深基坑開挖對臨近既有結構的影響研究

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，城市化進程加快，城市地上空間逐漸趨于飽和，故地下空間被大力開發。新建基坑工程常近距離臨近既有構建筑物，基坑開挖實為卸荷過程，會破壞原有地層的應力平衡狀態，進而引起周邊地層的變形，尤其是軟土地區。深基坑支護結構和止水方案設計不當，易導致基坑自身和周邊建筑過大變形，嚴重時引起工程事故。

近年來，關于深基坑設計和施工的研究已逐漸成為當前熱點之一。不少學者通過現場監測、數值模擬等手段對深基坑工程開展了一系列的研究。王定軍等[通過數值軟件模擬基坑開挖過程，分析了基坑施工對下臥地鐵隧道的受力變形影響。韓偉等[2]基于MIDASGTS軟件，分析了基坑二次開挖引起的隧道變形，并驗算盾構管片安全性。李健津等[3]設計了地下室底板和地下連續墻的聯合圍護結構，通過數值手段分析了連續墻門式剛架支護作用和機理。鄭剛等[4依托津西站交通樞紐工程，通過布置觀測點，監測了抗浮樁、三軸攪拌樁和基坑施工各階段的下臥隧道變形。高廣運等[5]以臨近地鐵的深基坑工程為例，提出了有效的控制隧道變形的措施，并結合有限元軟件驗證可行性。鄒偉彪等[結合現場監測和有限元模型，分析了基坑開挖引起既有隧道的受力變形發展規律。

本文以某采用樁錨支護的深基坑工程為例，采用有限元軟件分析了基坑施工對既有隧道總水頭和變形的影響，旨在為本工程的順利施工提供保障。

1工程概況

1.1基坑基本情況

本工程由2棟寫字樓和裙房組成，地下共3層，基坑深度 15.1m ，豎直開挖，采用樁錨支護方案，灌注樁樁徑 800mm ，樁間距1.5m，一樁一錨。豎直方向共設4道錨索：第一道錨索為2束 Φs17.8 鋼絞線，總長 22m ，錨固長度 11.5m 。第二道錨索2束 Φs17.8 鋼絞線，總長22m ，錨固長度 13.5m 。第三道錨索3束 Φs17.8 鋼絞線，總長 22m ，錨固長度 15m. 第四道錨索3束 Φs17.8 鋼絞線，總長 22m ，錨固長度 16.5m 。

坡頂護坡寬度為 1.50m ，每隔2.0m垂直擊入 $＼Phi _ { ? } 1 6 ?$ 的鋼筋，用以掛網，進行掛網噴面。網筋采用 Φ6.0 鋼筋，間距為 200mm 。樁間進行掛網噴面，對樁間土進行防護。

1.2工程地質條件

根據巖土工程勘察報告，研究區擬建場地地基土在勘察深度范圍內可劃分為如下幾層： ① 雜填土。雜色，松散，土質不均勻，成分主要由碎石、混凝土塊、磚塊組成，含少量粘性土，物理力學性質極不均勻。 ② 黃土狀粉質黏土。黃褐色，可塑。土質較均勻，含少量白色鈣質粉末，見少量針狀孔隙。干強度中等，韌性中等，搖振無反應。 ③ 粉質黏土-1。灰褐色，可塑，局部硬塑。土質較均勻，含少量鐵錳氧化物。干強度中等，韌性中等，搖振無反應。 ④ 粉質黏土2。棕紅色，硬塑。土質較均勻，含少量鐵錳氧化物，該層底部含風化巖碎屑及碎石。干強度高，韌性高，搖振無反應。 ⑤ 碎石。淺灰色，中密，稍濕。顆粒成分為石灰巖質碎石，多呈次棱角狀及少量亞圓狀，粒徑 2～5cm ，最大 10cm ，含量40%～60% ，局部黏性土較集中。

2三維模型建立及參數設置

2.1 三維模型建立

參考基坑設計方案及地勘報告，并考慮模型邊界對計算結果的影響，建立尺寸為 380m×250m×55m 的三維基坑-隧道模型，如圖1所示。對模型進行六面體網格劃分，并對基坑和隧道周邊部分進行局部網格加密，共計劃分出42514個節點，34355單元。模型中用內置殼單元模擬隧道管片，用實體單元模擬土層和灌注樁，用梁單元模擬錨索。管片接頭部位進行剛度折減，折減系數取值0.8。

為使得模擬工況更接近于實際，基坑模型邊界條件假設如下：整體模型四周法向固定約束，徑向自由；整體模型底面法向和徑向均固定約束；整體模型表面法向和徑向均自由。

2.2參數設置

結合研究區工程地質情況，采用修正的摩爾-庫倫本構模擬各土層的應力-應變規律，表1給出了各地層的模型參數。基坑和隧道結構采用彈性本構模型，表2給出了相應的模型參數。其中： Ψ_c 為粘聚力， φ 為內摩擦角， μ 為泊松比， γ 為重度， 為固結試驗的參考切線剛度， E_ur^ref 為卸荷再加荷模量， E₅₀^ref 為三軸排水試驗的參考割線剛度。

