基坑開挖對鄰近既有隧道工程的影響研究

吳運忠

（九江市公路發展中心永修分中心，江西九江 330300）

0 引言

近年來，城市化進程不斷加快，在進行建筑物的建設過程中常常會遇到鄰近的既有建筑物，新建筑物的建設對既有建筑物的安全影響重大，尤其是新建筑基坑開挖階段。根據學者們研究表明基坑工程在開挖時相當于對土體卸載，必然會引起坑底的土體隆起，基坑四周的地層也會產生移動變形，進而有可能導致鄰近的地鐵隧道發生變形。

例如，左殿軍等[1]采用數值模擬的方法研究深基坑開挖對鄰近地鐵隧道影響，研究結果表明地表的沉降、隧道襯砌的位移隨著基坑開挖深度的增加而增大；張治國等[2]對在軟土隧道附近進行基坑開挖，研究基坑開挖對隧道的影響，研究提出在鄰近軟土隧道進行基坑開挖的保護措施；應宏偉等[3]根據實際的工程案例對深基坑中采用隔斷墻保護的鄰近建筑物進行研究分析，研究結果表明隔斷墻能夠明顯降低坑外地表的沉降，減小鄰近建筑物的橫向角變量，減小因基坑開挖引起建筑物的損傷。魏少偉、胡琦、孫鈺杰等[4-6]利用三維分析軟件對基坑開挖時坑底對已建隧道的影響進行研究，結果表明基坑的空間效應對隧道橫斷面的影響有著明顯的影響。現有的研究已取得一定的成果，但對隧道埋深、基坑開挖深度及基坑與隧道的距離等不同影響因素的分析相對較少。為此，在現有的研究成果基礎上，利用Plaxis 3D 軟件建立三維模型分析不同的隧道埋深、不同的基坑開挖深度及隧道與基坑不同水平距離情況下基坑開挖對既有隧道的影響。

1 基坑開挖對鄰近既有隧道影響的有限元模擬

1.1 有限元軟件介紹

此次模擬采用的有限元軟件是由荷蘭研究學者開發的Plaxis 3D 軟件，該軟件具有應用能力強、建模簡單、運算快及自動劃分網格等強大的優點，同時還能對多個相介質土進行模擬，處理土體的非線性隨時間的變形情況。Plaxis 3D 能夠模擬土體、墻、梁、板等各種元素，還能處理各種元素直徑的接觸面問題，此次利用該軟件進行小應變土體硬化本構（HS-small）模型的建立，采用該模型是因為根據相關的研究表明，該模型是更適合于基坑變形分析的本構模型。該模型是基于三軸排水試驗的研究成果而建立的，它能夠充分地考慮土體在小應變時的剛度非線性變化，并且能夠考慮材料的剪切硬化與壓縮硬化問題，還能對土體在小應變時的土體特性進行考慮。

1.2 模型的建立

此次的隧道直徑大小為6m，模型的尺寸為長75cm×寬57cm×高60cm，具體的模型見圖1，模型中采用四面體單元進行模擬，模型中的邊界設置中對頂面設置為自由，側面添加水平位移的約束，底面添加固定的約束，在Plaxis 3D 軟件中提供了兩種三角形土體單元，分別是6 節點三角形土體單元和15 節點三角形土體單元節點，兩種形式的土體單元節點均能用來模擬模型中的土層及塊體，并且結構類型的單元能夠與土體單元類型自動匹配，相較于6 節點三角形土體單元而言，15 節點三角形土體單元的計算精度更高，通過模擬能得到高精度計算結果，其位移計算的結果集中在節點中，而應力應變的計算則是在高斯積分點上，可快速通過選擇節點得到關于荷載與位移的關系曲線圖，還能通過快速選擇應力點得到應力-應變曲線圖，此次模型中的相關參數見表1 及表2。

