長距離深大基坑開挖下臥隧道變形規律研究

胡國亮 謝晟偉

(1.深圳市交通公用設施建設中心，廣東 深圳 518040； 2.湖南大學土木工程學院，湖南 長沙 410082)

0 引言

基坑開挖不可避免的會對周邊土體產生不同程度的擾動和破壞，由此產生地層位移和變形，而位于基坑開挖影響區的隧道則會受到相應的影響，在管片上產生附加應力，使隧道發生變形，嚴重的可導致隧道管片開裂破壞、漏水，威脅既有隧道的運營安全，因此研究基坑開挖對周邊隧道變形影響規律十分必要[1]。現有研究表明，基坑與隧道相對位置對鄰近隧道變形規律存在影響[2，3]。

本文以深圳南山區某城市道路快速化改造明挖基坑項目為背景，選取了多個典型斷面采用HSS模型進行二維數值模擬計算。分析不同隧道基坑相對位置下臥雙線隧道變形情況，并與實測結果相比對。分析了隧道上浮控制措施，實測數據證明本工程所采用的隧道變形控制措施是有效的，可為后續施工和類似項目提供參考。

1 項目概況

1.1 明挖基坑

某道路兩側多為居民區、工業區，建筑物密集，且下臥深圳地鐵隧道，線段全長約3.09 km，樁號范圍為左線K1+040～K4+060，右線K1+040～K4+130。明挖地下通道基坑一期項目共分為三個標段，其中東段閉合框架全長1 408.5 m，路塹U型槽全長147 m。起點為U槽段，起點樁號為K2+390，在樁號K2+537處結束，采用標準U槽斷面。閉合框架段起點為K2+537，終點為K4+130，其采用雙孔、單孔和三孔矩形閉合框架結構。明挖基坑均采用圍護樁形式開挖。

1.2 隧道及監測點布置情況

既有地鐵盾構隧道由1塊封頂塊，2塊鄰接塊和3塊標準塊拼裝而成。襯砌內徑6.0 m，外徑6.7 m，環寬1.5 m，混凝土強度等級C50。隧道拱頂埋深16.5 m～23.5 m，共線下臥于明挖基坑。在基坑里程K2+370～K4+006范圍內，雙線隧道每隔10 m設一個監測斷面，每個監測斷面在拱頂、拱腰以及軌道板處布置4個變形測點，隧道監測方案如圖1所示。

1.3 場地地層條件

本項目擬建道路原始地貌為海沖積平原及濱海灘涂地貌單元，后經填、挖、整平等人工改造為現狀道路，地勢平坦，兩側多為居民區，主要為商住樓等，建筑物密集，地表下淺部市政管線復雜。主要地層如下：①人工填土層。③1淤泥層呈灰黑色，含有機質，搖振反應無，干強度高，韌性高，屬Ⅰ級松土。③2粗砂層為石英質，含約20%粘性土，結構松散～稍密。⑤1粘土層可塑狀為主，有光澤，搖振反應無，干強度高，韌性高，局部含砂，屬Ⅱ級普通土。⑧礫質粘性土層，由下伏混合花崗巖風化殘積而成，原巖結構可辨，可塑～硬塑，搖振反應無，干強度中等，韌性高，在范圍內普遍分布，層厚4.00 m～31.10 m，屬Ⅱ級普通土。⑨1全風化粗粒花崗巖層，原巖結構基本破壞，尚可辨認，為Ⅲ級硬土。地鐵隧道主要位于礫質粘土和全風化花崗巖中。場地地面標高普遍為4 m左右，場地地下水位多位于標高1 m～2 m處。

2 下臥隧道變形規律分析

2.1 典型斷面介紹

項目標段內典型斷面如圖2所示，由于隧道與基坑共線距離較長，與基坑相對位置復雜，故取多個典型斷面分析，其中K2+520為U型槽段典型斷面，該處開挖深度較淺，基坑寬度39.4 m，不進行地基加固；K2+830位于全線開挖深度最大范圍，基坑坑底與隧道距離約6 m，地基加固至隧道3 m保護區外，加固范圍至隧道邊界向外延伸8 m；K3+090處為左線隧道位于圍護樁下，易受圍護樁影響，加固情況同K2+830；K3+896處分兩期施工，圖2中為一期施工基坑示意，由于二期施工時部分結構已施作完成且上方部分回填，且后續開挖距隧道存在一定距離，對隧道變形影響較一期施工時小，本文分析中故不予考慮，僅考慮一期施工結果。

