随着地下空间的大规模发展, 越来越多的基坑工程紧邻隧道或位于隧道上方^[1]。基坑工程必须考虑对邻近隧道的影响, 基坑施工过程中必须采用严格的工程措施, 以此来保证施工和运营过程中隧道的安全。已经建成运营的隧道有着严格的保护标准, 隧道绝对沉降、上浮量以及绝对水平位移不超过20mm, 隧道变形曲线的曲率半径必须>15 000m, 隧道变形相对曲率应<0.04%L_s^[2]。邻近基础设施的部分变形值应满足规范要求, 倾斜率应<0.008。

隧道周边近距离的基坑开挖卸荷、堆载和降水活动, 导致隧道附近土体受扰动, 打破了原有受力平衡, 引起地应力重分布, 从而引起邻近隧道产生相应的内力和变形^[3]。基坑工程对邻近隧道的影响主要包括上浮、沉降、水平位移和径向收敛等, 对隧道变形的研究方法主要有理论分析法、数值模拟法、现场监测等^[4]。近年来许多学者对该问题进行研究。张鸿儒等^[5]采用非线性应力应变关系, 并基于Biot 固结理论分析了由开挖引起的周围地层水平位移和地层沉降分布特性, 以及对周围地下管道等工程设施的影响。戴宏伟等^[6]采用有限差分法建立了施工荷载下地铁隧道的纵向变形理论, 分析得到了新施工荷载对邻近隧道的显著纵向变形响应。吉茂杰等^[7]在基底土体隆起残余应力法的基础上, 研究了规则矩形基坑的开挖时间、空间对基底土体回弹及其下地铁隧道隆起的影响规律, 计算出了基坑开挖引起邻近隧道的最大隆起量。程斌等^[8]以上海地铁2号线基坑工程实际为背景, 研究了基坑工程施工对邻近隧道与建筑物的相互影响, 指出地基基础加固和结构加固可有效控制隧道的变形。况龙川^[9]等以上海地区某基坑工程项目为背景, 根据开挖工况与邻近隧道监测结果分析发现, 在地铁旁侧开挖深基坑将引起隧道向基坑方向产生较大侧移, 隧道断面也会产生呈横椭圆形状的变形, 直接影响邻近隧道的运营。以上多为理论公式和工程经验获得的成果, 是结合实测数据, 对不同施工措施进行的定性分析, 但不能模拟基坑工程的施工过程。

另一方面, 越来越多有限元软件可模拟基坑的施工过程, 胡恒等^[10]采用FLAC3D 软件模拟了拟建基坑开挖过程造成的地应力释放对邻近隧道结构的影响, 研究了邻近盾构隧道底板回弹问题。袁静等^[11]等以杭州某基坑工程为背景, 采用PLAXIS有限元软件进行地基降水和基坑开挖对邻近隧道沉降的叠加影响分析, 表明采用双排围护结构可有效控制围护结构变形。

基坑施工对邻近隧道影响问题为三维问题, 理论计算往往难以考虑降水等复杂工况, 不规则基坑对周边环境的影响更加难以通过理论计算方法获得准确结果。目前周边环境复杂的不规则基坑, 其三维数值模拟案例还较少。为此, 本文结合某基坑工程实例, 建立三维数值分析模型, 对基坑施工全过程进行动态模拟, 分析基坑工程开挖对邻近隧道以及邻近基础设施的影响。

某基坑工程北侧邻近某隧道, 影响主体隧道、雨水泵房、风机房、消防水池与消防泵房等。基坑支护采用悬臂排桩, 开挖深度5.7～10.45m。支护桩直径0.8m, 中心间距1.3m, 桩长14.3～19.3m。基坑开挖边界距离邻近隧道最小垂直距离约20m。

邻近隧道采用上、下双层断面形式, 里程上为暗埋段与敞开段结合。主体结构均采用抗渗等级P8的C35钢筋混凝土现浇成箱型截面。主体结构分3部分施工, 第1部分施工主线隧道主体结构, 第2部分施工消防泵房与隧道风机房主体结构, 第3部分施工消防水池主体结构。基坑与隧道位置关系如图1所示。

根据岩土工程勘察报告, 在勘察深度范围内, 场地地基土层可分为4个大层。1层土为人工活动层 (杂填土) , 2～3层土为长江冲洪积层, 均属全新统地层 (Q4) , 4层土为第四纪晚更新世地层 (Q3) 。

本评估主要研究基坑开挖对隧道的影响。有限元模型中对地层的模拟主要是根据基坑开挖工程以及基坑北侧邻近隧道的勘察资料进行归并和简化而得。

为减少边界效应对计算的影响, 根据基坑范围和隧道纵断面, 地层范围为:隧道结构沿线路方向范围x为360m;区间隧道结构底板下方取约3倍左右洞径, 即模型z向范围为65m;由于重点分析支护排桩对隧道的影响, 为提高计算效率, 数值模型中只考虑邻近隧道一侧支护桩。模型尺寸为:x (长) ×z (高) =360m×65m。

岩土体采用莫尔-库仑弹塑性模型, 采用实体单元模拟土体。基坑工程邻近隧道采用板单元模型进行模拟。模型依据实际隧道可分为3段;基坑支护排桩采用桩单元+桩单元界面模拟, 桩单元直径0.8m, 间距1.3m, 模型如图2所示。

