基于MIDAS的三維深基坑隧道模擬研究

李勇軍，黃雨茜，程學磊，李文東，李順群

（1.遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001；2.天津城建大學 土木工程學院，天津 300384；3.中原工學院 建筑工程學院，河南 鄭州 450007；4.黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003）

0 引言

隨著城市化進程不斷加快，地面資源越來越稀缺，與城市化的需求之間的矛盾日益嚴重。為有效地利用土地，城市中開始加快建筑縱向空間的發展[1]。工程的深度隨著大量地下空間與高層建筑的建設也越來越大，其施工的難度也隨深度與規模不斷增加而增大。周圍的其他建筑必然會因深基坑的開挖而產生不可忽視的影響，尤其是對形變控制要求非?？量痰牡罔F隧道，其需要將變形控制在十幾毫米甚至幾毫米之間[2-3]。而且由于開挖基坑，原隧道變形場與應力場會發生改變，使原有的應力平衡狀態遭到破壞，導致隧道產生開裂及變形，甚至引發嚴重事故如圖1 所示。地下工程中對于基坑變形的控制目前已經成為一項重要的研究課題[4-5]。

圖1 基坑變形

圖2 建模部分選取圖

圖3 檢查網格耦合及屬性賦予

在深大基坑的施工項目中，對基坑各個方位的變形進行控制，不僅能夠使基坑本身的穩定性和安全性得到相應的保證，而且在施工過程中能夠保證其對周邊環境的位移不會發生變化。為了保護基坑周圍的環境，在不同的土質區域，施工的擾動所引起的地表下沉變化是不同的[6]。在土地質量好的地區，采取適當措施控制的話，可以有效保證周邊現存市政環境的安全；在土壤質量不夠好的地區，基坑中挖掘產生的土體應力卸載會影響基坑周邊環境和支護結構，在這過程中會對周圍建筑物產生較大的影響[7-8]。

本文依托合肥經開區大學城地下空間利用項目，利用MIDAS GTS 有限元數值模擬軟件在三維模型中針對隧道的變形趨勢進行了模擬分析，以期為基坑開挖及隧道等工程應用提供相應的參考。

1 項目概況

1.1 工程概況

合肥大學城地下空間工程東廣場工程由西側地下兩層主體結構與東側地下一層地鐵聯絡通道組成。場地北臨蓮蕊路，基坑邊線在道路紅線外0.6m；南臨石柱路，基坑邊線在道路紅線1.0m；西臨百鳥路，基坑邊線距離道路紅線33.3m；東臨翡翠路，基坑邊線緊貼道路紅線，翡翠路下的地鐵區間隧道的西側區間隧道中心線距離東廣場結構主體邊線約20.3m。

該地下空間工程基坑西側呈矩形、東側呈半圓形、東廣場基坑西段呈矩形、東側呈半圓形，基坑東西向總長度為316.0m，西側矩形段南北向長度為100.5m，東側半圓段南北向總長度為182.0m，基坑周長946.0m，占地面積約35616m2。地下一層區域是東側地鐵聯絡通道，基坑開挖9.1～12.0m 深；地下二層主體區域是建筑1～29 軸區域，基坑開挖13.10～15.05m 深。本基坑開挖深度大于5.0m，根據規劃方案，本項目場地周邊均為現狀道路且基坑東側有現狀地鐵區間隧道，其支護結構經綜合考慮，安全等級為一級。

1.2 工程地質與水文地質

經勘察，本工地的宏觀地形單元屬于江淮丘陵，場地地形總體呈中部低、東西高，微地形屬于岡山擬建工程場地，現為城市景觀綠地，建設場地其地下水位主要由大氣降水進行補給。地下潛水水位根據季節不同有0.5m 左右的變動幅度。鋼筋混凝土中的鋼筋、混凝土結構會由于該區域的地基土及地下水微腐蝕性的工程地質性質而產生一定的不利影響，本工程擬建地下空間穩定水位為現狀地面以下0.5～1.0m，耐浮水位設計可取室外整平標高0.5m。

2 基坑施工工序

第一步：基坑內做圍護樁和主體抗拔樁、支撐下鋼格構立柱及立柱樁。

第二步：圍護樁區域內采用分層開挖、平面分塊的盆式開挖，首先對中部區域進行開挖，其次對其周圍區域進行開挖，依次向下，分層、分塊開挖，每層開挖深度不超過3m，開挖面坡比為1：1。此段范圍內，基坑需南北對稱開挖及支護。開挖至“盆式開挖臨界線”處，施做圍護樁冠梁，并進行冠梁頂坡面的插筋及樁頂坡面和盆式開挖臨界線坡面的噴漿掛網工作（土方開挖過程中，當未開挖至“盆式開挖臨界線”時，隨時注意基坑內的排水工作，必要時及時覆蓋土工布等）。

第三步：當盆式開挖范圍內的土體開挖至基坑底部時，施工主體結構的墊層、底板、樁承臺及結構底板采用后澆帶。

第四步：待中間盆式開挖部分主體結構的墊層、底板及樁承臺達到設計強度，并且已施工完的底板大于后澆帶范圍，待在底板上澆筑第一道支撐的牛腿達到設計強度后，采用槽式開挖的方法將第一道斜撐所在位置處的土體開挖到支撐下0.5m，后加設第一道斜撐，施工第一道斜撐的聯系梁。

