基坑開挖方式對盾構隧道的變形影響研究

摘 要：利用Midas-GTS，對基坑開挖方式對隧道變形影響進行數值模擬分析。結果表明，基坑分塊開挖能減小隧道的最大豎向位移，在底板澆筑前，能縮短隧道最大變形的暴露時間。

關鍵詞：開挖方式；盾構隧道；數值模擬

1 建立數值模型

1.1 工程背景

（1）待開挖的基坑：本基坑的尺寸為15m×15m×10m；沿基坑深度方向設2道內支撐，深度分別為3m、6m（離基坑底部分別為7m、4m），支撐采用鋼支撐，支撐尺寸為直徑φ=800mm、厚度t=14mm，相鄰的支撐相隔6m；圍護結構選用挖孔支護樁，圍護結構的尺寸為直徑φ=1200mm，埋深12m（深入基坑底2m），相鄰的攪拌樁樁相隔1.6m。（2）下方地鐵盾構隧道：隧道的外徑為6m，襯砌結構厚度為0.3m，內徑為5.4m。（3）基坑與地鐵盾構隧道的相對位置：盾構隧道位于待開挖基坑的正下方，隧道拱頂至基坑底部6m，至地面16m。總體待研究的模型截面示意圖如圖1所示。

1.2 模型的材料參數

根據工程實測數據，本模型選定的土層是淺巖區的土層，由雜填土、粉質粘土、全風化巖、強風化巖、中風化巖等構成[1]。圍護結構選用挖孔支護樁（φ=1200mm），內支撐選用鋼支撐（φ=800，t=14）形式，隧道的襯砌為混凝土C50（t=300mm）的盾構管片，基坑底板為鋼筋混凝土C40（t=600mm）。本模型的土體參數及各結構參數具體如表1[2]。

1.3 模型的計算范圍

本模型模擬的是整個基坑開挖的過程，根據工程經驗[3]，土體對于基坑的影響范圍，水平影響范圍是基坑開挖深度的3倍，豎直影響范圍是基坑開挖深度的2.5倍。本模型的基坑深10m，為了能充分包裹全部的影響區域，本模型的截面水平寬度取100m，深度取50m，形成一個100m×80m的矩形區域。

1.4 模型的變形控制標準

根據相關規定，運營地鐵隧道在受到外界各種加卸載活動的干擾，產生的影響必須符合以下三點[4]：地鐵隧道的豎向絕對沉降量為20mm，水平位移量為20mm；地鐵隧道最大的上浮位移量為15mm；相對彎曲為1/1500。

1.5 基坑開挖步驟

本模型在進行有限元模擬分析時，對具體的施工過程利用MIDAS/GTS里面的施工階段，簡化為下面幾個步驟進行模擬：

（1）在基坑兩側設置挖空支護樁；（2）開挖第一層土層（第一層土體厚度4m，開挖至離地面深4m）；（3）設置第一道內支撐（在離地面深3m處架設第一道鋼支撐）；（4）開挖第二層土層（第二層土體厚度3m，開挖至離地面深7m）；（5）設置第二道內支撐（在第一道支撐下深3m處架設第二道鋼支撐，離地面深6m）；（6）開挖第三層土層（第三層土體厚度3m，開挖至離地面深10m至基坑坑底）；（7）澆筑基坑底板，基坑開挖完成。

2 數值模擬分析結果

2.1 全斷面開挖

通過MIDAS/GTS對各施工模擬計算，得出在開挖方式為全斷面開挖時，各施工階段的水平位移和豎向位移最大值如下表2。

從表2數據可以看出，施工階段（1）至施工階段（6），隧道最大的水平位移變化是呈增加趨勢，最大值出現在基坑開挖至基坑底部時。在施工階段（3）、（5）、（7），水平位移比上施工階段略微減少，原因是在支護條件下，鋼支撐、基坑底板等對對土體產生了約束作用，從而減少了隧道的水平位移。

施工階段（1）至施工階段（7），隧道底部的豎向位移變化是呈增加趨勢，最大值出現在基坑開挖至基坑底部（階段（6））時。在施工階段（3）、（5）、（7），水平位移比上施工階段略微減少，原因是在支護條件下，鋼支撐、基坑底板等對對土體產生了約束作用，減少了基坑下方土體的隆起量，從而減少了隧道的豎向位移。由于挖孔支護樁的重度比土體的重度大，而隧道上方的土體并未被擾動，所以在架設挖孔支護樁階段，隧道頂部產生的豎向位移是豎直向下的。在基坑開挖階段，由于基坑開挖造成原土層應力的釋放，產生土體回彈，這時隧道頂部產生的豎向位移是豎直向上的。

2.2 分塊分區開挖

在實際的基坑工程中，基坑開挖是采用分塊分區的形式開挖的，根據上節的分析數據，下臥隧道的最大位移出現在基坑開挖的第六個階段，即開挖至基坑底部。現將該開挖階段采取分塊開挖的方式，將開挖土體平均分為5塊，每塊3m，從基坑中心向基坑兩邊對稱的進行3步開挖，見圖2。第一步是對區域3進行開挖，第二步是對區域2、4進行開挖，第三步是對區域1、5進行開挖。

通過數值分析，現將各開挖區域階段的隧道最大水平位移、豎向位移提取，并與上節的模型進行比較，見表3。

從表3看出，基坑分塊開挖對隧道的最大水平位移影響不大。但通過分塊開挖，在基坑底板澆筑前，可以使隧道最大位移暴露的時間縮短；通過分塊開挖，使隧道的最大豎向位移值減小，并且能在基坑底板澆筑前，減小隧道最大豎向位移的暴露時間。

4 結束語

通過MIDAS/GTS的數值模擬分析，可以得出基坑開挖方式對既有下臥隧道有較大影響，在實際工程中，必須通過科學的統籌，對基坑進行合理的分塊分區，從而對下臥隧道產生的影響降至最少，保證既有隧道的安全。

參考文獻

[1]毛朝輝，劉國彬.基坑開挖引起下方隧道變形的數值模擬[J].地下工程與隧道，2005（4）：24-27.

[2]汪彬彬.基坑開挖對下方盾構隧道變形的影響[D].華南理工大學，2010，5.

[3]關寶樹.隧道工程設計要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]基坑工程手冊編輯委員會.基坑工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：1070-1071.