度0.5～4.4m，層頂埋深0.0～2.4m。

（2）粉質黏土：灰褐-黃褐色，飽和，可塑狀態，土質均勻，干強度中等，韌性中等。為膨脹土，該層土自由膨脹率介于22%～44%之間，不均勻地具弱膨脹潛勢。屬中等壓縮性土。場地沿線大部分地段均有分布。揭露厚度0.4～8.3m，層頂埋深0.0～8.0m。

（3）含黏性土中砂：黃褐色-黃色，飽和，呈中密狀態，為中壓縮性土，含石英、長石等，以中砂為主，含量約占60%～75%，局部含礫石，粒徑10～80mm，含量5%～15%，局部黏粒含量較高，砂土顆粒級配不均勻。該層土在場地沿線局部地段分布。揭露厚度2.3～14.0m，層頂埋深8.3～18.8m。

（4）中粗砂夾卵礫石：雜色，飽和，呈中密狀態，為低壓縮性土，土質不均勻，卵石含量約為35%，礫石含量約25%，卵石粒徑一般在5～8cm之間，最大揭露粒徑大于10cm，粗顆粒磨圓度較好，原巖主要為石英砂巖和硅質巖；細顆粒主要為中粗砂和黏性土組成，其中中粗砂約占20%，黏性土約占10%。揭露厚度1.4～24.4m，層頂埋深14.8～25.6m。

2模擬計算與分析

2.1模型建立

借助FLAC3D有限差分軟件，建立該交叉段的三維數值計算模型，圍護結構根據等剛度原則換算成相應的實體單元模擬。隔離樁采用FLAC3D中的pile結構單元模擬。隧道盾構管片采用實體單元模擬，本構模型采用彈性本構模型，土體本構模型采用摩爾-庫侖模型。模型通過Rhino-ANSYS-FLAC3D軟件聯合建立，最終模型尺寸為165m×162m×35m，整體三維模型如圖3所示，模型共631165個單元，177543個節點。模型的邊界條件為模型4個側面及底面施加法向位移約束，模型頂面為自由面。計算采用原始地層參數，如表1所示。

2.2模擬計算工序

富含地下水的基坑開挖時，首先需要在開挖范圍內進行抽水以降低基坑內部地下水位，一般將地下水位降低至每次開挖底面以下1m處，結合開挖步驟，采用FLAC3D流固耦合算法，分別進行降水和開挖計算，具體模擬計算工序為：

（1）初始地應力平衡，并生成初始孔壓場，由于盾構隧道既有，已作了防水處理，故將其設置為不透水模型，并設置孔壓為0。

（2）激活圍護結構實體單元以及隔離樁結構單元，進行第一次降水，水位降至地表面以下3m。進行第一次開挖，基坑開挖至地表面以下2m后，激活相應橫撐結構結構單元，計算至平衡。

（3）第二次降水，水位降至地表面以下5m。進行第二次開挖，基坑開挖至地表面以下4m后，激活相應橫撐結構單元。

（4）第三次降水，水位降至地表面以下7m。進行第三次開挖，基坑開挖至地表面以下6m，激活相應橫撐結構單元，也即基坑最終開挖完成。

2.3計算結果分析

模型的初始孔壓云圖以及每次降水后的孔壓云圖如圖4所示，由圖可知，孔壓隨深度呈線性增加趨勢，最大孔壓為0.34MPa左右，盾構隧道附近由于設置了不透水模型，其孔壓為0。每次降水后，由于圍護結構的隔水作用，基坑內側水位不斷降低，而外側水位基本保持不變。

基坑每次降水開挖后整體位移云圖如圖5所示，由圖可知，基坑開挖后，整體位移主要表現為坑底隆起，第一次開挖后產生的位移增量最大，達3mm左右，第二次開挖后產生了1mm左右的位移增量，第三次開挖產生了1.2mm左右的位移增量，開挖完成后最終產生的累計位移為5.2mm左右。盾構管片的豎向位移云圖如圖6所示，由圖可知，基坑降水開挖對盾構隧道管片變形的影響位置主要為基坑開挖正下方位置，且第一次開挖后，盾構隧道管片產生了2.1mm左右的位移增量，第二次開挖后盾構隧道管片產生了1.1mm左右的位移增量，第三次開挖后盾構隧道管片產生了1.3mm左右的位移增量，最終開挖完成后，盾構隧道管片產生的總位移約為4.5mm，該值小于GB50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》［6］要求的限值5mm，說明基坑降水開挖對盾構隧道管片產生的影響較小，同時也說明此交叉段基坑開挖的支護加固結構起到了較好的效果。

3結論

本文基于有限差分軟件FLAC3D，模擬計算了武漢市二環接線隧道與既有地鐵8號線交叉段基坑降水開挖對地鐵8號線盾構隧道管片的影響，分析了基坑的各降水開挖階段的基坑整體位移和隧道盾構管片的豎向位移，計算結果表明在現有支護條件下，基坑降水開挖對隧道盾構管片的影響可以滿足規范要求，施工安全能得到保障。

參考文獻

［1］王振楠，楊冬英，李學東，等.基坑降水開挖對地鐵高架橋墩的影響分析［J］.蘇州科技大學學報（工程技術版），2021，34（4）：31-38.

［2］曹志豪.基坑降水對蘇州某地鐵盾構隧道的結構影響［J］.工程技術研究，2021，6（20）：73-74.

［3］史貴林，曹亞強，王飛艷，等.臨近地鐵基坑降水影響評估與控制研究［J］.江蘇建筑，2021（S1）：101-103.

［4］馬強.隧道基坑開挖對鄰近建筑物影響分析［J］.交通節能與環保，2022，18（3）：142-146.

［5］馬昆泉，閆騰飛.基坑開挖對既有地鐵隧道影響數值研究［J］.廊坊師范學院學報（自然科學版），2022，22（2）：77-82.

［6］北京城建勘測設計研究院有限責任公司.城市軌道交通工程監測技術規范：GB50911-2013［S］.北京：中國建筑工業出版社，2013.