近距離開挖基坑對下部盾構隧道的影響分析

王 偉 武慧俊

(1.北京城建設計發展集團股份有限公司，浙江 杭州 310017;2.中鐵隧道勘測設計院有限公司，浙江 杭州 310017)

0 引言

杭州地鐵1號線某盾構區間隧道與上部物業開發基坑坑底的最小距離為1.5 m，上部基坑開挖深度為14.2 m，盾構隧道在物業開發基坑下的長度達300 多米。盾構隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m。

根據上海、廣州地鐵建設經驗，對地鐵隧道的變形控制要求極其嚴格，隧道絕對最大位移不能超過20 mm，施工引起的外加荷載應小于20 kPa。

本文的目的在于找出基坑開挖過程中盾構隧道的變形規律，并提出可采取的加固措施。

1 工程調研

目前，國內已有類似的工程實例，但是在軟土地區尤其是杭州地區尚屬首例。國內類似工程實例調研結果如表1 所示。

表1 國內類似工程實例調研結果匯總表

以上基坑工程成功案例的顯著特點是:

1)深、大基坑空間效應小，基底變形控制難度大，覆土需要一定保證，才能確保盾構安全。

2)開挖過程中運用時空效應原理合理安排開挖土方的尺寸，盡量減小每步開挖無支撐暴露時間，嚴格按照“分層、分塊、分段、對稱、平衡、限時”開挖基坑，能有效控制隧道變形。

3)加固措施主要以門式加固為主，效果較好。

此類工程在已建盾構隧道上部進行大基坑開挖，土方開挖最大的難點在于控制基坑底部隧道回彈。本基坑工程與上海東方路—張揚路地下立交工程相類似。且底板和盾構都處于淤泥質粉質粘土層，土性各種參數也接近于本工程的主要土層，因此具有一定的借鑒價值。

2 工程概況

2.1 工程規模與實施條件

物業開發大基坑長約600 m，寬約300 m，地下兩層地下室基坑深度為14.2 m。地鐵1號線盾構隧道從物業開發地下室底板下穿過，穿越長度約300 m，盾構頂距離地下室基坑坑底的最小距離為1.5 m。

因管線遷改、施工圍擋及分期建設等原因，物業開發的施工工期相對滯后于地鐵1號線。在施工時序上，地鐵1號線盾構隧道先施工，再在隧道上方開挖物業開發大基坑。

圖1 和圖2 分別是地鐵盾構隧道與物業開發地下室結構的平面、縱剖關系圖。

圖1 地鐵1號線與物業開發地下室的平面關系圖

圖2 地鐵1號線與物業開發地下室的縱剖關系圖

本基坑工程的顯著特點是:盾構隧道與物業開發結構底板距離近;物業開發大基坑開挖暴露范圍大，基坑大面積卸載后對盾構隧道的影響比較大。

2.2 工程地質條件

本場地淺部深度20 m 范圍內為沖海相砂質粉土夾粉砂，中部埋深20 m～40 m 范圍約10.0 m～20.0 m 厚的高壓縮性流塑狀淤泥質粉質粘土層和埋深40 m～45 m 范圍約1.0 m～6.0 m 厚的粉質粘土、含砂粉質粘土層，下部為性質較好的圓礫層，厚度大于3 m。地下水位埋深為0.9 m～3.0 m，水位年變幅為1.0 m～2.0 m，地下水流速較小。

3 基坑開挖的數值計算分析

3.1 程序簡介

計算采用FLAC3D 巖土專業軟件，隧道管片采用Liner 單元，Liner 單元具有界面摩擦特性輸入項，用來模擬襯砌比較合適。土體單元采用Mohr-Coulomb 彈塑性本構模型。

3.2 數值計算模型

1)計算模型及工況。

FLAC3D 中模型建立如圖3 所示，模型長52.3 m，高42.7 m，寬30 m。區間隧道結構長度30 m，盾構外徑D=6.2 m，管片壁厚0.35 m。

有限元模型網格劃分如圖3 所示，隧道結構網格如圖4 所示。

圖3 FLAC3D模型網格劃分（單位：m）

圖4 FLAC3D 中盾構隧道管片結構單元

該模型計算考慮土體整層開挖，基坑深度14.2 m 共分5 個開挖步，其分層開挖高度分別為2.6 m，2.6 m，3 m，3 m，3 m，如圖5所示。

圖5 土層分層及分層開挖高度示意圖

2)計算參數。

數值模擬計算的土層參數如表2 所示。

表2 有限元計算參數表

3.3 數值計算結果

1)未采取加固措施的計算結果。

文獻［1］［2］應用殘余應力原理和應力路徑方法建立了基坑隆起變形計算公式，根據該公式，本基坑開挖6 m 時坑內土體的回彈累計值為30.2 mm，開挖至基坑底時盾構隧道隆起位移值為63.87 mm。殘余應力法計算結果見表3。

表3 殘余應力法計算結果

圖6 給出了未采取加固措施的情況下，基坑開挖到坑底后引起的基底豎向位移變形云圖。

圖6 基坑開挖豎向位移云圖

從圖6 可以看出，開挖到坑底時，基底豎向回彈值達到了65 mm，與數值計算結果比較接近。這說明未經加固的基坑開挖后會導致下部隧道隆起位移過大，不能滿足對地鐵隧道隆起變形限制要求。

2)加固后計算結果。

為了減小盾構隧道在基坑開挖期間的隆起，在隧道周邊采取門式加固措施，加固體在隧道邊留有500 mm 的安全距離，隧道頂以上加固高度4 m，兩側加固寬度2 m～15 m，如圖5所示。

采取加固措施后，加固體對盾構隧道周邊土體豎向位移有很大的限制作用。但因加固體相比整個基坑而言其體量較小，所以僅對隧道周邊土體起作用，而對較遠處的土體位移作用不大。

表4 給出了隧道頂部加固高度4 m 的前提下，兩側加固寬度與盾構隧道底部隆起量關系。

表4 隧道兩側加固寬度與隧道底部隆起量關系

從表4 中數據可以看出，采取加固措施后，盾構隧道底部的隆起量有明顯的減小。加固寬度從2 m 增加到15 m，隧道底部隆起量減小了23 mm。但加固寬度增加到5 m 以后，對前兩個開挖步的隆起量影響不大。可知有效的加固寬度僅在隧道兩側3 m～5 m 左右，且整層開挖的方式不利于控制隧道變形。

4 結語

通過對已建地鐵盾構隧道上部開挖深基坑工程的三維有限元計算分析，得出如下結論:

1)利用殘余應力原理和三維數值分析方法建立起來的隧道變形計算模型，結果比較接近，能夠較準確地預測隧道的隆起變形。

2)隧道加固措施有利于減小因基坑開挖引起的隧道隆起變形。

3)合理的加固寬度在隧道兩側3 m～5 m 左右，隧道上部應結合實際情況進行適當加固處理。基坑開挖應分層、分段、分塊開挖，縱向分段長度沿盾構軸線方向不大于3 m。

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