基坑分區(qū)開挖對下穿隧道影響分析

高添桂

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著城市經濟的發(fā)展，城市綜合交通樞紐的建設成為迫切需要，然而城市綜合樞紐工程往往涉及基坑開挖規(guī)模較大，基坑施工伴隨著高鐵、地鐵、公交等一系列因素影響，尤其是下穿地鐵隧道工況，基坑坑底離隧道頂部的距離短，基坑開挖給隧道帶來的影響不可忽視。而且地鐵隧道變形要求十分嚴格，結構絕對最大位移不能超過20mm，變形曲線的曲率半徑不小于15000m，相對彎曲不能超過1∕2500。因此，為保障地鐵運營的安全，有必要進一步探究不同的開挖方式對地鐵隧道所造成的影響。

國內外學者對下穿地鐵隧道的基坑施工所造成的沉降進行了許多研究，其中劉波等[1]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。同時在基坑支護問題上，鄭剛等[2]通過有限元軟件模擬了圍護結構變形模式對坑外變形影響區(qū)的范圍；劉波等[3]分析了不同加固措施下豎井式基坑開挖引起的下臥隧道的隆起規(guī)律；吉茂杰等[4]分析基坑工程中時間、空間效應對隆起的影響規(guī)律，提出了時間、開挖寬度影響系數，并推導出使用計算方法；張治國等[5]認識到三維有限元建模的缺點，并通過分開兩段計算隧道影響來達成較好的一致性。

前人的研究對下穿隧道的基坑施工和預測隧道沉降等研究上取得了較大的進展，但是對于分區(qū)開挖工況下的基坑及地鐵一系列施工力學行為暫不明確，尤其在周邊復雜環(huán)境下，基坑的施工力學行為、隧道的變形特征更加顯著復雜。本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數值模擬軟件建立三維流固耦合數值計算模型，對比整體開挖與分區(qū)開挖不同工況下的基坑沉降規(guī)律，進一步分析下穿地鐵隧道的上浮影響，以期為后續(xù)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場地西南側低，東北側高，場地標高在16.0～30.0m間變化。場地北側為在建福廈高鐵，項目計劃與福廈高鐵同步建設，于2022年9月底同步竣工，基坑邊線距離高鐵軌道邊線最近距離8.64m，高鐵主要為挖方路基，局部為填方路基，高鐵路床頂標高約21.0～21.5m；北側基坑上跨廈門地鐵4號線區(qū)間，該區(qū)間采用盾構法施工，洞徑6.7m，基坑坑底距離地鐵結構頂最近約9.88m；基坑東側距離既有廈沙高速巖內隧道最近水平距離約25.26m；基坑南側為既有高鐵，基坑邊線距離高鐵柵欄最近距離約15.26m。基坑西側緊鄰廈門北站既有車站建筑。

基坑挖深：基坑周邊場地高程約為16.0～30.0m，場地場平標高由東向西分為24.000、23.000及16.000，根據基礎資料，場平后基坑開挖深度約為3.0～14.5m。

場地地層結構中等復雜，根據鉆探揭露區(qū)地表調查，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。

廈門地處歐亞大陸的東南緣，位于福建省東南部，背山面海，南亞熱帶海洋性氣候，溫和多雨，年均降水量1200mm左右，每年4～8月份降雨量較多。

2 數值模型建立和工況模擬

2.1 模型建立

本文以廈門北高鐵站交通綜合配套工程項目為例，運用FLAC3D數值模擬軟件建立三維流固耦合數值計算模型，長400m，寬170m，高40m，共69057個單元，42434個節(jié)點。土體物理性能參數參考現場實際測量結果。

2.2 模型假設及施工工況模擬

本文數值模型采用Mohr-Coulomb本構模型，該模型在低應力條件下能夠更加貼近反映土體開挖產生的實際彈塑性變形。基坑支護、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。

根據現場實際施工情況對基坑開挖步驟進行設定，由于本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。

3 分區(qū)開挖方式對基坑變形和隧道結構的影響分析

基坑開挖導致的土體變形以及隧道上浮往往與基坑的開挖方式有關。尤其在本工程中，地鐵隧道并不是正處于基坑下方，不同的基坑分區(qū)開挖方式將直接影響到隧道的整體變形。本節(jié)主要分析坑底在不同分區(qū)開挖情況下對隧道及基坑的變形影響規(guī)律。開挖方式劃分為三種，第一種是坑底整體開挖；第二種是坑底分區(qū)開挖，由①-⑩順序開挖；第三種是分區(qū)開挖，由①-②，⑥-⑩，③-⑤順序開挖。分區(qū)見圖1所示。

