基坑开挖对下卧既有隧道变形影响数值分析

陈俏

摘要：文章以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件建立模型，在考虑了四种工况的基础上，分析基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响。结果表明：基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%，隧道向上隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系;随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置;随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小，基坑中部隆起值略大于两侧;桩墙顶部水平位移最大，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。

关键词：基坑开挖;隧道;位移;数值模拟

0 引言

随着城市化进程的推进，很多城市中的地铁、污水管等隧道错综复杂。由于城市建设用地有限，在既有隧道上方进行基坑开挖不可避免。基坑开挖会导致原有土体卸荷，进而引发隧道变形，合理的设计和控制施工对于保护下卧既有隧道非常重要。近年来，有關基坑开挖对下卧既有隧道的影响的研究如下：李家平、贺希英等人[1-2]以某地区浅基坑开挖为例，采用数值方法分析了实施地基加固、抗拔桩以及考虑时空效应的分块、限时开挖等技术措施以减小下部隧道变形的效果;高强、林杭等人[3-4]以西安南门外综合改造工程环城南路市政隧道上跨既有地铁2号线盾构隧道为依托，采用FLAC3D有限差分程序对市政隧道基坑开挖对下卧地铁盾构隧道的影响进行数值分析;杜磊、林川等人[5-6]以北京地铁8号线上方基坑卸荷开挖为背景，运用MIDAS/GTS软件，分别针对3种不同工况对施工全过程进行动态模拟，结果表明隧道隆起变形近似呈正态分布，最大值发生在基坑正下方的隧道断面。

本文以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件进行建模分析，在考虑了四种工况的基础上，着重对基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响进行了分析，研究结果可为工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

粉土作为一种处于黏性土和砂土之间的一类土，具有较为特殊的性质，主要表现为饱和的粉土在地震时容易产生液化现象，给工程造成危害。某工程地区土体主要为粉土，地下存在已建好的地铁隧道，按照设计将在隧道上方建立一栋建筑物，在基础施工时进行基坑开挖，基坑长和宽相等，隧道正下穿基坑底侧。为了保证基坑开挖不会对既有隧道产生危害，本文主要利用数值软件进行数值模拟分析，以便为施工提供参考。图1为隧道与基坑位置及尺寸示意图，隧道中心埋深为15.2 m，基坑开挖深度为6.0 m，支护桩板墙之间间距为31 m。

2 数值建模

2.1 模型建立

如图2所示，采用大型有限元软件ABAQUS进行建模分析。模拟过程中隧道外直径为6.0 m，考虑到隧道的洞径以及开挖影响范围，所建模型长、宽、高均取70 m，隧道中心埋深为15.2 m，除模型上边界外，其他边界均进行位移和边界约束。隧道采用预制管片支护，如图2（b）所示，支护桩墙采用连续的结构地连墙代替，厚度取0.65 m。隧道围岩和桩墙采用实体单元建立，衬砌采用结构单元，模型网格共计66 372个。根据现有研究成果，修正剑桥模型在基坑开挖方面较为适用，本文即采用修正的剑桥模型作为本构模型。

2.2 模型计算参数

表1为粉土的基本物理力学参数，在剑桥模型中，土体初始孔隙比取0.80，修正剑桥模型临界状态有效应力比取1.42，对数体积模量为0.061 4，弹性对数体积模量为0.002 2。表2给出了隧道衬砌及桩墙的力学参数。

2.3 模型计算工况

模拟过程中含有多个步骤，为了分析不同工况的结果，本文按照施工流程进行模型计算。在基坑开挖之前，应先进行隧道开挖支护，并考虑既有隧道已经固结稳定，将位移清零，基坑开挖过程中分成以下工况，具体如图3所示，其中工况四即表示施工完成。

3 数值结果分析

3.1 隧道竖向位移分析

基坑开挖会引起隧道上覆土体卸荷，进而扰动隧道，导致隧道整体出现上隆现象。为了分析各个工况下隧道竖向位移的情况（如图4所示），给出了沿隧道方向，隧道顶部的竖向位移值，取竖向向上位移为正（下同）。由图4可知，工况一时，竖向位移基本为零，之后，随着基坑开挖深度的增加，隧道顶部隆起愈来愈强，其中基坑中部位置下隧道竖向位移最大。工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为3.12 mm、6.58 mm和11.24 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的位移释放比分别为27.8%和58.5%。此外，基坑宽度为31 m，在基坑边界处工况二、工况三、工况四对应的隧道竖向位移值分别为1.28 mm、2.99 mm和5.07 mm，相对于工况四，工况二、工况三在基坑边界处的位移释放比分别为25.2%和59.0%。

如图5所示，给出了沿隧道方向，隧道底部的竖向位移值。由图5可知，工况一时，竖向位移基本为零，随着基坑开挖深度的增加，隧道底部隆起增大，其中基坑中部位置下隧道竖向位移最大。工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为1.98 mm、4.35 mm和7.64 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的位移释放比分别为25.9%和56.9%。对于隧道底部，工况二、工况三、工况四时的最大竖向位移分别为隧道顶部的63.5%、66.1%和67.8%。此外，在基坑边界处工况二、工况三、工况四对应的隧道竖向位移值分别为1.21 mm、2.78 mm和4.81 mm，相对于工况四，工况二、工况三在基坑边界处的位移释放比分别为25.2%和57.8%。