2.3 工況模擬

結合基坑施工方案，模型共設置6個工況，表3給出了工況詳細內容。

3基坑開挖對臨近隧道的影響

3.1模型驗證

為驗證模型的合理性和準確性，選取遠離隧道側基坑中部的圍護樁水平變形和地表沉降，對比模擬值和監測值，如圖2所示。從圖2可以看出，圍護樁水平位移和地表沉降的模擬值和監測值變化曲線基本一致。沿著深度方向，圍護樁水平位移先迅速增大，在約10m深度處達到水平位移峰值，隨后迅速減小，并在接近樁底的過程中衰減速率放緩。隨著距基坑邊距離的增大，地表沉降先迅速增大，在距基坑邊約15m處達到最大值，隨后迅速減小并逐漸趨于平緩。

從數值角度可以看出，最大圍護樁水平位移的模擬值為 29.1mm ，監測值為 31.8mm ，兩者誤差在 8.5% 左右；最大地表沉降的模擬值為21.1mm，監測值為 23.4mm ，兩者誤差在 9.8% 左右。由此可見，無論是圍護樁水平位移還是地表沉降，兩者誤差均不超過 10% ，在可控范圍之內，說明本文所建立基坑模型是合理的。

此外無論是圍護樁水平位移還是地表沉降，監測值均大于模擬值。這可能是因為數值模擬工況較為理想，而實際工況較為復雜，因而數值模擬中圍護結構的變形控制更為理想。

3.2既有隧道水頭的影響

3.2.1孔隙水壓力分析

基坑開挖會破壞原有的土體結構，進而影響土體的滲透性。如果土體變得更加疏松，其滲水能力會增強，從而導致基坑及周邊水位下降。此外，基坑開挖過程中，可能會改變地下水的自然流動路徑，導致周邊局部水位下降，因此有必要采取有效的止水措施。圖3給出了基坑開挖后的孔隙水壓力云圖。從圖3可以看出，基坑施工完成后孔隙水壓力分布與實際工況相符，離基坑越近，受基坑開挖的影響越大。

3.2.2左、右線隧道底部水頭分析

圖4給出了基坑逐步降水過程中左、右線隧道底部水頭的柱狀圖。從圖4可以看出，基坑降水會引起既有隧道周邊地下水位的明顯變化。基坑每降水一次，左右線隧道總水頭都逐步下降，且左線隧道總水頭的下降速度更快。具體而言，基坑未施工前，左線隧道拱底總水頭為 -6.0m ，基坑經歷4次降水后，該線總水頭降至 -7.06m ，總水頭共下降 1.06m 。基坑未施工前，右線隧道拱底總水頭為 -6.0m ，基坑經歷4次降水后，該線總水頭降至 -6.68m ，總水頭共下降 0.68m. 由此說明，說明基坑降水對左線隧道的水頭的影響更大。這是因為左線隧道離基坑更近。整個基坑施工過程中，雙線隧道總水頭下降幅度均不大，說明本工程止水設計方案能滿足設計要求。

3.3對既有隧道變形的影響

為分析基坑開挖對臨近既有隧道變形的影響，選取基坑每次開挖后左右線隧道的最大豎向和水平位移，繪制成曲線，如圖5所示。從圖5可以看出，基坑開挖初期，左線和右線隧道的豎向和水平位移都緩慢增大，隨著基坑開挖深度的增大，左線和右線隧道的豎向和水平位移增速逐漸變大。

以左線隧道水平和豎向位移為例，每步工況較前一步工況的水平位移增幅分別0.8mm、1.3mm、1.4mm、2.2mm ， 3.9mm ，每步工況較前一步工況的豎向位移增幅分別 0.4mm 、0.5mm、 0.5mm 、1.5mm、2.4mm。基坑開挖完成后，左線隧道水平位移約為豎向位移的1.85倍，右線隧道水平位移約為豎向位移的1.78倍，左線隧道水平位移約為右線隧道的2.04倍，左線隧道豎向位移約為右線隧道的1.96倍。

綜上可見，隨著基坑開挖深度越深，基坑對既有隧道的變形影響越大，基坑開挖對既有隧道水平變形的影響約為豎向變形影響的2倍，基坑開挖對左線隧道變形的影響約為右線隧道的2倍。此外，基坑開挖引起的左右線隧道的豎向位移和水平位移都小于 10mm ，均在設計限值內，說明本工程所采用的支護方案能保證既有隧道的安全。

4結論

本文以某深基坑為研究對象，通過數值軟件建立三維模型，分析了基坑開挖和降水對既有隧道的影響，評估了既有隧道的安全性。主要獲得以下結論：

沿深度方向，圍護樁水位位移呈先增大后減小趨勢；沿垂直基坑邊方向，地表沉降同樣呈先增大后減小趨勢。圍護樁變形和地表沉降的監測值均比模擬值大，但兩者誤差不超過 10% ，說明本文所建立模型的合理性。基坑降水會導致既有雙線隧道總水頭下降，且臨近側的左線隧道總水頭降幅更大，但處于可控范圍，說明止水設計方案能滿足要求。隨著基坑的開挖，左右線隧道豎向和水平位移均持續增大，且增速逐漸變快；基坑開挖引起的左線隧道變形約為右線隧道的數倍。

參考文獻

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[3]李健津，陳俊生，劉叔灼，等.緊鄰地鐵正上方基坑開挖對地鐵保護措施研究[J].地下空間與工程學報，2016，12（增1）：348-353.

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