深基坑施工對鄰近既有隧道的影響分析*

張立舟 夏毓超 杜逢彬

深基坑施工對鄰近既有隧道的影響分析*

張立舟1，2夏毓超3**杜逢彬1，2

（1.重慶市勘測院，400020，重慶；2.重慶市巖土工程技術研究中心，400020，重慶；3.重慶交通大學國際學院，400074，重慶//第一作者，工程師）

隨著城市地下空間的不斷開發，越來越多的深基坑與城市軌道交通控制保護區重疊。鑒于城市軌道交通這種極其重要的市政設施，高層建筑物深基坑施工必須保證鄰近既有隧道的安全性。以重慶市中心區域某涉軌項目的高層建筑深基坑為例，通過數值模擬分析了深基坑施工對既有隧道的影響，確定了切實可行的施工方案，監測數據亦驗證了方案的可行性。

城市軌道交通；深基坑開挖；既有隧道；力學影響

AbstractWith the continuous development of underground space construction in cities，the range of deep pit excavation will frequently overlap with urban rail transit control and protection zones.Since urban rail transit is one of the most important municipal facilities，deep pit excavation of high-rise buildings must ensure the safety of the adjacent rail transit tunnels.In this paper,taking a deep pit excavation project in the central area of Chongqing City for example，which is close to an operating rail transit,the adverse impact of rail transit caused by the neighboring pit exaction is analyzed based on numerical simulation，a practical construction scheme is proposed and verified by monitoring data.

Key wordsurban rail transit； deep pit excavation； existing tunnel；mechanical impact

First-author′s address Chongqing Survey Institute，400020，Chongqing，China

隨著城市地下空間的不斷開發，越來越多的建（構）筑物與城市軌道交通間的相互影響愈發突出。文獻［1］從政府職能審批方面來減小涉軌建設項目的風險，劃定了地下車站和隧道結構外邊線外側50 m以內為軌道交通控制保護區。然而，僅僅從行政審批上來減小涉軌建設項目的工程風險遠遠是不夠的，探索一種適合重慶山地城市的涉軌建設項目的風險評價與分析體系顯得尤為重要。本文僅以重慶市中心區域某涉軌項目的深基坑為例，通過數值模擬分析了深基坑施工對既有隧道的影響，得到切實可行的施工方案，可為相似工程的設計與施工提供參考。

1 國內外研究現狀

目前，國內外學者主要采用理論計算、數值模擬及模型試驗等手段就深基坑施工對鄰近既有軌道交通隧道的影響進行研究，并取得了一些成果。

1.1 理論計算

理論計算的一般方法為附加荷載法。即根據彈性力學、彈塑性力學觀點，并結合土力學、巖石力學相關理論計算深基坑施工在隧道處引起的附加應力；再根據隧道承受的附加應力，利用Winkler彈性地基梁模型計算隧道的應力和應變，進而分析深基坑開挖對隧道結構的影響。

文獻［3-4］采用Mindlin算法計算由基坑開挖引起的隧道坑壁、坑底卸荷附加應力；再根據溫克爾地基模型及Galerkin算法提出了計算隧道縱向變形的一維有限元方程，對隧道與基坑的相對位置關系、圍巖狀況、隧道洞徑及隧道埋深等對隧道結構變形的影響作了較為深入的分析、研究，得出了與實測數據較為吻合的成果。

1.2 數值模擬

采用數值模擬方法就基坑施工對隧道結構的影響可研究考慮基坑開挖-巖土體-隧道結構三者相互變形協調，無需分部計算、轉化，可適合更加復雜的工況分析，并降低計算耗時。目前，采用ANSYS、PLAXIS等有限元軟件模擬由基坑施工引起的隧道變形較為廣泛，考慮巖土-隧道相互作用的耦合分析更接近于實際。文獻［5-6］采用有限元軟件PLAXIS對深基坑施工引起的隧道變形進行了模擬。分析了在不同支護條件下，基坑施工對隧道結構的影響。文獻［7］結合上海某基坑施工方案，采用ABAQUS軟件對由基坑開挖引起的既有隧道的影響進行了動態模擬，提出了切實可行的設計及施工方案。

