摘 要：随着地铁的不断扩展，其沿线将成为商业、住宅建筑等开发的黄金地带， 因而越来越多的工程位于已运行地铁隧道旁。本文针对某基坑开挖工程实例，依据设计开挖工况，采用有限元法对基坑开挖进行数值模拟分析，分析了在不同开挖工况下临近地铁隧道的土体沉降及围护结构水平位移，分析结果表明：采用该设计方案进行基坑开挖及支护将导致临近地铁隧道产生较小的附加变形。采用有限元法对基坑开挖和支护进行可行性预判，以避免基坑开挖中存在的安全隐患，对基坑设计与施工具有实际参考意义。
关键词：基坑开挖； 地铁隧道； 数值模拟； 地面沉降
前言
在寸土寸金的今天，大量兴建高层建筑和地下工程，因而带来了大规模的基坑工程，而基坑开挖对临近构筑物的影响已经逐渐成为土木工程界的热点问题之一[1][2]。对于地铁车站这样对变形要求极其严格的地下结构物，临近基坑的工程建设更是面临着严峻的考验。基坑开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护结构在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和外侧土体位移，因此基坑开挖引起周围土层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护结构位移[3][4]。本文以某基坑工程为背景，采用岩土工程专业有限元软件Midas GTS三维有限元分析，考虑最不利的基坑开挖工况，进行基坑开挖过程的有限元数值模拟，以了解本工程基坑土方开挖对临近地铁隧道产生的附加变形，进而分析了在不同开挖工况下临近地铁隧道的沉降及水平位移，可为设计施工提供一定的参考，并采取有效措施保证在基坑开挖施工过程中的的安全性。对深基坑施工的顺利进行及保护临近建筑物具有一定的实际意义。
1.工程概况
1.1 概述及周边环境
拟建工程地下室外墙距离地铁隧道很近（约8.445m）。基地面积39293m2，建筑占地面积为25591m2，总建筑面积约为145559m2。地下两层，局部设置一层夹层，地上三层，整个项目呈三角形，拟采用桩基础。基坑挖深为12.0m。基坑面积约34616m2，周长约为890m，属于超大基坑。
1.2 工程地质及水文地质条件[5]
拟建场地属漫滩相地貌单元，地下水含量丰富，地下水位埋深约1.31～4.00m，场内存在三种类型的地下水：浅层潜水型、弱承压水型、基岩裂隙水。根据地层结构、沉积环境、野外勘探、现场原位测试，结合土工试验成果综合分析，从上到下依次为人工杂填土、素填土、淤泥粉质粘土、粉砂夹粉质粘土、中粗砂泥卵砾石、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂泥岩，具体地质情况及各土层参数如表1所示。
1.3 基坑支护结构形式
本工程采用整体顺作法设计方案，即基坑周边采用板式支护体系，坑内设置内支撑的总体方案。基坑IJKAB段周边围护体拟地下连续墙，BCDEFGHI段段采用钻孔灌注桩结合外侧三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。本方案普遍区域两道水平支撑，拟采用对撑+角撑边桁架支撑体系布置。
1.4 地下水处理
IJKAB区段直接利用地连墙进行止水；由于整个场地内地下水较丰富，且基坑开挖面以下存在有透水性较好的粉砂层，因此BCDEFGHI段止水帷幕选用可靠性较高的φ850三轴深搅桩作为止水帷幕。为确保基坑降水对周边环境影响最小，应采用全封闭的止水帷幕。地连墙深度进入中风化粉砂质泥岩不小于1.0m，三轴深搅桩进入相对隔水层―粉质粘土层内不小于1.0m。
关键词：基坑开挖； 地铁隧道； 数值模拟； 地面沉降
前言
