上跨隧道基坑開挖方式優(yōu)化研究

孫小波，龐 晉，壽凌超*

（1.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，杭州 311265；2.浙江明燧科技有限公司，杭州 310000）

隨著城市化進(jìn)程的加快，上跨既有地鐵隧道的基坑開挖現(xiàn)象越來越普遍，這必然影響地鐵運(yùn)營安全[1-4]，為了確保基坑的順利開挖及地鐵的的安全運(yùn)營，合理的開挖順序十分重要。

目前，很多專家學(xué)者對基坑的開挖順序影響進(jìn)行了一定的研究。畢書琦等[5]結(jié)合實(shí)際工程，分析了基坑開挖過程中對下臥隧道產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明隧道上浮變形初期受開挖順序影響很大；葉建峰等[6]利用PLAXIS 建立相鄰基坑開挖的二維模型，分析認(rèn)為相鄰基坑的間距、開挖順序及支護(hù)方式是基坑變形的重要影響因素；顏超[7]對相鄰基坑研究發(fā)現(xiàn)，后期開挖施工的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移會(huì)朝著先開挖基坑方向偏移，提出相鄰基坑首選同步開挖施工。

基坑土體的開挖順序直接影響土體的應(yīng)力釋放，從而對圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境產(chǎn)生較大的影響[8]。本文以杭州某上跨運(yùn)營地鐵基坑工程為研究背景，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法分析不同開挖順序引起的地表沉降隆起、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及下臥隧道的變形特征，為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

艮山東路過江隧道工程設(shè)計(jì)為城市快速路，含過江隧道、綜合管廊、地面連接線工程及配套附屬工程。工程全長4 612.26 m（含地面連接線道路），隧道全長4 462.26 m（含盾構(gòu)段長約3 210 m）。其中下沙側(cè)在YK0+700 附近的明挖段與已建地鐵1 號(hào)線正交，明挖段基坑如圖1 所示，二者基本呈90°立交，地鐵1 號(hào)線頂標(biāo)高-9.603 m，位于擬建隧道工程下方約6 m。

圖1 基坑與地鐵隧道平面位置關(guān)系圖

1.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)

基坑圍護(hù)樁采用直徑800 mm、間距1 000 mm 的鉆孔灌注樁，其中地鐵正上方采用雙排樁，止水帷幕為2400@1800MJS 旋噴樁。基坑內(nèi)設(shè)直徑1 200 mm 鉆孔灌注樁作抗拔樁。盾構(gòu)隧道正上方圍護(hù)樁樁底與隧道頂之間豎直距離大于2.0 m，其余圍護(hù)樁底標(biāo)高為-21.2 m。地鐵1 號(hào)線盾構(gòu)隧道兩側(cè)采用門式體加固，加固方式為MJS 旋噴樁，加固深度基坑底至-21.2m，基坑基底滿堂加固，加固方式為2400@1800MJS 旋噴樁。各分坑之間以鉆孔灌注樁分隔，總體施工順序?yàn)橐来伍_挖上方基坑a 區(qū)、b 區(qū)、c 區(qū)和d 區(qū)。

2 PLAXIS 2D 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)艮山東路過江隧道工程地質(zhì)特征，結(jié)合基坑設(shè)計(jì)與施工方案，本文選取圖1 中a 區(qū)與c 區(qū)開挖剖面，采用PLAXIS 2D 有限元軟件建立數(shù)值模型，分析a區(qū)與c 區(qū)不同先后開挖順序?qū)χ苓叚h(huán)境、下臥運(yùn)營地鐵的影響。土體本構(gòu)采用小應(yīng)變土體硬化本構(gòu)（HSS），根據(jù)地勘報(bào)告建立土層模型，地連墻采用板單元模擬，內(nèi)支撐采用錨桿單元進(jìn)行模擬。

計(jì)算模型劃分網(wǎng)格如圖2 所示。模型中基坑的開挖深度為9.8 m，由于基坑沿寬度方向幾何對稱，建立1/2基坑寬度模型以減少模型計(jì)算量。根據(jù)圣維南原理[9]，基坑開挖影響深度一般是基坑開挖深度的3～5 倍，故土層邊界寬100 m，深度50 m。幾何模型底部施加完全固定約束，左右兩側(cè)邊界施加水平約束。另外，在基坑開挖面附近施加20 kPa 荷載以模擬施工荷載。土層計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2 種不同開挖順序分別為①先開挖中間后開挖外

