基坑開挖對下臥既有隧道的變形影響分析

趙 春 偉

(天津市市政工程設計研究院，天津 300000)

?

基坑開挖對下臥既有隧道的變形影響分析

趙 春 偉

(天津市市政工程設計研究院，天津 300000)

以寧波市某新建通道上跨既有地鐵1號線的基坑開挖工程為背景，建立了Midas/GTS NX三維模型，考慮土體、圍護結構和既有隧道的相互作用，分析了地基加固、設置抗浮樁以及開挖順序引起的時空效應對既有隧道變形的影響，得出了一些有意義的結論。

基坑工程，既有隧道，地基加固，抗浮樁，時空效應

隨著我國城市建設的飛速發展，有時不可避免的要在既有隧道附近施工，這必將引起既有隧道的變形，如何把變形限制在可控范圍內成為工程實踐和理論研究中亟待解決的焦點問題。國內外學者對此開展了一系列的研究[1-3]，并提出了一些隧道變形控制措施[5-10]。Sharma等[1]結合現場監測和數值計算，分析了某深大基坑對地鐵隧道變形的影響。Dolezalova等[2]應用有限元分析了基坑開挖對緊鄰地鐵隧道的影響。姜兆華[3]系統的分析了基坑開挖對鄰近隧道的影響。劉國彬等[4]利用坑內加固措施來控制已建成隧道的隆起變形。張治國等[6]提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。阮順良等[7]從力學原理上分析了影響隧道變形的機理，并提出了減小基坑工程對鄰近地鐵影響的控制措施。朱逢斌等[8]針對騎跨于既有盾構隧道之上的基坑工程，進行了平面應變有限元模擬。鄭剛等[9]分析了土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”以及堆載回壓對既有軌道的影響。左殿軍等[10]考慮隧道襯砌與土的相互作用，研究了基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響。魏綱等[11]采取了地基加固、分段開挖等施工控制措施控制隧道的變形。

文章以上跨地鐵隧道的基坑施工案例為依托，運用有限元建立3D模型，考慮了時空效應，模擬基坑開挖全過程，分析土體加固、抗浮樁和基坑開挖順序對既有地鐵隧道結構變形的影響。

1 工程概況

某新建地下通道與地鐵1號線隧道斜交，角度為69.12°，新建結構寬31.2 m，高5 m，頂板1 m，底板1.4 m，側墻0.9 m，中墻0.7 m，基坑深8.6 m～9.0 m。1號線為外徑6 200 mm、內徑5 500 mm的盾構隧道，管片厚350 mm，寬1.2 m，采用錯縫拼裝。跨越處距地下通道底板基坑凈距4.842 m～5.264 m。為確保基坑開挖過程中既有隧道的安全，采用土體加固，設置抗浮樁以及分區、分塊開挖的措施，來降低基坑開挖卸載引起的隧道隆起變形。

1.1 基坑分區

在基坑兩側各設置一道封堵墻，上下行線區間隧道的東西兩

側各設一道封堵墻，將穿越段大基坑分為三部分，遠離區、接近區和核心區。

1.2 土體加固

遠離區：采用裙邊+抽條加固，加固深度為坑底下3 m；接近區：區間隧道兩側各2 m以外采用滿堂加固，加固深度為地面下1 m至隧道底以下6 m；核心區：隧道上方采用MJS滿堂加固，加固深度為地面下1 m至區間隧道上方2 m。

1.3 抗浮樁

在既有隧道兩側設置抗拔樁，并與新建通道底板形成有效連接。

2 施工模擬計算

針對基坑開挖對1號線隧道的影響，采用Midas/GTS NX三維有限元地層—結構模型進行分析。為減小邊界效應影響，計算模型的水平方向尺寸和豎向尺寸即模型邊界取大于3倍～5倍基坑開挖深度，影響深度約為開挖深度的2倍～4倍[12]。故計算模型的幾何尺寸為140 m×140 m×50 m。模型四周邊界為水平約束，底部為豎直約束。三維網格模型及隧道、支護結構模型見圖1。

土體利用修正摩爾—庫侖模型，并采用3D實體單元模擬，圍護結構和隧道管片采用線彈性板單元模擬，抗浮樁采用線彈性梁單元模擬。各層土體的基本物理力學性質參數如表1所示。

3 計算結果分析

3.1 土體加固

基坑開挖卸荷引起的隧道的變形情況如圖2所示，從圖2中可以看出，隨著施工過程的進行，隧道上方土體的卸載量逐漸增大，上、下行隧道均出現了隆起的現象，未進行土體加固時，上行線最大隆起量為11 mm，下行線最大隆起量為10 mm，既有隧道隆起量超過了結構變形控制標準，將會影響隧道結構的安全和地鐵的正常運營，而土體加固后隧道的隆起量明顯減少，上行線最大隆起量降低為5.7 mm，下行線最大隆起量降低為5.6 mm，滿足結構變形控制標準。因此，土體加固可有效控制既有隧道的隆起，保證地鐵線路的安全運營。

