基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究

陳志飛

（蘇交科集團（江蘇）安全科學研究院有限公司，江蘇 南京 211112）

隧道作為公路的一部分，隨著公路數量的增長，隧道通車里程也在不斷增加。公路隧道施工打破原有的土壤結構和土層應力，并對臨近既有隧道造成一定的影響，導致臨近既有隧道上方塌陷、基坑沉降變形，基坑變形位移過大，造成基坑滲漏，埋下交通安全事故隱患。因此，基坑開挖過程中，要對臨近既有運用隧道的變形進行嚴格監測控制，以免影響既有隧道的安全。

1 工程概況

某公路施工路段為K25+620～K27+730.446，總長5110.446m，其中隧道長度為682m，公路施工過程中，對臨近公路造成滲漏、塌方等現象。由于施工路段包含部分軟土，為了確保公路路基的質量，需對軟土地基進行處理。基坑長度為20m，寬度為18m，基坑深度為16m，局部基坑深度達到了16.5m。為了避免施工過程中對鄰近公路工程造成影響，需要控制基坑圍護結構，防止變形。

基坑采用分段分區開挖，將整個基坑分成3段：南部基坑、中部基坑和北部基坑。先完成南部基坑的施工，南部基坑南側圍護結構采用厚度1200mm的地下連續墻，東西兩側采用厚度1000mm的地下連續墻，北側采用900的排樁，并結合混凝土柱支撐結構。基坑施工并完成填土后，開挖中部基坑。隧道與南部基坑設置隔離樁，并預埋袖閥管。通過勘查，發現基坑周圍環境比較復雜，基坑北面有一條已經運營的公路，并且侵占了路基的紅線范圍，施工過程中，需要對其進行加固處理，防止基坑施工導致鄰近公路塌方現象。

通過勘查，該區域的土體從上至下依次為素填土、砂質粘性土、強化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。其中素填土的厚度為4m、砂質粘性土的厚度為6m、強風化花崗巖的厚度為15m、中風化花崗巖的厚度為3m。該施工路段的地下水位比較低，對路基施工影響比較小，所以，在施工過程中不考慮地下水的影響。道路路基臨近開挖基坑斷面見圖1。

圖1 道路路基鄰近開挖基坑斷面

為了避免基坑施工對鄰近道路隧道造成影響，基坑施工過程中，需要安裝支護結構，基坑內部采用地下連續墻，路基采用鋼管樁加預應力錨索支護結構。地下連續墻的厚度為1m，北面地下連續墻的高度為25m，南面地下連續墻的高度為22m，鋼管樁的外徑為500mm，壁厚20mm；預應力錨索支護結構長度為10m，鋼管樁的直徑大小為600mm，厚度為16mm。由于該施工區域具有素填土、粘性土和風化花崗巖，施工過程中，土體的流變性比較大，增加了基坑施工難度。因此，施工過程中，需要安裝全站儀、計算機、傳感儀和監控設備對深基坑工程進行實時監測，一共設置15個變形點、5個基礎點，進行實時監測。一旦發現施工過程中變形量超過了最大的位移值，則發出警報信息，施工單位必須采取有效措施，防止位移過大，導致基坑沉降、塌陷等問題。

2 有限元分析模型

有限元分析模型是利用數學近似計算方法模擬真實的項目物理系統，根據物理系統各個元素相互作用，用有限的未知量逼近無限未知量，從而得到相對接近的數值。為有效評估基坑施工對鄰近公路路基的影響，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS模擬施工過程，計算出對公路路基的影響。

公路工程的土體采用PLAXIS軟件中的小應變硬化模型Hss進行模擬，地下連續墻、鋼管樁、預應力錨索采用線性彈性混凝土材料模型，其中彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，PLAXIS軟件的embedded模擬鋼管樁。為了驗證有限元模型中參數是否與真實的公路工程應力變化保持一致，對南側的地下連續墻進行測量，發現南側地下連續墻的最大側移發生在地下連續墻的頂端，最大位移值為45mm，與實際測量結果穩合，證明有限元模型采用的參數比較合理，可以真實反映基坑變形和周圍土體變形。為了確定不同條件下基坑開挖對臨近既有公路隧道變形影響區的范圍，本文選擇36種不同條件下的變形影響區參數繪制如表1中的變形形式，確定基坑圍護結構可能產生的最大位移、變形模式和基坑的相對位置，得出基坑影響臨近公路路基影響區域。

表1 不同條件下的變形影響區參數

3 不同條件下隧道變形影響區實測分析

3.1 圍護結構最大水平位移變形影響分析

受到水平支護結構方向布置的間距、支護結構剛度、施工工藝、環境等因素影響， 基坑圍護結構變形可分為內凸變形、懸臂變形、復合變形和踢腳變形四種模式。不同圍護結構變形模式下，基坑外部深層土體的位移特點、開挖造成變形范圍也有一定的差異。在相同的變形模式下，當控制值變小，則變形影響區的范圍擴大，并隨著隧道遠離圍護結構，對隧道支護結構的影響比較小。

通過分析發現，復合變形模式和內凸變形模式影響區變化比較接近，復合變形模式的影響區比內凸變形區大，由于復合型變形模式下頂部水平位移造成坑體外土體變形，懸臂變形模式影響區范圍最小，踢腳變形影響區最大。

由此得出，基坑施工過程中，為了避免擾動臨近已運營的公路隧道，可以采用懸臂變形支護結構，有效控制基坑底部圍護結構的水平位移，盡量避免使用踢腳變形支護結構，以免擴大隧道圍護結構變形。

3.2 不同參數對變形影響區分析

將基坑開挖引起臨近既有隧道變形的影響區的寬度和深度作為變形影響區范圍的分析指標，得出四種不同變形模式下最大水平位移值，得出既有隧道變形影響寬度和深度隨著圍護結構最大水平位移值增加而不斷增加，其中在20mm范圍以內，變形影響區的變化比較明顯，隨著變形影響區控制值減少，則增值逐漸平穩。

4 結束語

綜上所述，基坑開挖對臨近既有公路隧道變形的影響區與圍護結構變形模式和隧道位移控制標準有關，在條件相同的情況下，基坑外部影響范圍隨著圍護結構最大水平位移值增加而增加，隨著變形控制值減少，增長趨勢逐漸平穩。