軟土基坑開挖模擬及對臨近隧道的影響研究

潘 超 席永慧

(1.同濟大學，上海 200092; 2.寧波建工工程集團有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

近些年，隨著城市建設快速發(fā)展，軌道交通成為人們不可或缺的出行交通工具之一。上海屬于典型的軟土地質(zhì)環(huán)境，部分區(qū)域覆蓋層厚度甚至達到了300 m，截至2017年，上海地鐵共開通14條線路，總里程超過600 km?；娱_挖會導致局部土體應力釋放，產(chǎn)生向應力釋放方向的位移變形，對臨近地鐵隧道產(chǎn)生附加應力及變形，可能會影響地鐵隧道的安全，這一現(xiàn)象在軟土地質(zhì)環(huán)境中尤為明顯，且一旦出現(xiàn)事故，造成的后果是非常惡劣和嚴重的[1]。因此，本文以上海市某深基坑實際工程為研究背景[2]，土體采用摩爾—庫侖非線性模型，通過有限元數(shù)值模擬的方法對軟土深基坑開挖的過程進行了模擬，并對基坑開挖對臨近地鐵隧道位移變形的影響進行非線性分析，在此基礎上，對基坑開挖對不同水平距離隧道產(chǎn)生的影響進行了研究，從而為同類工程的施工提供一定的參考。

1 工程概況

本文結(jié)合上海市某一緊鄰地鐵隧道的實際基坑工程作為研究背景，該基坑工程占地面積為4 400 m2，基坑平面形狀為矩形，尺寸為20 m×120 m，基坑開挖深度為9.2 m，距離地鐵隧道外邊線僅3.8 m。該基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐作為圍護結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻厚度為0.8 m、深度為18 m，鋼筋混凝土內(nèi)支撐分別在地下-2.4 m和-7.0 m布置兩道，鋼支撐采用φ609×16 mm鋼管。

基坑土體從上到下可以分為：①雜填土，厚度為2.0 m；②粘土，厚度為1.5 m；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，厚度為4 m；④淤泥質(zhì)粘土，厚度為9 m；⑤粘土，厚度為5 m。

土體的物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)

盾構(gòu)隧道隧頂埋深約-12.70 m，隧道內(nèi)徑為6 m，厚度為0.3 m，隧道及地下連續(xù)墻的物理力學參數(shù)如下：彈性模量E=3.0e4 MPa，泊松比μ=0.3。內(nèi)支撐的物理力學參數(shù)如下：彈性模量E=2.1e5 MPa，泊松比μ=0.2。

2 有限元模型的建立

本文采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型，為盡可能模擬工程實際，土體在水平方向上取4倍基坑寬度，豎向取4倍開挖深度[3]，即模型寬度80 m，高40 m。對于有限元模型必須設置合理的邊界條件，本文的邊界條件取為：模型底部限制所有自由度，模型水平方向約束水平位移，模型上表面為自由邊界，不施加約束。土體、地下連續(xù)墻和隧道采用實體單元模擬，內(nèi)支撐采用梁單元模擬。在土體與地下連續(xù)墻之間設置面面接觸，隧道與土體之間的相互作用采用綁定約束。

本文中土體采用摩爾—庫侖模型[4]進行模擬，地下連續(xù)墻、隧道及內(nèi)支撐均采用彈性模型。不考慮地下滲流的作用及地鐵隧道管片之間接頭對隧道變形的影響。

為了對基坑開挖的實際過程進行模擬，需要設置多個分析步，具體如下：

1)地應力平衡，將地表初始豎向位移清零；

2)激活地連墻與土體之間的接觸對以模擬地連墻的施工；

3)首層土體開挖并加首道鋼支撐；

4)開挖二層土體；

5)開挖三層土體并加第二道鋼支撐；

6)開挖底層土體。

上述的分析步驟涉及了地應力平衡、地連墻施工、土體開挖以及鋼支撐的施作，能夠較好的模擬基坑開挖的全過程。圖1，圖2分別給出了模型網(wǎng)格劃分示意圖及經(jīng)地應力平衡后的效果圖，從圖1，圖2中可以看出經(jīng)地應力平衡后土體豎向位移為10-8級，土體初始變形可以忽略。

3 有限元分析結(jié)果

基坑開挖后，由于擋土墻后方的土體被移除，土體將產(chǎn)生新的位移場，因此也將導致地鐵隧道產(chǎn)生位移?；娱_挖結(jié)束后計算剖面的變形云圖見圖3,圖4。由圖3，圖4可知，基坑開挖后，土體的豎向變形大于水平變形，且豎向變形量最大值出現(xiàn)在基坑底部。土體水平變形最大值位于基坑底部與隧道中間區(qū)域的土體，除此之外，隧道與擋土墻周圍的土體水平位移也比較大。

圖5，圖6分別給出了隧道水平和豎向變形云圖結(jié)果，可以看出，隧道的變形也呈現(xiàn)出了豎向大水平小的趨勢。

表2 隧道最大變形結(jié)果

典型剖面最大附加位移/mm水平向豎向地鐵隧道26.9373.87

表2列出了地鐵隧道最大的附加水平位移及豎向位移值。而根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規(guī)定》[5]對地鐵安全保護區(qū)內(nèi)的建筑施工項目的要求，地鐵隧道的絕對沉降量及水平位移量不大于20 mm。而本文中，地鐵隧道的最大水平變形達到26.93 mm，最大豎向變形達到了73.87 mm，因此，需要對臨近基坑的圍護形式采取一定的加強措施，嚴格控制基坑變形，以保證后期地鐵的安全運營。

為了分析基坑開挖對基坑附近不同水平距離隧道產(chǎn)生的影響，本節(jié)保持隧道的豎向位置不變，將隧道到基坑的水平距離取為1d，2d，3d，4d和5d(d=3.8 m)，并利用ABAQUS建立了5個有限元模型進行分析。

表3 不同工況下隧道變形結(jié)果

距離隧道最大附加位移/mm水平向豎向1d26.9373.872d17.2442.113d11.5521.314d8.238.395d6.402.07

圖7～圖10給出水平距離分別為2d,3d,4d,5d時隧道的水平及豎向變形云圖，表3給出各工況下隧道水平和豎向變形的最大值，由表3可知，隨著隧道距離基坑水平距離的增大，隧道水平及豎向變形均呈減小的趨勢，且豎向比水平向減小的更快。

4 結(jié)語

1)本文中深基坑開挖過程中土體的豎向變形大于水平變形；

2)基坑附近的隧道的變形也是豎向大水平小，且超過規(guī)范要求，應采取一定加強措施；

3)隨著隧道距離基坑水平距離的增大，隧道水平及豎向變形均呈減小的趨勢，且豎向比水平向減小的更快。