上軟下硬地層基坑開挖對下部雙線隧道的影響研究

李 毅

(四川大學規劃建設處，四川 成都 610000)

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上軟下硬地層基坑開挖對下部雙線隧道的影響研究

李 毅

(四川大學規劃建設處，四川 成都 610000)

以青島某建筑工程深基坑下部存在既有地鐵雙線隧道工程為例,采用有限差分法計算軟件，分析了基坑支護形式及開挖方案對隧道的影響規律，并探討了支護結構的變形特征，得出的結論為工程的順利施工提供了依據。

深基坑，支護形式，既有隧道，注漿加固

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，在有限的城市空間中建設高層建筑不可避免與既有工程發生沖突。建筑深基坑穩定性是保證上層建筑安全的決定性因素，在復雜的地質環境中，采取有效、可靠的保證措施是至關重要的[1-3]。城市規劃與經濟發展速度總有一定矛盾存在，深基坑開挖也會遇到下部存在既有隧道的情況，在盡可能降低工程造價的前提下增強基坑支護形式，采取合理的加固措施，保證兩者結構在施工階段均保持安全，是重中之重[4-6]。

趙俊等[7]對復合地層中基坑開挖對下臥隧道結構的變形進行了分析，得出基坑寬度與隧道直徑的比例是影響盾構隧道變形的關鍵因素；汪小兵等[8]研究了基坑開挖對下部隧道的影響因素，得出了基坑分段開挖可有效控制隧道變形；張啟斌等[9]結合現場實測數據分析了基坑開挖對下方鐵路隧道的影響規律，應用“電水平尺”監測了施工擾動下的隧道變形特征；戚長軍等[10]采用三維數值模擬手段分析了基坑開挖對既有隧道的影響，發現基坑采用不同步序開挖可有效控制隧道變形。不難看出，國內對基坑開挖工程中臨近側或下部存在隧道的情況有了一些研究，但針對上軟下硬地層采用不同支護方式下，隧道與基坑共同變形的研究較少。文章結合青島某建筑深基坑下部存在既有雙線隧道的工程為例，采用數值模擬手段分析不同支護形式及底部處理措施下的隧道及基坑變形規律，得出的結論可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況

青島市某建筑深基坑位于李滄區，基坑平面形狀為方形20 m×20 m見開，深度為14 m。支護方案預采用兩種形式：1)地連墻+橫支撐支護形式，地連墻厚度600 mm，深度17 m，第一道支撐采用混凝土支撐，第二道支撐采用型鋼支撐，距混凝土支撐7 m；2)鉆孔灌注樁形式，參數為φ1.0 m@1.5 m，樁身長度為18.5 m，止水帷幕采用樁間咬合形式，直徑為800 mm；基坑第一道支撐為混凝土支撐，截面尺寸為800 mm×1 000 mm，第二道為型鋼支撐，距離地面6.0 m，第三道型鋼支撐距地面10.5 m。下部盾構隧道已施工完成，隧道外直徑6.0 m，內徑5.4 m，兩隧道距離7 m，拱頂距基坑底部9 m。工程概況簡圖見圖1。

基坑開挖范圍內主要以雜填土(厚度2 m)、粉質粘土(厚度4 m)、粘性土(厚度5 m)及強風化花崗巖(厚度10 m)為主，強風化花崗巖裂隙較發育，節理面呈暗紅色，平均強度21 MPa左右，基坑下部隧道穿越范圍內主要以中風化花崗巖為主，強度在60 MPa以下，勘察期間無地下水，具體地層參數如表1所示。

表1 地層參數

2 基坑開挖對隧道影響機理

在一定程度上，盾構隧道結構對地層是一種加固效果，可改善土體的不良性質。上部基坑開挖時，坑內土體移走引起地層應力釋放，下部土體在上部約束力缺失的情況下，同樣向上發展。先期固結壓力的消失，帶動底部土體位移發展。隧道結構由圓形向橢圓形發展，結構的變形進一步增加土體的變形，導致圍護結構周邊土體的彈性抗力增加，造成支護結構水平位移改變，降低或增加基坑內部支撐的軸力值(見圖2)。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型建立

