邻近地铁隧道深基坑施工的数值模拟分析及对策

张 梁 鹏

(天津市地下铁道集团有限公司，天津 300051)



邻近地铁隧道深基坑施工的数值模拟分析及对策

张 梁 鹏

(天津市地下铁道集团有限公司，天津 300051)

以天津某邻近地铁隧道深基坑工程为背景，采用三维有限元软件建立数值分析模型，动态模拟了基坑施工的全过程，分析了基坑围护结构变形和邻近地铁隧道的位移特点，并对设计方案进行了优化比选，在经济的基础上满足了隧道变形及位移控制要求。

地铁隧道，基坑，数值模拟，围护结构

0 引言

随着城市轨道交通线网密度及站点覆盖率的增加，越来越多的深基坑工程在地铁沿线施工，作为地下工程的地铁隧道尤其是已运营线路对变形要求极为严格，如何对既有地铁隧道采取有效的保护措施，安全稳定的完成基坑开挖施工，是目前需要重点研究的一个课题。

国内外许多专家学者对深基坑围护结构变形规律进行了大量试验和研究，部分专家学者对邻近隧道基坑工程的围护结构及隧道变形做了详细的监测和分析，并提出了坑底加固、堆载、盆式开挖配合钢管斜坡撑、分条分块开挖等保护措施[1，2]。还有一些专家学者对基坑开挖过程数值模拟进行了深入的研究，对土体本构模型结合数值模拟与实测进行了对比分析，总结出了各模型的特点及适用性，采用相应模型，经工程实测结果验证模拟变形量与实际规律趋于一致[3]。在实际施工中，可采用数值分析的方法利用有限元分析软件对围护结构及隧道变形位移进行模拟，实现对围护结构设计方案的分析比选，确定与具体工程地质条件相适宜的经济合理的设计方案。

1 工程概况

由于基坑与已运营地铁隧道水平距离较近，并考虑水文地质情况，围护结构采用长度为49 m地连墙形式，设计初期出于保守考虑，地连墙采用1.2 m厚“T”形地连墙，但经过专家探讨认为1.2 m厚“T”形地连墙存在造价过高以及增加施工难度、制约进度等问题。鉴于以上原因，设计对地连墙方案进行了优化，将“T”形幅变更为“一”形幅，优化后的方案能否满足隧道变形要求是工程的关键，拟采用数值分析的方法建立模型对基坑开挖全过程进行数值模拟，以选择合理且有保证的围护结构方案。

2 数值模拟分析

2.1 模型选取及工况分析步设置

基坑工程采用有限元计算软件PLAXIS 3D建立三维数值模型，土体选用HS-Small本构模型。该模型为等向硬化弹塑性模型，土体硬化模型可以同时考虑剪切硬化和压缩硬化，并采用Mohr-Coulomb破坏准则。HS-Small作为PLAXIS特有的模型，能同时给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形情况，适合于敏感环境下的基坑开挖数值分析，相比于应用较广泛的弹性模型、Duncan-Chang(DC)模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Drucker-Prager(DP)模型具有较高的精确度，且适合于多种土类的破坏和变形行为的描述。该模型在上海软土地区有广泛的应用并取得了较好的效果。

模型首先要确定各项参数，HS-Small本构模型相比其他模型参数较多[4]，参照本工程岩土工程详勘报告，并结合天津工程经验及上海典型土层选取参数，模型参数取值如表1所示。

表1 模型计算土体参数

如图1所示，土方分六层开挖，计算工况及分析步设置：1)施工地连墙；2)第一开挖层降水、开挖、冠梁及混凝土支撑；3)第二开挖层降水、开挖、混凝土支撑；4)第三开挖层降水、开挖、混凝土支撑；5)第四开挖层降水、开挖、混凝土支撑；6)第五开挖层降水、开挖、混凝土支撑；7)第六开挖层开挖、封底，施工完成。

2.2 建立模型数值模拟

1)方案一数值模拟。方案一：按照1.2 m厚地连墙方案。根据施工图纸及工程地质条件建模，模型长度为350 m，宽度为280 m，深度为100 m，采用10节点四面体单元，单元359 000个。

通过模型计算得出结果，开挖完成后隧道一侧地连墙最大水平位移为30.06 mm，另一侧最大水平位移为39.18 mm，地表最大沉降为29.94 mm，坑内土体最大隆起为70.90 mm，如图2，图3所示，满足基坑开挖要求。隧道收敛及位移模拟数据见表2。

表2 隧道收敛及位移模拟数据(一)

mm

隧道变形情况，隧道收敛呈现竖向压扁，收敛值为9.26 mm，水平位移为16.15 mm(向基坑一侧)，竖向位移为9.46 mm(向下)。收敛值控制在10 mm以内，符合要求；位移值控制在20 mm以内，若按一般隧道考虑，隧道位移控制标准为20 mm，基坑开挖过程及开挖完成后，左线隧道位移均在控制标准之内。但按照已运营既有线隧道考虑，参照GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范，隧道竖向控制值为+5 mm～-10 mm，水平位移控制值为5 mm，不满足要求。为减小对邻近隧道影响确保地铁隧道安全，经专家研究要求设计单位与施工单位对方案进行优化，新方案应满足既有线隧道变形要求。

