软土基坑开挖模拟及对临近隧道的影响研究

潘 超 席永慧

(1.同济大学，上海 200092; 2.宁波建工工程集团有限公司，浙江 宁波 315000)

0 引言

近些年，随着城市建设快速发展，轨道交通成为人们不可或缺的出行交通工具之一。上海属于典型的软土地质环境，部分区域覆盖层厚度甚至达到了300 m，截至2017年，上海地铁共开通14条线路，总里程超过600 km。基坑开挖会导致局部土体应力释放，产生向应力释放方向的位移变形，对临近地铁隧道产生附加应力及变形，可能会影响地铁隧道的安全，这一现象在软土地质环境中尤为明显，且一旦出现事故，造成的后果是非常恶劣和严重的[1]。因此，本文以上海市某深基坑实际工程为研究背景[2]，土体采用摩尔—库仑非线性模型，通过有限元数值模拟的方法对软土深基坑开挖的过程进行了模拟，并对基坑开挖对临近地铁隧道位移变形的影响进行非线性分析，在此基础上，对基坑开挖对不同水平距离隧道产生的影响进行了研究，从而为同类工程的施工提供一定的参考。

1 工程概况

本文结合上海市某一紧邻地铁隧道的实际基坑工程作为研究背景，该基坑工程占地面积为4 400 m2，基坑平面形状为矩形，尺寸为20 m×120 m，基坑开挖深度为9.2 m，距离地铁隧道外边线仅3.8 m。该基坑采用地下连续墙+内支撑作为围护结构，地下连续墙厚度为0.8 m、深度为18 m，钢筋混凝土内支撑分别在地下-2.4 m和-7.0 m布置两道，钢支撑采用φ609×16 mm钢管。

基坑土体从上到下可以分为：①杂填土，厚度为2.0 m；②粘土，厚度为1.5 m；③淤泥质粉质粘土，厚度为4 m；④淤泥质粘土，厚度为9 m；⑤粘土，厚度为5 m。

土体的物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数

盾构隧道隧顶埋深约-12.70 m，隧道内径为6 m，厚度为0.3 m，隧道及地下连续墙的物理力学参数如下：弹性模量E=3.0e4 MPa，泊松比μ=0.3。内支撑的物理力学参数如下：弹性模量E=2.1e5 MPa，泊松比μ=0.2。

2 有限元模型的建立

本文采用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立有限元模型，为尽可能模拟工程实际，土体在水平方向上取4倍基坑宽度，竖向取4倍开挖深度[3]，即模型宽度80 m，高40 m。对于有限元模型必须设置合理的边界条件，本文的边界条件取为：模型底部限制所有自由度，模型水平方向约束水平位移，模型上表面为自由边界，不施加约束。土体、地下连续墙和隧道采用实体单元模拟，内支撑采用梁单元模拟。在土体与地下连续墙之间设置面面接触，隧道与土体之间的相互作用采用绑定约束。

本文中土体采用摩尔—库仑模型[4]进行模拟，地下连续墙、隧道及内支撑均采用弹性模型。不考虑地下渗流的作用及地铁隧道管片之间接头对隧道变形的影响。

为了对基坑开挖的实际过程进行模拟，需要设置多个分析步，具体如下：

1)地应力平衡，将地表初始竖向位移清零；

2)激活地连墙与土体之间的接触对以模拟地连墙的施工；

3)首层土体开挖并加首道钢支撑；

4)开挖二层土体；

5)开挖三层土体并加第二道钢支撑；

6)开挖底层土体。

上述的分析步骤涉及了地应力平衡、地连墙施工、土体开挖以及钢支撑的施作，能够较好的模拟基坑开挖的全过程。图1，图2分别给出了模型网格划分示意图及经地应力平衡后的效果图，从图1，图2中可以看出经地应力平衡后土体竖向位移为10-8级，土体初始变形可以忽略。

3 有限元分析结果

基坑开挖后，由于挡土墙后方的土体被移除，土体将产生新的位移场，因此也将导致地铁隧道产生位移。基坑开挖结束后计算剖面的变形云图见图3,图4。由图3，图4可知，基坑开挖后，土体的竖向变形大于水平变形，且竖向变形量最大值出现在基坑底部。土体水平变形最大值位于基坑底部与隧道中间区域的土体，除此之外，隧道与挡土墙周围的土体水平位移也比较大。

图5，图6分别给出了隧道水平和竖向变形云图结果，可以看出，隧道的变形也呈现出了竖向大水平小的趋势。

表2 隧道最大变形结果

典型剖面最大附加位移/mm水平向竖向地铁隧道26.9373.87

表2列出了地铁隧道最大的附加水平位移及竖向位移值。而根据《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》[5]对地铁安全保护区内的建筑施工项目的要求，地铁隧道的绝对沉降量及水平位移量不大于20 mm。而本文中，地铁隧道的最大水平变形达到26.93 mm，最大竖向变形达到了73.87 mm，因此，需要对临近基坑的围护形式采取一定的加强措施，严格控制基坑变形，以保证后期地铁的安全运营。

为了分析基坑开挖对基坑附近不同水平距离隧道产生的影响，本节保持隧道的竖向位置不变，将隧道到基坑的水平距离取为1d，2d，3d，4d和5d(d=3.8 m)，并利用ABAQUS建立了5个有限元模型进行分析。

表3 不同工况下隧道变形结果

距离隧道最大附加位移/mm水平向竖向1d26.9373.872d17.2442.113d11.5521.314d8.238.395d6.402.07

图7～图10给出水平距离分别为2d,3d,4d,5d时隧道的水平及竖向变形云图，表3给出各工况下隧道水平和竖向变形的最大值，由表3可知，随着隧道距离基坑水平距离的增大，隧道水平及竖向变形均呈减小的趋势，且竖向比水平向减小的更快。

4 结语

1)本文中深基坑开挖过程中土体的竖向变形大于水平变形；

2)基坑附近的隧道的变形也是竖向大水平小，且超过规范要求，应采取一定加强措施；

3)随着隧道距离基坑水平距离的增大，隧道水平及竖向变形均呈减小的趋势，且竖向比水平向减小的更快。