淺析明挖隧道實施對緊鄰基坑的影響

鞏生龍，謝 明

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著城市建設的蓬勃發展，有限的土地資源不斷被最大限度地開發利用，寫字樓、居民樓、地下商場、地下人行隧道和地下車行環路等等如雨后春筍一般涌現，地塊開發密度越來越大。然而，由于區域建設情況及開發功能定位等特殊原因，經常會造成地塊與明挖隧道建設時序不盡相同；同時，明挖隧道往往又要與周邊地下車庫或地下商場相連，這就必然帶來不同地塊、隧道緊鄰施工互相影響的問題。

目前國內大型地塊快速開發已不在少數，在建或待建的有杭州未來科技城核心區塊、義烏金融商務區、濟南漢峪金融商務中心、南寧五象新區總部基地地下空間等等。這些區域地塊內都涵蓋了商業區、辦公樓、地下環路等多個項目，不同項目的同時開發導致工期受限，實際工程中往往要求相鄰各基坑能夠同時施工或縮短兩相鄰基坑施工的間隔時間。為保護這些已有基坑、建構筑物等的正常使用，需嚴格控制基坑工程施工的位移，以及位移傳遞在周邊環境安全或正常使用的范圍之內，變形控制和環境保護往往成為基坑工程成敗的關鍵[1]。

近年來，常常由于基坑施工而引起建筑物或地下管線損壞的現象發生，而基坑支護結構并無破壞現象，因此基坑支護結構除滿足強度要求外，還要滿足基坑周邊環境的變形控制要求，在軟土地區后者往往占主導地位[2]。而關于基坑周邊環境影響的相關研究更是豐富，范益群等[3]將隧道新奧法施工的時空效應法引進軟土基坑工程；Finno等[4]對有無支護體系兩種情況下的基坑開挖對建筑物的影響作了研究；劉忠昌[5]運用FLAC軟件模擬了深基坑開挖過程中的地下管線變形；鄭剛等[6]采用PLAXIS軟件研究了鄰近任意角度建筑物受基坑開挖的影響情況；陳小雨等[7]以兩相鄰深基坑為工程背景，分析了不同基坑間距下土壓力的數值解與理論解沿挖深的分布規律；王洪亮等[8]研究了緊鄰既有建筑基坑土壓力理論，并提出了求解有限土體主動土壓力的簡化公式；林海[9]以福州君臨盛世茶亭基坑和世茂國際中心基坑作為研究對象，詳細分析了相鄰基坑同步開挖情況下的土體位移、支護結構位移和內力；應宏偉等[10]以杭州某深大基坑為背景,利用有限元分析軟件ABAQUS,對隔斷墻的效果進行了深入研究。

綜上，當前國內外學者就基坑開挖對周邊建構筑物影響進行了大量研究，但是對緊鄰已有基坑的同步實施影響研究還相對較少。現基于深圳振海路明挖隧道的實際工程案例，利用有限元PLAXIS模擬基坑開挖，展開明挖隧道實施對緊鄰已有基坑的影響進行分析與研究，對明挖隧道建設提出合理安全的實施方案。其成果可為類似復雜地塊開發工程施工設計提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳前海振海路明挖隧道工程位于前海深港現代服務業合作區的桂灣片區夢海大道下方，近桃園路路口。西連華潤開發地塊，東接地鐵開發地塊，為市政公共明挖隧道工程。如圖1所示。

圖1 明挖隧道與緊鄰地塊平面位置示意圖

該隧道基坑開挖深度約11.5m，圍護形式采用放坡+咬合樁，支撐采用一道混凝土支撐和一道鋼支撐的形式，基坑西側與緊鄰的華潤地塊基坑共用圍護樁。華潤地塊基坑開挖深度約23m，圍護形式采用放坡+咬合樁，支撐采用三道混凝土支撐的形式。目前華潤地塊已開挖至坑底并完成墊層施工，振海路隧道準備實施。

1.2 工程水文地質

該工程場地原始地貌為濱海灘涂，分布有較厚的淤泥層，后經人工填海改造，回填至現狀標高。目前地層由上至下為第四系雜填土層，第四系全新統海積層淤泥，全新統沖洪積層粘土，中更新統殘積砂質粉質粘性土，基巖為加里東期混合花崗巖。具體土體力學參數見表1所列。其中，人工填土層為填海改造，密實程度不均，堆填時間較短，自重固結程度小，結構總體呈松散狀。其分布在水平向及豎向不均勻性均很明顯，尤其是粘性土與硬雜質（碎、塊石等）不均勻混雜，同時由于堆載對淤泥層不同程度的擠壓使得人工填土中常夾有大量淤泥質土，使得該層軟硬不均明顯；第四系全新統淤泥層具含水量高，高壓縮性，強度低的特點；混合花崗巖殘積土具混合土的特征，既具有砂土的特征，亦具粘性土特征，同時也為小顆粒從大顆粒的孔隙中隨地下水涌出及地下水潛蝕等提供可能。其結構性強，遇水擾動后強度很低。非飽和性殘積土在浸水后易崩解，水穩性差；全、強風化巖具有遇水軟化、崩解，強度急劇降低的特點。

擬建場地地下水賦存于土層孔隙和基巖裂隙中，第四系全更新統、中更新統地層為相對隔水層，其上主要為潛水類型，主要賦存于填土、砂層中；其下為基巖裂隙水，主要賦存于基巖的強、中風化巖中，由于該場地節理、裂隙較發育，地下水滲透性較好，具承壓性，水量較大。勘察期間，地下水混合穩定水位埋深為1.20～1.70m，混合穩定水位高程為3.14～3.81m。

