深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性分析

胡文亮，陳寅春

(重慶市設計院，重慶400015)

0 引言

隨著我國房地產業和城市地下交通網絡的快速發展，地下結構在正常運營階段，周圍環境的各種新修建筑工程會對其產生影響，特別是鄰近隧道的深基坑工程，一般距離隧道結構較近，不可避免地對隧道結構及隧道圍巖產生一定影響。

關于鄰近地下結構與建筑基坑施工過程中的相互影響，有學者進行了相關研究。朱士云，等［1］針對上海地鐵一號線上雅居樂國際廣場基坑施工技術進行了探討;吳波，等［2］對地鐵區間隧道施工影響鄰近管線進行了三維數值分析，為管線安全性進行預測;李志高，等［3］結合上海東方路下立交工程大面積基坑施工工藝上分析了開挖卸載對下臥隧道的影響，提出了減小隧道變形的施工控制措施;況龍川［4］根據基坑開挖工況與地鐵隧道監測數據分析了基坑開挖影響地鐵隧道的主要因素。

目前在深基坑施工對連拱隧道影響方面的研究較少，筆者結合重慶農村商業銀行大廈基坑實際工程采用有限元數值仿真模型研究深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性，以據此評價隧道結構安全性，以期對今后類似工程提供參考和積累經驗。

1 工程概況

重慶農村商業銀行大廈基坑尺寸為86 m×70 m×32 m，基坑與江溉路隧道方向平行，基坑基底分為兩級，一級基底高于隧道拱頂9.3 m，在此基礎上遠離隧道推移6.7 m后形成二級基底，基底低于隧道拱頂1.75 m;基坑邊界距隧道中線14.0 m。

基坑鄰近隧道為兩車道中隔墻連拱隧道，單洞凈寬10.42 m，凈高6.82 m。隧道初期支護采用錨噴支護，支護參數為：R25錨桿L=3.5 m@1.0 m×1.0 m，0.2 m 厚噴射混凝土;隧道襯砌結構采用0.5 m厚C30鋼筋混凝土，二襯結構雙向配筋，配筋參數為Φ22 mm@150 mm。隧道埋深約30 m，隧道圍巖等級為IV級。連拱隧道與基坑位置關系見圖1。

圖1 連拱隧道與基坑位置關系(單位：m)Fig.1 Position of multi-arch tunnel and foundation pit

2 有限元模型分析

2.1 計算模型

為全面分析基坑開挖對鄰近隧道的空間效應影響，根據隧道與基坑尺寸及相互位置關系等的因素建立三維有限元模型(圖2)，基坑邊界距模型邊界控制30 m，隧道距離模型邊界3倍洞徑，取模型尺寸為180 m×180 m。模型網格劃分遵循受力關鍵部位網格密，非關鍵部分逐漸稀疏的原則［5］。巖土及中墻采用六面體實體單元，隧道二次襯砌采用板單元，賦予板單元厚度0.5 m。模型邊界條件為：模型底邊豎向位移約束，前后左右采用水平法向約束，頂部為自由面。

圖2 有限元模型Fig.2 The finite element model of structure system

2.2 計算條件

通過巖土有限元軟件MIDAS/GTS軟件建立有限元模型仿真模擬基坑施工開挖過程進行分析基坑對連拱隧道的影響。

計算采用巖土及結構的材料遵循有限變形理想彈塑性本構關系［6］和 Drucker-Prager屈服準則［7］。材料參數根據相關規范及地勘報告取值見表1。

表1 材料物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of material

計算模擬施工步驟如下：

1)初始地應力場模擬。

2)連拱隧道開挖及支護襯砌模擬。根據規范對隧道開挖模擬荷載釋放系數進行如下分配［8］：圍巖及初期支護荷載釋放系數50%，二襯結構荷載釋放系數50%。

3)基坑分層開挖模擬。基坑分層開挖高度2～3 m，并及時施做基坑側壁支護。

2.3 計算結果

通過有限元模型對基坑分層開挖進行施工階段計算分析基坑施工過程對鄰近連拱隧道的影響。

2.3.1 變形分析

經計算提取基坑施工過程連拱隧道結構變形結果，見圖3。

圖3 基坑開挖引起隧道結構變形云圖Fig.3 Tunnel construction deformation caused by foundation pit

伴隨著基坑開挖深度的增加，隧道結構變形量及變形區域都有所增大。在基坑土體開挖于連拱隧道一側為卸載過程，隧道結構變形最大值區域從拱肩轉向拱腰，方向為卸載的合力方向，最大位移區域變化與卸載合力方向變化相符。

模擬基坑施工過程中基坑側壁有無支護兩種工況，經計算對比分析基坑支護情況對鄰近隧道結構的影響。對兩種工況下提取各個不同開挖深度下隧道結構變形最大值，見圖4。

圖4 基坑開挖過程引起隧道結構變形最大值Fig.4 The displacement extreme value of tunnel structure

通過對兩種工況下各開挖深度下隧道結構變形最大值對比分析，基坑側壁進行有效支護工況下隧道結構最大變形為14.7 mm，而基坑無支護工況下隧道結構最大變形為20.8 mm;說明深基坑開挖進行有效的基坑支護措施對鄰近隧道結構變形有一定的控制作用。

