陳俏

摘要：文章以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件建立模型，在考慮了四種工況的基礎(chǔ)上，分析基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響。結(jié)果表明：基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%，隧道向上隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關(guān)系;隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內(nèi)部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置;隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小，基坑中部隆起值略大于兩側(cè);樁墻頂部水平位移最大，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。

關(guān)鍵詞：基坑開挖;隧道;位移;數(shù)值模擬

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，很多城市中的地鐵、污水管等隧道錯綜復(fù)雜。由于城市建設(shè)用地有限，在既有隧道上方進(jìn)行基坑開挖不可避免。基坑開挖會導(dǎo)致原有土體卸荷，進(jìn)而引發(fā)隧道變形，合理的設(shè)計(jì)和控制施工對于保護(hù)下臥既有隧道非常重要。近年來，有關(guān)基坑開挖對下臥既有隧道的影響的研究如下：李家平、賀希英等人[1-2]以某地區(qū)淺基坑開挖為例，采用數(shù)值方法分析了實(shí)施地基加固、抗拔樁以及考慮時空效應(yīng)的分塊、限時開挖等技術(shù)措施以減小下部隧道變形的效果;高強(qiáng)、林杭等人[3-4]以西安南門外綜合改造工程環(huán)城南路市政隧道上跨既有地鐵2號線盾構(gòu)隧道為依托，采用FLAC3D有限差分程序?qū)κ姓淼阑娱_挖對下臥地鐵盾構(gòu)隧道的影響進(jìn)行數(shù)值分析;杜磊、林川等人[5-6]以北京地鐵8號線上方基坑卸荷開挖為背景，運(yùn)用MIDAS/GTS軟件，分別針對3種不同工況對施工全過程進(jìn)行動態(tài)模擬，結(jié)果表明隧道隆起變形近似呈正態(tài)分布，最大值發(fā)生在基坑正下方的隧道斷面。

本文以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模分析，在考慮了四種工況的基礎(chǔ)上，著重對基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響進(jìn)行了分析，研究結(jié)果可為工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

粉土作為一種處于黏性土和砂土之間的一類土，具有較為特殊的性質(zhì)，主要表現(xiàn)為飽和的粉土在地震時容易產(chǎn)生液化現(xiàn)象，給工程造成危害。某工程地區(qū)土體主要為粉土，地下存在已建好的地鐵隧道，按照設(shè)計(jì)將在隧道上方建立一棟建筑物，在基礎(chǔ)施工時進(jìn)行基坑開挖，基坑長和寬相等，隧道正下穿基坑底側(cè)。為了保證基坑開挖不會對既有隧道產(chǎn)生危害，本文主要利用數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以便為施工提供參考。圖1為隧道與基坑位置及尺寸示意圖，隧道中心埋深為15.2 m，基坑開挖深度為6.0 m，支護(hù)樁板墻之間間距為31 m。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

如圖2所示，采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行建模分析。模擬過程中隧道外直徑為6.0 m，考慮到隧道的洞徑以及開挖影響范圍，所建模型長、寬、高均取70 m，隧道中心埋深為15.2 m，除模型上邊界外，其他邊界均進(jìn)行位移和邊界約束。隧道采用預(yù)制管片支護(hù)，如圖2（b）所示，支護(hù)樁墻采用連續(xù)的結(jié)構(gòu)地連墻代替，厚度取0.65 m。隧道圍巖和樁墻采用實(shí)體單元建立，襯砌采用結(jié)構(gòu)單元，模型網(wǎng)格共計(jì)66 372個。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，修正劍橋模型在基坑開挖方面較為適用，本文即采用修正的劍橋模型作為本構(gòu)模型。

2.2 模型計(jì)算參數(shù)

