深基坑开挖对邻近软土隧道的影响分析

金 彪

(杭州市城建设计研究院有限公司，浙江 杭州 310021)

1 概述

随着我国地下空间综合利用的迅速发展，邻近工程之间相互影响的案例屡见不鲜，越来越多的基坑工程邻近或上跨既有隧道，两者之间的关系越来越密切。基坑开挖会破坏土体原有平衡应力场，引起土体应力重分布，从而对既有隧道产生附加的应力和位移[1-3]。因此如何评估基坑工程对既有隧道的影响，从而控制既有隧道变形具有重大意义，也引起了人们的广泛关注。对于这个课题，国内外学者从理论分析、数值模拟、现场监测和模型试验等各方面展开了广泛的研究。姜兆华、张永兴[4]对基坑开挖对邻近隧道的纵向位移影响的计算方法做了一些研究。徐长节等[5]运用有限元软件对相邻隧道受基坑施工的影响进行了数值分析研究，分析表明，采取加强有关围护结构刚度以及分块对称开挖等措施能显著控制已建隧道的变形，同时说明在基坑开挖前对其邻近隧道的影响进行模拟分析是十分必要的。蒋洪胜等[6]通过对比隧道变形的现场监测结果和开挖基坑周边土体位移场的理论分析，分别从隧道的竖向沉降、水平位移以及横向变形等角度讨论了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。

三维数值模拟作为计算领域的重要手段，可以考虑土体与既有隧道的相互作用，是目前分析基坑开挖对既有隧道影响的主要方法。本文以某工程实例为背景，在此基础上采用MIDAS GTS NX三维有限元数值模拟方法计算分析了基坑开挖对邻近软土隧道应力和变形的影响，研究方法和结论可为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

拟建项目位于杭州市上城区，项目总用地面积8 174 m2，地下总建筑面积约17 012 m2，项目拟建1幢12层和1幢4层商务楼，地基处理采用钻孔灌注桩。本工程基坑面积约6 050 m2，周长约425 m，地下室设置3层，挖深约为14.6 m～16.8 m。本基坑工程围护结构采用厚度800 mm的地下连续墙，坑外设置一道厚700 mm的TRD水泥地下连续墙，坑内设置一道直径850 mm的水泥搅拌桩止水帷幕结合控制性降水，基坑设置三道钢筋混凝土水平内支撑。

基坑南侧为已建软土下穿城市隧道，基坑边距离隧道最近水平净距约18.7 m。本次基坑主要影响隧道区段为西侧U型槽段和遮阳棚段。其中西侧U型槽段采用C35钢筋混凝土结构，总长115 m，总宽20.6 m，底板厚度1.0 m，侧墙厚0.5 m～1.0 m，底板下设15 cm厚C20素混凝土垫层。西侧遮阳棚段采用C35钢筋混凝土结构，总长61 m，总宽18.1 m～19.5 m，底板侧墙厚0.8 m，底板下设15 cm厚C20素混凝土垫层和30 cm碎石垫层。

3 有限元模拟分析

3.1 计算模型建立

本次模拟根据现场实际地形、基坑及下穿隧道的分布三维空间情况建立三维数值模型，然后模拟实际施工中土体自重应力场平衡、围护结构施工、基坑土体开挖到主体结构浇筑的整个过程。

充分考虑基坑开挖的深度、基坑的平面尺寸以及与已建下穿隧道的距离等工程影响范围后，模型大小选取为长260 m×宽180 m×高70 m。隧道结构采用板单元模拟；支撑采用梁单元模拟；围护结构地连墙采用板单元模拟。建立基坑、隧道及周边地层分布的三维数值模型，并划分有限元网格，如图1所示。基坑围护结构地连墙、支撑、立柱及隧道结构三维网格模型如图2所示。

3.2 材料参数选取

本次模拟土体材料本构模型采用修正摩尔—库仑模型，同理想弹塑性模型不同的是，它可以考虑土体的压缩硬化和剪切硬化特性，屈服面随塑性应变的发生而扩张。本模型大量用于基坑开挖、盾构隧道推进等工程的有限元模拟，模拟结果与实际情况吻合较好。

本次模拟在几何模型的底部施加水平和竖直方向约束，在模型四周竖向边界施加水平方向约束，模型上部边界设为自由端。

根据该工程勘察深度范围内揭露的地层，结合室内土工试验，可将场地地基土划分为9个工程地质层。其分布及力学参数主要根据岩土工程勘察报告选取，部分参数通过地勘报告结合理论、软件说明中的公式进行推导并参考其他工程的经验取值获得。具体参数见表1。

3.3 数值分析步骤

基坑工程的现场实际施工阶段非常复杂，也经常发生变化，因此在数值模拟中一般是将其简化，选取较为重要的施工阶段进行模拟分析。本次模拟针对几个重要工况进行了分析，施工步骤详见表2。

3.4 数值计算结果分析

通过三维数值模拟，得到基坑开挖完成后下穿隧道的水平位移和竖向位移云图，见图3,图4。同时，也可以得到各工况下隧道的最大水平位移和最大竖向位移，见表3。

表1 土层参数表

表2 数值分析施工步骤表

表3 主要工况下隧道最大位移表

施工工况隧道最大水平位移/mm隧道最大竖向位移/mm工况三0.310.69工况四0.441.32工况五0.552.02工况六0.632.31

由以上计算结果可知，基坑开挖过程中，土体开挖导致隧道结构的最大水平位移为0.63 mm，最大竖向位移为2.31 mm，均发生在基坑开挖至坑底时。基坑开挖过程中，隧道结构水平位移方向为朝向基坑；隧道结构竖向位移表现为沉降。同时，可以看到隧道结构的水平位移和竖向位移随着基坑开挖深度的增加而不断增加，在开挖至坑底时达到最大。此外，基坑开挖导致的隧道结构位移以竖向位移为主，水平位移较小，是由于本基坑工程围护结构刚度较大，很好的控制了基坑周边土体的侧向变形，隧道结构位移主要是基坑开挖卸荷导致周边土体沉降带来的竖向位移。

综合上述有限元结果分析，可认为本基坑工程开挖会造成邻近软土隧道结构发生一定程度的水平位移和竖向位移，其中以竖向位移为主，但整体位移量较小，在正常施工情况下，隧道结构的位移可控制在安全范围内，本基坑工程是安全可行的。

4 结语

本文结合邻近软土隧道的深基坑工程，基于MIDAS GTS NX软件，建立了基坑围护结构、软土隧道和周边土体的三维有限元数值模型，分析评估了基坑开挖对邻近软土隧道的影响，得到结论如下：

1)基坑开挖会对邻近软土隧道产生影响，造成隧道结构发生一定的水平位移和竖向位移。根据有限元数值模拟计算，隧道结构的位移较小，在正常施工情况下，隧道结构的位移可以控制在安全范围内，本基坑工程开挖不会对隧道的安全运营产生影响。

2)根据有限元数值模拟分析，在基坑围护结构刚度较好的情况下，基坑开挖造成隧道结构的位移以竖向位移为主，主要是由基坑开挖卸荷导致基坑周边土体沉降带来的。因此，在设计和施工中，不仅要考虑基坑围护结构的加强，也要采取适当的措施减少基坑开挖卸荷带来的影响。

3)三维有限元数值模拟能够较为真实的反映深基坑开挖过程中的实际状况，分析基坑开挖对邻近隧道的影响，结合工程实际监测数据，可以为工程实践提供较为可靠的定量依据。本案例可为类似工程的设计和施工提供有益参考。