基坑開挖對既有盾構隧道的影響研究

聶 浩

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250001)

為保證軌道交通結構的安全性，進行基坑開挖對既有盾構區間隧道影響的研究具有實際意義[1]。

目前，國內已有許多學者對軌道交通周邊基坑開挖變形進行研究，楊駿[2]等基于土力學基本理論和數值計算分析，研究軟土地區基坑開挖對盾構區間的變形影響規律。丁勇春[3]等通過統計基坑開挖后的變形監測數據，進行基坑開挖對區間隧道的影響分析。李瑛[4]等將數值計算結果與實測數據進行對比分析，研究大面積卸荷情況下，基坑開挖對盾構隧道的影響。文獻[5-8]等利用數值計算方法分析不同情況下基坑開挖對地下結構變形及應力的影響；文獻[9-12]通過分析基坑開挖后的地下結構實測數據，研究其變形影響規律。以往的研究多集中于基坑開挖過程對區間隧道的影響，對后續基坑內結構施工階段的研究相對較少。以下基于FLAC3D數值計算方法，進行基坑施工全過程對區間盾構隧道變形及應力的影響規律研究。

1 工程概況

擬建基坑為商務樓地下室，開挖深度約為13 m，采用明挖法施工。區間隧道側穿基坑，基坑圍護結構外緣距區間隧道水平距離最近約6.8 m，隧道外徑為6.4 m，埋深為17.585～19.29 m，基坑與區間隧道的位置關系如圖1～圖2所示。

圖1 基坑與區間隧道平面

圖2 基坑與區間隧道剖面(單位：mm，高程：m)

依據地勘資料，場地地層由上往下主要為雜填土、粉質黏土、黏土、殘積土、強風化閃長巖及中風化閃長巖。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水。

2 工程措施

為降低基坑開挖對盾構區間隧道的影響，結合地層特點與基坑開挖狀況，采用高壓旋噴樁落底式止水帷幕隔水，在基坑外側設立降水回灌井，保證基坑外側地下水位不變。因此，可以忽略地下水位變化對區間隧道的影響，重點研究基坑開挖引起的地層應力重分布過程對區間隧道的影響。

基坑采用不同圍護結構時，其地層變形控制效果不同，一般情況下，圍護結構剛度越大，變形控制越強[13]。“放坡+土釘支護”變形控制效果較差，但施工成本低；“鉆孔灌注樁+錨索支護”變形控制效果較好，但施工成本較高；地連墻圍護結構變形控制效果最好，施工成本也最高。經綜合比較分析，決定采用“雙排樁+錨索”的支護形式。

3 數值分析

3.1 模型參數

假定巖土體為連續性介質，且只考慮自重應力場。巖土體采用Mohr-Coulomb材料模型，錨索采用cable結構模型；由于鉆孔灌注樁及旋噴樁咬合支護結構模型建立困難，故將其簡化為圍護樁墻，采用實體單元模擬[14]；利用null模型模擬基坑的開挖，得到基坑開挖對盾構隧道的影響，計算模型如圖3所示。

圖3 圍護樁支護模型(單位：m)

模型尺寸為85.8 m×110 m×33 m(X×Y×Z)，盾構隧道外徑為6.4 m，內徑為5.8 m，管片厚300 mm。采用單層裝配式襯砌，左線與右線盾構隧道中心間距為17 m，基坑長60.4 m(沿Y向)，X向基坑長度取37 m，基坑與盾構隧道的相對位置如圖4所示。

圖4 基坑與盾構隧道相對位置關系

模型計算參數和結構計算參數見表1～表2。

表1 模型計算參數

表2 結構計算參數

3.2 開挖模擬方案

對于盾構隧道，采用分部開挖、先開挖左線后開挖右線的模擬施工方法。利用null模型“殺死”管片內巖土體，并將管片單元力學參數改為C50混凝土參數，以模擬隧道開挖過程中盾構管片的施力過程，并施加垂直于開挖面的面荷載，以模擬盾構刀盤對巖土體的壓力，循環模擬直至盾構隧道開挖完成。

基坑開挖前，既有盾構隧道變形已趨于穩定，地層應力重分布過程也已基本完成，以此為基礎，忽略盾構隧道開挖引起的變形，進行基坑開挖模擬，賦予圍護樁墻單元相應的力學參數，模擬圍護結構施工，然后利用“null”模型模擬基坑開挖過程。當開挖至一定深度時，施加cable結構單元，模擬錨索的施工，如此循環，直至開挖至基坑底部；然后施加建筑結構地下部分荷載，模擬地下部分的應力與變形。在基底施加整棟建筑結構荷載，模擬建筑完成后對盾構隧道的影響，模擬開挖計算步如表3所示。

表3 基坑施工主要計算步

3.3 數值計算分析

(1) 變形分析

基坑開挖前盾構隧道開挖引起的沉降位移云圖與應力云圖如圖5～圖8所示。

圖5 盾構隧道開挖引起的豎向位移

圖6 盾構隧道開挖引起的管片豎向位移

圖7 盾構施工引起的豎向應力

圖8 盾構施工引起的管片豎向應力

盾構隧道開挖引起地層應力釋放與重分布，在盾構隧道拱頂部位形成豎向沉降變形區域，最大沉降量為4.282 mm；仰拱部位存在一定的隆起，最大隆起量為4.713 mm；盾構管片拱腰及拱肩部位存在壓應力集中，最大壓應力為3.52 MPa，拱頂與仰拱部位壓應力較小。

