基于MIDAS的三维深基坑隧道模拟研究

李勇军，黄雨茜，程学磊，李文东，李顺群

（1.辽宁工业大学，辽宁 锦州 121001；2.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；3.中原工学院 建筑工程学院，河南 郑州 450007；4.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003）

0 引言

随着城市化进程不断加快，地面资源越来越稀缺，与城市化的需求之间的矛盾日益严重。为有效地利用土地，城市中开始加快建筑纵向空间的发展[1]。工程的深度随着大量地下空间与高层建筑的建设也越来越大，其施工的难度也随深度与规模不断增加而增大。周围的其他建筑必然会因深基坑的开挖而产生不可忽视的影响，尤其是对形变控制要求非常苛刻的地铁隧道，其需要将变形控制在十几毫米甚至几毫米之间[2-3]。而且由于开挖基坑，原隧道变形场与应力场会发生改变，使原有的应力平衡状态遭到破坏，导致隧道产生开裂及变形，甚至引发严重事故如图1 所示。地下工程中对于基坑变形的控制目前已经成为一项重要的研究课题[4-5]。

图1 基坑变形

图2 建模部分选取图

图3 检查网格耦合及属性赋予

在深大基坑的施工项目中，对基坑各个方位的变形进行控制，不仅能够使基坑本身的稳定性和安全性得到相应的保证，而且在施工过程中能够保证其对周边环境的位移不会发生变化。为了保护基坑周围的环境，在不同的土质区域，施工的扰动所引起的地表下沉变化是不同的[6]。在土地质量好的地区，采取适当措施控制的话，可以有效保证周边现存市政环境的安全；在土壤质量不够好的地区，基坑中挖掘产生的土体应力卸载会影响基坑周边环境和支护结构，在这过程中会对周围建筑物产生较大的影响[7-8]。

本文依托合肥经开区大学城地下空间利用项目，利用MIDAS GTS 有限元数值模拟软件在三维模型中针对隧道的变形趋势进行了模拟分析，以期为基坑开挖及隧道等工程应用提供相应的参考。

1 项目概况

1.1 工程概况

合肥大学城地下空间工程东广场工程由西侧地下两层主体结构与东侧地下一层地铁联络通道组成。场地北临莲蕊路，基坑边线在道路红线外0.6m；南临石柱路，基坑边线在道路红线1.0m；西临百鸟路，基坑边线距离道路红线33.3m；东临翡翠路，基坑边线紧贴道路红线，翡翠路下的地铁区间隧道的西侧区间隧道中心线距离东广场结构主体边线约20.3m。

该地下空间工程基坑西侧呈矩形、东侧呈半圆形、东广场基坑西段呈矩形、东侧呈半圆形，基坑东西向总长度为316.0m，西侧矩形段南北向长度为100.5m，东侧半圆段南北向总长度为182.0m，基坑周长946.0m，占地面积约35616m2。地下一层区域是东侧地铁联络通道，基坑开挖9.1～12.0m 深；地下二层主体区域是建筑1～29 轴区域，基坑开挖13.10～15.05m 深。本基坑开挖深度大于5.0m，根据规划方案，本项目场地周边均为现状道路且基坑东侧有现状地铁区间隧道，其支护结构经综合考虑，安全等级为一级。

1.2 工程地质与水文地质

经勘察，本工地的宏观地形单元属于江淮丘陵，场地地形总体呈中部低、东西高，微地形属于冈山拟建工程场地，现为城市景观绿地，建设场地其地下水位主要由大气降水进行补给。地下潜水水位根据季节不同有0.5m 左右的变动幅度。钢筋混凝土中的钢筋、混凝土结构会由于该区域的地基土及地下水微腐蚀性的工程地质性质而产生一定的不利影响，本工程拟建地下空间稳定水位为现状地面以下0.5～1.0m，耐浮水位设计可取室外整平标高0.5m。

2 基坑施工工序

第一步：基坑内做围护桩和主体抗拔桩、支撑下钢格构立柱及立柱桩。

第二步：围护桩区域内采用分层开挖、平面分块的盆式开挖，首先对中部区域进行开挖，其次对其周围区域进行开挖，依次向下，分层、分块开挖，每层开挖深度不超过3m，开挖面坡比为1：1。此段范围内，基坑需南北对称开挖及支护。开挖至“盆式开挖临界线”处，施做围护桩冠梁，并进行冠梁顶坡面的插筋及桩顶坡面和盆式开挖临界线坡面的喷浆挂网工作（土方开挖过程中，当未开挖至“盆式开挖临界线”时，随时注意基坑内的排水工作，必要时及时覆盖土工布等）。

第三步：当盆式开挖范围内的土体开挖至基坑底部时，施工主体结构的垫层、底板、桩承台及结构底板采用后浇带。

第四步：待中间盆式开挖部分主体结构的垫层、底板及桩承台达到设计强度，并且已施工完的底板大于后浇带范围，待在底板上浇筑第一道支撑的牛腿达到设计强度后，采用槽式开挖的方法将第一道斜撑所在位置处的土体开挖到支撑下0.5m，后加设第一道斜撑，施工第一道斜撑的联系梁。

