摘  要: 以某具体工程为背景，采用有限元数值模拟分析软件 ANSYS，对明挖法施工方案从基坑开挖施工全过程来研究基坑开挖对下方盾构隧道变形的影响。经实测，采用三维数值模拟能很好地模拟基坑开挖过程，所得结果与实测结果吻合较好。

关键词: 基坑开挖; 地铁隧道; 数值模拟; 变形分析

 

      地铁作为现代城市的主要交通干线，安全性非常重要。但随着城市建设发展的需要，地铁隧道在使用阶段不可避免地会受到各种工程活动的影响，从而会对地铁隧道的使用功能和安全性产生影响甚至造成严重危害。在已建隧道上方进行基坑开挖，必然引起坑底土体的回弹变形，土体的变形也必将引起埋设于土体中隧道的变形; 另一方面，隧道本身也在开挖过程中发生相对变形，引起附近的地表沉降和地层移动，进而影响到下方地铁隧道的受力和变形，威胁地铁隧道的安全^{［1 －6］}。

      三维有限元数值模拟具有直观、仿真、形象、可信等显著特点^［7］。在深、大、周边环境条件复杂、对支护结构变形要求较高的既有运营隧道的深基坑施工前，进行预先仿真模拟，不仅能够指导施工，及早发现问题，排除安全隐患，而且可检验现有施工方案的可行性。它不仅提高基坑开挖的安全性，同时还可以提高经济效益。本文针对明挖法深基坑的施工方案采用有限元 ANSYS 软件，对深基坑开挖引起运营隧道的变形影响进行数值仿真模拟分析，并结合实际施工期间的监测值进行对比分析。

 

      上海地铁11 号线位于某深基坑明挖 + U 槽段，与深基坑斜交47°，基坑的开挖平面斜交宽度为 53 m( 正交为36 m) ，坑底距隧道管顶最不利净距为4．15 m。基坑平面尺寸为79 m ×40 m，基坑开挖深度7．3 ～8． 0 m，基坑围护采用Ф1 200 mm 钻孔桩和Ф850 mmSMW 工法桩相结合的方案，支撑采用混凝土支撑( 800 mm ×800 mm) ，圈 梁 采 用 混 凝 土 圈 梁 ( 1 200 mm ×1 000 mm) 。基坑围护平面图见图 1。

      为减小临近基坑开挖的叠加效应影响，根据基坑的开挖宽度、深度及与 11 号线隧道的相互关系，将基坑分为 2 个独立基坑，即 B1 和 B2。2 个独立基坑之间的间距为 9 m，采用Ф850 mmSMW 工法桩作为隔离墙，再把每个基坑沿长边平行分为2 个小基坑，宽度为5 m，然后沿基坑短边平行分为 11 个独立小基坑，每个小基坑宽度为 7 m，共分成 11 个区域( 见图 2) 。

      计算模型区域为长 300 m( x 方向) ，宽 200 m( y方向) 、高 100 m( z 方向) ，共划分 32 564 个单元。单元类型主要为 8 节点 4 面体单元。计算总体模型见图 3，基坑与 11 号线模型相对位置图见图 4。

      模型中土体材料采用 Drucker － Prager 模型。该模型屈服准则对 Mohr － Coulomb 准则给予近似，以此来修正 Von Mises 屈服准则。计算模型中选择几种主要的土性，各土层的物理力学性质见表 1。

      1) 荷载条件。施加在模型上的荷载为土体的自重荷载。模型中的重力加速度为 9． 8 m/s²。

      2) 边界条件。模型底面为固定边界，限制竖向和水平位移，4 个侧面为滚轴边界，仅限制水平方向位移，表面为自由边界。

      1) 工况 1。在基坑未开挖之前，从 11 号线内侧对盾构周围 2 m 范围内采用三轴搅拌桩加固; 盾构周围2 m 范围以外到结构底板下土体采用三轴搅拌桩加固; 对基坑进行围护结构施工。