表1為粉土的基本物理力學(xué)參數(shù)，在劍橋模型中，土體初始孔隙比取0.80，修正劍橋模型臨界狀態(tài)有效應(yīng)力比取1.42，對數(shù)體積模量為0.061 4，彈性對數(shù)體積模量為0.002 2。表2給出了隧道襯砌及樁墻的力學(xué)參數(shù)。

2.3 模型計(jì)算工況

模擬過程中含有多個步驟，為了分析不同工況的結(jié)果，本文按照施工流程進(jìn)行模型計(jì)算。在基坑開挖之前，應(yīng)先進(jìn)行隧道開挖支護(hù)，并考慮既有隧道已經(jīng)固結(jié)穩(wěn)定，將位移清零，基坑開挖過程中分成以下工況，具體如圖3所示，其中工況四即表示施工完成。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 隧道豎向位移分析

基坑開挖會引起隧道上覆土體卸荷，進(jìn)而擾動隧道，導(dǎo)致隧道整體出現(xiàn)上隆現(xiàn)象。為了分析各個工況下隧道豎向位移的情況（如圖4所示），給出了沿隧道方向，隧道頂部的豎向位移值，取豎向向上位移為正（下同）。由圖4可知，工況一時，豎向位移基本為零，之后，隨著基坑開挖深度的增加，隧道頂部隆起愈來愈強(qiáng)，其中基坑中部位置下隧道豎向位移最大。工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大豎向位移值分別為3.12 mm、6.58 mm和11.24 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的位移釋放比分別為27.8%和58.5%。此外，基坑寬度為31 m，在基坑邊界處工況二、工況三、工況四對應(yīng)的隧道豎向位移值分別為1.28 mm、2.99 mm和5.07 mm，相對于工況四，工況二、工況三在基坑邊界處的位移釋放比分別為25.2%和59.0%。

如圖5所示，給出了沿隧道方向，隧道底部的豎向位移值。由圖5可知，工況一時，豎向位移基本為零，隨著基坑開挖深度的增加，隧道底部隆起增大，其中基坑中部位置下隧道豎向位移最大。工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大豎向位移值分別為1.98 mm、4.35 mm和7.64 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的位移釋放比分別為25.9%和56.9%。對于隧道底部，工況二、工況三、工況四時的最大豎向位移分別為隧道頂部的63.5%、66.1%和67.8%。此外，在基坑邊界處工況二、工況三、工況四對應(yīng)的隧道豎向位移值分別為1.21 mm、2.78 mm和4.81 mm，相對于工況四，工況二、工況三在基坑邊界處的位移釋放比分別為25.2%和57.8%。

綜上可知，基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%。此外，相對于基坑開挖完成后，在基坑開挖1/3時，隧道位移釋放了約25%～28%;在基坑開挖2/3時，隧道位移釋放了約56%～59%，隧道頂部位移增大速度略大于底部，且隧道位移隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關(guān)系。

3.2 隧道水平位移分析

基坑開挖引起隧道上覆土體卸荷時，不僅會對隧道豎向位移產(chǎn)生影響，同時對隧道水平位移（即模型x方向）也產(chǎn)生影響。為了分析各個工況下隧道水平位移情況（如圖6所示），給出了基坑正中心下部對應(yīng)隧道管片的水平位移值，沿該隧道管片截面，共選取15個監(jiān)測點(diǎn)，第1個監(jiān)測點(diǎn)為隧道頂部，監(jiān)測點(diǎn)按順時針布置，任意兩監(jiān)測點(diǎn)夾角為24°，取指向x正方向?yàn)檎Ｓ蓤D6可知，隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內(nèi)部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置。工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大水平位移值分別為0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的水平位移釋放比分別為31.4%和56.0%。

