深基坑开挖和降水对既有地铁隧道安全影响分析

涂芬芬，田志国

(建设综合勘察研究设计院有限公司，北京 100007)

0 引言

随着我们城市建设的发展，地铁隧道在各大城市交通中发挥着重要的作用，全面带动城市发展，在其沿线形成了局部区域的蓬勃快速发展，地铁沿线中修建大型建筑物涌现大量的深大基坑项目，特别是对于人口集聚密集型的特大型城市，尤为突出。但是城市密集型城市中心的基坑工程，周围管线和构筑物等周围环境的保护也是基坑工程设计和施工需要考虑的问题[1-2]。

为了保证地铁沿线修建深基坑的安全可靠，学者以及工程师们对此展开了广泛的研究[3-4]。王景山[5]针对在运营地铁隧道上方或邻近位置修建道路工程问题，为防止基坑开挖卸载引起地铁隧道隆起变形，研究采用基坑坑底加固分区、分层和跳槽开挖避免或减小地铁隆起变形。陈喜凤等[6]提出利用蚁群优化算法，建立优化的支持向量机预测模型，进而预测紧邻基坑的地铁隧道沉降。左殿军等[7]采用ABAQUS数值模拟研究了招商银行深圳分行大厦深基坑开挖过程中引起临近地铁隧道的影响，研究表明考虑衬砌与土的相互作用，隧道的水平位移值明显低于支护桩。袁灵等[8]采用桩板挡墙和荷载转换结构减少基坑开挖及加载对地铁隧道的影响，并通过智能监测分析超高层建筑修建过程中地铁隧道变形。彭涛等[9]通过识别导致深基坑及地铁破坏的诸多风险因素，采用层次分析法计算风险权重，得出其中隔水帷幕渗水、降水不当和开挖方式不当，这三个风险因素发生概率较高。王利军等[10]利用FLAC3d软件研究了基坑开挖过程中邻近地铁隧道的坑外地表沉降、基坑围护结构变形和隧道整体变形，得到地铁隧道-土-围护结构相互作用受地铁隧道与基坑之间相对位移影响显著。

以上已有研究主要集中在基坑开挖过程中的围护结构和隧道变形上，同时针对基坑开挖和降水引起应力-渗流耦合对基坑和邻近隧道的影响研究较少。本文以深圳市泰丰·贝悦汇项目为工程背景，采用MIDAS-GTSNX软件对基坑开挖过程中最不利工况对地铁隧道的安全影响评估、基坑开挖降水对坑后地下水的影响和坑后地下水位下降对地铁隧道的影响，该数值模拟结果为该工程顺利完成提供重要保证，以期为深圳地区和同类型工程的设计和施工提供参考价值。

1 工程概况

本项目位于深圳市罗湖区翠竹路与布心路交汇处附近，场地北侧相邻布心路，东侧紧邻贝翠竹路，南侧为水贝工业区，西侧为水贝工业区，交通便利。项目总用地面积约为4 520.70 m2，总建筑面积约为57 640 m2，地上建筑面积约为45 000 m2，地下建筑面积约为12 640 m2。拟建建筑为1栋30层公寓办公楼，结构形式框架核心筒结构，设有3层地下室。

拟建物设计±0.00标高为24.00 m。场地设地下室3层，基坑深度约14.60 m，基坑周长约253.255 m。东侧、东北邻近地铁3号线水贝站—田贝站区间暗挖隧道，基坑围护结构与隧洞最小净距离约32.57 m。

根据本基坑开挖深度、周边环境条件、地质条件，基坑安全性等级定为一级，邻近地铁侧基坑采用直径1.4 m间距1.8 m咬合桩作基坑围护结构，一道混凝土内支撑支护。本基坑采用咬合桩支护兼作止水帷幕，基坑与地铁平面位置关系见图1。

2 地质水文概况

2.1 工程地质条件

本场地原始地貌为台地地貌，后经人工挖填，地势较平坦，已无原地貌景观，周边为市政道路、办公楼、高层民居、学校及地铁等。场地测得的钻孔孔口标高23.02 m～23.90 m。主要地层及其力学参数如表1所示。