在寸土寸金的今天，大量兴建高层建筑和地下工程，因而带来了大规模的基坑工程，而基坑开挖对临近构筑物的影响已经逐渐成为土木工程界的热点问题之一[1][2]。对于地铁车站这样对变形要求极其严格的地下结构物，临近基坑的工程建设更是面临着严峻的考验。基坑开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷引起坑底土体产生向上为主的位移，同时也引起围护结构在两侧压力差的作用下而产生水平向位移和外侧土体位移，因此基坑开挖引起周围土层移动的主要原因是坑底土体隆起和围护结构位移[3][4]。本文以某基坑工程为背景，采用岩土工程专业有限元软件Midas GTS三维有限元分析，考虑最不利的基坑开挖工况，进行基坑开挖过程的有限元数值模拟，以了解本工程基坑土方开挖对临近地铁隧道产生的附加变形，进而分析了在不同开挖工况下临近地铁隧道的沉降及水平位移，可为设计施工提供一定的参考，并采取有效措施保证在基坑开挖施工过程中的的安全性。对深基坑施工的顺利进行及保护临近建筑物具有一定的实际意义。
1.工程概况
1.1 概述及周边环境
拟建工程地下室外墙距离地铁隧道很近（约8.445m）。基地面积39293m2，建筑占地面积为25591m2，总建筑面积约为145559m2。地下两层，局部设置一层夹层，地上三层，整个项目呈三角形，拟采用桩基础。基坑挖深为12.0m。基坑面积约34616m2，周长约为890m，属于超大基坑。
1.2 工程地质及水文地质条件[5]
拟建场地属漫滩相地貌单元，地下水含量丰富，地下水位埋深约1.31～4.00m，场内存在三种类型的地下水：浅层潜水型、弱承压水型、基岩裂隙水。根据地层结构、沉积环境、野外勘探、现场原位测试，结合土工试验成果综合分析，从上到下依次为人工杂填土、素填土、淤泥粉质粘土、粉砂夹粉质粘土、中粗砂泥卵砾石、强风化粉砂质泥岩、中风化粉砂泥岩，具体地质情况及各土层参数如表1所示。
1.3 基坑支护结构形式
本工程采用整体顺作法设计方案，即基坑周边采用板式支护体系，坑内设置内支撑的总体方案。基坑IJKAB段周边围护体拟地下连续墙，BCDEFGHI段段采用钻孔灌注桩结合外侧三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。本方案普遍区域两道水平支撑，拟采用对撑+角撑边桁架支撑体系布置。
1.4 地下水处理
IJKAB区段直接利用地连墙进行止水；由于整个场地内地下水较丰富，且基坑开挖面以下存在有透水性较好的粉砂层，因此BCDEFGHI段止水帷幕选用可靠性较高的φ850三轴深搅桩作为止水帷幕。为确保基坑降水对周边环境影响最小，应采用全封闭的止水帷幕。地连墙深度进入中风化粉砂质泥岩不小于1.0m，三轴深搅桩进入相对隔水层―粉质粘土层内不小于1.0m。
1.5 沉降产生的原因及针对地铁隧道的保护措施
（1）由于止水帷幕深度不够，坑底产生管涌；因此地连墙进入中风化粉砂质泥岩，止水帷幕桩长进入相对隔水层粉质粘土层，形成封闭止水体系，减少降水对地铁隧道的影响。
（2）由于桩端变形过大，桩底土产生塑性流动；因此支护桩桩径适当加大，桩长适当加长，增加土方开挖后支护结构的安全稳定。
1.6 设计施工工况
基坑开挖深度为12.0m，基坑底标高-12.5m，确定合理的开挖施工顺序，注意这种超大深基坑工程的时空效应，严格按照现行规范建议的“分层，分区，分块，分段，抽槽开挖，留土护壁，快挖快撑，先形成中间支撑，限时对称平衡形成端头支撑，减少无支撑暴露时间”的原则进行开挖。
工况一：开挖沟槽，施工深搅桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、立柱桩、工程桩及降水井；
工况二：分区域分层开挖土方至第一层支撑底标高（-3.1M），浇筑桩顶圈梁及第一层钢筋砼支撑结构；
工况三：分区域分层开挖土方至第二层支撑底标高（-8.9M），浇筑钢筋砼围檩及第二层钢筋砼支撑结构；
工况四：开挖土方至底板垫层底标高，及时浇筑砼垫层，待垫层达到设计强度后开挖基坑内坑中坑（集水坑等）土方，并及时施工坑中坑内主体结构；
