降水條件下上跨地鐵隧道的基坑開挖施工力學行為分析

收稿日期：2023-10-24

作者簡介：曾亮（1990—），男，本科，工程師，從事市政路橋施工工作。

摘要 為明確不同降水條件下上跨地鐵隧道的基坑開挖施工力學行為，文章以廈門某基坑工程為例，利用數值模擬軟件分析降水對施工的影響。研究結果表明：基坑開挖后坑底整體位移呈現近似M形分布，最大位移出現在T字形基坑附近，降水開挖比未降水開挖基坑隆起減少了65%，但地表周圍沉降增加了16.5%；基坑降水能夠有效抑制隧道隆起及水平位移，未降水工況較降水工況豎向位移增加了46.8%，水平位移增加了26.4%。

關鍵詞 基坑開挖；基坑降水；上跨隧道；數值模擬

中圖分類號 TU753文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0050-04

0 引言

城市的快速發展使得基坑的周邊環境越來越復雜，各種臨近的高層建筑、地鐵隧道、高鐵線路日益增多，使得其施工開挖難度增大。尤其是上跨地鐵隧道工況，基坑坑底與隧道拱頂十分接近，開挖擾動帶來的影響不可忽視。同時在沿海地區，地下水系較為發達，雨季降雨引起的地下水位較高使得基坑開挖影響更加復雜。

國內外學者對上跨地鐵隧道的基坑施工進行了研究，主要通過模型試驗、數值模擬分析、理論分析以及現場實測分析等方式。李航等[1]通過物理模型試驗，研究軟土地層中基坑開挖對臨近隧道的影響，研究表明臨近隧道的基坑開挖引起隧道變形響應十分敏感，隧道豎向變形隨坑底隆起增加而顯著增加；黃睿等[2]對施工過程中的典型斷面進行監測分析，發現臨近隧道一側的基坑跨中區域是土層應力釋放的重點區域，在施工過程中要注重該部位的監測；劉波等[3]通過收集42個基坑開挖對側方既有隧道影響的工程案例，分析了隧道隆起沉降與隧道拱頂埋深以及基坑水平距離的關系，建立了相應的隧道變形預測公式。同時在基坑降水問題上，鄭剛等[4]通過有限元軟件模擬了承壓層減壓降水對既有隧道的影響。

現有的研究多數針對上跨地鐵隧道的基坑降水施工，對于降水開挖工況下的基坑及地鐵一系列施工力學行為暫不明確。該文以廈門北高鐵站交通綜合配套工程的基坑工程為背景，通過FLAC3D數值模擬軟件建立了三維流固耦合數值計算模型，對比了降水與未降水工況下的基坑沉降規律，進一步分析了下穿地鐵隧道的上浮影響，以期為后續的基坑開挖施工提供一定的科學指導。

1 工程概況

廈門北高鐵站交通綜合配套工程項目基坑周長940 m，面積29 600 m2，場地北側為在建福廈高鐵，基坑邊線距離高鐵軌道邊線最近距離約8.64 m，高鐵主要為挖方路基，局部為填方路基，高鐵路床頂標高約21～21.5 m；北側基坑上跨廈門地鐵4號線區間，該區間采用盾構法施工，洞徑6.7 m，基坑坑底距離地鐵結構頂最近約9.88 m；基坑東側室外部分距離既有廈沙高速巖內隧道最近水平距離約25.26 m；基坑南側為既有高鐵，基坑邊線離高鐵柵欄最近距離約15.26 m。

場地地層結構中等復雜，根據鉆探揭露區地質調查，場地在鉆孔揭露深度范圍內所分布的巖土層主要為人工填土層、坡積層、殘積層以及燕山早期第三次侵入花崗巖。廈門位于福建省東南部，背山面海，南亞熱帶海洋性氣候，因此在每年4—8月份降雨量較多，上層滯水水量及水位易受季節性控制，地下水位對基坑開挖影響明顯。

2 數值計算分析

2.1 模型建立

以廈門北高鐵站交通綜合配套工程項目為背景，采用FLAC3D數值模擬軟件建立三維流固耦合數值計算模型，模型長度為400 m，寬度為170 m，高40 m，共69 057個單元，42 434個節點，模型如圖1所示。

2.2 本構模型及邊界設置

該數值模型采用Mohr-Coulomb本構模型，該模型在低應力條件下能夠準確反映土體開挖產生的彈塑性變形特點，使得結果更接近于實際?；又ёo、隧道襯砌則采用彈性本構模型。對模型四周邊界的土體施加X向和Y向的位移約束，底部施加Z向約束，模型上表面為自由面，不進行約束；同時對底部土體設置不透水邊界，設定地下水位為地下1 m處。

