摘 要: 以某实际工程为背景，针对如何减小基坑施工对周围地铁隧道的影响问题，采用 FLAC3D 三维有限元进行了数值模拟，通过分析基坑降水及土体开挖等施工全过程，得到了基坑施工过程对地铁隧道位移的影响，为类似工程提供有益指导。

关键词: 基坑，降水，开挖，地铁隧道，数值模拟

 

      本文以地铁隧道上方基坑开挖为背景，采用三维有限元模拟方法分析了以基坑降水、开挖等各施工步骤对下方既有地铁隧道变形的影响。

 

      本基坑工程项目位于杭州下沙金沙湖城市开挖九沙大道下及其两侧，开挖面积 12 580 m²。基坑底板距离地铁 1 号线左线隧道顶3． 17 m，距离右线隧道顶4． 33 m ～5． 98 m。下卧地铁区间隧道主要位于砂质粉土中，区间隧道顶部及以上土层采用水泥土搅拌桩进行满堂加固，在下卧双线隧道中间及两侧每间距 1． 0 m 布置直径 600 mm 的钢筋混凝土钻孔灌注抗拔桩，形成门式框架以抑制基坑开挖卸荷引起下卧地铁隧道上浮变形( 见图 1) 。

      本场区内地层自上而下主要为: 场地上部为砂质粉土夹粉砂、砂质粉土，厚度约为 30 m; 中部为高压缩性流塑状淤泥质粉质粘土及软塑 ～ 可塑状粉质粘土，厚度约为 40 m; 底部为中密 ～ 密实的中砂及圆砾，中间夹有可塑的粉质粘土，下伏基岩为白垩系下统朝川组含砾粗砂岩和泥质粉砂岩。地铁隧道主要位于砂质粉土及砂质粉土夹粉砂层中。

 

      在本工程中地铁 1 号线下卧层土层自上而下主要由砂质粉土、淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层、砾石层等组成。降水引起的沉降主要包括砂性土的固结沉降、粘性土的固结沉降两部分。

      FLAC 三维数值仿真模拟得出的是各土层固结完成后的最终固结变形。采用太沙基单向固结理论计算粘性土的固结度，从而计算施工期间粘性土层的变形量。

      淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层等粘性土层的固结度公式为:

      其中，  为固结系数，取值为 1 × 10^{－ 3}cm²/ s; H 为粘性土层( 淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层) 厚度的一半( 按照双面排水考虑) ;   为时间因子;  为固结度;   为施工期，按 6 个月计算。经计算: 本基坑工程中三层粘性土层在施工期间的固结度约为 9． 2%。

      对降水引起的位移场清零，但保留应力场，同时将各土层的模量赋予各自的回弹模量继续进行有限元计算，可以得到开挖卸荷后土体的回弹变形。

 

      对岩土体，采用线弹性—理想塑性的 Mohr-Coulomb 模型进行模拟。

      对钢筋混凝土钻孔灌注桩和基坑的混凝土底板，采用线弹性模型进行模拟。

      根据现场地质调查和土工试验结果，结合工程经验，采用的岩土体、水泥土、混凝土及钢筋混凝土的物理力学参数见表 1。

      模型土层总厚度为 55． 0 m，土体长 × 宽为 350 m ×350 m，基坑位于模型中部。全区域的三维模型见图 2，图 3。

      在建立有限元的过程中，根据实际基坑施工工况将其抽象为数值分析采用的施工步，有限元模拟的步骤为: 1) 初始状态下地层的初始应力平衡及位移清零; 2) 模拟盾构隧道开挖及管片安装;3) 模拟水泥搅拌桩加固及抗拔桩施工; 4) 模拟施工降水( 先对降水引起的位移场清零，保留应力场) ; 5) 模拟基坑土体开挖及底板浇筑完成; 6) 模拟施工后水位回升对隧道变形的影响。

 

      图 4 是基坑降水引起的地铁隧道位移变形云图，从图 4 中可知基坑降水引起地铁隧道最终固结沉降最大值为 12． 48 cm; 地铁下卧土体各土层压缩量及所占比例见表 2。

      施工期地铁隧道的沉降由其下部砂质粉土层的最终固结沉降，淤泥质粉质粘土层、淤泥质粘土层、粘土层等粘性土层的固结沉降组成。

      根据表 2 的计算结果，可知地铁隧道下砂土的最终固结沉降量:  ₁= 2． 8 mm。

      降水完成后三层粘性土的固结沉降量:  ₂=   ×   =122 mm × 0．092 = 11．2 mm。

      降水施工期地铁隧道的总沉降量:  ₁+   ₂= 2． 8 + 11． 2 =14 mm。

      图 5 是基坑开挖卸荷后地铁隧道的位移云图，由图 5 可知隧道的最大回弹量为 32． 27 mm( 上浮) 。当与降水引起的隧道变形叠加后，基坑开挖完成后下卧地铁的位移仅为 18． 27 mm( 上浮) 。

      通过分别对金沙湖基坑降水及开挖卸荷对其下方地铁影响的数值分析，可得到如下结论: 1) 在降水施工期间下方地铁的总位移量为 14 mm( 下沉) ; 基坑卸荷开挖施工完成后下卧地铁的总竖向位移为 18． 27 mm( 上浮) ，均在地铁保护条例允许范围内。2) 基坑开挖前降水可引起隧道下沉，开挖又会引起隧道上浮，可采用分期降水和分期开挖间隔进行的办法。以控制每期降水深度从而减小基坑施工对地铁产生的影响^［5］。3) 建议类似工程施工后可根据监测资料进行实时反馈分析，进一步深入研究典型地层中的地铁隧道上部进行基坑大开挖的经济有效的处理措施、作用机理及其设计计算方法。

 

［1］ 吉茂杰，刘国彬． 开挖卸荷引起地铁隧道位移预测方法［J］．同济大学学报，2001，29( 5) :531-534．

［2］ 胡 恒，朱厚喜，贾立宏． 基坑开挖对邻近地铁结构基础的影响分析［J］． 岩土工程学报，2010，32( S1) :116-119

［3］ 张玉成，杨光华，姚 捷，等． 基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析［J］． 岩土工程学报，2010，32( S1) :109-114．

［4］ 王卫东，吴江斌，翁其平． 基坑开挖卸载对地铁区间隧道影响的数值模拟［J］． 岩土力学，2004，25( sup) :251-255．

［5］ 李家平． 基坑开挖卸载对下卧地铁隧道影响的数值分析［J］． 地下空间与工程学报，2009，12( S5) :1345-1348．