      2) 工况 2。在围护结构达到 75% 的设计强度时，浇筑圈梁和内支撑。

      3) 工况 3。待圈梁和支撑强度达到设计强度的75% ，基坑开挖至设计标高 1． 5 m。

      4) 工况 4。基坑沿隧道纵向分条放坡开挖 D1 土体至设计标高，架设型钢，浇筑垫层及底板混凝土，并与抗拔桩连接。

      5) 工况 5。在匝道内，沿隧道横向分条放坡开挖D3、D5、D7 土体至设计标高，架设型钢，并且与 D1 部分型钢焊接，浇筑垫层及底板混凝土。

      6) 工况 6。开挖 D2、D4、D6 土柱至设计标高，架设型钢及焊接，浇筑垫层及底板混凝土。

 

      计算结果上行线隧道变形见图 5 和图 6，下行线隧道变形见图 7 和图 8。

      由图 5 ～ 图 8 可知，位于基坑底部的 11 号线盾构隧道段位移较大，位移方向向上，最大位移值为13． 3 mm。在隧道正上方的基坑开挖引起下方隧道的位移以竖向位移为主，竖向位移最大值发生在基坑中心隧道拱顶处，向基坑边缘四周辐射，逐渐减小，其中基坑边角处的最小，具有明显的空间效应。

      随着基坑开挖的进行，隧道上方大量土方卸载，引起了土体中隧道的隆起，且隆起现象逐日显著。其中，每块土方开挖期间，隆起量约 0． 15 mm，尤其在土方开挖过程中，由于基坑开挖深度较深，故隧道隆起十分明显。当 D1 分区开挖完成后，引起隧道隆起约2． 61 mm。根据监测的数据，及时调整开挖顺序，隧道上方的土方采用了分小块开挖的方式，由两边向中间进行挖土( D2 ～ D6) ，并且 A 和 B 隧道小基坑对称开挖，沿隧道轴线每 3 m 为 1 个开挖块，限时开挖，开挖完成后立即施工该块底板，待混凝土凝固后再立即进行压重处理，防止隧道隆起。实践证明，这样的施工方法是行之有效的。

      随着开挖的进行，隧道逐步隆起，其变形趋势与人工监测的变形趋势十分吻合。由于分块开挖的开挖顺序为从基坑中部向基坑两侧开挖，从图 5 ～ 图 8曲线可以看出隆起最大点位置随着基坑开挖的分块位置变化而移动，避免了基坑中部隧道持续隆起，造成较大的差异沉降。

      上行线隧道竖向变形图见图 9 和图 10。

      从图 9 和图 10 可知，上行线隧道发生了竖向变形，实测最大变形为14． 7 mm，模拟计算值最大变形为13． 3 mm，实测值与模拟值相差 1． 4 mm。

      下行线隧道竖向变形图见图 11 和图 12。

      从图 11 和图 12 可知，下行线隧道发生了竖向变形，实测最大变形为15． 9 mm，模拟计算值最大变形为13． 0 mm，实测值与模拟值相差 2． 9 mm; 而隧道累计竖向变形模拟值与实测值最大差2． 9 mm，所得计算结果与实测结果吻合较好。

      从图 9 ～ 图 12 可知，隧道竖向变形在基坑围护施工时，隧道竖向变形较小，基坑开挖后，竖向变形逐渐增大，特别是基坑开挖到底后，变形量最大。最大变化量达4． 8 mm。计算结果表明，采用三维非线性有限元方法对软土深基坑施工引起运营地铁隧道的变形模拟是可行的，也是很有必要的，有利于对基坑工程进行更合理的设计和更有效的监测。

 

      1) 从上述对隧道变形的分析可知，位于基坑底部的 11 号线盾构隧道段位移较大，位移方向向上，最大位移值为 13． 3 mm，盾构隧道侧向位移量最大值为3． 8 mm。明挖法能满足基坑安全和保护地铁隧道的要求，是安全的。

      2) 在隧道正上方的基坑开挖引起下方隧道的位移以竖向位移为主，竖向位移最大值发生在基坑中心隧道拱顶处，向基坑边缘四周辐射，逐渐减小，其中基坑边角处的最小，具有明显的空间效应。

      3) 采用三维数值模拟能很好地模拟基坑开挖过程，所得计算结果与实测结果吻合较好。计算结果表明，采用三维非线性有限元方法对软土深基坑施工引起运营地铁隧道的变形模拟是可行的，也是很有必要的，有利于对基坑工程进行更合理的设计、施工和更有效的监测。

 

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