基坑开挖引起下方既有地铁回弹变形的数值模拟分析

郝维钫

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000）

0 引言

随着城市发展，对地下空间的需求和利用越来越大，既有地铁上方明挖修建地下结构的情况逐步增多，地铁上方基坑开挖产生的卸载，对地铁隧洞会产生一定的影响。本文以三维有限元模型对整个施工过程进行数值模拟，根据分析结果更好地指导设计和施工。

1 项目概况

汾江路隧道位于佛山市禅城区季华路与汾江路交汇处，为季华路下穿汾江路，隧道为双向六车道，全长520 m，其中暗埋段长110 m，采用单箱双室的矩形框架结构，见图1。

图1 工程总体平面图

汾江路隧道在十字路口处上跨既有地铁广佛线季华园站～同济路站区间。地铁隧洞为盾构法施工，外径6.0 m，管片厚度0.3 m，两条地铁隧洞的净距约7 m。地铁隧洞顶覆土约16.3 m，地铁上方基坑开挖深度约9.6 m，地铁衬砌结构顶距基坑底约6.7 m。

隧道所处地层透水性较强，且位于市区，采用地下连续墙围护，明挖施工。

2 工程地质概况

土层主要物理力学指标见表1。

表1 土层主要物理力学指标

括号内为经验数值。场地主要含水层为中砂、粗砂层，属中等～强透水性，涌水量大，水量丰富。

3 隧道基坑开挖工况

隧道基坑开挖工况见图2、图3。

图2 隧道基坑东西分区抽条开挖平面图

图3 隧道西侧基坑分层抽条开挖断面图（单位：mm）

采用800 mm厚地下连续墙加内支撑围护，为隔离地铁上方基坑，该位置分割成独立的方形基坑，减少隧道纵向其余位置开挖对地铁的影响。地铁隧洞中间设置一排ø1 000旋挖桩隔离，先后独立开挖，避免一次性卸载过大，同时可减少该条地铁上方的开挖卸载对另外一条地铁线的影响。基坑底以下采用ø850 mm@600 mm三轴水泥土搅拌桩满堂加固，加固土体底距离地铁衬砌结构顶2.0 m。

地铁上方基坑平面分为东西两个区域，先施工西区，深度方向上分层开挖，每层开挖不超过2 m。在第二道支撑下土体又进行抽条开挖，每条开挖完成后及时浇筑该条垫层。实时监测地铁的变形，根据监测结果，若变形较大，应及时浇筑隧道底板，底板达到设计强度后采用砂袋堆载等进行反压。本工程监测数据地铁变形较小，均在可控范围内，最终是所有垫层施工完成后一次浇筑隧道底板。

4 三维建模

三维分析选择采用MIDAS-GTS软件，内支撑、钻孔灌注桩、地下连续墙均按各向同性材料考虑；土体按理想弹塑性体考虑；因止水帷幕与围护桩刚度相差较大，计算过程中不考虑其抗弯性，将其作为安全储备。采用板单元模拟盾构管片、连续墙、围护桩，未考虑与土体之间的摩擦，基坑内支撑、冠梁、腰梁采用梁单元模拟，对基底下隧道上的土体加固，通过调整土体的C、ø值进行模拟，见图4～图7。

图4 隧道基坑三维模型

图5 地铁隧洞三维模型

图6 地下连续墙及支撑三维模型

图7 汾江路隧道三维模型

5 基坑开挖施工模拟

通过单元的“激活、钝化”实现土体开挖、结构施作等施工过程，施工过程中考虑20 kPa的地表均布超载作用。仅列出基坑开挖过程的模拟，其余隧道浇筑、基坑回填等工况不再具体列出，见图8～图 13。

图8 西侧基坑开挖至第一层土体底模型

图9 西侧基坑抽条开挖第二层土体W1模型

图10 西侧基坑抽条开挖第二层土体W2模型

图11 西侧基坑抽条开挖第二层土体W3模型

图12 西侧基坑抽条开挖第二层土体W4模型

图13 西侧浇筑完隧道结构并覆土模型

同样顺序施工东侧隧道并覆土，不再具体列出模拟过程。

6 计算结果

计算结果见图14～图18。

图14 西侧基坑开挖至第一层土体底地铁竖向变形

图15 西侧基坑开挖第二层土体W1地铁竖向变形

图16 西侧基坑开挖第二层土体W2地铁竖向变形

图17 西侧基坑开挖第二层土体W3地铁竖向变形

图18 西侧基坑开挖第二层土体W4地铁竖向变形

东侧基坑施工工况类似，不再列出具体的计算过程，仅列出开挖东侧基坑第二层土体E4，即开挖至基坑底的计算结果，见图19～图21。

图19 东侧基坑开挖第二层土体E4地铁竖向变形

图20 完整工况下的西侧地铁回弹变形曲线图

图21 完整工况下的东侧地铁回弹变形曲线图

根据以上统计结果，随着隧道分区建设，地铁出现回弹变形，西侧回弹变形最大值为5.2 mm，东侧回弹变形最大值为5.8 mm，均出现在地铁正上方的基坑开挖至基底时。此时，地铁变形曲率半径为 19 396 m≥15 000 m，相对变曲0.75/2 500≤1/2 500，满足地铁保护的相关要求[1]。随着地铁上方的隧道浇筑以及土方回填，地铁回弹变形逐渐减小。

7 施工期间监测结果

根据地铁相关监测单位提供的的监测数据，基坑开挖期间西侧地铁的回弹变形见图22，最大回弹变形约4 mm。东侧地铁的回弹变形在2 mm以内，且监测数据规律性不明显，不再单独列出。两条地铁回弹变形的监测数据相比于理论计算值偏小，且监测结果存在差别。分析认为应该跟地质情况及坑底加固参数取值有关，地铁隧洞下半部分位于强风化粉砂质泥岩和微风化粉砂质泥岩中，其透水性、破碎程度及周边土体的参数取值等限于岩土工程的特点，来自于试验及经验，无法取得精确值[2]，且岩面会存在起伏，两条地铁所处土体也不尽相同。

图22 基坑开挖期间西侧地铁回弹变形监测值

8 结语

（1）建立正确的三维有限元数值模型，合理的模拟施工工况，可较为真实的反应施工期间基坑开挖卸载对地铁回弹变形的影响，数值分析结果在一定程度上可以为设计和施工提供指导。

（2）地铁上方明挖基坑分区、分层、抽条开挖，避免地铁上方的一次性卸载过大，可有效的控制地铁的回弹变形。

（3）施工监测为施工提供信息化指导，同时监测数据也是对三维有限元数值分析的验证。鉴于地下工程施工的复杂性，地层的参数取值不够精确等，三维有限元数值分析结果与实际施工数据存在一定的偏离。