圖1 隧道與基坑的模型圖

表1 模型中的參數設置

表2 模型中的參數設置

1.3 模擬的方案

本文為模擬基坑開挖時在不同隧道埋深、不同基坑開挖深度及隧道與基坑的不同水平距離情況下對既有隧道的影響，分別設置九種不同的工況進行模擬；此次的模擬開挖過程是一次性的，在進行模擬開挖時，先將巖土體假定為彈塑性體，即認為巖土體是均質的且各向同性，然后進行初始應力計算，最后進行基坑的開挖模擬，具體的模擬工況如表3 所示。

表3 模擬的工況

表3 中工況1、2、3 用于模擬隧道不同埋深情況下，基坑開挖對隧道產生的影響，工況4、5、6 用于模擬隧道與圍護墻不同距離情況下，基坑開挖對隧道產生的影響，工況7、8、9 用于模擬基坑開挖深度不同時對隧道產生的影響。

2 基坑開挖對鄰近既有隧道影響模擬結果分析

本文主要分析在不同工況下的基坑開挖對隧道的上浮及對隧道水平位移的影響。

2.1 不同的隧道埋深工況下

在不同隧道埋深工況下，根據模擬的應力結果通過作圖分析基坑開挖對鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體的結果如圖2 所示。

圖2 不同隧道埋深工況

從圖2 中的（a）（b）中可以看出，當隧道距圍護墻的距離及基坑的開挖深度一定時，隨著隧道的埋深增大，因基坑的開挖而導致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸減小。特別當隧道的埋深從10m 變到13m 時，隧道的埋深對隧道的上浮影響非常明顯，隧道上浮從0.026%降到0.021%；從埋深13m 到埋深16m 時的變化趨勢較小，對于水平的位移變化來說，隨著隧道埋深的增加其變化較為均勻，說明隧道埋深的增大對隧道的水平位移影響較小。

2.2 隧道與圍護墻的不同距離

在隧道與圍護墻的不同距離工況下，根據模擬的應力結果通過作圖分析基坑開挖對鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體的結果如圖3 所示。

圖3 隧道與圍護墻不同距離工況

從圖3 中的（a）（b）中可以看出，當隧道的埋深及基坑的開挖深度一定時，隨著隧道與圍護墻的距離增大，因基坑的開挖而導致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸減小，當隧道距離圍護墻的距離為3m 時的隧道上浮約為0.023%，水平位移為0.016%，當隧道距離圍護墻的距離為6m 時的隧道上浮約為0.02%，水平位移為0.016%，當隧道距離圍護墻的距離為9m 時的隧道上浮約為0.016%，水平位移為0.006%，整體上其變化的趨勢較為穩定，說明隧道與圍護墻的距離對隧道的水平位移及隧道的上浮影響均較小。

2.3 不同的基坑開挖深度

在不同的基坑開挖深度工況下，根據模擬的應力結果通過作圖分析基坑開挖對鄰近既有隧道的上浮變化及水平位移變化，具體結果如圖4 所示。

圖4 不同基坑開挖深度工況

從圖4 中的（a）（b）中可以看出，當隧道與圍護墻的距離及隧道的埋深一定時，隨著隧道開挖深度的增加，因基坑的開挖而導致的隧道上浮及隧道的水平位移逐漸增大；當隧道與圍護墻的距離為6m 時的隧道上浮約為0.022%，水平位移為0.0115%；當隧道與圍護墻的距離為9m 時的隧道上浮約為0.0235%，水平位移為0.016%；當隧道與圍護墻的距離為12m 時的隧道上浮約為0.025%，水平位移為0.031%。發現隧道的上浮變化較為平穩，而隧道開挖深度的加大對既有隧道的水平位移影響較大。特別是當開挖深度從6m 變為9m 時，說明隧道的開挖深度對隧道的水平位移影響較大，對隧道的上浮影響較小。

3 結語

研究結果表明：隧道的埋深越深對鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越小，其中隧道的埋深對隧道上浮的影響較大；隧道與基坑圍護墻距離越大對鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越小；基坑的開挖深度越深對鄰近隧道的水平位移及隧道上浮影響越大，其中基坑的開挖深度對隧道水平位移的影響較大。因此，在工程允許的情況下，應盡可能控制基坑的開挖深度并加大隧道與基坑圍護墻的距離。