基坑开挖对周边环境影响的三维数值分析

王冰玲

(安徽三联学院，安徽 合肥 230601)

近年来，随着我国城市建设迅猛发展，各类深大基坑工程日益增多。然而，基坑开挖不仅会影响相邻建(构)筑物的安全，也会威胁城市地下排水管道、电缆、煤气管道的安全及附近道路的正常运行［1］。在基坑开挖过程中，由于坑内土体被挖除，基坑周围土体的水平应力不断卸载，导致该部分土体的体应力减小，剪切应力增大，周围土体随之发生较大变形。这种变形与地基土特性、基坑开挖深度与宽度、暴露时间、支护结构体系刚度、施工工艺、施工质量等有关［2］。现有研究发现基坑周围土体沉降直接取决于支护结构侧向位移，其影响范围(水平及垂直方向)一般是开挖深度的2～3倍［3-4］。

随着城市化进程加快，基坑周边存在地铁隧道的情况难以避免。基坑开挖将引起周边土体的应力变化，这必将对运营期间隧道的变形产生不可忽略的影响。特别是在进行深基坑开挖时，由于深基坑的基坑深度接近隧道埋深，其对隧道的影响更为显著。BURFORD最早报道了伦敦地铁隧道因上方基坑开挖导致在27年间地表累计隆起量为50mm［5］。CHANG等分析了台北地铁因邻近基坑开挖导致隧道损坏的事故，并给出了紧邻地铁实施深基坑开挖的控制建议［6］。SHARMA等研究了新加坡MRT隧道受侧上方大面积开挖影响的特性［7］。近年来，我国国内多地也有大量类似案例报道［8-9］。不少研究通过现场监测手段，分析了深基坑开挖对邻近隧道的影响，同时在工程经验和实测结果的基础上提出了诸多控制方法，并将方法应用于工程实际［10-11］。此外，不少学者通过数值模拟方法研究了运营隧道与深基坑之间的相互影响［12］。然而，上述研究主要集中于采用平面二维有限元分析，将基坑开挖简化为二维代表面进行分析，而实际上由于基坑开挖的三维特性，简化二维代表面并不能准确反映基坑开挖三维变形特性，因此采用三维数值分析方法能更真实地反映基坑开挖对周边环境的影响。基于上述分析，结合深圳地区某具体工程，通过三维数值方法研究了基坑开挖对邻近水平双线隧道的影响特性。

1 工程概况

拟建场地位于深圳市南山区蛇口南水步行街北侧，石云路东侧，蛇口幼儿园西北侧，港深通驾校训练场地内。场地原始地貌单元属海漫滩，后经人工改造，场地原始地貌业已改变，场地地势较平坦，测得各钻孔孔口标高介于3.80～4.20m。拟建建筑物为地上4层，框架结构，地下1层，为机动车停车库及设备用房，地下室埋深4.9m。根据设计图纸，场地正负零相对于绝对标高为4.250m，基坑底绝对标高为-1.000m，现状地面标高约3.900m，开挖深度约4.9m。

基坑北侧与地铁2号线相邻，基坑支护边线与地铁线路走向一致，基坑支护边线与地铁隧道左线外边缘的距离为6m，基坑底比相邻地铁隧道底高出7.1m。

本项目基坑周围环境条件较复杂，地质条件一般，其支护安全等级为三级。考虑安全性、经济性及施工便利性，本基坑南侧支护采用单排搅拌桩+钢管+土钉，其余各侧采用双排搅拌桩+土钉，搅拌桩深度为8.9m。为研究基坑开挖卸荷过程对邻近周边环境的影响，采用三维数值模拟方法分析基坑开挖过程中周边土体及邻近隧道的变形特性，并对相应变形特性进行了分析。

2 三维数值模型及参数确定

本文采用有限元分析软件MidasGTS420，该软件包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为，具有较完整的岩土工程分析过程和材料模型，可提供解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土结构相互作用等绝大多数岩土工程问题。