表1 主要地层及其力学计算参数

2.2 水文地质条件

因受周边场地施工对地下水位的影响，钻孔测得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m,相应标高21.31 m～22.27 m。地下水流向为西北至东南向。地下水位受地貌形态、雨季大气降水、地表水系下渗影响较大，地下水变化幅度在1.0 m～2.0 m。

2.3 地铁安全允许指标

依据该市地铁运营安全保护区和建设规划控制区工程管理办法的相关标准，地铁监测项目的控制标准见表2。

表2 地铁监测项目控制标准

3 模型建立

本项目采用MIDAS/GTS软件对基坑开挖过程中最不利工况对地铁隧道的安全影响评估、基坑开挖降水对坑后地下水的影响和坑后地下水位下降对地铁隧道的影响。

MIDAS/GTS的施工阶段分析采用的是累加模型，即每个施工阶段都继承了上一个施工阶段的分析结果，并累加了本施工阶段的分析结果。为防止模型边界影响，采用与基坑、地铁隧道边缘各处的距离不小于3H～5H(H为基坑深度)，模型底面为基坑底以下为强风化岩。

图2为项目有限元模型图，模型中土体采用实体单元，支护结构及基坑围护结构桩将按刚度等效成混凝土板单元，隧道的衬砌采用板单元，冠梁、内支撑和立柱采用一维梁单元模拟，其截面尺寸与实际结构完全相同。

3.1 材料本构模型及计算参数

地铁隧道衬砌等假设为线弹性体，各土层则假设为弹塑性体，材料的破坏准则采用修正摩尔-库仑准则，基坑支护结构采用二维或一维结构单元，用混凝土C30模拟取弹性变形性能。土层等其他参数选取表1中所列数值，泊松比取0.15～0.35。各个支护结构的材料参数见表3，具体的三维模型见图3。

表3 支护结构材料参数

3.2 初始条件和边界条件

计算模型中各垂直边边界条件为水平铰支约束，模型底面为竖向位移约束，具体的边界条件模型见图4。各计算施工阶段边界条件不变。场地初始竖向应力场为土体自重σz，水平向应力σx按式(1)确定：

σx=K0σz

(1)

其中，K0为静止土压力系数，全风化岩取0.6，强风化岩取0.5，其他土按K0=1-sinφ。

本项目有限元分析模拟是通过给定土层重度和泊松比等参数后，用计算模型程序进行应力自平衡计算，场地内应力平衡后的应力场即为初始应力场。计算出现的变形通过强行归零来实现初始变形条件。

3.3 模型的截水帷幕和水位设置

因本项目地下水位较高，根据勘察得钻孔测得的地下水位埋深1.30 m～2.20 m，相应标高21.31 m～22.27 m，地下水变化幅度在1.0 m～2.0 m。因此本次模拟会考虑基坑降水对基坑和地铁的影响，周边和基坑周边的初始水位埋深为1 m。因基坑采用咬合桩，形成良好的止水帷幕，本次模型采用界面单元模拟整个截水帷幕，生成截水帷幕的同时还要有刚性连接来保证节点的耦合，具体的界面单元、刚性连接和降水位置见图5。

本次模拟基坑开挖过程采用两次降水的方案，因本项目只有一道支撑在绝对标高19.90 m处，即在相对地面标高-4.1 m，所以第一次降水结合相应的地质剖面，设置在相对地面标高-4.6 m，第二次降水在坑底以下0.5 m，相对地面标高为-15.1 m处。

3.4 施工阶段模拟

为了同时模拟基坑开挖和降水对地铁隧道安全性影响，采用应力-渗流的耦合模型，形成初始的渗流场，且每一次需先进行瞬态或稳态的渗流分析后，才能进行下一步开挖的应力分析。主要的模拟计算工况如下：

1)第一工况：初始的渗流场阶段，场地及基坑周边的初始水位的设置，然后进行渗流分析，形成初始的渗流场。

2)第二工况：初始应力阶段，场地初始应力分析、位移清零。

3)第三工况：支护桩施工阶段应力分析，基坑未开挖前，需进行超前支护，首先是支护桩的施工，此次评估采用等刚度代换的原则，用板单元模拟同等刚度的地连墙，同时也进行立柱桩的施工。