將盾構隧道開挖引起的位移清零，分析基坑開挖對盾構隧道的影響，得到不同開挖步下模型的變形與應力。由圖5、圖6可知，隨基坑開挖深度的不斷增加，模型X向位移與坑底隆起量不斷增大，當開挖至坑底時變形量最大，模型變形云圖如圖9～圖11所示。

圖9 基坑開挖第九步豎向變形

圖10 基坑開挖第九步X向變形

圖11 基坑開挖引起的節點位移

由圖11可知，基坑開挖引起應力釋放，進而導致土體向基坑內側位移，基坑表面節點位移較大，隨距離的增加，節點位移逐漸減小。由圖9、圖10可知，基坑周邊存在一定的豎向沉降，最大沉降量為2.64 cm，靠近隧道一側基坑支護結構X向位移較大，最大位移為2.95 cm。

基坑開挖引起的盾構管片位移云圖如圖12～圖13所示。

圖12 基坑開挖引起的盾構管片豎向位移

圖13 基坑開挖引起的盾構管片X向位移

由圖12、圖13可知，當基坑開挖至坑底時，盾構管片X向最大位移為6.77 mm，產生于基坑Y向中間位置處管片拱肩部位；基坑開挖導致靠近基坑一側盾構管片產生一定的豎向隆起，隆起量較小，最大為1.31 mm。

為得到基坑開挖對盾構隧道的影響，對盾構管片拱頂、拱腰及模型中心處管片環向節點進行監測，監測點布置如圖14所示。

圖14 管片位移監測示意

得到不同開挖步下環向監測點水平位移變化曲線(如圖15所示)。

圖15 不同點水平位移隨計算步變化曲線

由圖15可知，當基坑開挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；當開挖至坑底時，位移達到最大值。施作基坑地下結構并回填土后，基坑水平向位移得以減小，當施作完地上結構后，管片水平位移得到有效控制，最大位移約為4.0 mm。

依據變形規律，對基坑開挖至坑底時盾構管片拱頂豎向位移、拱腰水平位移及管片環向監測點進行統計分析，得到如圖16～圖17所示的位移曲線。

圖16 沿隧道軸向拱腰水平位移曲線

圖17 沿隧道軸向拱頂豎向位移曲線

對管片拱腰水平位移數據、拱頂豎向位移數據分別進行多項式擬合，依據曲率半徑計算公式，有

(1)

計算可得，管片水平向最小曲率半徑為100 519 m，管片豎向最小曲率半徑為1 521 981 m，均遠大于15 000 m，符合規范要求。

隧道軸向中點處環向監測點布置：以隧道中間拱腰位置為監測零點，沿環向分別向上、向下布置監測點，向上為-1至-8，拱頂位置處監測點為-8，向下為1至8，拱底位置處監測點為8。當基坑開挖至底部時，管片沿環向監測點水平位移量如圖18所示。

圖18 沿隧道環向監測點水平位移曲線

由圖18可知，當基坑開挖至坑底時，管片拱腰最大水平位移量為6.0 mm，管片拱頂最大沉降量為0.7 mm，均小于10 mm，滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》[15]的要求。

監測點-3位置處及管片拱肩部位水平位移最大(為6.7 mm)，并以此為中心向兩側逐漸遞減。管片最大水平位移量小于10 mm，滿足相應規范要求。

(2)應力分析

基坑開挖引起應力釋放，在應力重分布過程中盾構管片應力發生變化。為保證基坑開挖后盾構管片結構的安全，需要對盾構管片應力狀態進行分析，基坑開挖至坑底時，盾構管片應力云圖如圖19～圖20所示。

圖19 基坑開挖引起的盾構管片豎向應力

圖20 基坑開挖引起的盾構管片X向應力

基坑開挖后，管片拱肩部位存在一定的應力集中，應力達3.52 MPa，拱頂與仰拱部位豎向壓應力較小；基坑開挖后，管片拱腰部位X向應力較小(最大為0.3 MPa)，拱頂與仰拱部位X向應力較大(最大為1.65 MPa)。

由基坑開挖后管片的受力分析可得，基坑開挖后盾構管片受力在合理范圍內，不會造成管片的結構破壞。

4 結論及建議

(1)當基坑開挖至坑底時，雙排樁垂直于基坑邊緣水平方向位移達最大值(2.95 cm)，基坑周邊地層沉降達到最大值(2.64 cm)，靠近基坑側管片拱肩位置處水平位移達到最大值(6.77 mm)，管片隆起量最大值為1.31 mm。

(2)當基坑開挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；當開挖至坑底時位移達到最大值；當施作基坑地下結構并回填土后，基坑水平向位移減小；當施作完地上結構后，管片水平位移得到有效控制，最大位移約為4.0 mm。

(3)基坑開挖后，管片拱肩部位存在一定應力集中，最大應力達3.52 MPa，管片拱腰部位X向應力較小，最大為0.3 MPa，拱頂與仰拱部位X向應力較大，最大為1.65 MPa。

(4)基坑開挖至坑底后，應加快建筑物地下部分施工，限制基坑側向位移，增加坑底荷載，有助于盾構隧道位移恢復，減小基坑開挖對盾構隧道的影響。