表1 地勘土體參數表

2 概念分析及模型建立

2.1 概念分析

依據工程概況可知，華潤基坑已開挖至坑底，變形趨于穩定。明挖隧道開挖將在華潤基坑外側卸土，削弱了圍護樁外側被動土抗力，隧道第一道支撐尚能平衡華潤地塊第一道支撐水平力，但無法平衡第二、三道支撐所傳遞水平力。故該隧道工程直接全部開挖必然會造成華潤地塊圍護結構變形及整體圍護體系受力的變化。

根據一般工程經驗，基坑開挖影響范圍主要為平面3倍基坑深度范圍以內，將通過有限元軟件模擬分析與基坑距離不同的明挖隧道實施對華潤基坑的影響，

2.2 基坑模型的建立及分析方法

2.2.1 有限元模型建立及網格劃分

根據該基坑的基本情況建立數值模型，根據現場勘測結果，將部分性質相近的土體合并，將基坑所在地區的土層大致分為6層。此分析首先模擬土體初始地應力場和緊鄰華潤基坑開挖，然后模擬振海路隧道基坑分步開挖施工和支撐結構施工。水平方向按照實際的基坑尺寸建模，模型總長200m，土層深度60m，如圖2所示，模型兩側為水平向約束，底部為豎向約束。

圖2 計算模型簡圖

2.2.2 計算參數選取

依據地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該基坑周圍土體的初始參數，設定的各層土的基本物理力學參數見表1。因為在基坑開挖之前已經進行了基坑降水處理，因此不考慮地下水對基坑變形的影響。

土體采用Hardening-Soil模型，圍護樁采用彈性板單元模擬，支撐采用錨桿單元模擬。考慮結構單元與土體共同作用，結構與土體間設置接觸面單元，不考慮滲流作用。其中支撐及圍護剛度通過實際支撐圍護尺寸進行等效剛度計算，詳見表2和表3所列。

表2 模型支撐參數表

表3 模型圍護樁參數表

2.2.3 施工工況

依據實際工程，先開挖華潤地塊，待開挖到坑底后開挖本隧道基坑的原則。設置數值模擬工況順序，步驟如下：

（1）模擬計算土體初始地應力場并位移清零，施工圍護樁及開挖華潤地塊第一道支撐以上的土體；

（2）施工華潤第一道支撐并開挖第一道與第二道之間的土體；

（3）施工華潤地塊基坑第二道支撐并開挖第二道與第三道之間的土體；

（4）施工華潤地塊第三道支撐并開挖到坑底；

（5）位移清零，開挖本隧道基坑第一道支撐以上的土體；

（6）施工本隧道基坑第一道支撐并開挖第一道與第二道之間的土體；

（7）施工本隧道基坑第二道支撐并開挖至坑底。

3 數值模擬計算

首先考慮本隧道基坑按常規一次開挖到底實施和分段分坑開挖實施兩種方案，分別建模分析兩種方案對緊鄰已實施基坑的總體影響。

一次開挖及分坑開挖兩種方案中本隧道工程基坑開挖到坑底時兩個基坑的水平位移如圖3、圖4所示。

圖3 一次開挖水平位移云圖

圖4 分坑開挖水平位移云圖

模擬結果顯示，分坑開挖方案對緊鄰地塊基坑影響明顯比一次開挖方案小。具體數值如圖5所示，隧道基坑一次開挖方案計算得到華潤地塊基坑中靠近本隧道工程圍護樁水平位移最大值達到21mm，分坑開挖方案計算得到的華潤地塊基坑中靠近本隧道工程的圍護樁水平位移最大值為1.8mm。

圖5 華潤地塊靠近本隧道工程基坑圍護樁水平位移圖

根據以上分析結果，可知緊鄰華潤地塊基坑開挖本隧道基坑時會引起華潤地塊底坑圍護較大變形，華潤地塊圍護樁的水平位移達到21mm，而且整體的水平位移也較大，可能對基坑安全造成隱患。若分坑先實施本隧道東側基坑（遠離華潤基坑側），對華潤地塊基坑影響較小，基坑安全能夠得到保證。

為了更合理地確定分坑開挖的封堵墻位置，利用有限元軟件對距離華潤地塊基坑邊5m、10m、15m、20m、30m的隧道開挖對華潤地塊基坑影響進行了模擬分析，把模擬結果繪制曲線如圖6、圖7所示。

以上分析結果表明，明挖隧道施工距離地塊基坑越遠，施工對地塊基坑影響越小。結合以往大量實踐經驗，距離相鄰地塊10～15m（約一倍隧道基坑開挖深度）開挖，其對地塊基坑影響是可控的。

圖6 不同距離隧道開挖時相鄰地塊基坑圍護樁水平位移曲線圖

圖7 明挖隧道和地塊基坑距離與地塊基坑圍護樁水平位移曲線圖

4 結語

本文通過建立二維有限元數值模型，對與相鄰基坑距離不同的明挖隧道實施對緊鄰已實施基坑的影響進行了詳細分析，研究結果表明：

（1）當地塊與隧道等同時開發時，一定要確定合理的建設時序。

（2）相鄰基坑共用圍護結構，當前期結構未完成時，后期基坑直接開挖會對前期基坑引起較大的變形，造成安全隱患。

（3）明挖隧道施工距離相鄰基坑越遠，施工對相鄰基坑影響越小，當距離大于三倍隧道基坑開挖深度范圍，可認為明挖隧道施工對相鄰基坑基本沒有影響。

（4）相鄰基坑共用圍護結構，當前期結構未完成之前欲實施后期基坑，后期基坑應采用分坑開挖方案，且封堵墻距離前期基坑應大于一倍后期基坑開挖深度范圍。