基坑開挖對相鄰盾構隧道變形的影響研究

摘要：文章就基坑開挖對盾構隧道結構的破壞進行研究，建立了基于基坑與隧道不同距離、不同隧道管片厚度的有限元模型，分析了不同厚度盾構隧道管片的位移場及縱向變形。得出以下結論：（1）相鄰基坑開挖會引起位移過大、沉降、盾構隧道結構變形，造成斷裂增多、漏水、滲漏等結構破壞；（2）隨著隧道與基坑距離的減小，隧道變形不斷增大，當距離＜30 m時，管片厚度的增加大大改善了結構變形；（3）管片厚度的增加對縱向變形阻力沒有明顯影響。此外，當隧道與基坑距離＜50 m時，應采取附加防護措施，以減少隧道縱向變形。

關鍵詞：隧道工程；基坑；盾構；變形

中圖分類號：U455.43A421454

0引言

由于施工技術的不斷進步和機械化程度的提高，地下結構經歷了從明挖和地下開挖向盾構隧道結構的轉變［1］。然而，城市地鐵工程早期的結構設計主要考慮周邊水土荷載和部分超載，隨著大量城市基礎設施的建設，城市地鐵建成區周邊將出現新的工程活動，如周邊裝卸施工和新建相鄰隧道施工等。城市環境的變化導致了傳統理論盾構隧道設計剛度不足的問題，進而引發變形過大等多種病害，同時也增加了后期的運行風險和維護成本，影響盾構隧道的安全性。因此，在城市地鐵工程的結構設計中，應考慮環境變化引起的各種影響因素［2］。

目前，許多學者從工程監測、模型試驗和數值模擬三個方面研究了基坑開挖對相鄰地鐵結構的影響，且在基坑開挖過程中，常采用整體開挖、隔墻等措施來保護隧道。考慮到橫向平臺對新建地鐵線路邊界的影響，我國隧道內徑呈增加趨勢［3］。目前，隧道結構擴徑后在外部環境影響下的變形特征尚不明確；同時，隧道擴徑后，應增加隧道管片的厚度，使其與擴徑相匹配。然而，目前的研究大多沒有涉及確定厚度和承載變形能力之間的關系［4］。

基于此，本文詳細介紹某地鐵1號線相鄰基坑開挖方案，并預測基坑開挖后的隧道變形，研究隧道管片厚度能否增加其抗基坑擾動能力；同時分析了現有工程基坑開挖對隧道結構影響的現場實測數據，探討了盾構隧道結構的變形和破壞。

1項目概況

本文研究對象為某地鐵1號線，其左線起止樁號為K31+523.250～K32+561.290，右線起止樁號為K31+523.250～K32+561.290，左右線總長度分別為1 033.097 m和1 038.040 m。隧道段為單孔單線圓形隧道，盾構施工。隧道最小平曲線半徑為450 m，線距范圍為13.4～17.0 m。隧道最大縱坡為25.326%，頂部埋深為9.2～17.32 m。開挖區內隧道埋深約為13.8～17.2 m，隧道外徑為6.7 m，盾構管片厚度為0.4 m。地鐵盾構隧道左右線平行，雙線中心線間距約為12.0 m。隧道主要位于粉質黏土層。在基坑開始挖掘之前，兩條隧道線的建設已經完成。

基坑面積約為46 000 m2，地鐵隧道結構頂部至基坑底部的距離約為9.29 m，最近的水平距離約為0.7 m。屋蓋埋深約為1.8 m，基坑開挖深度約為4.85 m。基坑采用明挖法施工，采用SMW850@600工法支撐。基坑與隧道的位置關系如圖1所示。

2工程隧道損傷監測分析

項目組在二次支護下開挖基坑時，在日常檢查中發現左線盾構隧道底部有滲漏現象；一周后，盾構隧道底部出現縱向裂縫和滲水現象；受相鄰大型基坑施工影響，區間隧道40～414環出現不同程度受損，斷層增多、漏水、管片開裂等現象。

基坑開挖范圍為盾構隧道第60環至第260環之間的位置。從圖2可以看出，在基坑開挖過程中，隧道有明顯的橫向位移和沉降位移。橫向位移呈中間較大、兩側較小的趨勢，最大水平位移為34 mm。隧道整體沉降明顯，最大沉降為20 mm。全部施工完成后，隧道累計沉降為33.26 mm，縱向和橫向收斂變形分別為-23 mm和28 mm。基坑開挖引起的隧道沉降、豎向變形和水平變形分別占最終值的40%、47.8%和42.9%。

3數值模型和開挖方案

3.1數值模型和參數

Midas-GTS是用于土壤和隧道的三維有限元分析軟件，幾乎包含了施工全階段的應力分析和滲透分析［5］，可以對復雜的幾何模型進行可視化和直觀的建模，故本研究采用該軟件進行數值建模。計算模型尺寸選擇為260 m×220 m×40 m（長×寬×高），計算模型網格如圖3（a）所示。以該曲面為自由邊界，其余五個曲面均受其法向變形約束。該模型分為76 512個單元和13 576個節點。模型內部結構位置關系如圖3（b）所示，修正的摩爾-庫侖破壞準則用于土的本構模型。模型的其他組成部分采用以下方法進行模擬：（1）模型周圍土壤中采用實體單元；（2）盾構段和塊狀結構采用板單元模擬；（3）采用等效剛度原理將基坑擋土樁轉化為板單元模擬；（4）采用梁單元模擬鋼支撐和混凝土支撐；（5）螺栓采用植入式梁元件。同時，考慮了土體的開挖過程和擋土結構的作用，以及20 kN/m2的變荷載。