2.2 模型與土層參數

隧道襯砌采用線彈性板模擬，環向剛度有效率η=0.75。圍護樁亦采用板單元模擬，且考慮施工缺陷剛度折減20%，支撐采用點對點錨桿單元模擬。土與結構相互作用通過Plaxis軟件自帶的界面單元加以考慮，界面強度折減因子Rinter=0.65。圍護結構和隧道計算參數如表2所示。

表1 土層計算參數

表2 圍護樁和隧道計算參數

2.3 模擬計算結果

對4個典型斷面進行建模，所得計算結果如表3所示，各斷面位移云圖如圖3所示。可以看到下臥于基坑的隧道以豎向變形為主，但由于各個斷面隧道鄰近于圍護樁，受到開挖和圍護樁變形影響，同時也存在一定的水平變形。

表3 數值模擬計算結果

數值分析結果表明：隧道變形規律主要取決于基坑開挖后隧道位置的土體位移情況，其與隧道—基坑相對位置有關，下臥隧道變形以豎向變形為主。而隧道鄰近圍護結構時，受圍護結構影響，會產生一定的水平變形。當圍護樁與隧道距離較小時，隧道水平變形大于豎向變形。

3 現場實測數據分析

圖4，圖5分別為K2+520斷面左線隧道水平與豎向變形規律。如圖4，圖5所示，在基坑開挖，開挖完成，澆筑底板的整個過程，開挖階段隧道上浮，開挖完成后由于時間效應仍存在上浮，而當底板澆筑后隧道變形由于受到后續斷面開挖影響并沒有直接下降而是少量回落，隨之持續施工，施工位置距離該斷面足夠遠時，即K2+560斷面開挖完成后，后續斷面開挖影響較小，該斷面隧道上浮變形緩慢下降。由圖4，圖5可以發現左線隧道水平變形最大值約3.4 mm，豎向變形最大值約4.8 mm，與模擬結果的水平變形3.8 mm，豎向變形5.0 mm十分接近，可見模擬情況較好。

圖6為隧道整體上浮變形規律圖。當底板澆筑至K2+510，基坑開挖至K2+535時，隧道上浮變形峰值位于K2+510～K2+535；隨著底板澆筑至K2+535之后，基坑分步開挖繼續向右推進，

位于澆筑斷面處的隧道上浮變形明顯降低，且隧道上浮變形峰值隨著基坑推進右移。可見基坑開挖與隧道上浮變形對應情況較好。

圖7為分段開挖下隧道變形實測圖。實測結果表明，開挖范圍內隧道變形發展較大，未開挖段隧道變形基本無變化，未開挖段土體對隧道整體變形有較好的限制作用。表明分段開挖對隧道變形控制是有效的。

4 結語

本文基于深圳某道路快速化改造項目，選取長距離基坑多個典型斷面進行模擬分析，對長距離深大基坑開挖下臥隧道變形規律進行了研究，獲得以下結論：

1)下臥隧道變形以豎向變形為主，但受隧道—基坑相對位置影響會有所區別，當隧道鄰近圍護結構時，隧道水平變形會有所發展，當圍護樁與隧道距離較小時，隧道水平變形大于豎向變形。

2)隧道變形與基坑施工工況有明確對應。當隧道上方基坑底板澆筑后，隧道變形有所回落，但同時受鄰近斷面開挖影響。而當鄰近40 m范圍內底板澆筑完成后，隧道變形逐步回落。

[1] 汪小兵,賈 堅.深基坑開挖對既有地鐵隧道的影響分析及控制措施[J].城市軌道交通研究,2009,12(5):52-57.

[2] 陳仁朋,葉躍鴻,王誠杰,等.大型地下通道開挖對下臥地鐵隧道上浮影響研究[J].浙江大學學報(工學版),2017,51(7):69-77.

[3] 鄭 剛,杜一鳴,刁 鈺,等.基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區研究[J].巖石力學與工程學報,2016,38(4):599-612.

[4] BEN T.Small-strain stiffness of soils and its numerical consequences[D].University of Stuttgart,Germany,2007.

[5] 黃宏偉,黃 栩,HELMUT S F.基坑開挖對下臥運營盾構隧道影響的數值模擬研究[J].土木工程學報,2012,45(3):182-189.