2.3.2 應力分析

經計算提取基坑施工前后連拱隧道結構第一主應力(主拉應力)結果，見表2、圖5。

表2 基坑開挖前后隧道結構應力對比Table 2 Tunnel stress comparison before and after pit excavation/MPa

圖5 基坑開挖前、后隧道結構第一主應力Fig.5 The first principal stress of tunnel before and after pit excavation

通過對比分析基坑開挖前后連拱隧道結構的第一主應力變化。開挖前隧道二襯第一主應力最大值分布在拱腳區域，應力值在縱向無變化，最大值出現在外拱腳，為4.9 MPa;在開挖后基坑投影區段臨基坑一側隧道洞室二襯外拱腳第1主應力最大值由4.9MPa減小至1.9 MPa，投影區段外30 ～50 m 范圍內外拱腳應力最大值由4.9 MPa增大至5.6 MPa;在基坑投影區段中墻兩側內拱腳應力最大值由2.1 MPa增大至4.9 MPa。基坑開挖卸載在影響范圍內的隧道結構主拉應力增大。

經計算提取基坑施工前后連拱隧道結構第三主應力(主壓應力)結果，見表2、圖6。

圖6 基坑開挖前、后隧道結構第三主應力Fig.6 The third principal stress of tunnel before and after pit excavation

通過對比分析基坑開挖前后連拱隧道結構的第三主應力變化。開挖前隧道二襯結構的第三主應力分布縱向無明顯變化，最大值出現在外拱腳，達－13.0 MPa;在開挖后基坑投影區段隧道拱頂第三主應力最大值由 －3.2 MPa減小至 －0.6 MPa，近基坑側隧道外拱腳第三主應力最大值由－12.1 MPa減小至－5.1 MPa。基坑開挖卸載影響范圍內隧道結構的主壓應力整體減小。

2.3.3 應變分析

經計算提取基坑施工前后連拱隧道圍巖結構第一主應變(主拉應變)結果，見圖7。

圖7 基坑開挖前后隧道結構第1主應變Fig.7 The first principal strain of tunnel before and after pit excavation

經計算提取基坑施工前后連拱隧道結構第三主應變(主壓應變)結果，見圖8。

圖8 基坑開挖前、后隧道結構第三主應變Fig.8 The third principal strain of tunnel before and after pit excavation

對比分析基坑開挖前后連拱隧道圍巖結構的主應變變化情況可知，基坑開挖引起連拱隧道圍巖主拉應變區域增大，主壓應變區域減小，表明隧道圍巖穩定性降低，與隧道結構應力分析結果一致。

3 結論

采用巖土通用有限元軟件MIDAS/GTS分析研究深基坑施工對鄰近連拱隧道影響特性，得到結論如下：

1)基坑施工過程其側壁穩定對鄰近連拱隧道結構有較大影響。基坑側壁有效的支撐可以減小對鄰近地下結構的影響。

2)隨著基坑開挖深度的增加，隧道結構對基坑影響的響應增大。連拱隧道由于中墻的存在減小了遠基坑側的隧道結構受基坑開挖的影響，近基坑一側的隧道結構響應較為突出。

3)基坑開挖引起連拱隧道圍巖主拉應變區域增大，主壓應變區域減小，圍巖穩定性降低，對連拱隧道結構受力不利。

4)基坑開挖改變了隧道圍巖的應力應變場進而影響到隧道結構的安全性。

［1］朱士云，侯愛民，潘建華，等.地鐵隧道正上方建筑物淺基坑施工技術［J］.建筑科技，2009，2(2)：102-105.Zhu Shiyun，Hou Aimin，Pan Jianhua，et al.Construction technique of shallow foundation pit above subway tunnel［J］.Architecture Technology，2009，2(2)：102-105.

［2］吳波，高波.地鐵區間隧道施工對近鄰管線影響的三維數值模擬［J］.巖石力學與工程學報，2002，12(2)：2451-2456.Wu Bo，Gao Bo.3-D Numerical simulation on effect of tunnel construction on adjacent pipeline［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，12(2)：2451-2456.

［3］李志高，劉國彬，曾遠，等.基坑開挖引起下方隧道的變形控制［J］.地下空間與工程學報，2006，2(3)：264-270.Li Zhigao，Liu Guobin，Zeng Yuan，et al.Control measures of Ttunnel displacement by over-excavation unloading［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，2(3)：264-270.

［4］況龍川.深基坑施工對地鐵隧道的影響［J］.巖土工程學報，2000，22(3)：57-62.Kuang Longchuan.Influence of construction of deep foundation pit on tunnels of metro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000(3)：57-62.

［5］周建昆，李志宏.緊鄰隧道基坑工程對隧道變形影響的數值分析［J］.地下空間與工程學報，2010，6(增刊1)：1398-1403.Zhou Jiankun，Li Zhihong.Numerical analysis on deformation effect of metro tunnels due to adjacent excavation project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，6(S1)：1398-1403.

［6］Doege E，Bohnsack R.Closed die technologies for hot forging［J］.Journal of Material Processing Technology，2000，98(2)：165-170.

［7］ZienKiewiez O C.The Finite Element Method［M］.3rd ed.London：Mcgraw Hill，1977.

［8］JTG D 70—2004公路隧道設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2004.JTG D 70—2004 Code for Design of Road Tunnel［S］.Beijing：China Communications Press，2004.