基坑开挖卸荷对下部既有隧道影响数值模拟

张有桔，沈洪波，黄旭辉

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司 公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心,安徽 合肥 230088；2.安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着城市快速发展，城市地下交通系统日趋完善，在既有隧道的上方进行基坑施工的情况无法避免，这必然会造成下卧隧道隆起变形，甚至威胁结构及行车安全[1]。目前，国内外学者针对上覆地层开挖卸荷对既有隧道影响的问题也展开了很多研究。魏纲总结归纳14个国内下卧既有隧道的基坑工程实例，在杭州市某地下道路基坑开挖的实际监测数据的基础上，总结了浇筑底板和顶板对隧道变形影响的规律[2]；左自波等在魏纲等人研究的基础上，对原有的经验公式进行修正使其更适用于软土地区[3]；姚爱军等采用相似模型模拟北京某工程施工过程以研究隧道位移和土压力分布，结合有限元分析验证了基底与隧道顶部间的净距的影响[4]；Liang Rongzhu等提出了一种简化的分析方法，该方法基于地基埋深影响下的隧道地基刚度表达式，通过计算下卧隧道上卸载开挖引起的垂直应力分析盾构隧道在此作用下的位移响应[5]。

以上研究都只针对既有隧道上方基坑开挖工程的现象，并未深入讨论各项参数对既有隧道的影响。本文综合现有研究的基础上，以合肥市怀宁路下穿天鹅湖隧道工程为例，采用Plaxis 2D有限元软件模拟分层分区法开挖涉轨段基坑的施工过程，并在此基础上研究分层分区法、土的各项参数对下卧地铁隧道变形的影响。

1 工程概况

1.1 项目背景

合肥市某隧道工程全长685 m，暗埋段447 m、敞开段238 m。采用围堰明挖法施工，隧道暗埋段采用单箱两孔闭合框架结构，敞口段采用U槽结构，涉轨段区间采用盾构法施工，采用预制管片拼装结构，外径6.0 m，内径5.4 m。区间在上跨范围内覆土埋深约17.4 m，与隧道基坑底竖向最小净距约6.4 m。

本文主要研究涉轨段基坑的分层分区开挖，通过对上部深基坑分层、分区开挖，减少同一时间坑底土体的卸载并及时浇筑混凝土垫层、压板等方式进行适量堆载，充分利用基坑的时空效应以达到控制下卧隧道回弹的目的。围护结构采用3排围护桩兼隔离桩形式，利用围护结构在平面上将开挖区域分为4区，分区基坑几何尺寸为15 m×(13～17)m，如图1(a)所示，整体开挖顺序为：I→II→III→IV。各分区基坑分4层开挖，每层厚度1～3 m，各层再细分为3块，按照“先两边，后上方，纵向台阶”的原则进行土体开挖，如图1(b)所示。基坑内部设置1道混凝土支撑和1道钢支撑，并在分区基坑开挖完成后及时浇筑坑底混凝土压板，底板与围护桩连接成整体形成“门式框架”共同限制下卧既有隧道的回弹，如图1所示。

(a)平面划分

1.2 地质条件

基坑施工现场属于相对稳定的构造单元，根据现场取样测试和室内土工试验，将勘测结果进行分类，如图2所示。本工程开挖主要涉及到的主要土体为：①层杂色填筑土，其上部80 cm为路面结构层，下部以黏性素填土为主，呈软塑-可塑状；②层灰黄色-黄褐色粉质黏土，呈硬塑～坚硬。本工程地下水埋深1.10～4.40 m左右，平均值3.51 m，水位呈季节性波动，主要排水方式为坑内集水明排，必要时采用止水帷幕进行井点降水。

图2 核心区地质纵断

2 数值模型

图3 数值模型

表1 主要结构物理力学参数

基坑降水开挖是个反复加卸载的过程，为探究土体各影响因素对本工程的影响，土体本构模型采用摩尔库伦模型，根据现场勘测和室内土工试验的成果，数值模型主要土层力学参数如表2所示。