側(cè)（方案一）；②先開挖外側(cè)后開挖中間（方案二）。模型2 種方案計(jì)算步驟見表2。

表2 基坑開挖施工步驟

2.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況分析

在基坑開挖完成后，提取2 種開挖順序下地連墻水平位移的變形曲線，如圖3 所示。

圖3 地連墻水平位移曲線圖

由圖3 可以看出，不同的開挖順序?qū)Φ剡B墻的變形情況有較大的影響，合理的開挖順序可以有效減小地連墻的水平位移。方案一中間部分土體的開挖對地連墻水平位移影響較小，最大位移值為9.37 mm，最大位移深度在距離樁頂9.21 m 處；方案二開挖順序下，外側(cè)土體開挖完成后，中間部分土體開挖使地連墻繼續(xù)發(fā)生變形，最大位移值為10.98 mm，最大位移深度在距離樁頂10.01 m 處，最大位移值較方案一增大了1.61 mm（17.18%）。

2.2.2 地表沉降與坑底隆起分析

當(dāng)基坑開挖完成后，2 種不同開挖順序方案最終地表豎向位移云圖如圖4 所示。

方案一中墻后地表沉降最大值約為-7.04 mm，內(nèi)、外部基底隆起最大值分別約為8.09 mm 和7.91 mm；方案二中墻后地表沉降最大值約為-8.30 mm，內(nèi)、外部基底隆起最大值分別約為5.56 mm 和16.09 mm；2 種開挖順序?qū)Ρ瓤芍乳_挖外側(cè)土體雖然減小了內(nèi)部基底隆起，但使外部基底隆起大幅增大，墻后地表沉降也相應(yīng)增大。

2.2.3 地鐵隧道變形分析

下臥隧道位于基坑內(nèi)側(cè)土體下方，基坑開挖產(chǎn)生的卸荷作用會(huì)造成隧道的隆起變形。基坑開挖完成后，2 種不同開挖順序下的隧道變形如圖5 所示。

圖5 地鐵隧道位移圖

圖6 反映了各開挖工況引起的隧道豎向位移變化，可以看出，因?yàn)樗淼捞幱趦?nèi)部土體下方，所以隧道豎向位移主要受到內(nèi)部土體開挖影響，受外部土體開挖影響較小；底板的及時(shí)澆筑可以減小隧道變形，方案一隧道豎向位移最大值發(fā)生在內(nèi)部土體開挖到底時(shí)，最大值約為7.31 mm，全部開挖完成后隧道豎向位移為6.34 mm；方案二先開挖外部土體時(shí)，外部基底隆起較大，內(nèi)部土體也涌向外側(cè)，所以隧道整體輕微向下位移，隧道豎向位移最大值同樣發(fā)生在內(nèi)部土體開挖到底時(shí)，最大值約為5.46 mm，全部開挖完成后隧道豎向位移為4.68mm，豎向位移最大值較方案一減小了26.18%。

圖6 各工況下隧道豎向最大位移變化

3 結(jié)束語

通過對杭州艮山東路過江隧道基坑內(nèi)土體不同開挖順序的數(shù)值模擬分析，可得到如下結(jié)論。

1）先開挖外側(cè)后開挖內(nèi)側(cè)土體的開挖順序可以有效減小基坑開挖對下臥隧道變形產(chǎn)生的影響，這與周釗等[10]的研究結(jié)果類似，相比于先開挖內(nèi)側(cè)土體后開挖外側(cè)土體造成的隧道豎向位移最大值減小約26.18%。

2）先開挖內(nèi)側(cè)土體時(shí)地連墻最大水平位移為9.37 mm，先開挖外側(cè)土體時(shí)為10.98 mm，增大約17.18%。

3）2 種開挖順序下墻厚地表沉降差異較小，但先開挖外側(cè)土體時(shí)基底隆起最大值為16.09 mm，較先開挖內(nèi)側(cè)土體引起的基地隆起7.91 mm，增加了103.41%。

4）模擬結(jié)果表明2 種開挖順序各有優(yōu)劣，先開挖外側(cè)土體可以更好地保護(hù)下方運(yùn)營地鐵的安全，但基坑本身變形較大。合理的開挖方案是工程安全的重要保障，在實(shí)際施工過程中，應(yīng)結(jié)合工程特點(diǎn)，選擇合理的開挖順序，以減少對基坑及周邊環(huán)境的影響。