基坑分区开挖对下穿隧道影响分析

高添桂

（中铁二十二局集团第三工程有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

随着城市经济的发展，城市综合交通枢纽的建设成为迫切需要，然而城市综合枢纽工程往往涉及基坑开挖规模较大，基坑施工伴随着高铁、地铁、公交等一系列因素影响，尤其是下穿地铁隧道工况，基坑坑底离隧道顶部的距离短，基坑开挖给隧道带来的影响不可忽视。而且地铁隧道变形要求十分严格，结构绝对最大位移不能超过20mm，变形曲线的曲率半径不小于15000m，相对弯曲不能超过1∕2500。因此，为保障地铁运营的安全，有必要进一步探究不同的开挖方式对地铁隧道所造成的影响。

国内外学者对下穿地铁隧道的基坑施工所造成的沉降进行了许多研究，其中刘波等[1]分析了隧道隆起沉降与隧道拱顶埋深以及基坑水平距离的关系，建立了相应的隧道变形预测公式。同时在基坑支护问题上，郑刚等[2]通过有限元软件模拟了围护结构变形模式对坑外变形影响区的范围；刘波等[3]分析了不同加固措施下竖井式基坑开挖引起的下卧隧道的隆起规律；吉茂杰等[4]分析基坑工程中时间、空间效应对隆起的影响规律，提出了时间、开挖宽度影响系数，并推导出使用计算方法；张治国等[5]认识到三维有限元建模的缺点，并通过分开两段计算隧道影响来达成较好的一致性。

前人的研究对下穿隧道的基坑施工和预测隧道沉降等研究上取得了较大的进展，但是对于分区开挖工况下的基坑及地铁一系列施工力学行为暂不明确，尤其在周边复杂环境下，基坑的施工力学行为、隧道的变形特征更加显著复杂。本文以厦门北高铁站交通综合配套工程的基坑工程为背景，通过FLAC3D数值模拟软件建立三维流固耦合数值计算模型，对比整体开挖与分区开挖不同工况下的基坑沉降规律，进一步分析下穿地铁隧道的上浮影响，以期为后续的基坑开挖施工提供一定的科学指导。

1 工程概况

厦门北高铁站交通综合配套工程场地西南侧低，东北侧高，场地标高在16.0～30.0m间变化。场地北侧为在建福厦高铁，项目计划与福厦高铁同步建设，于2022年9月底同步竣工，基坑边线距离高铁轨道边线最近距离8.64m，高铁主要为挖方路基，局部为填方路基，高铁路床顶标高约21.0～21.5m；北侧基坑上跨厦门地铁4号线区间，该区间采用盾构法施工，洞径6.7m，基坑坑底距离地铁结构顶最近约9.88m；基坑东侧距离既有厦沙高速岩内隧道最近水平距离约25.26m；基坑南侧为既有高铁，基坑边线距离高铁栅栏最近距离约15.26m。基坑西侧紧邻厦门北站既有车站建筑。

基坑挖深：基坑周边场地高程约为16.0～30.0m，场地场平标高由东向西分为24.000、23.000及16.000，根据基础资料，场平后基坑开挖深度约为3.0～14.5m。

场地地层结构中等复杂，根据钻探揭露区地表调查，场地在钻孔揭露深度范围内所分布的岩土层主要为人工填土层、坡积层、残积层以及燕山早期第三次侵入花岗岩。

厦门地处欧亚大陆的东南缘，位于福建省东南部，背山面海，南亚热带海洋性气候，温和多雨，年均降水量1200mm左右，每年4～8月份降雨量较多。

2 数值模型建立和工况模拟

2.1 模型建立

本文以厦门北高铁站交通综合配套工程项目为例，运用FLAC3D数值模拟软件建立三维流固耦合数值计算模型，长400m，宽170m，高40m，共69057个单元，42434个节点。土体物理性能参数参考现场实际测量结果。

2.2 模型假设及施工工况模拟

本文数值模型采用Mohr-Coulomb本构模型，该模型在低应力条件下能够更加贴近反映土体开挖产生的实际弹塑性变形。基坑支护、隧道衬砌则采用弹性本构模型。对模型四周边界的土体施加X向和Y向的位移约束，底部施加Z向约束，模型上表面为自由面，不进行约束，同时对底部土体设置不透水边界。

根据现场实际施工情况对基坑开挖步骤进行设定，由于本文仅考虑基坑开挖对下穿隧道的影响，所以在地应力平衡后开挖下穿隧道，并施作地铁隧道衬砌，最后对下穿隧道结构的位移进行清零。