表2 主要土层物理力学参数

考虑本工程潜水年平均地下水位在3.5 m左右，需要降水施工，控制地下水位在开挖面以下1.0 m，需要考虑超静水压在施工中的影响，本模型采用流固耦合计算方法。通过3排围护桩将基坑分为左右2个区域，分区内土体竖向分4层，每层分为3块，层高小于3 m，纵向坡度小于1∶3，如图2所示，按照“先两侧，后上方，纵向台阶”的原则进行土体开挖，并及时浇筑坑底压板，具体计算工况如表3所示。

表3 数值计算施工工况

3 计算结果分析

图4为数值计算得到的总体变形图以及总位移云图，可以看出：基坑开挖卸荷带动了周围土体向基坑一侧移动，坑底土体隆起，基坑中部由于围护结构的作用位移小于两侧分区基坑，基坑外侧地表土体发生小幅隆起并随着与基坑距离的增加而减小甚至发生沉降，下卧隧道有所上浮，基坑外部围护结构发生水平位移，两端水平位移较小，中间部位水平位移较大。

(a)总位移云图

基底土体最大回弹量为8.0 mm，下卧隧道最大竖向位移为4.2 mm，小于城市轨道要求的20 mm控制值，与实际监测值3.7 mm相差较小。由于既有隧道上部土体的卸荷作用，造成基坑侧向土体有水平方向卸荷影响，导致隧道发生位移。从总位移云图可知，隧道上方基坑开挖施工时隧道两侧拱腰处水平位移最大，符合理论和实际工程。

为分析分层分区开挖基坑对基底坑底土体和下卧隧道竖向位移的影响，重新建立整体开挖的数值模型，除开挖方式，其余条件保持一致，得到基底土体以及下卧隧道竖向位移曲线如图5所示。

由图5可以看出：整体开挖造成的坑底土体隆起值为26.1 mm，采用分层分区法开挖使坑底土体竖向位移减少69.36%，整体开挖造成的隧道竖向位移为13.3 mm；采用分层分区法开挖使下卧隧道竖向位移减少67.71%，且曲线变化更加平缓，各工况位移较小，更能采取合理方式控制位移，可见采用分层分区能有效减小坑底土体和下卧隧道竖向变形。

(a)坑底土体最大回弹

4 影响因素分析

4.1 土体物理参数的影响

为研究土体各物理参数对开挖过程坑底土体以及下卧隧道竖向位移影响的变形规律，本文采用基坑整体开挖情况下的数值模拟方法，对采用不同弹性模量E、泊松比v以及有效黏聚力c′时产生的坑底回弹和隧道变形进行了对比分析(见图6)。

图6(a)是开挖土层不同弹性模量条件下坑底土体最大回弹量和下卧隧道最大竖向位移曲线图，根据散点拟合坑底土体最大回弹与弹性模量间的经验公式为y=65.67-12.28*ln(x-3.92)，隧道最大竖向位移与弹性模量间的经验公式为y=38.36-6.96*ln(x-2.41)，曲线变化清晰地反映弹性模量变化坑底和隧道的影响，随着弹性模量不断增大，坑底土体和下卧隧道的竖向位移不断减小，但这种变化趋势也逐渐减弱。说明在一定范围内通过增加开挖土层的弹性模量的方案来控制基坑施工对坑底土体回弹和临近隧道的变形影响效果比较明显。

2.2.8 TURBT肿瘤切除要点 根据肿瘤大小，可以采用整体切除(肿瘤<1 cm)或分步骤切除两种方法来进行切除，切除范围包括肿瘤及其周边1～2 cm正常组织，深度达深肌层。术中尽可能避免使用电灼以减少对组织标本的破坏[11]。分层切除肿瘤时，需分开送检。电切时液体灌注要缓慢，避免膀胱内压力变化过快或膀胱壁过薄引发穿孔。灌注量可控制在150～200 mL，以膀胱黏膜皱襞刚刚展开为宜。