工况五：浇筑主体结构底板至支护桩边，待底板达到设计强度后拆除第二层钢筋砼支撑及围檩；
工况六：施工负一层楼板及换撑结构，待负一层楼板及换撑结构达到设计强度后拆除第一层钢筋砼支撑；
工况七：负一层侧墙及一层楼板施工，待侧墙达到设计强度后施工防水工程，及时进行基坑侧壁土方回填夯实。
2.基坑开挖对临近地铁隧道影响的有限元分析
2.1 计算模型
（1） 几何模型
采用Midas GTS岩土有限元软件进行三维分析，数值计算中充分考虑了基坑开挖的影响范围建立计算模型，其中模型长（x轴方向）480.0m，宽（y轴方向）417.1m，深度方向（z方向）为50m。模型考虑了基坑开挖对隧道的影响。
（1）由于止水帷幕深度不够，坑底产生管涌；因此地连墙进入中风化粉砂质泥岩，止水帷幕桩长进入相对隔水层粉质粘土层，形成封闭止水体系，减少降水对地铁隧道的影响。
（2）由于桩端变形过大，桩底土产生塑性流动；因此支护桩桩径适当加大，桩长适当加长，增加土方开挖后支护结构的安全稳定。
1.6 设计施工工况
基坑开挖深度为12.0m，基坑底标高-12.5m，确定合理的开挖施工顺序，注意这种超大深基坑工程的时空效应，严格按照现行规范建议的“分层，分区，分块，分段，抽槽开挖，留土护壁，快挖快撑，先形成中间支撑，限时对称平衡形成端头支撑，减少无支撑暴露时间”的原则进行开挖。
工况一：开挖沟槽，施工深搅桩、钻孔灌注桩、地下连续墙、立柱桩、工程桩及降水井；
工况二：分区域分层开挖土方至第一层支撑底标高（-3.1M），浇筑桩顶圈梁及第一层钢筋砼支撑结构；
工况三：分区域分层开挖土方至第二层支撑底标高（-8.9M），浇筑钢筋砼围檩及第二层钢筋砼支撑结构；
工况四：开挖土方至底板垫层底标高，及时浇筑砼垫层，待垫层达到设计强度后开挖基坑内坑中坑（集水坑等）土方，并及时施工坑中坑内主体结构；
工况五：浇筑主体结构底板至支护桩边，待底板达到设计强度后拆除第二层钢筋砼支撑及围檩；
工况六：施工负一层楼板及换撑结构，待负一层楼板及换撑结构达到设计强度后拆除第一层钢筋砼支撑；
工况七：负一层侧墙及一层楼板施工，待侧墙达到设计强度后施工防水工程，及时进行基坑侧壁土方回填夯实。
2.基坑开挖对临近地铁隧道影响的有限元分析
2.1 计算模型
（1） 几何模型
采用Midas GTS岩土有限元软件进行三维分析，数值计算中充分考虑了基坑开挖的影响范围建立计算模型，其中模型长（x轴方向）480.0m，宽（y轴方向）417.1m，深度方向（z方向）为50m。模型考虑了基坑开挖对隧道的影响。
（2） 材料模型
土体采用实体单元进行模拟；地下连续墙、地铁站、隧道衬砌等均采用板单元模拟，并根据截面进行刚度换算。支撑结构梁单元进行模拟，并考虑其接触。其中，土体采用莫尔-库仑模型模拟；支撑结构以及板认为为弹性材料。
（3） 边界条件及初始条件
在实际中，土体为半无限空间，考虑到土体实际中为半无限空间，考虑到计算量和模型大小，采用模型阶段设置边界条件，土体底部约束z向位移，东西两侧约束x向位移自由度，南北两侧约束y向位移自由度，即认为底部和四周不受开挖的影响，位移为零。
计算中考虑地下水的渗流影响，以及初始固结沉降和初始应力的影响。通过施工阶段来模拟施工工况。各土层参数按工程地质勘察报告取值。
（4）分步施工[6][7]
① 模型初始化，激活地下连续墙、地铁站、隧道衬砌等板单元，施加初始地应力，位移清零；
② 地下连续墙施工；
③ 基坑初次分区域分层开挖至2.6m深（应力分步释放）；
④ 施加第一道支撑（支撑结构采用梁单元）
⑤ 基坑第二次分区域分层开挖至8.4 m深（应力分步释放）；
⑥ 施加第二道支撑（支撑结构采用梁单元）
⑦ 基坑第三次分区域分层开挖至底板垫层底12.0m深开挖（应力分步释放）；
2.2 计算结果及分析[8]
（1） 各施工阶段隧道沉降分析