考慮基坑及隧道尺寸，為了真實反映基坑開挖過程中周邊地層的變形規律，將模型的寬度設定為基坑寬度的5倍，即模型寬100 m，模型高度定為80 m，縱向方向定為80 m。模型共85 520個單元，215 560個節點。邊界條件為：計考慮地面車輛荷載，在模型上邊界施加均布荷載30 kN；四周邊界條件為水平連桿連接；底部為固定鉸支座連接(見圖3)。

土層按地質資料概化為五層，初步計算參數按表1確定。假設材料服從摩爾—庫侖準則[9]，基坑圍護結構、支撐結構均采用實體單元，地連墻、圍護樁與周邊土體之間設置接觸面(Interface單元)，樁間旋噴采用Liner單元，盾構管片采用實體單元，盾構逐漸加固采用Shell單元模擬。

3.2 鉆孔灌注樁支護形式基坑開挖模擬

該方案下基坑支護形式為灌注樁+內支撐的支護形式，為降低基坑開挖對下部盾構的影響，基坑分層開挖深度為3 m。在模擬過程中，先施工圍護樁和第一道混凝土支撐，將模型運行最大不平衡力為0。開挖第一層土體至地表以下3 m，將模型運行至最大不平衡力為0，以此類推直至開挖至基坑底部。圖4為該方案下基坑開挖到底部的豎向位移云圖，可以看出：1)基坑豎向位移呈對稱分布，側墻位置豎向位移較小，基坑底部豎向位移較大；2)基坑支撐連同圍護結構均發生下沉，支撐中間位置豎向位移較大，是支撐的危險位置；3)基坑底部隆起明顯，最大隆起值為22 mm，基坑底角位置易出現應力集中；4)隧道結構發生微小變形，由原來的圓形發展為橢圓形。

3.3 地連墻支護形式基坑開挖模擬

如圖5所示為地連墻支護形式下基坑開挖引起的下部隧道及周邊地層的豎向位移。在模擬中首先定義地連墻的剛度及深度和內支撐的材料參數，將模擬運行至最大不平衡力為0。基坑每層開挖深度不大于4 m，將模型運行至不平衡力小于設定值，根據豎向位移云圖可知：1)整體來看，地層豎向位移變化規律呈對稱分布，地連墻兩側土體出現下沉趨勢，坑底出現隆起；2)地連墻與基坑底部相連位置應力集中明顯，且第二道支撐發生下沉位移；3)基坑底部土體卸荷引起下部隧道豎向變形，坑底隆起量小于灌注樁支護形式；4)地連墻支護形式能較好的隔斷基坑下部土體的聯系，阻斷土體應力傳遞，在土體卸荷后，兩側土體應力大部分直接作用在圍護墻上，降低了坑底土體隆起量。

3.4 坑底注漿加固方案

針對兩種方案開挖下基坑底部土體回彈問題，為限制隆起變形量，增加既有隧道結構的穩定性，采取在坑底注漿加固的措施。為保證工程造價的經濟性，選擇在基坑底部進行注漿加固的措施，圖6為注漿加固范圍為2 m和4 m時底部塑性區范圍。可以看出：1)注漿加固范圍為2 m時，底部塑性區范圍較大，拱頂塑性區未有明顯減少；2)注漿加固范圍為4 m時，底部塑性區出現明顯降低，隧道拱頂及支護墻底部塑性區減少；3)底部注漿加固范圍增加至4 m時，基坑底部土體對圍護結構的支護抗力明顯提高，基坑及隧道安全性得到提高。

