沈銀斌，陳龍，周侃東，黃河

（1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步，城市的地下工程建設(shè)發(fā)展迅猛，軌道交通的建設(shè)也成為其中重要的一環(huán)。相對于傳統(tǒng)的地面交通方式，地鐵成為緩解城市交通壓力的有力武器。但由于城市建設(shè)規(guī)模大而集中，不可避免地有另一些基礎(chǔ)設(shè)施的基坑與既有地鐵隧道緊鄰。當(dāng)隧道變形超過一定限度，輕則接縫漏水，重則導(dǎo)致地鐵無法安全運營。為保證重大工程的安全性，需要在基坑開挖前后對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行研究和保護(hù)。

針對此類問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要采用簡化理論、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]從理論分析著手，在基底土體隆起殘余應(yīng)力法的基礎(chǔ)上，研究了規(guī)則矩形基坑開挖在時空效應(yīng)上對土體回彈及其下地鐵隧道變形的影響規(guī)律，并最終推導(dǎo)出相關(guān)計算公式。文獻(xiàn)[3]開展了干砂地層中基坑開挖對旁側(cè)隧道影響及隔斷墻保護(hù)作用的三維離心模型試驗和數(shù)值分析，得出了隧道上浮量和水平位移隨著隧道埋深及其與圍護(hù)墻距離的增大而減小且隨著基坑開挖深度的增大而增大的結(jié)論。文獻(xiàn)[4]將相似材料模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了上方基坑開挖卸荷-加載作用下隧道的變形特征，其結(jié)果表明隨著該基坑開挖卸荷的進(jìn)行，隧道逐步上浮，在開挖至底部時豎向位移達(dá)到最大。文獻(xiàn)[5]結(jié)合工程實例對基坑與既有隧道的安全距離進(jìn)行了分析：分析指出在常規(guī)基坑變形控制條件下，建議隧道結(jié)構(gòu)與圍護(hù)墻間距≥20m，且隨間距的減小，基坑支護(hù)剛度加強(qiáng)所需代價將逐漸增大。

綜上所述，目前基坑開挖對既有隧道的影響研究主要集中在基坑尺寸、支護(hù)、距離以及相關(guān)的理論規(guī)律上，而關(guān)于非常規(guī)的狹長管線基坑開挖對鄰近既有隧道影響的研究相對較少。本文以合肥市繞城高壓管線工程濱湖二段標(biāo)穿越合肥軌道交通一號線施工項目為依托，建立有限元三維數(shù)值模型，分析狹長的高壓管線基坑的不同施工方案對地鐵隧道變形的影響，結(jié)合現(xiàn)場自動化監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果，對比研究隧道變形規(guī)律。

1 工程概況

合肥繞城高壓管線工程，全線長4.99km，輸送介質(zhì)為天然氣，設(shè)計壓力4.0MPa，工作壓力 0.2～0.4MPa。該段為合肥市天然氣繞城高壓管線工程的一部分，其基坑在錦繡大道和廬州大道交口西北側(cè)250m處與合肥軌道交通1號線垂直交叉，垂直交叉段位于軌道1號線K19+900處，交叉段范圍約20m，穿越長度約46m，地面現(xiàn)狀標(biāo)高約15.73m，隧道頂標(biāo)高約3.83m，隧道底標(biāo)高-2.37m。燃?xì)夤艿缆裆钜袁F(xiàn)狀地面標(biāo)高為基礎(chǔ)。管道敷設(shè)采用開挖淺埋的方式，管道頂部覆土約1.5m，整體開挖段深度控制在3.2m以下，管底距離地鐵隧道頂垂直凈距約8.47m。該燃?xì)夤芫€與軌道交通1號線平面位置關(guān)系圖如圖1所示，圖中虛線為燃?xì)夤芫€；斷面關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖1 燃?xì)夤芫€與軌道交通1號線平面位置關(guān)系示意圖

圖2 燃?xì)夤芫€與軌道交通1號線斷面位置關(guān)系示意圖

2 基坑開挖的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

目前，廣泛使用的數(shù)值模擬方法主要有：有限差分法、離散單元法、彈塑性有限單元法等。本文采用MidasGTS NX（New eXperience of Geo-Technology analysis System）進(jìn)行建模和分析，這是結(jié)合了有限元分析及巖土與隧道方向的專業(yè)性的一款用于分析和模擬巖土領(lǐng)域的有限元分析軟件，具有基于CAD的三維幾何建模功能，自動劃分網(wǎng)格，映射網(wǎng)格等特點，其強(qiáng)大的前，后處理能力為解決基坑開挖等問題提供了優(yōu)秀的平臺。

根據(jù)彈塑性理論并結(jié)合工程實際，本模型長寬高分別設(shè)為210m，125m，40m，使其遠(yuǎn)大于基坑尺寸和隧道尺寸以保證模型的計算質(zhì)量。模型共有227144個單元，39691個節(jié)點；模型左右邊界施加水平方向約束，底部邊界施加豎向約束和水平向約束，頂部為自由邊界。如圖3所示，圖中為左右兩側(cè)隧道和尚未開挖的基坑，自左上到右下分別命為第1段至第6段，每一段長度約為40m，周圍的網(wǎng)格即透明化處理的土體。針對大范圍的開挖卸載，為方便計算做如下假設(shè)：