2.3 施工工況模擬

根據現場實際施工情況對基坑開挖步驟進行設定，由于該文僅考慮基坑開挖對下穿隧道的影響，所以在地應力平衡后開挖下穿隧道，并施作地鐵隧道襯砌，最后對下穿隧道結構的位移進行清零。基坑施工采用先降水后開挖的施工方案，在基坑開挖前對基坑進行降水至坑底深度下2 m位置，再進行逐步開挖并施加基坑圍護結構。

基坑開挖流程如下：

①基坑第一層開挖3 m；②基坑第二層開挖3 m；③基坑第三層開挖2 m；④基坑第四層開挖3.5 m；⑤T字形基坑開挖；⑥施作基坑底板支護。

3 計算結構及分析

3.1 基坑坑底隆起分析

通?；娱_挖會改變坑內土體的應力平衡狀態，由于基坑內大量土體被挖出，導致坑底隆起以及周圍地層及支護結構變形。

分析發現，基坑坑底最大隆起部位在T字形基坑位置的土體，該部位基坑開挖深度最大，為14 m，基坑上覆的土壓力較小，因此隆起較其他部位嚴重。總體而言，基坑進行降水后坑底隆起相比未降水隆起較小，但基坑周圍沉降值明顯增大，未降水地表沉降最大值為4.4 mm，降水地表沉降最大值為5.13 mm，增加了16.5%。究其原因，一部分是坑內土體在被移除的同時改變了坑內的土體應力平衡，此時基坑周圍的圍護結構就會向坑內側移從而維持土體的新平衡，因此造成基坑周圍的地層損失，使得周圍土體發生沉降。

進一步分析降水對基坑坑底隆起的影響程度，統計降水與未降水工況坑底豎向位移，如圖2所示。

由圖2可以看出，開挖后基坑底部整體位移呈現近似M形分布，峰值點位于T字形基坑附近，可見基坑開挖的深度與開挖面積的大小直接影響坑底隆起情況。降水和未降水坑底隆起趨勢整體一致，但降水開挖工況隆起程度低于未降水工況，降低了約65%，這是由于在降水后，增加了開挖土體及坑底土體密實程度，此時土體孔隙比減少，固結程度增加，因此土體隆起程度較未降水工況更小，可以看出降水對基坑坑底隆起具有一定的改善作用。

3.2 基坑周邊地表沉降分析

該基坑周圍緊鄰車站與高鐵線，為了更加詳細分析基坑開挖對周邊地表沉降的影響，統計基坑長邊與短邊方向地表沉降在不同開挖步序情況下的變化曲線趨勢圖，如圖3所示。

由圖3可以看出，降水開挖與未降水開挖周邊地表沉降變化趨勢基本一致，呈現先減少后趨于平穩趨勢，但降水后開挖工況明顯比未降水開挖周邊地表沉降程度更大，說明降水開挖對地表沉降的影響較大，由于進行基坑降水時使得地下水位降低，土體間的有效應力會增大，地下水水頭差產生的土體滲流壓力也會增加，有效應力和滲流壓力都會讓土體產生固結，引起地表沉降。

該工程周圍臨近既有高鐵線路以及在建高鐵線路，周圍環境較復雜，施工期間應及時監測臨近建筑物沉降情況，做好應對措施防止出現不均勻沉降影響建筑安全的狀況。

如圖4所示，為降水工況下不同施工步驟基坑周邊沉降統計圖。

由圖4可知，隨著各層土體的開挖，基坑周邊各點監測沉降值逐漸增大，基坑左側沉降最大達到了5.17 mm，在距離基坑邊緣25 m處沉降基本穩定，基坑右側沉降最大達到了4.98 mm，在距離基坑邊緣20 m左右沉降基本穩定。對比第四層開挖與第三層開挖可以發現，第四層開挖最大沉降增加了約0.97 mm，較第三層減少了0.36 mm；第三層開挖土層厚度為2 m，較第四層開挖土層厚度減少了1.5 m。由此可以看出，基坑開挖厚度也是影響周邊地表沉降的一大原因。總體而言基坑開挖的影響范圍在25 m左右，并且周邊地表沉降最大值為5.13 mm，小于1.5%H（H為基坑開挖深度），滿足《建筑深基坑工程施工安全技術規范》要求。