3 分区开挖方式对基坑变形和隧道结构的影响分析

基坑开挖导致的土体变形以及隧道上浮往往与基坑的开挖方式有关。尤其在本工程中，地铁隧道并不是正处于基坑下方，不同的基坑分区开挖方式将直接影响到隧道的整体变形。本节主要分析坑底在不同分区开挖情况下对隧道及基坑的变形影响规律。开挖方式划分为三种，第一种是坑底整体开挖；第二种是坑底分区开挖，由①-⑩顺序开挖；第三种是分区开挖，由①-②，⑥-⑩，③-⑤顺序开挖。分区见图1所示。

图1 开挖示意图

3.1 分区开挖方式对基坑变形的影响分析

分析坑底截面竖向位移可知：三种开挖方案中，坑底整体开挖工况坑底截面隆起最为严重，为7.31mm；分区开挖工况中先开挖靠近隧道侧土体工况，最大隆起为6.83mm，先开挖远离隧道侧土体工况最大隆起为6.64mm，二者相差不大，这说明坑底分区开挖可以有效降低坑底隆起情况，但是不同开挖顺序对坑底隆起影响较小。

对比三种开挖方案可以发现，完全施工完毕时基坑坑底隆起规律一致，在T字型基坑部位达到最大，同时基坑外围土体都出现了不同程度的沉降。在开挖基坑右侧土体时，T字型基坑坑底隆起出现了略微的下降，这种情况在左侧土体开挖时也出现，究其原因当坑底土体挖出坑底应力得到释放，临近土体有向该部分移动的趋势，因此导致临近土体隆起下降。

在分区开挖的两种工况中，左右线隧道上方两侧地表沉降基本一致，左侧隧道上方地表沉降最大为2.56mm，右侧最大为2.65mm；整体开挖工况左侧隧道上方地表沉降最大为3.42mm，右侧最大为3.55mm，较分区开挖分别提高了33.6%、33.9%，分区开挖降低地表沉降效果明显。本工程临近高铁路线以及高铁车站，周边环境复杂，应适当对坑底进行分区，确保基坑周边建筑安全。

3.2 分区开挖对隧道结构的影响分析

对三种开挖工况下隧道竖向及水平位移分析，可以得出隧道最大竖向位移主要集中在T字型基坑下方，其中坑底整体开挖工况隧道最大竖向位移为4.91mm，先开挖远离隧道侧土体工况最大竖向位移为4.50mm，先开挖靠近隧道侧土体工况最大竖向位移为4.64mm，二者在数值上差异并不大；由于左侧隧道直接下穿基坑坑底，因此左侧隧道竖向位移明显大于右侧隧道竖向位移，而在水平位移上，分析得出最大水平位移出现在右侧隧道靠近①分区部位，最小水平位移在左侧隧道靠近⑩分区部位，且右侧隧道水平位移小于左侧隧道，由此看来左侧隧道主要受竖向位移的影响，右侧隧道主要受水平位移的影响。

由于前三个开挖步工况一致，受基坑开挖影响的隧道水平位移基本一致，右线隧道的水平位移远大于左线隧道。坑底整体开挖工况左线最大水平位移约为2.98mm，右线最大水平位移约为5.96mm，是左线最大水平位移的2.0倍；在先开挖靠近隧道侧土体方案中，左线最大水平位移约为2.84mm，右线最大水平位移约为4.98mm，是左线最大水平位移的1.7倍；先开挖远离隧道侧土体方案中，左线最大水平位移约为2.47mm，右线最大水平位移约为4.88mm，是左线最大水平位移的1.97倍。因此在实际施工中更需要注意对右侧隧道水平位移的监控。

3.3 现场监测与数值模拟结果对比分析

对比现场监测数据与数值模拟结果如图2所示。

由图2可以看出，在地铁隧道竖向位移上，模拟结果与实测值规律基本一致，但实测值较模拟结果隧道上浮程度较大，这是因为本模拟主要采用地下连续墙支护结构，而现场则是采用放坡及双排桩支护，因此在数值上存在一定差异，但整体变化趋势一致；在水平方向上，虽然实测值出现了一定的波动，但整体位移趋势同模拟结果一致，分别在SGC-Y06与SGC-Y19产生极值，说明本数值模拟结果可靠。

4 结束语

（1）整体开挖工况引起的坑底隆起最为严重，无论是开挖远离隧道侧土体还是靠近隧道侧土体所引起的坑底隆起都比整体开挖要小，说明分区开挖可以有效减小坑底隆起。

（2）分区开挖的两种工况比整体开挖所造成的左侧隧道上方地表沉降和右侧隧道上方地表沉降分别降低33.6%和33.9%，分区开挖能明显降低地表沉降效果。

（3）隧道最大竖向位移出现在T字型基坑下方，左侧隧道主要受竖向位移的影响，右侧隧道主要受水平位移的影响，无论是整体开挖还是分区开挖中的先开挖远离隧道侧土体或者是先开挖靠近隧道侧土体，右线的最大水平位移都约等于左线最大水平位移的两倍。