1.3 模型試驗

原位試驗成本高、周期長，且沒有預見作用；室內試驗能較全面地反映基坑開挖引起的巖土體及隧道結構的變形機理，復制性強、可行性強，且有較強的預見性。文獻［8］采用室內模型，分析研究了基坑開挖對不同埋深、不同水平距離隧道的影響。文獻［9］采用離心機模擬了多個基坑施工對周邊既有隧道結構的影響，得出了更優化的施工方案。

2 工程概況

2.1 工程簡介

重慶某地產開發項目位于城市中心區域，緊鄰運營的重慶軌道交通1號線。該項目總用地面積為28 226 m2。根據設計方案，塔樓共5棟，層高為40層左右，裙樓將各棟塔樓連在一起。該項目地下室連成整體，共4層，負1層為商業，負2～4層為地下車庫。該項目基坑北側、東側為城市主干道，南側為城市支路，西側為老住宅區。基坑為L形，面積超過2 600 m2，基坑最大深度為24.8 m。

圖1 擬建地產項目與鄰近既有隧道的關系示意圖

圖2 擬建地產項目與鄰近既有隧道剖面圖（1-1）

圖1 、圖2為該地產項目與鄰近既有隧道的位置示意圖。由圖1、圖2可知，重慶軌道交通1號線從該擬建地產項目北側地下通過，其中，左線隧道凈寬11.60 m，凈高8.88 m；右線隧道凈寬5.88 m，凈高6.20 m。場地范圍內隧道軌面標高為304.343～304.492 m。根據本項目建筑方案設計，基坑上臺階開挖邊線與左線隧道結構邊線的最小水平距離為1.06 m。設計單位考慮到涉軌項目的安全性，將下部地下室邊墻向遠離隧道方向回調了7.54 m，基坑上臺階坑底與隧道拱頂的垂直距離為5.80 m。基坑下臺階開挖邊線與隧道結構邊線的最近水平距離為8.63 m。

地產項目深基坑采用靜態爆破+機械開挖+逆作法的施工方式。其中，靠近隧道結構一側的基坑采用機械開挖。基坑邊坡坡面采用噴錨支護進行加固及防護。同時，在邊坡坡頂、坡腳及坡面進行截水、排水。

2.2 工程地質與水文地質條件

場地原地貌為構造剝蝕地貌，經后期人工改造，形成居民區，地勢平坦。場地內部基巖零星出露，經地勘鉆孔揭露，場地分布的地層為第四系全新統及侏羅系中統溪沙廟組地層（砂巖、砂質泥巖互層分布）。土層厚度一般小于2 m，基坑標高范圍內巖體主要為中-厚層狀砂巖，坑底局部為砂質泥巖。場地位于川東南弧形構造帶華瑩山帚狀褶皺構造束東南部，石馬河（化龍橋）向斜東翼。巖層呈單斜產出。巖層傾向為260°（西偏南10°），巖層傾角為8°左右。

場地周圍無地表水，場地基巖上部為相對透水砂巖，下部主要為不透水的泥質巖層。場地地下水按含水層性質可分為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩類。根據地勘抽水試驗成果，場地范圍內地下水量較小，水文地質條件簡單。

3 數值模擬

3.1 假定條件

（1）假設巖體為連續、均質且各向同性的彈塑性材料；

（2）計算時不考慮時間因素對變形的影響，即不考慮蠕變效應；

（3）根據等效剛度原理將隧道襯砌等效為各向異性的彈性材料；

（4）基坑開挖過程中，認為隧道襯砌與圍巖緊密接觸，兩者之間變形協調、接觸耦合；

（5）支護結構等均認為是線彈性材料。

3.2 二維數值模型的建立

采用ANSYS 13.0有限元軟件進行二維數值模擬分析。由于隧道橫向尺寸遠比縱向長度小，且基坑近似與既有隧道縱向平行，因此該計算可按照平面應變問題處理。巖體及隧道襯砌結構均采用6節點三角形平面單元，共2 463個單元，4 785個節點。