2.1 单元选取

对于地铁盾构隧道衬砌，考虑长宽及厚度影响，用壳单元Shell63模拟，该单元既具弯曲能力又具膜力，可承受平面内荷载和法向荷载。水泥土搅拌桩支护结构将其等效为一定厚度的板，采用板单元模拟水泥搅拌桩支护效果。土体采用Solim5单元模拟，该单元可进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形及大应变分析，同时适用于线弹性材料和弹塑性D-P模型。

2.2 接触分析

在进行桩土及盾构衬砌接触分析时，桩体、盾构衬砌等刚度较大物体接触面被当成“目标面”，土体接触面被当成“接触面”。

2.3 边界条件

模型底部的约束条件为水平、竖直方向都固定;模型四周约束条件为水平方向固定，竖直方向自由。

2.4 计算参数

根据基坑开挖的特点分析和土的工程特性的不同，本文对于人工填土、黏土采用修正剑桥模型(ClayPlasticity)模拟，对于粗砂砾、全风化砂岩、强风化砂岩和中风化砂岩，本报告采用Drucker-Prager模型进行模拟。

D-P材料参数有土体的黏聚力C、内摩擦角φ、膨胀角φf。膨胀角用来控制体积膨胀的大小。此外还有弹模E、泊松比υ。土体影响范围宽度取5倍基坑宽度，桩端土体深度取1.5倍桩长。同济大学杨敏等［13］认为：对于上海地区软土地基土对应的土体弹模E0，同勘察报告给出的压缩模量ES1-2近似存在以下关系：

式中，λ为比例系数，取2.5～3.5。

根据勘察报告所提供的参数及相关经验公式，模型土层及支护结构参数设置如表1，2所示。

表1 土层材料模型参数

表2 支护结构材料参数

2.5 计算模型

根据场地情况，建模时综合考虑计算时间与计算规模的协调，有限元计算模型如图1所示，模型尺寸210m×180m×59m，模型共104689个节点，97916个单元，其中包括62678个六面体单元(土体)，6540个板单元(围护结构)，10380个板单元(地铁结构)。计算模型同时考虑了基坑开挖过程中桩与土、隧道衬砌与土的相互作用，并考虑基坑开挖的全过程，进行分步模拟分析。

图1 三维基坑开挖数值模型

2.6 计算工况设置

根据设计文件，基坑采用分布开挖方式进行施工，计算工况如表3所示。

表3 计算工况

3 数值模拟结果分析

数值模型可模拟基坑分步开挖全过程，这里主要对基坑开挖到坑底时(Stage5)基坑支护结构及邻近隧道变形特性进行分析。

3.1 周边土体及基坑围护结构变形分析

图2，3为基坑开挖到基坑坑底-4.900m时，基坑周边土体沉降及支护结构水平位移分布云图。从图中可以看出，对于基坑周边土体而言，当基坑开挖至坑底时，在基坑长边方向周边土体发生一定的沉降，沉降主要位于长边中间及拐角等部位。这主要因为对于长边来说其支护刚度相对短边较小，在中间及应力集中的拐角部位出现一定程度的沉降，且最大沉降区域位于支护结构外侧一定距离内，在支护结构周边形成一个沉降槽，沉降槽距基坑边缘1/3基坑开挖宽度，最大沉降值为9.2mm。因此，在基坑开挖过程中尤其需要注意长边方向中间和拐角等部位的沉降特性，防止基坑开挖过程造成邻近管线的破坏。

对于基坑支护结构而言，在支护结构拐角等部位由于应力集中，基坑围护结构产生较大的水平变形，这主要是因为基坑围护结构采用水泥搅拌桩，其支护刚度相对较小。当基坑开挖至坑底时，其最大水平变形达35mm，主要集中于长短边拐角处，因此在基坑开挖过程中需重点关注拐角等部位的变形情况，防止基坑失稳。

