高添桂

（中鐵二十二局集團第三工程有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，城市綜合交通樞紐的建設(shè)成為迫切需要，然而城市綜合樞紐工程往往涉及基坑開挖規(guī)模較大，基坑施工伴隨著高鐵、地鐵、公交等一系列因素影響，尤其是下穿地鐵隧道工況，基坑坑底離隧道頂部的距離短，基坑開挖給隧道帶來的影響不可忽視。而且地鐵隧道變形要求十分嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)絕對最大位移不能超過20mm，變形曲線的曲率半徑不小于15000m，相對彎曲不能超過1∕2500。因此，為保障地鐵運營的安全，有必要進一步探究不同的開挖方式對地鐵隧道所造成的影響。

國內(nèi)外學(xué)者對下穿地鐵隧道的基坑施工所造成的沉降進行了許多研究，其中劉波等[1]分析了隧道隆起沉降與隧道拱頂埋深以及基坑水平距離的關(guān)系，建立了相應(yīng)的隧道變形預(yù)測公式。同時在基坑支護問題上，鄭剛等[2]通過有限元軟件模擬了圍護結(jié)構(gòu)變形模式對坑外變形影響區(qū)的范圍；劉波等[3]分析了不同加固措施下豎井式基坑開挖引起的下臥隧道的隆起規(guī)律；吉茂杰等[4]分析基坑工程中時間、空間效應(yīng)對隆起的影響規(guī)律，提出了時間、開挖寬度影響系數(shù)，并推導(dǎo)出使用計算方法；張治國等[5]認(rèn)識到三維有限元建模的缺點，并通過分開兩段計算隧道影響來達成較好的一致性。

前人的研究對下穿隧道的基坑施工和預(yù)測隧道沉降等研究上取得了較大的進展，但是對于分區(qū)開挖工況下的基坑及地鐵一系列施工力學(xué)行為暫不明確，尤其在周邊復(fù)雜環(huán)境下，基坑的施工力學(xué)行為、隧道的變形特征更加顯著復(fù)雜。本文以廈門北高鐵站交通綜合配套工程的基坑工程為背景，通過FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維流固耦合數(shù)值計算模型，對比整體開挖與分區(qū)開挖不同工況下的基坑沉降規(guī)律，進一步分析下穿地鐵隧道的上浮影響，以期為后續(xù)的基坑開挖施工提供一定的科學(xué)指導(dǎo)。

1 工程概況

廈門北高鐵站交通綜合配套工程場地西南側(cè)低，東北側(cè)高，場地標(biāo)高在16.0～30.0m間變化。場地北側(cè)為在建福廈高鐵，項目計劃與福廈高鐵同步建設(shè)，于2022年9月底同步竣工，基坑邊線距離高鐵軌道邊線最近距離8.64m，高鐵主要為挖方路基，局部為填方路基，高鐵路床頂標(biāo)高約21.0～21.5m；北側(cè)基坑上跨廈門地鐵4號線區(qū)間，該區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，洞徑6.7m，基坑坑底距離地鐵結(jié)構(gòu)頂最近約9.88m；基坑?xùn)|側(cè)距離既有廈沙高速巖內(nèi)隧道最近水平距離約25.26m；基坑南側(cè)為既有高鐵，基坑邊線距離高鐵柵欄最近距離約15.26m?；游鱾?cè)緊鄰廈門北站既有車站建筑。

基坑挖深：基坑周邊場地高程約為16.0～30.0m，場地場平標(biāo)高由東向西分為24.000、23.000及16.000，根據(jù)基礎(chǔ)資料，場平后基坑開挖深度約為3.0～14.5m。

場地地層結(jié)構(gòu)中等復(fù)雜，根據(jù)鉆探揭露區(qū)地表調(diào)查，場地在鉆孔揭露深度范圍內(nèi)所分布的巖土層主要為人工填土層、坡積層、殘積層以及燕山早期第三次侵入花崗巖。

廈門地處歐亞大陸的東南緣，位于福建省東南部，背山面海，南亞熱帶海洋性氣候，溫和多雨，年均降水量1200mm左右，每年4～8月份降雨量較多。

2 數(shù)值模型建立和工況模擬

2.1 模型建立

本文以廈門北高鐵站交通綜合配套工程項目為例，運用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維流固耦合數(shù)值計算模型，長400m，寬170m，高40m，共69057個單元，42434個節(jié)點。土體物理性能參數(shù)參考現(xiàn)場實際測量結(jié)果。

2.2 模型假設(shè)及施工工況模擬

本文數(shù)值模型采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，該模型在低應(yīng)力條件下能夠更加貼近反映土體開挖產(chǎn)生的實際彈塑性變形?；又ёo、隧道襯砌則采用彈性本構(gòu)模型。對模型四周邊界的土體施加X向和Y向的位移約束，底部施加Z向約束，模型上表面為自由面，不進行約束，同時對底部土體設(shè)置不透水邊界。

根據(jù)現(xiàn)場實際施工情況對基坑開挖步驟進行設(shè)定，由于本文僅考慮基坑開挖對下穿隧道的影響，所以在地應(yīng)力平衡后開挖下穿隧道，并施作地鐵隧道襯砌，最后對下穿隧道結(jié)構(gòu)的位移進行清零。