隧道最大绝对沉降发生在施工阶段②、⑦，为0.48mm左右，最大隆起位移发生在施工阶段③和施工阶段⑥，分别为-1.5mm和-1.8mm。根据统计数据可以看出，基坑开挖对隧道的沉降影响都很小。
基坑外（包括地铁隧道）沉降变形非常小，大约在10-4m数量级上，可忽略不计；位移大变形还是在基坑里面。
（2） 各施工阶段隧道水平位移分析
正负最大向水平位移均发生在施工阶段⑦，分别为-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，几乎可忽略不计。
3.结 论
本文介绍了某基坑工程开挖及支护工况，并采用Midas GTS对基坑开挖进行数值模拟分析，研究了不同开挖工况下临近地铁隧道的沉降及水平位移，可以得到以下结论：
（1）深基坑工程由于开挖和降水原因使得土体应力状态发生改变，并以土体变形方式表现出来，导致支护结构变形，造成支护体系外的土体位移变形，从而使得周边构筑物产生不均匀沉降[9][10]；但是通过采取一定的措施，可以加以控制，使得构筑物不均匀沉降和侧向变形在允许的控制范围内[11]。
（2）隧道地铁站位移变形：在侧向基坑支护开挖和系基坑支护的过程中，隧道结构的最大水平位移分别为-0.48mm和1.7mm，远小于20mm，满足地铁保护水平位移技术标准要求。在整个施工过程中，最大绝对沉降为-0.48mm，最大隆起为1.8mm，均小于20mm，满足地铁保护绝对沉降量技术标准要求；且基坑外沉降变形非常小，可忽略不计，位移大变形还是在基坑里面。
参考文献
[1] Chang C.Y， Duncan J.M. Analysis of soil movement around a deep excavation. Journal Of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96（SMS）：1629-1653.
[2] Kung G T C， Hsiao E CL， Schuster M， Juang C H. A neural network approach to estimating excavation induced wall deflection in soft clays[J]. Journal of Computers and Geotechnics， 2007， 34（5）： 385-396.
[3] 黄广龙、卫敏、李娟. 参数变异性对围护结构稳定性影响分析. 岩土力学，2010.31（8）：2484-2488.
[4] 孙钧、王东栋. 地铁施工变形预测与控制的计算机技术管理[J]. 施工技术，2009，38（1）： 10-13.
[5] 张宇、谭跃虎、张凌辉、郜东明、王德松.深基坑开挖对周边建筑物的影响和治理方案.岩土工程界，2006.10（5）：78-80.
[6] 董志高、蒋小欣、吴继敏、王庆红.基坑工程对周边建筑物的影响的数值分析.探矿工程，2005.11：1-3.
[7] 刘兴旺、益德清等.基坑开挖地表沉陷理论分析[J].土木工程学报，2000，33（4）：51-60.
[8] 曾远、李志高、王毅斌.基坑开挖对临近地铁车站影响因素研究.地下空间与学报，2005.1（4）：642-645.
[9] 蒋洪胜、候学渊.基坑开挖对邻近软土地铁隧道的影响[J].工业建筑，2002，32（5）：53-56.
[10] 吉茂杰、刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移的预测方法[J].同济大学学报.2001，29（5）： 531- 535.
[11] 孔祥鹏、刘国彬、廖少明.明珠二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（5）：821- 825.
[12] 陈晓凤、李红明.南京中山乐都汇购物中心基坑支护设计综合说明.