模型底部采用固定約束，左、右兩側采用水平約束。巖體重力荷載通過設置重力加速度的方式來模擬。二維數值模型如圖3所示。巖體及隧道襯砌物理力學參數如表1所示。

圖3 二維數值模型

表1 模型物理力學參數

3.3 數值模擬分析

3.3.1 隧道施工對圍巖的影響

隧道施工打破了原有圍巖應力的平衡狀態，使得圍巖應力重新分布，隧道拱頂及拱底亦產生相應的變形。圖4為隧道開挖并支護后引起的圍巖二次應力分布圖。由圖4可知，隧道拱頂及仰拱處產生了較大的拉應力，最大拉應力為+32.2 kPa。圖5為隧道施工引起的豎向位移分布圖。由圖5可知，隧道拱頂最大沉降為18.28 mm，且圍巖松動圈已延伸至擬建基坑內，范圍可達2.0倍洞徑，并隨距離的增加而減弱。故由于隧道施工引起的圍巖松動圈的存在對深基坑邊坡開挖和支護會產生不利影響。

圖4 隧道開挖并支護后引起的圍巖二次應力分布圖

圖5 隧道引起的豎向位移分布圖

3.3.2 深基坑施工對鄰近既有隧道的影響

深基坑的施工使相鄰周邊巖體原有的平衡狀態被打破，巖體應力重新分布，引起鄰近的隧道結構產生相應的變形、偏移［13-14］，致使隧道結構的實際應力、應變超過支護結構的設計值，引起結構開裂或破壞。

地產項目場地基坑開挖最大深度為24.8 m，由于土層厚度較薄，故按巖質邊坡失穩模式對其進行赤平投影穩定性分析及評價。靠近既有隧道一側的基坑巖體無外傾結構面，其穩定性主要受巖體自身強度控制。但因基坑開挖邊坡高度較大，且上部為市政道路，故采用機械開挖，且作臨時放坡處理，臨時坡率取1∶0.3。該基坑采用逆作法施工，且將地下室側墻作為永久支擋結構。待施工完畢后用混凝土回填，且對地下室側墻進行加固處理。若無放坡條件，則應自上而下采用錨桿擋墻支護作為永久支護處理。

圖6為基坑開挖引起的圍巖位移矢量分布圖。由圖6可知，由基坑開挖引起的隧道坑壁卸荷回彈最大位移矢量為3.2 mm（方向朝上）。圖7為基坑開挖引起的隧道結構位移矢量分布圖。由圖7可知，襯砌結構的最大位移矢量為2.0 mm。圖8為基坑開挖引起的襯砌結構彎矩分布圖。由圖8可知，襯砌結構最大彎矩值為+92.1 kNm。

圖6 基坑開挖引起的圍巖位移矢量分布圖

圖7 基坑開挖引起的隧道結構位移矢量分布圖

圖8 基坑開挖引起的襯砌結構彎矩分布圖

通過以上分析得知：

（1）由于既有隧道采用靜態爆破法施工，引起鄰近隧道一側的深基坑邊坡巖體質量下降。數值模擬結果驗證了圍巖松動圈的存在。

（2）分析了基坑施工對既有隧道結構的影響，得出切實可行的施工方案，并在后期監測中證明了方案的可靠性。

（3）基坑開挖應重視保護巖體完整性，建議采用人工或機械切割開挖，尤其靠近左線隧道結構一側嚴禁放炮開挖，以減小施工擾動；同時應加強支護措施。

（4）施工中應對既有隧道及深基坑進行專業變形監測。根據檢測數據及時預警、及時調整施工方案，做到信息法施工。

4 結語

該地產深基坑項目于2008年施工。監測單位亦同時對鄰近隧道結構及深基坑邊坡變形情況進行了監測。監測數據顯示：2011年—2013年間鄰近隧道結構的拱頂沉降與收斂變形值范圍為0.2～0.5 mm，均小于二級變形允許誤差（± 0.5 mm［15］）。監測資料顯示該項目深基坑施工對隧道結構基本未造成影響，其施工質量得到了較好的控制。

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Impact Analysis of Deep Pit Excavation on the Adjacent Urban Rail Transit Tunnel

ZHANG Lizhou，XIA Yuchao，DU Fengbin

10.16037/j.1007-869x.2017.09.025

2015-12-01）

*重慶市社會民生科技創新專項項目（cstc2016shmszx30021）

**夏毓超為本文通信作者

TU433