图6(b)是开挖土层不同黏聚力条件下坑底土体最大回弹量和下卧隧道最大竖向位移曲线图，曲线变化清晰地反映黏聚力变化坑底和隧道的影响，随着黏聚力不断增大，坑底土体和下卧隧道的竖向位移减小，但这种变化非常微小。

(a)不同弹性模量

图6(c)是开挖土层不同泊松比条件下坑底土体最大回弹量和下卧隧道最大竖向位移曲线图，曲线变化清晰地反映泊松比变化坑底和隧道的影响，根据Plaxis 2D 软件数值模拟的计算方式，泊松比取值范围在0～0.5，在此范围内，随着泊松比不断增大，坑底土体和下卧隧道的竖向位移不断增大，影响效果比较明显。因此也可以通过改变土层泊松比的方案来控制基坑施工对坑底土体回弹和临近隧道的变形。

4.2 上覆土层卸荷程度的影响

既有隧道上部卸载作用与斜交宽度B、基坑开挖深度h、隧道顶部覆土厚度H有关，如图7所示。文献[2]中卸载率α=h/H=h/(h+S)，卸载率越大则表明既有隧道上部土体开挖更彻底，卸荷作用更显著，Bα=Bh/(h+S)为基坑相对开挖长度，并提出相对开挖长度的大小与下卧隧道最大竖向位移的经验公式为[2]：Lmax=0.041lnBα+0.0011。然而，若在卸荷比很小而斜交宽度很大的情况下，相对开挖长度会是一个很大的数值，根据经验公式必然会得到很大的隧道竖向位移计算结果，这与实际工程经验不符。本文令隧道形心距离为b，定义宽度比β=B/b，根据实际工作经验，宽度比的改变也会影响卸荷作用，但也存在一定的影响范围，当宽度比超出一定范围时，对卸荷作用的影响也将减弱。

图7 卸荷对隧道影响示意

为研究上覆土层卸荷程度和隧道最大竖向位移的相关规律，基于基坑整体开挖情况下的数值模型，通过在不同的宽度比下，分别改变卸载率，结果如图8所示。

图8 不同宽度比下隧道最大竖向位移与卸载率变化曲线

由图8可以看出：在不同的宽度比下，随着卸载率的增加，隧道最大竖向位移在持续增加；而随着宽度比的增加，隧道最大竖向位移也在持续增加，但在宽度比大于4时，宽度比增加对隧道竖向位移的影响十分微弱，与实际工程经验相符。

定义卸荷程度D=αβ，卸荷程度代表既有隧道上方覆土竖向和水平方向地层损失的乘积，由于宽度比大于4以后，宽度比增加对既有隧道的影响变得微弱，因此在D=αβ式中实际宽度比大于4的基坑β取值都为4。将数据按公式处理，得到散点图如图9所示。

图9 隧道最大竖向位移与卸荷程度关系

由图9可知，散点较为集中，拟合得到卸荷程度与隧道最大竖向位移经验公式为

Lmax=-54.99055ln(αβ+2.40805)-54.01713，

拟合程度较为良好，但也存在一定误差。

5 结论

1)本文采用Plaxis 2D软件模拟分层分区开挖基坑对下卧双线隧道的影响，计算结果表明采用分层分区法开挖使坑底土体竖向位移减少69.36%，下卧隧道竖向位移减少67.71%，且位移增长速率较为缓慢，各工况位移较小，更能采取合理方式控制位移。

2)分别在不同弹性模量、泊松比以及有效黏聚力条件下产生的基底回弹和隧道变形进行了对比分析，发现弹性模量的影响最显著，泊松比影响较明显，有效黏聚力较小，并根据数值计算结果拟合了弹性模量与基底回弹和隧道变形经验公式。

3)提出了合肥地区基坑相对开挖宽度与双线隧道最大竖向位移的经验公式，对该地区相关工程预测隧道上部开挖卸载所引起双线隧道的最大竖向位移有所参考。