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摘要：借助上海某排水工程，分析顶管井深基坑开挖对临近地铁盾构隧道的影响，主要得到以下结论：有限元软件能够较好的模拟基坑开挖卸载的力学行为，判断构建筑的变形规律和趋势；通过计算，2#顶管井开挖完成后对地铁隧道的影响最大，其次是1#顶管井，3#井影响最小；针对隧道与基坑的空间关系，位于基坑1～2倍开挖深度范围内的地铁隧道受土体卸载影响较为显著。当地铁隧道位于3倍顶管井开挖深度以外，地铁隧道所受影响较微弱；通过本工程实践，适度增加支撑和围护刚度能够有利于控制围护变形，进而起到保护周边构建筑物的作用。
关键词：深基坑；临近地铁；盾构隧道；变形控制；影响分析
本文以上海市某排水顶管基坑为工程背景，运用有限元软件建立影响分析模型，通过分析基坑周边地层和地铁隧道的变形规律，评估基坑对临近地铁隧道的影响。通过本次研究，为相似工程提供借鉴和参考。
1 工程概况
上海浦东新区某排水工程直径1.2m、1.65m和2.4m雨水管道通过顶管施工敷设（如图1所示）。新建道路附近设置1～3#顶管井，先实施直径1.2m顶管，然后实施直径1.65m顶管，最后完成直径2.4m顶管。
顶管两次上穿运营状态的地铁区间，顶管井及顶管工程均处于地铁50m保护区内。该处地铁盾构隧道埋覆土深度约11m，结构采用外直径6.2m的C50预制管片拼装成型。1#工作井直径8m，开挖深度约6.1m，距离隧道净距约10m；2#工作井直径8m，开挖深度约7.3m，距离隧道净距约9m；3#接收井直径7m，开挖深度约8.3m，距离隧道净距约26m。直径1.2m管道与地铁隧道净距约6m，直径1.65m管道与地铁隧道净距约5m。
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图1 工程平面图
以3#顶管接收井为例，基坑围护采用φ800@1000钻孔灌注桩+φ800@500高压旋喷桩止水帷幕（如图2所示），竖向设置三道钢筋混凝土环撑，坑底加固深度3m。1#和2#顶管工作坑深度稍浅，竖向设置2道钢筋混凝土环撑。
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图2 3#顶管接收井围护剖面图（直径1.65m管侧）
建设场地属滨海平原地貌类型，基坑影响范围内分布有①1填土、①2浜填土、②褐黄～灰黄色粉质粘土、③灰色淤泥质粉质粘土、③t灰色粘质粉土、④灰色淤泥质粘土、⑤1-1灰色粘土、⑤1t灰色砂质粉土夹粉质粘土、⑤1-2灰色粉质粘土夹粉土等。场地平均潜水埋深1.34m，微承压水含水层（⑤1t、⑤2层）水头埋深3m～11m，本基坑无突涌可能。
2 模型建立
目前，国内学者[1～3]主要采用有限单元法分析基坑工程开挖对周边构建筑的影响，并辅以实测数据论证基坑开挖过程中可能存在的风险。
基坑与周边环境是一个相互作用的系统，连续介质有限元方法是模拟基坑开挖问题的有效方法，它能考虑复杂的因素如土层的分层情况和土的性质、支撑系统分布及其性质、土层开挖和支护结构支设的施工过程及周边建（构）筑物存在的影响等。随着有限元技术、计算机软硬件和土体本构关系的发展，有限元法在基坑工程中的应用取得了长足的进步，从而为邻近建（构）筑物的基坑工程设计提供了重要的分析手段[4]。
2.1几何模型
分别选取1～3#顶管井基坑建立数值模型，模型总长100m，深度方向50m（有限元网格如图3）。边界条件：两侧约束水平位移，底部约束竖向位移。
（a）
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1#顶管工作井网格图 （b）2#顶管工作井网格图
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（c）3#顶管接收井网格图
图3 顶管井基坑数值模型网格图
2.2本构选择
从上海地区多个工程的分析应用实例来看，HS（Hardening-Soil）模型能够较好的模拟基坑开挖卸载性状[5]。模型的一个基本特点就是土体刚度对应力状态的依赖性，在排水三轴试验情况下，轴向应变与偏应力之间为双曲线关系，其在p 平面上的形状与MC 模型相同，且使用MC 破坏准则描述极限状态，可以模拟应力增量随应变逐渐减小的硬化现象。岩土强度采用三轴试验刚度（E50）、三轴卸载/再加载刚度（Eur）和固结仪荷载强度（Eoed）描述。各刚度定义的公式分别为：
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（1）
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（2）
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（3）
式中：
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—围压
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50%强度下割线模量；
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—围压
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下卸载/加载模量；
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—主固结仪加载中的切线刚度；
m—刚度应力水平相关幂指数；
c—粘聚力（kPa）；
φ—内摩擦角（°）。
2.3材料参数