为研究在整个基坑开挖过程中周边土体及基坑支护结构变形特性，对基坑开挖各阶段内土体最大沉降及支护结构最大水平位移进行分析，不同基坑开挖深度下土体最大沉降及围护结构最大水平位移如图4所示。总体而言，基坑周边土体最大沉降及围护结构最大水平位移随基坑开挖深度的增加而增加。尤其是围护结构的水平位移情况，当基坑开挖深度达4.0m后，其水平变形快速增长，当开挖深度达4.9m时，最大水平位移达35mm，基坑接近于临界破坏状态。对于周边土体沉降而言，当开挖深度小于4.0m时，其最大沉降值随开挖深度的增加而增大，当开挖深度大于4.0m后，其最大沉降值反而有着较为明显的下降，这可能是因为由于基坑开挖深度较浅，围护结构发生沿坑底的倾斜旋转变形，在坑底上部围护结构发生向基坑内部的倾斜变形，在坑底下部，围护结构发生向外的倾斜位移，导致围护结构外围一定距离范围外土体发生隆起的变形，从而使得最大沉降值有所减小。围护结构的这种以坑底为旋转中心的整体倾斜变形从围护结构水平位移云图中有所体现。

图2 地表沉降分布云图(单位：m)

图3 围护结构体系水平位移分布云图(单位：m)

3.2 邻近基坑地铁隧道变形分析

根据基坑开挖至坑底时邻近地铁隧道竖向及水平位移分布云图可以看出，邻近双线隧道其变形主要位于基坑开挖侧附近。由于基坑开挖的卸荷效应，导致邻近地铁隧道产生斜向基坑开挖侧的变形。当基坑开挖至4.9m时，邻近地铁隧道最大竖向隆起变形为4.8mm，而最大水平位移已达5.5mm。基坑开挖不仅会使基坑发生垂直于隧道方向的水平变形，而且会产生沿隧道方向的纵向变形，其最大纵向变形约1mm，明显小于横向的水平位移。邻近隧道竖向或横向移位不仅会影响地铁的正常运营，变形过大的情况还会导致盾构衬砌的破坏或者管片间连接的失效，影响地铁隧道的安全运营，因此在基坑支护方案的设计时，要充分考虑邻近隧道、管线等地埋结构的变形情况，保证周边相应设施的正常使用及安全。

同基坑周边土体变形特性分析方法类似，为研究在整个基坑开挖过程中邻近隧道变形特性，对基坑开挖各个阶段内隧道最大竖向及横向水平位移进行分析，不同基坑开挖深度下邻近隧道最大竖向及横向变形特性如图5所示。从图中可以看出邻近隧道水平位移在基坑开挖深度小于2m时，其横向变形基本为0，当基坑开挖深度进一步增大时，隧道横向水平位移迅速增大，当开挖深度达到基坑底部时，其最大水平位移已达5.5mm。考虑到隧道埋置的相对位置，隧道发生横向变形的启动深度约为9m，当埋置深度小于该深度时，隧道横向水平位移开始显著增长。

对于隧道竖向隆起变形，其受基坑开挖卸荷影响较为显著，在基坑开挖前期，其竖向隆起变形增长较快，基坑开挖深度约为4m时，其最大竖向隆起变形已达6mm，之后隧道的隆起变形有所降低，其原因可能与周边土体沉降变形特性类似，与支护结构的旋转倾斜变形特性有关，只是由于隧道埋置于搅拌桩以下，围护结构对隧道产生一个向下的作用力，导致其隆起变形有所减小。

图4 基坑周边土体及支护结构最大位移发展曲线

图5 邻近隧道最大位移发展曲线

4 结语

本文利用数值模拟的方法，研究了基坑开挖对周边土体、支护结构及邻近双向地铁隧道的变形影响，根据数值模拟结果得出如下结论。

1)基坑开挖引起的周边土体沉降主要发生在开挖基坑长边中部及拐角部位，在围护结构外围形成一个沉降槽，其最大沉降位置位于围护结构外1/3基坑宽度处。

2)围护结构的最大水平位移位于基坑长短边拐角处，其最大水平位移在开挖前期变化缓慢，当基坑开挖深度接近临界深度时，水平位移迅速增大。

3)基坑开挖会引起邻近地铁隧道的移位，其中竖向隆起变形对基坑开挖较为敏感，隧道的横向位移存在一个启动埋置深度，本案例中其启动埋置深度约为9m。

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