基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的數值分析

魏 綱 胡凌威 朱佳定

（浙江大學城市學院 土木工程系，杭州 310015）

地鐵建設已成為城市快速發展的必然趨勢，其安全性非常重要.但隨著地下空間的大規模開發利用，往往會出現基坑工程緊鄰或位于地鐵隧道上方的工況.基坑開挖使相鄰地鐵隧道的原有受力平衡被打破，必然引起地應力的重分布，影響地鐵的安全性［1］.由于運營地鐵線路對變形要求極為嚴格：結構最大位移不超過20mm，隧道變形曲率半徑必須大于15000 m，相對彎曲不大于1／2500［2］.因此，如何預測和控制基坑開挖引起的隧道變形成為急需解決的問題.目前國內外關于基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的研究一般大多采用實測數據分析［3-5］、經驗公式［6］、解析解［7］和數值模擬［8-10］等方法.但大多數研究針對上海的地質條件，以杭州的地質條件為背景的研究相對較少.

本文以杭州市某基坑第一期工程為背景，采用三維MIDAS／GTS軟件，模擬了在既有盾構隧道上方進行基坑開挖的工況，研究基坑開挖對下臥盾構隧道的變形影響，分析基坑加固控制措施的效果.

1 工程概況

杭州市某地下過街隧道工程，地下通道采用大基坑分成小基坑逆作法施工，基坑平面布局成Z字型，設一個東西向主通道（限寬9.5m、高3m），整個工程分為三期施工.本文僅研究一期工程，即主通道西半幅基坑.

基坑平面如圖1所示.基坑開挖區間東西向長14.8m，南北向寬11.4m，開挖深度8.2m.地鐵1號線左線隧道從基坑下方正交穿過，隧道頂部與基坑底部開挖面最小凈距離3.9m.基坑剖面如圖2所示.

圖1 基坑平面圖（單位：mm）

圖2 基坑剖面圖（單位：mm）

土質從上到下依次為：①-1雜填土，厚3.1m；①-2素填土，厚1.3m；②-2粉質粘土，厚1m；④-2淤泥質粉質粘土，厚4.2m；⑦-1粉質粘土，厚3.8m；⑦-2粉質粘土，厚3.9m；⑧-2粉質粘土.基坑開挖面在④-2淤泥質粉質粘土層，隧道處于⑦-1粉質粘土和⑦-2粉質粘土層中.地下水位為1.4～2m，工程沒有采取降水措施.

基坑圍護結構采用三軸Ф850＠600水泥土攪拌樁作為止水帷幕，抗拔樁采用Ф800＠1000／2000鉆孔灌注樁，C30混凝土.支撐體系采用一道截面為700 mm×700mm的混凝土支撐和Φ609×16鋼管的鋼支撐，混凝土支撐采用C30混凝土.采用Ф850＠600水泥土攪拌樁對坑底土體（厚2.9m）、坑底上部土體（厚2.5m）、圍護結構外側土體（寬5m）進行了滿堂水泥土加固.坑底的加固區底部深11.1m，距離隧道上邊緣1m.基坑采用分層開挖法開挖.

2 三維有限元模擬

2.1 模型建立及參數取值

采用MIDAS／GTS軟件進行模擬.盾構隧道類型為平面板單元、線彈性材料，壁厚0.35m，外直徑為6.2m，隧道軸線埋深為12.1m，采用C50混凝土.定義土體為均質土，本構模型采用莫爾-庫倫.為便于模擬，將直徑850mm的三軸攪拌樁換算成厚650mm的墻體，將直徑800mm的鉆孔灌注樁換算成600mm的墻體.鋼支撐等量換算為實體圓柱體，換算后重度為13kN／m3，彈性模量為33GPa.

三軸攪拌樁、鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土支撐、鋼支撐均采用實體單元，線彈性材料.加固土為實體單元，采用莫爾-庫倫本構模型.封底采用平面板單元、線彈性材料，采用C25混凝土.

各種材料的物理力學計算參數見表1.整個模型在橫向取70m，縱向取70m，豎向取60m.基坑與隧道的縱剖面、橫剖面和俯視圖分別如圖3～5所示.模型網格劃分如圖6～8所示.

表1 材料物理力學參數取值

圖3 基坑縱剖面示意圖（單位：m）

圖4 基坑橫剖面示意圖（單位：m）

圖5 基坑俯視示意圖（單位：m）

圖6 挖土和底部加固土單元模型

圖7 圍護樁和隧道單元模型

圖8 整體模型

2.2 基坑開挖施工過程模擬

本文假定：1）忽略地下水的滲透作用，土體本身變形與時間無關；2）土體為各向同性、連續的彈塑性材料，服從莫爾-庫倫屈服準則；3）隧道、基坑井壁和封底與周圍土體緊密接觸，即在變形過程中，隧道、基坑井壁和封底與土體不產生相對滑動或脫離；4）假設基坑開挖前，隧道變形為零，僅研究基坑開挖產生的隧道附加變形.

模擬步驟：1）激活土體，施加支撐和自重荷載，位移清零；2）在獲得初始應力狀態后，進行隧道土體的開挖；3）生成隧道，位移清零；4）修改三軸攪拌樁和鉆孔灌注樁的單元屬性；5）修改基坑底部加固土和外圍加固土單元屬性；6）修改第一道鋼筋混凝土支撐單元屬性；7）挖去第一層挖土；8）修改第二道鋼支撐單元屬性；9）挖去第二層挖土；10）生成封底.