第五步：挖土第二個斜支撐牛腿的地方施工此部分主體的墊層、底板、樁承臺及第二道斜撐的牛腳，待底板和牛腳的強度達到設計強度后，采用槽式挖掘方法，將第二道斜支撐的土挖到0.5m。后架設第一道斜撐，施工第二個斜柱的連接梁。繼續挖掘支撐著泥土的殘余施工主體結構的墊層、底板、承臺至支護樁邊緣。

3 基坑整體模型及施工階段劃分

3.1 模型介紹

假定土層為各向同性，對整體基坑進行三維建模，導入MIDAS 進行更細致的三維制圖后生成實體，按照土層分割土體。在此模型的計算過程中，假定彈性模型為鋼結構、混凝土，修正的摩爾-庫侖模型為土體；土層的分布形式為水平成層，所有材料為各向同性、連續且均質；不考慮開挖前其初始應力狀態；施工結果不受其地下水的影響。

3.2 施工階段劃分

模型網格劃分如圖4 所示，其中矩形階段施工工況的初始應力分析為激活所有土層、邊界條件、靜力荷載-自重。工況1～10 步驟：①進行第一層開挖，鈍化開挖1，開挖1-1，并且進行圍護結構施工，激活圍護樁；②進行第二層開挖，鈍化開挖2，開挖2-2；③進行第三層開挖，鈍化開挖3；④進行第四層開挖，鈍化開挖4；⑤進行第五層開挖，鈍化開挖5；⑥進行第六層開挖，鈍化開挖6，并且進行底板、斜撐施工，激活底板1、斜撐1；⑦進行第七層開挖，鈍化開挖7；⑧進行第八層開挖，鈍化開挖8，進行底板、斜撐施工，激活底板2、斜撐2；⑨進行第九層開挖，鈍化開挖9；⑩進行第十層開挖，鈍化開挖10，進行底板的施工，激活底板3。

圖4 網格劃分

圓弧階段模型施工工況的初始應力分析為激活所有土層、邊界條件、靜力荷載-自重。工況1～5步驟：①進行圍護結構施工，激活圍護樁，并進行第一道水平撐施工；②進行第一層開挖，鈍化開挖1，并進行第二道水平撐施工；③進行第二層開挖，鈍化開挖2；④進行第三層開挖，鈍化開挖3；⑤進行第四層開挖，鈍化開挖4，進行底板施工。

4 模型計算結果及分析

三維基坑模型由于模型過大，在劃分網格時選擇的尺寸也很大。為了方便收斂，土體采用的是彈性本構，故在精確度上可能不夠精確。其中該模型X、Y 方向水平位移如圖5 所示，由圖可知，位移最大值為13.51mm，并且隨著基坑的距離越來越小。調出隧道盾構瓦片的網格，顯示全部位移研究。

圖5 X、Y方向水平位移云圖

如圖6 所示，隧道位移最大點發生在中段的靠近基坑一側的上方，其周邊建筑物沉降也發生在基坑開挖圍護結構邊緣處。且因為被埋置在基坑底板下，所以隨著與基坑的距離越遠，沉降值越來越小并慢慢趨于穩定?；觾韧寥辣煌谧?，土體卸載帶動土體朝向基坑內移動，隧道受土體的影響產生位移，又因為隧道是中空的，所以會產生浮力導致隧道輕微上浮，其變形趨勢如圖7 所示。當土方開挖時，隨著地表與基坑壁的距離越遠，位移的變化逐漸趨于穩定。最大位移量也隨著坑的挖掘深度的增加而增加，最后穩定在10.2mm。有隧道的基坑側方的沉降曲線，圍護樁邊緣的基坑的地表豎向位移值最大，但與沒有隧道的基坑開挖沉降不同，整個地表有隆起的趨勢。在工況10 中基坑出現了先沉降、隆起再趨于平靜的走勢，這是由于基坑的開挖造成坑外土體發生水平方向的卸荷，其兩側產生壓力差，從而使隧道整體因此周圍土體發生了向坑側的位移，在模擬的工況中隧道的埋深大于基坑開挖深度，而隧道在開挖中慢慢上浮。

圖6 隧道總位移云圖

圖7 三維隧道位移趨勢

如圖8 所示，通過兩個位移趨勢圖可以確定結果具有一定的準確性。隧道的最大位移為0.73mm，發生在模型建立截取的隧道中段，即臨近地鐵一側的基坑中間部位。地鐵隧道的變形隨著其與基坑中位的距離增加而逐漸減小，這是由于在開挖過程中圍護結構中心位置是變形最大的部位，隧道整體剛度大，在周圍土體出現了輕微上浮。

圖8 二維隧道位移趨勢

5 結語

基坑開挖時的圍護結構位移變形的最大值發生在基坑的中間部位，而不是在兩端；

周邊建筑物沉降發生在基坑開挖圍護結構邊緣處，且隨著與基坑的距離越遠，沉降值越來越小且慢慢趨于穩定；

基坑底部土體的縱向隆起邊緣部分小于其中部；

當基坑邊緣有臨近隧道，開挖時其由于周圍的土體受到擾動產生位移進而發生變形，也會導致埋置在基坑周圍土體中的物體隨土體的位移而位移。