土体采用实体单元进行模拟；地下连续墙、地铁站、隧道衬砌等均采用板单元模拟，并根据截面进行刚度换算。支撑结构梁单元进行模拟，并考虑其接触。其中，土体采用莫尔-库仑模型模拟；支撑结构以及板认为为弹性材料。
（3） 边界条件及初始条件
在实际中，土体为半无限空间，考虑到土体实际中为半无限空间，考虑到计算量和模型大小，采用模型阶段设置边界条件，土体底部约束z向位移，东西两侧约束x向位移自由度，南北两侧约束y向位移自由度，即认为底部和四周不受开挖的影响，位移为零。
计算中考虑地下水的渗流影响，以及初始固结沉降和初始应力的影响。通过施工阶段来模拟施工工况。各土层参数按工程地质勘察报告取值。
（4）分步施工[6][7]
① 模型初始化，激活地下连续墙、地铁站、隧道衬砌等板单元，施加初始地应力，位移清零；
② 地下连续墙施工；
③ 基坑初次分区域分层开挖至2.6m深（应力分步释放）；
④ 施加第一道支撑（支撑结构采用梁单元）
⑤ 基坑第二次分区域分层开挖至8.4 m深（应力分步释放）；
⑥ 施加第二道支撑（支撑结构采用梁单元）
⑦ 基坑第三次分区域分层开挖至底板垫层底12.0m深开挖（应力分步释放）；
2.2 计算结果及分析[8]
（1） 各施工阶段隧道沉降分析
隧道最大绝对沉降发生在施工阶段②、⑦，为0.48mm左右，最大隆起位移发生在施工阶段③和施工阶段⑥，分别为-1.5mm和-1.8mm。根据统计数据可以看出，基坑开挖对隧道的沉降影响都很小。
基坑外（包括地铁隧道）沉降变形非常小，大约在10-4m数量级上，可忽略不计；位移大变形还是在基坑里面。
（2） 各施工阶段隧道水平位移分析
正负最大向水平位移均发生在施工阶段⑦，分别为-0.48和1.8mm左右。其水平非常小，几乎可忽略不计。
3.结 论
本文介绍了某基坑工程开挖及支护工况，并采用Midas GTS对基坑开挖进行数值模拟分析，研究了不同开挖工况下临近地铁隧道的沉降及水平位移，可以得到以下结论：
（1）深基坑工程由于开挖和降水原因使得土体应力状态发生改变，并以土体变形方式表现出来，导致支护结构变形，造成支护体系外的土体位移变形，从而使得周边构筑物产生不均匀沉降[9][10]；但是通过采取一定的措施，可以加以控制，使得构筑物不均匀沉降和侧向变形在允许的控制范围内[11]。
（2）隧道地铁站位移变形：在侧向基坑支护开挖和系基坑支护的过程中，隧道结构的最大水平位移分别为-0.48mm和1.7mm，远小于20mm，满足地铁保护水平位移技术标准要求。在整个施工过程中，最大绝对沉降为-0.48mm，最大隆起为1.8mm，均小于20mm，满足地铁保护绝对沉降量技术标准要求；且基坑外沉降变形非常小，可忽略不计，位移大变形还是在基坑里面。
参考文献
[1] Chang C.Y， Duncan J.M. Analysis of soil movement around a deep excavation. Journal Of the Soil Mechanics and Foundations Division，ASCE，1970，96（SMS）：1629-1653.
[2] Kung G T C， Hsiao E CL， Schuster M， Juang C H. A neural network approach to estimating excavation induced wall deflection in soft clays[J]. Journal of Computers and Geotechnics， 2007， 34（5）： 385-396.
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[4] 孙钧、王东栋. 地铁施工变形预测与控制的计算机技术管理[J]. 施工技术，2009，38（1）： 10-13.
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[6] 董志高、蒋小欣、吴继敏、王庆红.基坑工程对周边建筑物的影响的数值分析.探矿工程，2005.11：1-3.
[7] 刘兴旺、益德清等.基坑开挖地表沉陷理论分析[J].土木工程学报，2000，33（4）：51-60.
[8] 曾远、李志高、王毅斌.基坑开挖对临近地铁车站影响因素研究.地下空间与学报，2005.1（4）：642-645.
[9] 蒋洪胜、候学渊.基坑开挖对邻近软土地铁隧道的影响[J].工业建筑，2002，32（5）：53-56.
[10] 吉茂杰、刘国彬.开挖卸荷引起地铁隧道位移的预测方法[J].同济大学学报.2001，29（5）： 531- 535.
[11] 孔祥鹏、刘国彬、廖少明.明珠二期上海体育馆地铁车站穿越施工对地铁一号线车站的影响[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23（5）：821- 825.
[12] 陈晓凤、李红明.南京中山乐都汇购物中心基坑支护设计综合说明.