2)方案二数值模拟。方案二：为减小地连墙变形，增加基坑内支撑力，横向四等分设置三道横隔墙将基坑分为4个仓，横隔墙深度16 m，厚度为1 m，地连墙厚度分别按1.2 m和1 m进行试算，深度仍为49 m，下面所建立模型取地连墙厚度为1 m。根据施工图纸及工程地质条件建模，模型长度为350 m，宽度为280 m，深度为100 m，采用10节点四面体单元，367 000个。

通过模型计算得出结果，开挖完成后隧道一侧地连墙最大水平位移为16.7 mm，另一侧最大水平位移为18.8 mm，地表最大沉降为19.5 mm，坑内土体最大隆起为29.46 mm，如图4，图5所示，满足基坑开挖要求。

隧道变形情况，隧道收敛呈现竖向压扁，收敛值为0.75 mm，水平位移为4.95 mm(向基坑一侧)，竖向位移为2.26 mm(向下)。收敛值极小，竖向位移较小，水平位移满足5 mm的控制标准。

隧道收敛及位移模拟数据见表3。

表3 隧道收敛及位移模拟数据(二) mm

3 方案比选及对策

由数值模拟结果分析，若按既有运营线路考虑，以5 mm为隧道位移控制标准，可采取坑内增加分仓横隔墙的措施，该措施可将地连墙的厚度减小为1 m。开挖过程中及开挖完成后，左线隧道的收敛变形和位移均在控制指标之内。鉴于选取的数值分析软件及模型较为精确，且适用于本工程地质条件，拟依据数值分析结果作为方案是否满足工程监测要求的评判标准。采取对基坑邻近隧道的保护措施，基坑围护结构的设计方案是关键，方案一1.2 m厚地连墙可以满足普通隧道变形要求，在此基础上，采取增加分隔墙的方式对方案进行优化，优化方案满足要求后，又考虑减少地连墙厚度以降低工程造价，优化后的方案二不仅满足既有线隧道变形要求，而且地连墙厚度减为1 m，降低了工程造价，混凝土浇筑减少1 000 m3以上，无论从技术上还是经济上，优化后的方案二都具有优势，选取方案二作为此基坑工程围护结构方案。设计方案优化后，在工程施工中，应遵循时空效应原理，参考既有成果及工程经验，对开挖方式进行优化，并采取辅助加固等措施，加强对隧道变形的监测，监测控制值按既有运营线考虑，一旦出现变形较大的趋势，立即采取有效措施进行控制。

4 结语

基于邻近地铁隧道的深基坑工程实例，以及所建立的三维有限元计算模型，模拟分析了基坑施工过程中围护结构变形及隧道变形和位移，通过分析得到如下结论：

1)基坑开挖对邻近隧道周围土体有显著影响，土体变动带动隧道产生位移，隧道水平位移向基坑一侧，竖向位移在开挖初期为上抬，开挖深度超过隧道后变为下沉，且水平位移明显大于竖向位移。如不采取有效措施，隧道变形及位移将超出控制标准。2)鉴于HS-small本构模型对敏感环境下的基坑变形及基坑开挖对周边环境影响的拟合度较高，可将此模型应用于设计方案的比选和优化，本案例中的应用具有良好的技术性和经济性。另外，为减小数值模拟的误差，HS-small模型参数还有待于针对天津地质条件结合工程实测及试验进一步修正完善。3)基坑围护结构的选取对控制基坑变形至关重要，增加围护墙(桩)、支撑的刚度可抑制围护结构的水平位移，将基坑分仓的分隔墙是一种较实用的方法，采用分隔墙增加支撑刚度的方案有效控制了围护结构的水平位移，进而控制了隧道的变形和位移。

[1] 朱正峰,陶学梅,谢弘帅.基坑施工对运营地铁隧道变形影响及控制研究[J].地下空间与工程学报，2006,2(1)：128-131.

[2] 王卫东,沈 健,翁其平,等.基坑工程对邻近地铁隧道影响的分析与对策[J].岩土工程学报，2006,28(sup)：1340-1345.

[3] 徐中华,王卫东.敏感环境下基坑数值分析中土体本构模型的选择[J].岩土力学，2010,31(1)：258-264.

[4] 王卫东,王浩然,徐中华.上海地区基坑开挖数值分析中土体HS-Small模型参数的研究[J].岩土力学，2013,34(6)：1766-1774.

Numerical simulation analysis and countermeasures of excavation adjacent to metro tunnel

Zhang Liangpeng

(TianjinMetroGroupCo.,Ltd,Tianjin300051,China)

Based on the deep excavation adjacent to metro tunnel in Tianjin, a numerical model was established to simulate during excavation processes by 3D finite element software. The deformation and displacement of retaining structures, metro tunnel during excavation was studied. With comparison and optimization of design plans, based on the money-saving, it meets the demands of tunnel deformation and displacement control.

metro tunnel， excavation， numerical simulation， retaining structure

1009-6825(2016)10-0153-03

2016-01-28

张梁鹏(1982- )，男，硕士，工程师

U445

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