圖3 有限元數(shù)值模型

①土體是各向同性且均勻連續(xù)的；

②考慮初始自重應(yīng)力，該管線基坑的開挖是在土體充固結(jié)后開始進(jìn)行的；

③在模擬過程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)與周圍土體是協(xié)調(diào)變形的，無結(jié)構(gòu)與土體分離的情況。

數(shù)值計算時，土體材料采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)模型，隧道管片材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型，根據(jù)勘察報告等，土體參數(shù)如下表所示。

2.2 施工過程模擬

為研究類似管線基坑的開挖對臨近地鐵隧道的影響，本文模擬三種不同的施工方案：第一種，對該管線基坑分6步開挖，即開挖第1段；回填第1段后再開挖第2段，回填第2段后再開挖第3段，以此類推直至第6段開挖完成。方案二：先開挖第1段，再開挖第2段，直至開挖第6段，開挖過程中不進(jìn)行回填。方案三：自第6段開始開挖，回填第6段后開挖第5段（即右下到左上開挖），以此類推直至第1段開挖完成?；娱_挖前后示意圖如圖4所示。

圖4 基坑開挖前后示意圖

2.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬首先根據(jù)地層的物理力學(xué)參數(shù)、模型邊界等條件計算初始應(yīng)力場，然后模擬地鐵隧道施工以獲取隧道的初始狀態(tài)，這兩個工況都進(jìn)行位移清零后才開始進(jìn)行基坑開挖的施工模擬。在此基礎(chǔ)上每開挖一次為一個施工階段，進(jìn)行分析求解后，可以輸出任意施工階段隧道的位移云圖，以分析地鐵隧道的變形等情況，對基坑本身不做分析。

方案一各工況下隧道襯砌位移云圖如圖5所示。

由圖5可知，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨著開挖階段的變化而變化，其中，該方案開挖第2段和開挖第3段的變形量最大，即在開挖基坑交叉段時達(dá)到最大值，最大豎向位移為3.58mm。

土體參數(shù)表

圖5 方案一各工況下隧道豎向移云圖

方案二各工況下地鐵隧道豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 方案二各工況下隧道豎向位移云圖

在施工方案為方案二的情況下，地鐵隧道的最大豎向變形量達(dá)到4.71mm，在開挖最后兩個階段產(chǎn)生，其豎向位移最大值隨著開挖繼續(xù)而逐步增大，影響范圍也隨著開挖繼續(xù)而不斷擴(kuò)大，最大豎向變形產(chǎn)生的位置也從左側(cè)隧道逐步轉(zhuǎn)移到右側(cè)隧道，開挖階段越靠后，其位置變化越穩(wěn)定。但是由于并未進(jìn)行及時回填，因開挖卸荷減小的地應(yīng)力得不到恢復(fù)，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)在這樣的地應(yīng)力環(huán)境下逐步變形而產(chǎn)生較大的豎向位移。

方案三工況下地鐵隧道豎向位移云圖如圖7所示。

圖7 方案三工況下隧道豎向位移云圖

從方案三的數(shù)值模擬結(jié)果中得出，地鐵隧道的最大豎向變形約3.57mm，比方案一略小與方案一的云圖除順序外基本相同。由三個方案的位移云圖對比可知，各方案最大豎向位移產(chǎn)生均在同一處，且方案一和方案三的范圍相當(dāng)，說明在隧道襯砌結(jié)構(gòu)不會被破壞的前提下，采取不同的施工方案，該基坑開挖對臨近既有隧道產(chǎn)生最大影響的位置是相同的。

提取三個方案中豎向位移最大的點的位移數(shù)據(jù)，建立該點豎向位移隨開挖階段變化的對比圖，如圖8所示。

由圖8可以看出方案一和方案三的最大豎向位移十分接近，且曲線的分布規(guī)律也基本一致，均呈現(xiàn)出較明顯的高斯正態(tài)分布，方案一出現(xiàn)最大位移在第3開挖階段，即回填第2段開挖第3段，方案三出現(xiàn)最大位移在第4開挖階段，對應(yīng)于其開挖順序，為回填第4段開挖第3段，可知在基坑開挖第3段時對地鐵隧道的影響最大。而方案二開挖前兩段與方案一相似，但隨著開挖步的進(jìn)行，其最大豎向位移逐步增大，由于后面的開挖距離該最大豎向位移點越來越遠(yuǎn)，所以其影響也就越來越小，所以保持位移量較大但基本不變的狀態(tài)。