表1 土層基本物理力學性質參數表

3.2 抗拔樁的影響

基坑開挖卸荷引起的隧道的變形情況如圖3所示，由圖3可見，隧道的變形趨勢與圖2幾乎一致。當抗浮樁與新建通道底板形成有效連接后，相當于在既有隧道結構周圍形成“門式框架”，既有隧道隆起量有所減小。

3.3 開挖順序

基坑開挖順序引起的隧道變形情況如圖4所示，開挖順序為：由核心區向遠離區開挖；由遠離區向核心區開挖。從圖4中可以看出：基坑核心區土體的開挖對既有隧道的隆起變形影響較大，由基坑核心區向遠離區的開挖順序最終引起隧道的隆起量大。因此基坑土體開挖應采取由遠離區向核心區的開挖順序，即盡可能最后開挖對隧道變形影響較大的土體，這與張強[12]的研究成果相吻合。

4 結語

依托寧波市某新建通道上跨既有隧道工程，利用Midas/GTS NX，建立了三維模型，分析了土體加固、抗拔樁以及基坑開挖順序引起的時空效應等因素對控制既有隧道結構隆起的影響，并進行對比分析。結論如下：1)土體加固通過提高土體的粘聚力和摩擦角，提高土體變形模量等，控制了地層的變形，從而控制既有隧道的變形，并且加固土體的加載作用可減小開挖卸載對既有隧道變形的影響，其在控制隧道結構隆起方面效果顯著。2)抗浮樁在與基坑底板形成有效連接以后，在既有隧道結構上方形成“門式結構”才能起到抑制既有隧道結構周圍土體的隆起，從而控制隧道的隆起變形，其抑制既有隧道隆起的作用不如土體加固的效果大。3)基坑開挖順序可以充分利用土體隆起的時空效應和隧道結構的剛度來控制既有隧道的隆起變形，最后開挖對隧道變形影響較大的土體，可以有效控制既有隧道的隆起，因此基坑土體開挖應采取由遠離區向核心區的開挖順序。

[1] Sharma J.S.,Hefny A.M.,Zhao J.Effect of Large Excavation on Deformation of Adjacent MRT Tunnels[J].Tunnelling andUnderground Space Technology,2001(16):93-98.

[2] Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics,2001,28(6-7):469-493.

[3] 姜兆華.基坑開挖時鄰近既有隧道的力學響應規律研究[D].重慶:重慶大學博士學位論文,2013.

[4] 劉國彬,黃院雄,侯學淵.基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐[J].巖土力學與工程學報,2001,20(2):202-207.

[5] 高廣運,高 盟,楊成斌,等.基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學報,2010,32(3):453-459.

[6] 張治國,張孟喜,王衛東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學,2011,32(7):2085-2092.

[7] 阮順良,胡士兵,樓永良.基坑工程對鄰近地鐵隧道影響及控制措施研究[J].現代隧道技術,2012,49(1):100-104.

[8] 朱逢斌,王月香.基坑施工對下方既有盾構隧道結構變形影響分析[J].現代隧道技術,2013,50(3):94-100.

[9] 鄭 剛,劉慶晨,鄧 旭.基坑開挖對下臥運營地鐵隧道影響的數值分析與變形控制研究[J].巖土力學,2013,34(5):1459-1468.

[10] 左殿軍,史 林,李銘銘,等.深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響數值計算分析[J].巖土工程學報,2014,26(S2):391-395.

[11] 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.

[12] 張 強.開挖卸荷下既有地鐵隧道的豎向變形及其控制研究[D].北京:北京交通大學博士學位論文,2012.

The deformation influence analysis on foundation pit excavation to overlaying existing tunnel

Zhao Chunwei

(TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300000,China)

Taking the foundation pit excavation engineering of a new cross overpass existing tunnel line 1 in Ningbo as the engineering background, this paper established the Midas/GTS NX three-dimensional model, considering the interaction of soil, retaining structure and existing tunnel, analyzed the influence of time-space effect caused by foundation reinforcement, anti floating piles setting and excavation sequence to existing tunnel deformation, drew some meaningful conclusions.

foundation pit engineering, existing tunnel, foundation reinforcement, anti floating pile, time-space effect

1009-6825(2017)14-0190-03

2017-03-08

趙春偉(1985- ),男,工程師

U456.3

A