3.3 圍護結構位移分析

通過模擬基坑降水開挖卸荷，通過觀察基坑圍護結構的水平位移可以更加清楚地了解周邊土體土壓力對圍護結構的變形作用，確保基坑施工開挖過程中的安全。該工程周邊環境復雜，若基坑圍護結構水平位移變形過大則會導致基坑坍塌，直接影響周邊建筑安全，因此在開挖階段需要嚴格限制坑壁水平位移。如圖5所示，為兩側支護結構水平位移統計圖。

由圖5可以看出，遠離隧道側支護與靠近隧道側支護整體位移規律基本一致，僅在數值上存在差異，支護結構整體位移呈現“括弧”狀分布，最大位移位于開挖?4 m處。因此在現場實際施工中應對該部位設計相應的水平支撐，以確?；涌颖谒轿灰圃诳煽胤秶鷥?。

3.4 基坑開挖對下穿隧道影響分析

該工程上跨地鐵4號線廈門北站—官潯站區間隧道，基坑底部距離地鐵隧道結構最近為9.88 m，基坑開挖通常會導致地鐵隧道上浮，通過數值模擬軟件分析不同施工工況下地鐵隧道變形規律，統計降水與未降水地鐵隧道豎向位移情況。通過地鐵隧道豎向位移分析可得，受基坑開挖卸載和降水的影響，地鐵隧道出現了不同程度的上浮。降水開挖隧道最大上浮達到4.91 mm，未降水開挖基坑最大上浮達到了7.21 mm，較降水開挖增加了46.8%；在水平方向上，降水開挖隧道最大水平位移達到6.21 mm，未降水開挖基坑最大水平位移達到了8.44 mm，

較降水開挖增加了26.4%，說明降水開挖對抑制隧道位移效果顯著。如圖6所示，為不同開挖步序下的T字形基坑下隧道拱頂豎向位移統計圖。

由圖6可知，隨著土層的開挖，地鐵隧道上浮位移逐漸增大，靠近基坑一側左線受基坑開挖影響較大，其位移增量較遠離基坑側隧道大，最大豎向位移達到了4.89 mm，右側隧道在豎直方向位移受基坑開挖影響較小，主要在第一層基坑土體開挖時出現較大的上浮位移，后續變化幅度不大。

進一步對隧道襯砌管片變形進行分析，右側隧道襯砌管片變形主要以水平位移為主，最大位移出現在左拱腳部位，為6.67 mm，管片整體呈圓形，并無太大變形，左側隧道主要以上浮為主，伴隨一點側向?15 °左右的傾斜，最大位移出現在隧道拱頂部位，為6.74 mm，管片整體呈橢圓形。因此在后續施工中，不僅要重視隧道拱頂的豎向位移監測，更要及時監測遠離基坑側隧道的水平位移。

4 結論

（1）降水開挖比未降水開挖基坑隆起減少了65%，但地表周圍沉降增加了16.5%，該工程基坑開挖后坑底整體位移呈現近似M形分布，最大位移出現在T字形基坑附近，基坑開挖的深度和面積直接影響坑底隆起情況。

（2）周邊地表沉降呈先減少后趨于平穩的趨勢，基坑開挖的影響范圍在25 m左右，已涉及鄰近的既有高鐵線路以及在建高鐵線路，在施工期間應及時監測鄰近建筑物沉降情況，做好應對措施防止出現不均勻沉降影響建筑安全的狀況。

（3）基坑圍護結構主要以水平位移為主，并且受到下穿隧道的影響，遠離隧道側的基坑圍護結構位移更大，這說明地鐵隧道的存在能夠抑制基坑周圍的土體向基坑內移動。

（4）基坑降水能夠有效抑制隧道隆起及水平位移，未降水工況較降水工況豎向位移增加了46.8%，水平位移增加了26.4%，基坑開挖主要影響左側隧道豎向位移，對右側隧道主要以水平位移為主，后續應及時對相應部位做好監測及支護。

參考文獻

[1]李航， 廖少明， 何君佐，等. 軟土基坑分步開挖卸荷時效及其對鄰側隧道影響[J]. 中南大學學報（自然科學版）， 2023（3）： 1044-1053.

[2]黃睿， 許鋮嘯， 吳燦鑫. 軟土基坑分區開挖對臨近地鐵隧道影響的實例分析[J]. 現代隧道技術， 2022（S1）： 509-517.

[3]劉波， 章定文， 李建春. 基于多案例統計的基坑開挖引起側方既有隧道變形預測公式及其工程應用[J]. 巖土力學， 2022（S1）： 501-512.

[4]鄭剛， 鄧旭， 劉慶晨. 承壓含水層減壓降水對既有盾構隧道影響研究[J]. 巖土力學， 2015（1）： 178-188.