在初始应力场模拟时不考虑构造应力, 仅考虑自重应力的影响。数值模拟中考虑基坑降水。基坑工程现场近几年历史最高水位8.500m, 常年平均水位7.500m, 变化幅度±1.0m, 水位距地表距离约0.67～2.67m。采取降水措施后, 基坑开挖处水位降至基坑底部。根据工程实际情况, 数值模拟中初始地下水位设置为地表下2m, 降水后基坑地下水位为基坑底部。场地岩土层物理力学计算参数如表1所示。

根据实际工程施工工序, 计算模拟过程如下。

1) 模型在场地初始总水头下计算至渗流平衡 (稳定流) , 获取模型孔隙水压力。

2) 施加应力分析需要的边界条件和初始条件:模型的四周、底部边界为法向约束, 应力分析过程中调入上一步渗流分析获取的孔隙水压力, 计算达到初始应力平衡状态。

3) 邻近隧道开挖, 计算至平衡状态, 模型位移清零。

4) 在指定位置施作基坑支护桩与止水帷幕。

5) 进行基坑降水模拟, 在模型中激活基坑底部的水头边界, 进行渗流分析 (稳定流) , 获取基坑降水完成后模型渗流场与孔隙水压力。

6) 降水完成后进行基坑开挖应力分析, 土体开挖分3步进行, 第1步开挖5.8m, 第2步开挖2.0m, 第3步开挖1.4m, 每次开挖后计算至平衡状态。

本次研究主要考虑分析基坑开挖对邻近隧道以及距离基坑较近的风机房位移和受力变化, 分别对邻近隧道以及风机房进行基坑降水完成后和基坑开挖完成后的位移分析。

基坑降水完成后, 隧道与风机房位移如图3, 4所示。由图3可知, 降水后第2段隧道z方向位移最大为6.53mm;x方向位移最大为0.9mm, 降水对隧道x方向位移影响较小;y方向第2段隧道底部向基坑侧移动最大位移为6.24mm, 由于基坑降水导致靠近基坑侧隧道土体有效应力加大, 沉降加大的同时导致隧道一定程度扭转。

图4为基坑邻近风机房降水后的水平位移、侧向位移和竖直位移云图。数值模拟可知, 降水后风机房z方向最大位移6.59mm, x方向最大位移为2.35mm, y方向最大位移3.47mm, 基坑降水对邻近基坑的风机房北风塔部分影响较大, 北风塔部分最大倾斜为0.000 1。

排桩支护基坑开挖完成后引起的邻近隧道和基础设施变形如图5, 6所示。由图5可知, 由于基坑工程开挖面积较大, 产生了一定的基坑回弹。与基坑最为接近的第2, 3段隧道影响最大, 在基坑降水与基坑回弹联合影响下隧道仍然产生了上浮, 最大上抬量为8.75mm, 同时产生了向基坑外y轴正向的位移, 最大位移3.57mm, 并有一定的扭转。第1段隧道部分距离基坑稍远, 其位移反映了基坑开挖支护桩位移产生的影响, 侧向位移方向为基坑方向, 最大位移5.05mm, 沉降最大值7.14mm。隧道轴向位移影响小, 仅为1.2mm。

图6为基坑邻近风机房与消防泵房的轴向变形、侧向位移和竖向位移。风机房和消防泵房由于距离基坑较近, 在基坑降水与基坑回弹的联合影响下, 靠近基坑的部分最大上浮量达到10.2mm, 远离基坑侧沉降最大为3.2mm;x方向与y方向位移均比较小, 最大分别为2.3mm和2.8mm, 北风塔部分最大倾斜为0.000 26。

基坑的降水与开挖必然会对隧道内力产生影响, 统计隧道在降水前、降水后和基坑开挖完成后x方向弯矩, y方向弯矩以及隧道的扭矩 (见表2) 。表2中显示不同阶段x方向弯矩与y方向弯矩值变化并不大, 而扭矩在开挖完成后的负扭矩由-258.6kN·m/m变成了-353.1kN·m/m, 分析上述隧道位移, 负扭矩增大应该是由基坑回弹导致靠近基坑侧隧道的扭曲引起的。

x, y方向的压应力在降水后增幅较大, 开挖后有降低, 而拉应力在不同阶段变化较小;剪应力的绝对值基本无变化。

降水与基坑开挖过程中内力发生变化, 表3, 4为隧道与风机房各部分按数值模拟计算结果中最大弯矩求出的配筋面积。表中按承载力验算顶板、底板与侧板的配筋, 隧道按单向板考虑。表中结果显示数值模拟弯矩值求得的配筋值均小于隧道主体实际配筋率。

1) 邻近运营隧道单侧基坑开挖引起隧道的不对称变形, 表现为邻近基坑侧隧道位移大于远侧位移。特别当基坑开挖离隧道较近处, 在基坑降水与基坑回弹影响下隧道纵向变形明显, 产生了上浮。

2) 数值模拟结果显示第1段背离基坑侧沉降量达到7.14mm, 第2, 3段隧道靠近基坑侧基坑上浮达到8.75mm, 第1, 2段隧道底部水平位移达到5.05mm, 第3段隧道上部位移达到3.57mm, 风机房北风塔沉降达到10mm, 这些部位应在基坑施工过程中加强监测。

3) 基坑降水与开挖对邻近隧道内力产生影响, 表现为由于基坑回弹导致靠近基坑侧隧道扭矩增大, 压应力随着基坑工程施工出现增减变化。

总体而言, 基坑工程采用排桩进行支护, 隧道部分内力在基坑降水开挖过程中变化幅度较小, 按数值模拟弯矩值配筋结果小于隧道主体实际配筋率;风机房与消防泵房的变形满足相关规范要求;隧道部分位移也满足地铁隧道的限值要求。