3 分區(qū)開挖方式對基坑變形和隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

基坑開挖導(dǎo)致的土體變形以及隧道上浮往往與基坑的開挖方式有關(guān)。尤其在本工程中，地鐵隧道并不是正處于基坑下方，不同的基坑分區(qū)開挖方式將直接影響到隧道的整體變形。本節(jié)主要分析坑底在不同分區(qū)開挖情況下對隧道及基坑的變形影響規(guī)律。開挖方式劃分為三種，第一種是坑底整體開挖；第二種是坑底分區(qū)開挖，由①-⑩順序開挖；第三種是分區(qū)開挖，由①-②，⑥-⑩，③-⑤順序開挖。分區(qū)見圖1所示。

圖1 開挖示意圖

3.1 分區(qū)開挖方式對基坑變形的影響分析

分析坑底截面豎向位移可知：三種開挖方案中，坑底整體開挖工況坑底截面隆起最為嚴(yán)重，為7.31mm；分區(qū)開挖工況中先開挖靠近隧道側(cè)土體工況，最大隆起為6.83mm，先開挖遠離隧道側(cè)土體工況最大隆起為6.64mm，二者相差不大，這說明坑底分區(qū)開挖可以有效降低坑底隆起情況，但是不同開挖順序?qū)拥茁∑鹩绊戄^小。

對比三種開挖方案可以發(fā)現(xiàn)，完全施工完畢時基坑坑底隆起規(guī)律一致，在T字型基坑部位達到最大，同時基坑外圍土體都出現(xiàn)了不同程度的沉降。在開挖基坑右側(cè)土體時，T字型基坑坑底隆起出現(xiàn)了略微的下降，這種情況在左側(cè)土體開挖時也出現(xiàn)，究其原因當(dāng)坑底土體挖出坑底應(yīng)力得到釋放，臨近土體有向該部分移動的趨勢，因此導(dǎo)致臨近土體隆起下降。

在分區(qū)開挖的兩種工況中，左右線隧道上方兩側(cè)地表沉降基本一致，左側(cè)隧道上方地表沉降最大為2.56mm，右側(cè)最大為2.65mm；整體開挖工況左側(cè)隧道上方地表沉降最大為3.42mm，右側(cè)最大為3.55mm，較分區(qū)開挖分別提高了33.6%、33.9%，分區(qū)開挖降低地表沉降效果明顯。本工程臨近高鐵路線以及高鐵車站，周邊環(huán)境復(fù)雜，應(yīng)適當(dāng)對坑底進行分區(qū)，確?；又苓吔ㄖ踩?/p>

3.2 分區(qū)開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

對三種開挖工況下隧道豎向及水平位移分析，可以得出隧道最大豎向位移主要集中在T字型基坑下方，其中坑底整體開挖工況隧道最大豎向位移為4.91mm，先開挖遠離隧道側(cè)土體工況最大豎向位移為4.50mm，先開挖靠近隧道側(cè)土體工況最大豎向位移為4.64mm，二者在數(shù)值上差異并不大；由于左側(cè)隧道直接下穿基坑坑底，因此左側(cè)隧道豎向位移明顯大于右側(cè)隧道豎向位移，而在水平位移上，分析得出最大水平位移出現(xiàn)在右側(cè)隧道靠近①分區(qū)部位，最小水平位移在左側(cè)隧道靠近⑩分區(qū)部位，且右側(cè)隧道水平位移小于左側(cè)隧道，由此看來左側(cè)隧道主要受豎向位移的影響，右側(cè)隧道主要受水平位移的影響。

由于前三個開挖步工況一致，受基坑開挖影響的隧道水平位移基本一致，右線隧道的水平位移遠大于左線隧道。坑底整體開挖工況左線最大水平位移約為2.98mm，右線最大水平位移約為5.96mm，是左線最大水平位移的2.0倍；在先開挖靠近隧道側(cè)土體方案中，左線最大水平位移約為2.84mm，右線最大水平位移約為4.98mm，是左線最大水平位移的1.7倍；先開挖遠離隧道側(cè)土體方案中，左線最大水平位移約為2.47mm，右線最大水平位移約為4.88mm，是左線最大水平位移的1.97倍。因此在實際施工中更需要注意對右側(cè)隧道水平位移的監(jiān)控。

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬結(jié)果對比分析

對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，在地鐵隧道豎向位移上，模擬結(jié)果與實測值規(guī)律基本一致，但實測值較模擬結(jié)果隧道上浮程度較大，這是因為本模擬主要采用地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)場則是采用放坡及雙排樁支護，因此在數(shù)值上存在一定差異，但整體變化趨勢一致；在水平方向上，雖然實測值出現(xiàn)了一定的波動，但整體位移趨勢同模擬結(jié)果一致，分別在SGC-Y06與SGC-Y19產(chǎn)生極值，說明本數(shù)值模擬結(jié)果可靠。

4 結(jié)束語

（1）整體開挖工況引起的坑底隆起最為嚴(yán)重，無論是開挖遠離隧道側(cè)土體還是靠近隧道側(cè)土體所引起的坑底隆起都比整體開挖要小，說明分區(qū)開挖可以有效減小坑底隆起。

（2）分區(qū)開挖的兩種工況比整體開挖所造成的左側(cè)隧道上方地表沉降和右側(cè)隧道上方地表沉降分別降低33.6%和33.9%，分區(qū)開挖能明顯降低地表沉降效果。

（3）隧道最大豎向位移出現(xiàn)在T字型基坑下方，左側(cè)隧道主要受豎向位移的影響，右側(cè)隧道主要受水平位移的影響，無論是整體開挖還是分區(qū)開挖中的先開挖遠離隧道側(cè)土體或者是先開挖靠近隧道側(cè)土體，右線的最大水平位移都約等于左線最大水平位移的兩倍。