圖8 豎向位移隨開挖階段的變化對比曲線

3 監(jiān)測與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

本文采用測量機(jī)器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，該系統(tǒng)以基于一臺測量機(jī)器人的照準(zhǔn)棱鏡的變形監(jiān)測體系為基本單元，是由多個基本單元通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，組合形成一個測量機(jī)器人遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由測量機(jī)器人、無線通訊模塊和系統(tǒng)控制中心三部分硬件組成，可以實現(xiàn)包括自動跟蹤、自動照準(zhǔn)、智能識別、遙測控制等功能在內(nèi)的自動化測量，能夠較大地提高監(jiān)測效率和精度。

3.2 測點布置

將監(jiān)測點分別布設(shè)左線軌道和右線軌道兩個區(qū)域，每隔20m設(shè)一個監(jiān)測斷面，其中為加強(qiáng)開挖影響較強(qiáng)區(qū)域的監(jiān)測，在垂直交叉段每隔5m布設(shè)一個監(jiān)測斷面。同時，將儀器安置在監(jiān)測區(qū)間中部作為測站點，能夠較好地保證測量精度。隧道內(nèi)監(jiān)測點布置如圖9所示?？紤]到該線路為合肥地區(qū)最為重要的軌道交通線路之一，且正處于運營狀態(tài)，將位移值嚴(yán)格要求為：預(yù)警值5mm，控制值10mm。

圖9 區(qū)間隧道監(jiān)測斷面圖

3.3 結(jié)果對比分析

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，隨著開挖步驟的進(jìn)行，最大位移產(chǎn)生位置也從左側(cè)隧道逐步轉(zhuǎn)移到右側(cè)隧道，同時在每一步回填之后，原位置的襯砌結(jié)構(gòu)位移都會減小，這是由于回填使得隧道所處的地應(yīng)力狀態(tài)有所恢復(fù)，一定程度上減輕了開挖卸荷的影響。在方案一下，襯砌結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大豎向位移為3.58mm，小于監(jiān)測預(yù)警值（5mm），更符合要求；在方案二中，由于未及時回填，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大豎向位移為4.71mm，比方案一的大31.6%，且與監(jiān)測預(yù)警值十分接近，可能出現(xiàn)意料之外的情況致使隧道變形超過預(yù)警值而需要不必要的后續(xù)控制措施。

根據(jù)工程實際情況，基坑開挖采用方案一進(jìn)行施工。在現(xiàn)場實際監(jiān)測下，隧道的最大豎向位移為3.22mm，而方案一模擬結(jié)果中最大豎向位移為3.58mm。模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

模型中最大豎向位移出現(xiàn)的位置也與實際監(jiān)測中出現(xiàn)最大豎向位移的位置相符合，均位于右側(cè)隧道的交叉段，模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果最大值誤差為11%，大體上吻合。這表明本文所建立的仿真模型（方案一）是可靠合理的，能夠在一定程度上模擬該隧道在其上方的基坑開挖過程中的所產(chǎn)生的變形。在不考慮現(xiàn)場人工設(shè)備等其他條件的情況下，采用方案三進(jìn)行施工也是能夠滿足監(jiān)測要求的。

4 結(jié)論

①本文采用Midas GTSNX軟件進(jìn)行了基坑開挖過程的數(shù)值模擬，并提出了三個不同的開挖方案，對方案進(jìn)行分析比對得出方案一更適合的結(jié)論?？梢缘弥?，基坑開挖產(chǎn)生卸荷作用，從而使土體表現(xiàn)出向上的回彈變形，由于土體的變形具有的協(xié)調(diào)性，使在一定的范圍內(nèi)得土體和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“上浮”變形，即產(chǎn)生豎直方向上的位移。由幾個方案的對比可知，在該基坑開挖過程中，開挖對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響與開挖土體的位置密切相關(guān)，距離越近則影響越大

②由于地鐵結(jié)構(gòu)與巖土體相互作用的復(fù)雜性，不同的施工方法和順序引起的地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和大小不同，因此其變形量也不盡相同；盡管施工方案有所不同，同一基坑開挖對地鐵隧道所產(chǎn)生的影響最大的位置基本是不變的。隧道豎向位于隨開挖步進(jìn)行的變化曲線符合正態(tài)分布規(guī)律。

③對該項目進(jìn)行了自動化監(jiān)測，通過實測結(jié)果的驗證，對于復(fù)雜巖土體問題，在邊界條件和參數(shù)取值接近實際的情況下，數(shù)值模擬是解決巖土體問題的有效方法之一，并且能夠給出相對較好的定性和定量結(jié)果。

④同時，分析結(jié)果表明，在基坑的開挖過程中，為避免對隧道產(chǎn)生較大影響，應(yīng)當(dāng)及時地回填土體，及時做好基坑的支護(hù)工作，在保護(hù)基坑的同時盡量恢復(fù)開挖前的應(yīng)力狀態(tài)也是必要的；同時，應(yīng)充分考慮時空效率影響，避免隧道長時間處于地應(yīng)力不平衡的狀態(tài)而產(chǎn)生較大的形變，從而威脅到地鐵正常的安全運營。