摘 要：随着城市发展和城市轨道交通网络逐渐完善，地下空间开发不可避免地要影响到日益完善的轨道系统，如深基坑工程。本文以深基坑开挖对其临近隧道的影响为研究内容，通过三维有限元分析，在定性的基础上研究了不同情况下深基坑开挖对临近隧道的影响，为优化设计和施工提供有益的参考。

关键词：基坑开挖；数值分析；地铁隧道

 

      随着城市轨道交通的发展，带动沿线商业、住宅建筑等开发，不可避免会出现后建工程对已建成隧道影响，或在隧道上方，或在隧道两侧，其中深大基坑开挖对地铁隧道的影响最为常见。基坑开挖土体卸荷必然引起周围地层移动，导致隧道位移场和应力场的变化，严重威胁地铁安全，而且地铁隧道的变形要求极其严格^[1]，其绝对最大位移不能超过20mm，隧道回弹变形不超 15mm,隧道变形曲率半径必须大于 15000m,相对变形必须小于 1/2500^[2]。因此在基坑设计和施工过程中，如何有效地控制基坑开挖引起临近地层变形量、下卧地铁隧道的变形特性及内力分布是至关重要的。为进一步分析深基坑开挖卸载对下卧地铁变形及内力的影响，由于基坑施工边界的复杂性，很难通过解析的方法来求解基坑开挖对地铁隧道的影响，数值方法则为这种问题的求解提供了有力的工具^[3-4]。本文运用三维有限元分析软件从空间上详细地分析讨论了不同情况下深基坑开挖对其下卧隧道变形及内力的影响，分析方法和结果可为类似工程借鉴。

 

      利用三维有限元分析软件分析深基坑开挖对其下卧地铁隧道位移的影响。假定基坑开挖深度为12.0m，长×宽为 80.0m×40.0m，支护形式为连续墙+三道内支撑，连续墙厚度为 1.0m，内支撑截面尺寸为 0.8m×0.6m，腰梁尺寸为 0.8m×0.8m,第一道内支撑标高为±0.0m，第二道内支撑标高为 -4.3m，第三道内支撑标高为-8.3m，每步超挖 0.3m。地铁隧道外径 6.0m，衬砌管片厚度 0.3m，隧道与基坑相对位置关系见图一，土体采用莫尔—库伦模型。计算分析中所采用的土体和基坑支护结构及隧道管片的物理力学参数见表一。基坑支护结构—隧道—土体相互作用的有限元模型如图二所示。通过三维有限元分析软件中激活和钝化功能很容易实现基坑开挖区的土体单元、支护结构施工对隧道衬砌单元位移的影响。

      从图三 a 可知，当隧道在基坑侧面时，由于坑内的开挖卸载产生了连续墙内外土压差，使连续墙向基坑内位移，使得隧道拱腰附近土体的侧向位移约8.6mm。从隧道侧向位移的大小可得出，基坑开挖卸载对其侧面隧道有一定影响，但影响不是很大。

      从图三 b 可知，当隧道在基坑侧面时，基坑内的开挖卸载使隧道拱顶最大上抬为10.02mm。从隧道侧向位移的大小可以得出，在相同隧道埋深的情况下隧道在基坑侧面时基坑开挖卸载对其的影响远小于对基坑正下方的隧道，约为正下方隧道的1/2。

      表二是不同空间位置下基坑开挖卸载对隧道位移的影响。从表二可知，当隧道在基坑正下方时，随着隧道埋深增加隧道受到基坑开挖卸载的影响明显减小。当隧道在基坑侧面时，本文只讨论隧道拱腰与基坑连续墙水平距离为0.5D即 3.0m 时隧道在不同埋深情况下受基坑开挖卸载的影响。从表二可知，当隧道在基坑侧面时，隧道侧向（向基坑内）位移随着隧道埋深增加先增加再减小，竖向位移规律跟水平位移相似。这是因为当隧道埋深为 1.0D 时处于连续墙范围内，由于连续墙的作用，基坑开挖对隧道影响较小；而当隧道不在连续墙范围内时，隧道位移随着埋深增加而受到的影响也逐渐变小，也与实测结果一致。比较两种情况可得出，基坑开挖卸载对其下卧隧道的影响远大于对其侧面隧道的影响。

      表二 基坑开挖卸载对不同空间位置下隧道位移的影响

      本文比较分析了隧道与基坑在不同空间位置时基坑开挖对隧道位移的影响，通过数值分析可得到如下结论：

      （1）当隧道在基坑正下方时，基坑开挖卸载对其下部的地铁隧道有明显的影响。基坑开挖卸载使得下部土体回弹从而带动土体中的隧道产生位移。隧道处于基坑正下方，由于对称性隧道位移主要表现为竖向上抬，且随着隧道距基坑底距离的增加而明显减小。当间距超过 4.0D 时，隧道受上部基坑开挖卸载影响较小。

      （2）当隧道在基坑侧面时，基坑开挖卸载对隧道的侧向（向基坑内） 位移和竖向位移都有一定的影响，且随着隧道埋深的增加先是增加后减小。这是由于当隧道埋深较小时，隧道处于连续墙周围的土体中，由于连续墙的约束作用，隧道变形受到基坑开挖卸载较小；当隧道埋深增加时，隧道处于连续墙下，连续墙约束作用对其影响较小，所以隧道位移有所增加；但随着隧道埋深的进一步增加，隧道位移受到基坑开挖的影响会越来越小。

 

[1]陈忠汉,程丽萍.深基坑工程[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]SHEN C K,BANG S,HERRMANN LR.Ground mov-ement analysis ofearth support systems[J]. Journal of the Geotechnical Engineering Division,1981,107(12):1609-1624.

[3]宋二祥, 邱王月.基坑复合土钉支护的有限元分析[J].岩土力学, 2001,22 (3): 241-244.

[4]陈肇元，崔京浩. 土钉支护在基坑工程中的应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.