3.3 基坑豎向位移分析

基坑開挖不僅會導(dǎo)致隧道整體出現(xiàn)上隆現(xiàn)象，而且會導(dǎo)致基坑底部上隆。為了分析各個工況下基坑底部豎向位移情況（如圖7所示），給出了沿縱向方向（即與隧道平行方向）和橫向方向，基坑底部的豎向位移值，取豎向向上位移為正。由圖7可知，縱向和橫向的基坑底部位移變化規(guī)律相同，當(dāng)沿縱向時，工況一豎向位移基本為零，之后，隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起愈來愈強(qiáng)，其中基坑中部豎向位移最大，工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大豎向位移值分別為8.62 mm、14.67 mm和21.04 mm;當(dāng)沿橫向時，工況一豎向位移基本為零，基坑中部豎向位移最大，工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大豎向位移值分別為8.43 mm、14.57 mm和20.89 mm。由于沿縱向和橫向基坑底部隆起值基本相當(dāng)，可以得出，隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小。此外，對于工況二和工況三，基坑底部任一位置隆起基本相同，對于工況四，基坑中部隆起大于兩邊。

3.4 樁墻水平位移分析

樁墻的水平位移量在很大程度上反映基坑支護(hù)效果的好壞以及安全與否，本節(jié)提取出沿土體深度樁墻的水平位移值，以右側(cè)樁墻為例（如圖8所示）。由圖8可知，樁墻頂部水平位移最大，且朝向基坑里側(cè)，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。工況一樁墻水平位移基本為零，工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大樁墻水平位移值分別為3.87 mm、6.74 mm和8.92 mm，相對于工況四（即基坑開挖完成），工況二、工況三的樁墻水平位移比分別為43.4%和75.6%。

4 結(jié)語

本文以粉土中既有隧道上部基坑開挖為例，采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模分析，在考慮了四種工況的基礎(chǔ)上，著重對基坑開挖對隧道頂部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及樁墻位移的影響進(jìn)行了分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）基坑開挖會引起隧道向上隆起，且隧道頂部隆起值大于底部隆起值，隧道底部隆起值大約為隧道頂部的60%～70%。相對于基坑開挖完成后，在基坑開挖1/3時，隧道位移釋放了約25%～28%;在基坑開挖2/3時，隧道位移釋放了約56%～59%，隧道向上隆起速率與基坑開挖深度基本呈線性增長關(guān)系。

（2）隨著基坑的開挖，隧道兩拱腰向內(nèi)部收斂，最大水平位移發(fā)生在隧道拱腰位置。工況二、工況三、工況四對應(yīng)的最大水平位移值分別為0.74 mm、1.32 mm和2.36 mm，相對于工況四，工況二、工況三的最大水平位移比分別為31.4%和56.0%。

（3）隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部隆起增大，且隧道的存在對基坑底部的豎向變形影響較小。此外，對于工況二和工況三，基坑底部任一位置隆起基本相同，對于工況四，基坑中部隆起大于兩邊。

（4）樁墻頂部水平位移最大，隨著土體深度的增加，樁墻的水平位移逐漸減小。相對于工況四，工況二、工況三的樁墻水平位移比分別為43.4%和75.6%。

[1]李家平.基坑開挖卸載對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5（s1）：1 345-1 348.

[2]賀希英，高 強(qiáng)，張曉光，等.黃土地區(qū)基坑開挖對下臥變截面地鐵隧道影響數(shù)值分析[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2019（1）：221-226.

[3]高 強(qiáng)，于文龍.市政隧道基坑開挖對既有下臥地鐵盾構(gòu)隧道影響分析[J].隧道建設(shè)，2014，34（4）：311-317.

[4]林 杭，陳靖宇，郭 春，等.基坑開挖對鄰近既有隧道變形影響范圍的數(shù)值分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015（46）：42-47.

[5]杜 磊，王育平，明德志，等.基坑卸荷開挖對下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，35（6）：62-67.

[6]林 川，馬永峰.基坑開挖對下臥盾構(gòu)隧道影響的數(shù)值分析[J].低溫建筑技術(shù)，2010（7）：90-92.

作者簡介：陳 俏（1984—），工程師，主要從事高速公路養(yǎng)護(hù)工作。