场地土层主要物理力学参数见表1。钻孔桩通过刚度相同等效为一定厚度的连续墙，等效地下墙和支撑分别采用弹性板和杆单元模拟，地铁隧道采用圆形弹性单元模拟，地下水位设定为地下0.5 m，不考虑渗流作用。
表1 场地土层主要物理力学参数表
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2.4计算步骤
（1）模型建立后，初始地应力场平衡。
（2）地铁隧道上、下行线分别开挖计算，消除位移场，得到用于分析的初地应力场。
（3）施工围护结构，即激活围护结构板单元。
架设第一道支撑，并挖除第一层土至支撑一下0.5m。
（4）架设第第二道支撑，并挖除第二层土至支撑一下0.5m。
（5）架设第第三道支撑，并挖除第三层土至支撑一下0.5m（适用于3#顶管接收井）。
（6）开挖至基坑设计标高
3 影响分析
3.1顶管1#工作井
图4为顶管1#工作井基坑开挖完成后周边土体侧向位移云图。图5为双线地铁隧道的位移矢量图。从图中可见，基坑开挖造成周边土体和临近隧道向开挖面移动。提取计算结果显示，围护结构最大变形约5.8mm，基坑近侧隧道最大位移6.2mm，基坑远侧隧道最大位移1.8mm，隧道以隆起为主要变形特征。
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图4顶管1#工作井基坑开挖后土体侧向位移云图
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最大位移6.2mm 最大位移1.8mm
（a）基坑近侧隧道 （b）基坑远侧隧道
图5顶管1#工作井基坑开挖后地铁隧道位移矢量图
3.2顶管2#工作井
图6为顶管2#工作井基坑开挖完成后周边土体侧向位移云图。图7为双线地铁隧道的位移矢量图。2#井相比1#井深度深且距离隧道更近，地铁隧道位移值相比加大。提取计算结果显示，围护结构最大变形约8.7mm，基坑近侧隧道最大位移7.8mm，基坑远侧隧道最大位移2.3mm，隧道以隆起为主要变形特征。
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图6顶管2#工作井基坑开挖后土体侧向位移云图
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最大位移7.8mm 最大位移2.3mm
（a）基坑近侧隧道 （b）基坑远侧隧道
图7顶管2#工作井基坑开挖后地铁隧道位移矢量图
3.3顶管3#接收井
图8为顶管3#接收井基坑开挖完成后周边土体侧向位移云图。图9为双线地铁隧道的位移矢量图。3#井虽然基坑深度较1#和2#更深，但与地铁隧道水平距离非常大，基坑开挖对隧道影响较微弱，位移值较小。提取计算结果显示，围护结构最大变形约4.4mm，基坑近侧隧道最大位移1.82mm，基坑远侧隧道最大位移0.4mm，隧道以微量隆起为主要变形特征。
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图8顶管3#接收井基坑开挖后土体侧向位移云图
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最大位移1.82mm 最大位移0.4mm
（a）基坑近侧隧道 （b）基坑远侧隧道
综上分析，位于基坑1～2倍开挖深度范围内的地铁隧道受土体卸载影响较为显著。1#和2#顶管工作井采用钻孔桩+两道钢筋混凝土环撑的支护方式，较强的刚度有效减少了土体侧向变形，对深层土体变位起到一定的限制作用，故地铁隧道最终变形值仍能满足小于10mm的控制要求。由3#顶管接收井得出，当地铁隧道位于3倍顶管井开挖深度以外，土体卸载引起的地层扰动对地铁隧道影响较微弱。3#井比2#井深度增加约1 m，设置了三道钢筋混凝土环撑，围护变形相比2#井明显减少，适度增加支撑和围护刚度能够有利于控制围护变形，进而起到保护周边构建筑物的作用。
目前该项目已完成顶管掘进和井的覆土回填，根据监测部门反馈，最终地铁隆起未超过5mm。基于数值分析进行的风险评估与实践结果接近，能够有利于决策者进行项目实施决策。
4 结语
借助上海某排水工程，建立顶管井基坑开挖对临近地铁隧道影响的数值模型，通过计算结果分析，得到以下结论：
1）有限元软件能够较好的模拟基坑开挖卸载的力学行为，判断构建筑的变形规律和趋势。
2）通过计算，2#顶管井开挖完成后对地铁隧道的影响最大，其次是1#顶管井，3#井影响最小。
3）针对隧道与基坑的空间关系，位于基坑1～2倍开挖深度范围内的地铁隧道受土体卸载影响较为显著。当地铁隧道位于3倍顶管井开挖深度以外，地铁隧道所受影响较微弱。
4）通过本工程实践，适度增加支撑和围护刚度能够有利于控制围护变形，进而起到保护周边构建筑物的作用。
参考文献：
[1]刘国彬，黄院雄，侯学渊. 基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20（2）：202-207..
[2]李志高，刘国彬，曾 远，等. 基坑开挖引起下方隧道的变形控制[J]. 地下空间与工程学报，2006，2（3）：430-433.
[3]李平，杨挺，刘汉龙，等. 基坑开挖中既有下穿地铁隧道隆起变形分析[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版），2011，12（5）：480-484.
[4]上海市勘察设计行业协会.DG／TJ08-61-2018.上海市基坑工程技术标准[S].上海：[s.n.]，365～379．
[5]张 飞，李镜培，唐 耀. 考虑土体硬化的基坑开挖性状及隆起稳定性分析[J]. 水文地质工程地质，2012，39（2）：79-84.