4 監測數據對比

根據上文分析可知，采用地連墻及底部注漿加固范圍為4 m時，基坑結構及已建成的隧道結構穩定性較好，地層塑性區較少且基坑隆起量小。實際施工中采用模擬確定的方案進行施工，即采用地連墻和底部注漿4 m的方案。現場施工過程中，全過程采集基坑支護結構的水平變形及坑底隆起變化值，并在隧道內部拱頂位置布設監測點。如圖7所示為地連墻水平變形和坑底隆起變形的模擬與實測曲線對比圖，可以看出：1)模擬曲線與實測曲線較吻合，變形規律相同，在基坑深度中間位置水平位移最大，整體呈“S”型；2)地連墻水平位移模擬最大值為13.0 mm，實測最大值為14.5 mm。分析原因，數值模擬無法真實模擬現場施工過程中的人員、機械走動荷載，且粘土層存在一定的蠕變特性，在模擬中無法充分考慮，造成模擬值小于實測值；3)基坑底部隆起值模擬結果大于實測結果，模擬隆起值6.5 mm，實測隆起值4.5 mm。地層定義的為摩爾—庫侖材料，是一種彈塑性材料，在上部土體卸荷后，材料極易出現回彈，且實際施工過程中，施工機械及人員走動會限制底部土體隆起程度。

5 結語

基坑施工對既有結構產生二次擾動，在下部土體存在已有構筑物的情況下，上部土體卸荷會改變地層的應力、位移場。施工之前，應針對地層地質特征，制定經濟可行、加固效果明顯的方案。本文得出的結論與建議主要如下：

1)基坑內部土體的卸荷造成坑底先期固結壓力的消失，造成土體隆起，帶動下部結構發生變形，可采取改變圍護結構形式及坑底注漿的形式消除影響。

2)基坑采用地連墻支護方案對基坑加固效果較鉆孔灌注樁的形式好，兩種方案下引起的坑底隆起范圍差異較大，考慮塑性區面積、結構位移等指標，地連墻支護形式最佳。

3)坑底注漿加固可有效降低坑底塑性區面積，且在保證經濟性的條件下，將注漿范圍增加至4 m，坑底土體性質可明顯改善。

4)結合現場實測數據，排除實際施工過程中不可抗拒的因素，模擬值與實測值較為吻合，在實際施工中應密切觀測圍護結構與盾構隧道的結構變形速率，必要時采取加固措施。

[1] 王建秀,鄒寶平,付慧仙,等.超大直徑盾構下穿保護建筑群地面沉降預測[J].現代隧道技術,2013(5):98-104.

[2] 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(5):1421-1428.

[3] 曾英俊,楊 敏,熊巨華,等.雙線盾構長距離穿越深基坑底部引起地下連續墻沉降分析及控制措施[J].建筑結構學報,2012(2):135-141.

[4] 曾英俊.雙線盾構長距離穿越深基坑底部對基坑圍護側移及內力的影響[J].工業建筑,2014(S1):882-887．

[5] 商 可.既有盾構隧道地層中基坑開挖方案對比分析[J].公路,2015(1)：218-222．

[6] 曹 平,劉 印,汪俊波.深基坑分層開挖對鄰近盾構隧道的影響分析[J].建筑技術開發,2012(5)：6-9．

[7] 趙 俊,甘鵬路,申文明,等.復合地層中基坑開挖對下臥隧道變形影響研究[J].隧道建設,2014(2)：118-123．

[8] 汪小兵,賈 堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施[J].城市軌道交通研究,2009(5)：52-57．

[9] 張啟斌,霍知亮.基坑開挖對下方既有地鐵隧道的影響分析和監測[J].城市軌道交通研究,2014(12)：39-44．

[10] 戚長軍，劉爭宏，余武術，等．基坑開挖對既有盾構隧道與地層的影響分析[J].水利與建筑工程學報,2014(5):142-146.

Study on influence of excavation of pit on deformation of underlying tunnel in upper soft and lower hard stratum

Li Yi

(Planning and Construction Department of Sichuan University, Chengdu 610000, China)

Taking the double-line subway tunnel of existing subway under the deep foundation pit of some building in Qingdao as the example, the paper adopts the finite difference method, analyzes the influence law of the support form and excavation scheme on the tunnel, explores the deformation features of the support structure, and achieves some conclusions, so as to provide some reference for the construction of the tunnel.

deep foundation pit, support form, existing tunnel, grouting and consolidation

1009-6825(2017)12-0178-03

2017-02-14

李 毅(1963- )，男

U231.3

A