4)第四工况：第一次降水渗流分析，基坑开挖前，进行基坑内的降水至第一道支撑以下，在相对标高-4.6 m处。

5)第五工况：第一次开挖阶段，第一次开挖到相对标高-4.6 m处，同时出现冠梁。

6)第六工况：第二次降水渗流分析，第二次开挖前，进行基坑内的降水至坑底以下，在相对标高-15.1 m处。

7)第七工况：第二次开挖，开挖到相对标高-14.6 m处，同时出现内支撑。

4 结果与分析

4.1 基坑开挖过程中的基坑位移分布

通过以上施工阶段的建模分析，最危险的工况是发生在第一道支撑完成后，开挖到基坑底的第七工况，因此，给出最不利的第七工况模型的计算结果如图6，图7所示。基坑在第七工况下各方向位移值见表4。

表4 基坑在第七工况下各方向位移值

从图6，图7和表4可知，基坑的短边方向发生了20 mm左右的位移，主要集中在支护结构的中部，基坑的长边方向发生了最大25 mm左右的位移，均满足其基坑支护设计的变形30 mm的要求。

4.2 基坑开挖过程中的隧道位移分布

图8为最不利工况(第七工况)下地铁隧道产生的X方向、Y方向和Z方向上的位移分布云图。从图8中可以看到，由于基坑开挖导致基坑周围土体向基坑方向移动致使隧道向基坑方向所产生的位移远大于其他方向上的位移值。在第七工况下各方向位移值隧道变形见表5。

表5 在第七工况下各方向位移值隧道变形 mm

由图8,表5可知，因基坑的开挖，导致隧道产生了向基坑方向的变形值为2.46 mm。因基坑的开挖，导致了周边的土体沉降，隧道处产生了1.67 mm的沉降变形。根据表2可知，隧道的沉降和水平位移都符合隧道变形的要求。

以上研究可知，基坑开挖对其邻近地铁隧道X方向的水平位移影响最大，将左侧隧道节点编号如图9(a)所示，图9(b)显示基坑两次开挖引起左侧隧道X向位移值，从中可以看到两次开挖基坑引起5号和6号节点处隧道变形最大，且第二次基坑开挖引起隧道出现较大范围的水平位移，建议在基坑开挖过程中要关注隧道5号和6号节点处的水平侧向位移。

4.3 降水对地连墙和地铁隧道变形的影响

为了研究降水对基坑和地铁隧道变形的影响，分别进行了未考虑降水施工工况和考虑降水的流固耦合施工工况下的基坑开挖数值模拟，图10,图11分别为未考虑降水和考虑降水第二次基坑开挖围护结构和地铁隧道变形图，表6给出了两种工况下基坑支护结构地连墙和地铁隧道的最大变形量。

从图10，图11中可以看到两种工况下，考虑降水基坑围护结构和隧道变形较未考虑降水情况下有显著差异，降水对土体变形的影响主要是由于地下水的存在，使得基坑周围应力场与渗流应力场之间的耦合作用，基坑降水引起土体应力场与地下水的渗流场失去原有的平衡，在降水过程中渗流力促使土体急剧运动，使得降水周围土体变形增大。表6显示考虑降水影响下基坑围护结构和地铁隧道的最大变形比相同工况下未考虑降水情况分别增加了1.4倍和2.2倍，因此实际工程中不能忽视地下降水对基坑围护结构和周围土体变形的影响。

表6 未考虑和考虑降水两种施工 工况下围护结构和地铁隧道最大变形量 mm

5 结语

本文以深圳市泰丰·贝悦汇项目深基坑工程为工程背景，利用MIDAS GTS软件建立三维有限元模型，对其基坑开挖和降水施工阶段进行数值模拟，分析基坑开挖和降水对基坑变形和周围邻近地铁隧道变形的影响，得到以下结论：

1)基坑开挖引起地铁隧道的变形，以朝向基坑方向的水平位移为主，竖向位移为辅，基坑施工过程中更应关注地铁隧道的侧向水平位移。

2)由于地下水的作用，基坑支护结构地下连续墙和隧道变形更大，考虑降水影响下基坑地下连续墙和地铁隧道的最大变形比相同工况下未考虑降水情况分别增加了1.4倍和2.2倍，因此，实际工程中不能忽视地下降水对基坑和周围土体变形的影响。

3)深基坑降水和开挖过程的数值模拟结果可以给出基坑和地铁隧道变形影响较大的范围，为指导施工现场监测重点区域变形提供有效参考依据。