3.2模擬開挖過程

為模擬全施工開發過程對隧道的影響，將施工步驟分為支撐施工、隧道施工、基坑開挖、地下結構施工、地下室回填、地上結構施工六個步驟，如圖4所示。其中，由于設計方未提供詳細的施工組織方案，模型計算是按照一次性完成開挖時最不利的工況進行。

4結果與討論

4.1隧道位移

以隧道竣工階段為初始狀態，隧道位移為零。圖5為基坑開挖、地下結構施工、地下室回填三個施工步驟的模擬隧道位移計算結果。從圖5可以看出，盾構隧道向基坑的水平位移是由基坑開挖引起的，同時也產生了隧道的上抬位移。最大水平位移為23.6 mm，最大沉降位移為4.2 mm。在接下來的施工中，隧道位移逐漸反彈，隧道累積水平位移為19.2 mm，累積沉降位移為4.2 mm。與前文現場監測結果對比可以發現，計算結果能夠反映基坑施工的實際情況。

4.2隧道管片厚度敏感性分析

由于消防疏散平臺的要求，某地鐵1號線盾構隧道內徑增加到5.9 m，這在我國目前的地鐵盾構隧道中是很少見的。因此，管片厚度與內徑5.9 m的匹配情況尚不清楚。本節通過改變管片厚度，研究了不同厚度管片在基坑開挖下的抗變形能力。分段厚度以25 mm為間隔，范圍為350～425 mm。此外，基坑深度分別取為8 m和12 m，隧道與基坑的距離也調整為5～50 m。

在基坑開挖的影響下，隧道外的土體向基坑內部移動。隨著基坑附近隧道的位移大于基坑外隧道的位移，隧道變形增大。右側隧道距基坑不同距離的水平變形如圖6（a）所示，隨著距離的增加，隧道的水平變形不斷減小。當距離在5～20 m時，變形呈線性減小，管片加厚可使變形減小20%～50%。同時，管片加厚可以明顯降低較深基坑的變形值。當距離在20～30 m時，管片厚度的影響減弱，厚度的增加并不能顯著減小隧道變形。當距離＞30 m時，變形趨于穩定，不同厚度的管片變形基本相同；在這種情況下，基坑深度對隧道變形的影響較小。左側隧道的水平變形如圖6（b）所示，這與右側隧道曲線相似。不同之處在于，由于距基坑較遠，隧道整體變形較小，對管片厚度影響較小。

除了隧道變形外，隧道整體位移過大也會造成破壞［6］。當隧道發生水平位移時，其相對曲率應＜1/2 500。根據曲率公式計算隧道在不同工況下的縱向曲率，得到計算范圍內的最小曲率半徑。如表1所示。

從表1可以看出，隨著隧道與基坑的距離減小，相同開挖深度下，最小曲率半徑不斷減小。當距離在30～50 m之間時，最小曲率半徑超過標準要求的標準值，應采取防護措施。不同管片厚度隧道結構的最小曲率半徑在相同距離處基本相同，說明管片厚度的增加對縱向變形抗力沒有明顯影響。

5結語

本文以某1號線相鄰基坑開挖方案為基礎，探討了類似工程中盾構隧道的破壞情況。在此基礎上，對某地鐵1號線相鄰基坑開挖進行數值模擬，研究管片厚度與基坑深度的關系。得出以下結論：

（1）根據同類工程監測結果，相鄰基坑開挖會導致盾構隧道整體偏斜、沉降、結構變形過大，造成斷層增多、漏水、管片開裂等結構破壞。其中，基坑開挖引起的隧道變形絕對值占比最大，＞40%。

（2）地鐵相鄰基坑開挖數值模擬結果表明，基坑開挖導致隧道結構水平變形和沉降變形過大，隧道結構變形在后續施工中反彈。數值結果與工程監測結果的一致性表明，本文提出的模型是正確的，可用于預測地鐵相鄰基坑的施工過程。

（3）管片厚度和隧道與基坑距離分析表明，隧道變形隨著隧道與基坑距離的減小而增大，管片加厚可以顯著減小變形。隨著距離的增加，管片加厚的抗變形效果降低。當距離＞30 m時，變形趨于穩定，不同厚度段和基坑深度對隧道變形影響不大。此外，管片厚度的增加對縱向變形抗力沒有顯著影響。當隧道距基坑＜50 m時，應采取附加防護措施，以減小隧道縱向變形。

參考文獻［1］徐國元，黃思源.基坑開挖對下臥盾構隧道變形影響的計算分析［J］.重慶交通大學學報（自然科學版），2021，40（9）：78-85.

［2］李長安.基坑開挖對鄰近地鐵盾構隧道變形以及內力的影響研究［J］.粉煤灰綜合利用，2020，34（4）：30-34.

［3］干志偉.基坑開挖對鄰近5.9 m內徑盾構隧道的變形影響［D］.紹興：紹興文理學院，2019.

［4］馮龍飛.基坑開挖對側方地鐵盾構隧道的變形影響及控制措施研究［D］.廣州：華南理工大學，2014.

［5］徐文騰.軟土地區近接既有地鐵隧道明挖基坑施工技術分析［D］.重慶：重慶交通大學，2021.

［6］徐日慶，申碩，董梅，等.軟土地區基坑開挖誘發鄰近盾構隧道水平位移的簡化算法［J］.湖南大學學報（自然科學版），2021，48（3）：153-163.

作者簡介：吳仲邦（1992—），工程師，主要從事城市軌道交通及高速公路管理工作。