第五步：挖土第二个斜支撑牛腿的地方施工此部分主体的垫层、底板、桩承台及第二道斜撑的牛脚，待底板和牛脚的强度达到设计强度后，采用槽式挖掘方法，将第二道斜支撑的土挖到0.5m。后架设第一道斜撑，施工第二个斜柱的连接梁。继续挖掘支撑着泥土的残余施工主体结构的垫层、底板、承台至支护桩边缘。

3 基坑整体模型及施工阶段划分

3.1 模型介绍

假定土层为各向同性，对整体基坑进行三维建模，导入MIDAS 进行更细致的三维制图后生成实体，按照土层分割土体。在此模型的计算过程中，假定弹性模型为钢结构、混凝土，修正的摩尔-库仑模型为土体；土层的分布形式为水平成层，所有材料为各向同性、连续且均质；不考虑开挖前其初始应力状态；施工结果不受其地下水的影响。

3.2 施工阶段划分

模型网格划分如图4 所示，其中矩形阶段施工工况的初始应力分析为激活所有土层、边界条件、静力荷载-自重。工况1～10 步骤：①进行第一层开挖，钝化开挖1，开挖1-1，并且进行围护结构施工，激活围护桩；②进行第二层开挖，钝化开挖2，开挖2-2；③进行第三层开挖，钝化开挖3；④进行第四层开挖，钝化开挖4；⑤进行第五层开挖，钝化开挖5；⑥进行第六层开挖，钝化开挖6，并且进行底板、斜撑施工，激活底板1、斜撑1；⑦进行第七层开挖，钝化开挖7；⑧进行第八层开挖，钝化开挖8，进行底板、斜撑施工，激活底板2、斜撑2；⑨进行第九层开挖，钝化开挖9；⑩进行第十层开挖，钝化开挖10，进行底板的施工，激活底板3。

图4 网格划分

圆弧阶段模型施工工况的初始应力分析为激活所有土层、边界条件、静力荷载-自重。工况1～5步骤：①进行围护结构施工，激活围护桩，并进行第一道水平撑施工；②进行第一层开挖，钝化开挖1，并进行第二道水平撑施工；③进行第二层开挖，钝化开挖2；④进行第三层开挖，钝化开挖3；⑤进行第四层开挖，钝化开挖4，进行底板施工。

4 模型计算结果及分析

三维基坑模型由于模型过大，在划分网格时选择的尺寸也很大。为了方便收敛，土体采用的是弹性本构，故在精确度上可能不够精确。其中该模型X、Y 方向水平位移如图5 所示，由图可知，位移最大值为13.51mm，并且随着基坑的距离越来越小。调出隧道盾构瓦片的网格，显示全部位移研究。

图5 X、Y方向水平位移云图

如图6 所示，隧道位移最大点发生在中段的靠近基坑一侧的上方，其周边建筑物沉降也发生在基坑开挖围护结构边缘处。且因为被埋置在基坑底板下，所以随着与基坑的距离越远，沉降值越来越小并慢慢趋于稳定。基坑内土壤被挖走，土体卸载带动土体朝向基坑内移动，隧道受土体的影响产生位移，又因为隧道是中空的，所以会产生浮力导致隧道轻微上浮，其变形趋势如图7 所示。当土方开挖时，随着地表与基坑壁的距离越远，位移的变化逐渐趋于稳定。最大位移量也随着坑的挖掘深度的增加而增加，最后稳定在10.2mm。有隧道的基坑侧方的沉降曲线，围护桩边缘的基坑的地表竖向位移值最大，但与没有隧道的基坑开挖沉降不同，整个地表有隆起的趋势。在工况10 中基坑出现了先沉降、隆起再趋于平静的走势，这是由于基坑的开挖造成坑外土体发生水平方向的卸荷，其两侧产生压力差，从而使隧道整体因此周围土体发生了向坑侧的位移，在模拟的工况中隧道的埋深大于基坑开挖深度，而隧道在开挖中慢慢上浮。

图6 隧道总位移云图

图7 三维隧道位移趋势

如图8 所示，通过两个位移趋势图可以确定结果具有一定的准确性。隧道的最大位移为0.73mm，发生在模型建立截取的隧道中段，即临近地铁一侧的基坑中间部位。地铁隧道的变形随着其与基坑中位的距离增加而逐渐减小，这是由于在开挖过程中围护结构中心位置是变形最大的部位，隧道整体刚度大，在周围土体出现了轻微上浮。

图8 二维隧道位移趋势

5 结语

基坑开挖时的围护结构位移变形的最大值发生在基坑的中间部位，而不是在两端；

周边建筑物沉降发生在基坑开挖围护结构边缘处，且随着与基坑的距离越远，沉降值越来越小且慢慢趋于稳定；

基坑底部土体的纵向隆起边缘部分小于其中部；

当基坑边缘有临近隧道，开挖时其由于周围的土体受到扰动产生位移进而发生变形，也会导致埋置在基坑周围土体中的物体随土体的位移而位移。