圖1 開挖示意圖

3.1 分區(qū)開挖方式對基坑變形的影響分析

分析坑底截面豎向位移可知：三種開挖方案中，坑底整體開挖工況坑底截面隆起最為嚴重，為7.31mm；分區(qū)開挖工況中先開挖靠近隧道側土體工況，最大隆起為6.83mm，先開挖遠離隧道側土體工況最大隆起為6.64mm，二者相差不大，這說明坑底分區(qū)開挖可以有效降低坑底隆起情況，但是不同開挖順序對坑底隆起影響較小。

對比三種開挖方案可以發(fā)現，完全施工完畢時基坑坑底隆起規(guī)律一致，在T字型基坑部位達到最大，同時基坑外圍土體都出現了不同程度的沉降。在開挖基坑右側土體時，T字型基坑坑底隆起出現了略微的下降，這種情況在左側土體開挖時也出現，究其原因當坑底土體挖出坑底應力得到釋放，臨近土體有向該部分移動的趨勢，因此導致臨近土體隆起下降。

在分區(qū)開挖的兩種工況中，左右線隧道上方兩側地表沉降基本一致，左側隧道上方地表沉降最大為2.56mm，右側最大為2.65mm；整體開挖工況左側隧道上方地表沉降最大為3.42mm，右側最大為3.55mm，較分區(qū)開挖分別提高了33.6%、33.9%，分區(qū)開挖降低地表沉降效果明顯。本工程臨近高鐵路線以及高鐵車站，周邊環(huán)境復雜，應適當對坑底進行分區(qū)，確保基坑周邊建筑安全。

3.2 分區(qū)開挖對隧道結構的影響分析

對三種開挖工況下隧道豎向及水平位移分析，可以得出隧道最大豎向位移主要集中在T字型基坑下方，其中坑底整體開挖工況隧道最大豎向位移為4.91mm，先開挖遠離隧道側土體工況最大豎向位移為4.50mm，先開挖靠近隧道側土體工況最大豎向位移為4.64mm，二者在數值上差異并不大；由于左側隧道直接下穿基坑坑底，因此左側隧道豎向位移明顯大于右側隧道豎向位移，而在水平位移上，分析得出最大水平位移出現在右側隧道靠近①分區(qū)部位，最小水平位移在左側隧道靠近⑩分區(qū)部位，且右側隧道水平位移小于左側隧道，由此看來左側隧道主要受豎向位移的影響，右側隧道主要受水平位移的影響。

由于前三個開挖步工況一致，受基坑開挖影響的隧道水平位移基本一致，右線隧道的水平位移遠大于左線隧道。坑底整體開挖工況左線最大水平位移約為2.98mm，右線最大水平位移約為5.96mm，是左線最大水平位移的2.0倍；在先開挖靠近隧道側土體方案中，左線最大水平位移約為2.84mm，右線最大水平位移約為4.98mm，是左線最大水平位移的1.7倍；先開挖遠離隧道側土體方案中，左線最大水平位移約為2.47mm，右線最大水平位移約為4.88mm，是左線最大水平位移的1.97倍。因此在實際施工中更需要注意對右側隧道水平位移的監(jiān)控。

3.3 現場監(jiān)測與數值模擬結果對比分析

對比現場監(jiān)測數據與數值模擬結果如圖2所示。

由圖2可以看出，在地鐵隧道豎向位移上，模擬結果與實測值規(guī)律基本一致，但實測值較模擬結果隧道上浮程度較大，這是因為本模擬主要采用地下連續(xù)墻支護結構，而現場則是采用放坡及雙排樁支護，因此在數值上存在一定差異，但整體變化趨勢一致；在水平方向上，雖然實測值出現了一定的波動，但整體位移趨勢同模擬結果一致，分別在SGC-Y06與SGC-Y19產生極值，說明本數值模擬結果可靠。

4 結束語

（1）整體開挖工況引起的坑底隆起最為嚴重，無論是開挖遠離隧道側土體還是靠近隧道側土體所引起的坑底隆起都比整體開挖要小，說明分區(qū)開挖可以有效減小坑底隆起。

（2）分區(qū)開挖的兩種工況比整體開挖所造成的左側隧道上方地表沉降和右側隧道上方地表沉降分別降低33.6%和33.9%，分區(qū)開挖能明顯降低地表沉降效果。

（3）隧道最大豎向位移出現在T字型基坑下方，左側隧道主要受豎向位移的影響，右側隧道主要受水平位移的影響，無論是整體開挖還是分區(qū)開挖中的先開挖遠離隧道側土體或者是先開挖靠近隧道側土體，右線的最大水平位移都約等于左線最大水平位移的兩倍。