综上可知，基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%。此外，相对于基坑开挖完成后，在基坑开挖1/3时，隧道位移释放了约25%～28%;在基坑开挖2/3时，隧道位移释放了约56%～59%，隧道顶部位移增大速度略大于底部，且隧道位移隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系。

3.2 隧道水平位移分析

基坑开挖引起隧道上覆土体卸荷时，不仅会对隧道竖向位移产生影响，同时对隧道水平位移（即模型x方向）也产生影响。为了分析各个工况下隧道水平位移情况（如图6所示），给出了基坑正中心下部对应隧道管片的水平位移值，沿该隧道管片截面，共选取15个监测点，第1个监测点为隧道顶部，监测点按顺时针布置，任意两监测点夹角为24°，取指向x正方向为正。由图6可知，随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置。工况二、工况三、工况四对应的最大水平位移值分别为0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的水平位移释放比分别为31.4%和56.0%。

3.3 基坑竖向位移分析

基坑开挖不仅会导致隧道整体出現上隆现象，而且会导致基坑底部上隆。为了分析各个工况下基坑底部竖向位移情况（如图7所示），给出了沿纵向方向（即与隧道平行方向）和横向方向，基坑底部的竖向位移值，取竖向向上位移为正。由图7可知，纵向和横向的基坑底部位移变化规律相同，当沿纵向时，工况一竖向位移基本为零，之后，随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起愈来愈强，其中基坑中部竖向位移最大，工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为8.62 mm、14.67 mm和21.04 mm;当沿横向时，工况一竖向位移基本为零，基坑中部竖向位移最大，工况二、工况三、工况四对应的最大竖向位移值分别为8.43 mm、14.57 mm和20.89 mm。由于沿纵向和横向基坑底部隆起值基本相当，可以得出，隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小。此外，对于工况二和工况三，基坑底部任一位置隆起基本相同，对于工况四，基坑中部隆起大于两边。

3.4 桩墙水平位移分析

桩墙的水平位移量在很大程度上反映基坑支护效果的好坏以及安全与否，本节提取出沿土体深度桩墙的水平位移值，以右侧桩墙为例（如图8所示）。由图8可知，桩墙顶部水平位移最大，且朝向基坑里侧，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。工况一桩墙水平位移基本为零，工况二、工况三、工况四对应的最大桩墙水平位移值分别为3.87 mm、6.74 mm和8.92 mm，相对于工况四（即基坑开挖完成），工况二、工况三的桩墙水平位移比分别为43.4%和75.6%。

4 结语

本文以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件进行建模分析，在考虑了四种工况的基础上，着重对基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响进行了分析，主要得到以下结论：

（1）基坑开挖会引起隧道向上隆起，且隧道顶部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大约为隧道顶部的60%～70%。相对于基坑开挖完成后，在基坑开挖1/3时，隧道位移释放了约25%～28%;在基坑开挖2/3时，隧道位移释放了约56%～59%，隧道向上隆起速率与基坑开挖深度基本呈线性增长关系。

（2）随着基坑的开挖，隧道两拱腰向内部收敛，最大水平位移发生在隧道拱腰位置。工况二、工况三、工况四对应的最大水平位移值分别为0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相对于工况四，工况二、工况三的最大水平位移比分别为31.4%和56.0%。

（3）随着基坑开挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在对基坑底部的竖向变形影响较小。此外，对于工况二和工况三，基坑底部任一位置隆起基本相同，对于工况四，基坑中部隆起大于两边。

（4）桩墙顶部水平位移最大，随着土体深度的增加，桩墙的水平位移逐渐减小。相对于工况四，工况二、工况三的桩墙水平位移比分别为43.4%和75.6%。

[1]李家平.基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响的数值分析[J].地下空间与工程学报，2009，5（s1）：1 345-1 348.

[2]贺希英，高 强，张晓光，等.黄土地区基坑开挖对下卧变截面地铁隧道影响数值分析[J].水利与建筑工程学报，2019（1）：221-226.

[3]高 强，于文龙.市政隧道基坑开挖对既有下卧地铁盾构隧道影响分析[J].隧道建设，2014，34（4）：311-317.

[4]林 杭，陈靖宇，郭 春，等.基坑开挖对邻近既有隧道变形影响范围的数值分析[J].中南大学学报（自然科学版），2015（46）：42-47.

[5]杜 磊，王育平，明德志，等.基坑卸荷开挖对下卧地铁隧道影响的数值分析[J].山东科技大学学报（自然科学版），2016，35（6）：62-67.

[6]林 川，马永峰.基坑开挖对下卧盾构隧道影响的数值分析[J].低温建筑技术，2010（7）：90-92.

作者简介：陈 俏（1984—），工程师，主要从事高速公路养护工作。