表2 不同加固措施方案

擬7種不同加固控制措施的基坑工況，研究不同加固控制措施對隧道產生的影響，把實際工況（工況5）作為標準工況，具體見表2.

3 有限元模擬結果分析

3.1 標準工況分析（工況5）

圖9～12分別展示了基坑開挖過程中4個不同階段隧道的豎向位移值，正值表示隧道向上移動隆起），負值表示向下移動沉降）.

圖9 土體開挖前隧道豎向位移

圖10 一層挖土后隧道豎向位移

圖11 二層挖土后隧道豎向位移

圖12 澆筑封底后隧道豎向位移

如圖9～12所示：1）在土體開挖前，圍護樁的施工會引起隧道豎直向下產生沉降，這是因為在打樁的時候由于樁體和土體間的摩擦力，會帶給土體一個向下的力場，導致隧道沉降；2）基坑開挖后坑底土體應力釋放，產生坑底隆起.隧道上部受力減小，導致隧道受到向上的附加力，產生豎向隆起.隧道水平向受力基本保持平衡，位移較小［4］；3）在封底澆筑后，隧道隆起略微減少，表明封底澆筑會減小隧道隆起.模擬結果可以看出，土體開挖完、澆筑完封底后，隧道最大隆起值為4.88mm.而實測表明此時的隧道累計最大隆起為4.9mm，說明本文的有限元模擬符合實際情況.戚科駿等［11］的研究結果也表明隧道在基坑打樁和開挖階段產生先沉降、后隆起的規律，與本文規律一致.

圖13為基坑封底的豎向位移，可以看出封底中間凸起，最大隆起值為11.98mm，表明基坑開挖引起的應力釋放會導致基坑下方土體隆起.

圖13 基坑封底豎向位移

3.2 不同加固控制措施的效果分析

不同加固控制措施會從不同方面影響隧道和基坑封底的隆起值［12］.其中分塊開挖和分塊澆筑能夠利用基坑開挖的空間效應，減小其隆起，隨挖隨撐，控制水平向的位移；坑內、外土體加固能增加坑底土的回彈模量，增加與抗拔樁的摩擦力，減少軟粘土流變性能，減小坑底隆起；及時堆載能增加坑底的豎向壓力，減小土體開挖引起的應力釋放，對土體開挖所引起的坑底隆起有限制作用.

圖14～15反應了不同工況下隧道和封底的最終的最大豎向位移，正值表示向上移動（隆起）.如圖14～15所示，可以看出隧道頂部隆起值和基坑封底隆起值隨著控制措施的增加呈遞減趨勢，表明分層開挖、鋼支撐、底部加固土、外圍加固土和堆載對隧道與封底的變形控制有比較好的效果.

圖14 不同工況下的隧道最終變形

圖15 不同工況下的封底最終變形

圖15中工況3到工況4之間封底位移變化較快，表明第二道鋼支撐和底部加固土的作用比較明顯，隆起值降低較多.說明在既有盾構隧道上方進行基坑開挖時，可以采用多道加固控制措施，這樣可以有效控制隧道的隆起和坑底土體的上浮.

4 結 論

1）模擬結果表明：隧道在基坑打樁和開挖階段產生先沉降、后隆起的規律，隧道的隆起值與實測數據非常接近.另外井壁周圍的土體隆起也比較小，都在3～4mm之間，模擬效果較好.

2）在加固控制措施由簡單到嚴格的工況下，隧道頂部和基坑封底隆起值都呈遞減趨勢，表明分層開挖、鋼支撐、坑底加固、坑外加固和堆載都對基坑封底和下臥隧道變形控制有一定效果.

3）堆載和外圍加固土對降低隧道隆起效果較好，均能有效降低隧道隆起1.5mm左右；其他控制措施有效降低隧道隆起均在0.6mm左右.底部加固土和鋼支撐對降低基坑封底隆起效果最佳，工況3和工況4的封底隆起差為20.65mm；其他加固控制措施也有一定效果，一般在2mm左右.實際工程中可對加固方案做適當調整，以降低成本.

［1］魏 綱，趙城麗，蔡呂路.基坑開挖對臨近既有盾構隧道影響的機理研究［J］.市政技術，2013，31（6）：141－146.

［2］陳 郁，張冬梅.基坑開挖對下臥隧道隆起的實測影響分析［J］.地下空間，2004，24（5）：748－751.

［3］鄭 剛，劉慶晨，鄧 旭，等.基坑開挖對下臥運營地鐵既有箱體影響的實測及分析［J］.巖土力學，2012，33（4）：1109－1116，1140.

［4］魏 綱.基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的實測與分析［J］.巖土力學，2013，34（5）：1421－1428.

［5］魏 綱，李 鋼，蘇勤衛.基坑工程對運營地鐵隧道影響的實測分析［J］.現代隧道技術，2014，51（1）：179－185.

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［7］陳 郁，李永盛.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的計算方法［J］.地下空間與工程學報，2005，1（1）：91－94.

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［12］毛朝輝，劉國彬.基坑開挖對下方近距離隧道的保護［J］.浙江工業大學學報，2005，33（5）：534－537.