基坑開挖對鄰近既有下穿頂管隧道的變形影響分析

李 靖

（江西有色建設(shè)集團有限公司，江西 南昌 330000）

道路工程建設(shè)規(guī)模逐漸擴大，工程深基坑數(shù)量越來越多，在基坑開挖過程中，對鄰近下穿頂管隧道會產(chǎn)生一定影響，如果沒有及時采取有效的控制措施，下穿頂管隧道容易出現(xiàn)變形，嚴(yán)重影響隧道的安全運行，頂管隧道具有斷面大、超淺埋、建設(shè)成本比較低的特點，因而被廣泛應(yīng)用在城市軌道交通工程中。為了減小基坑開挖對鄰近既有下穿頂管隧道產(chǎn)生的不利影響，相關(guān)單位要采取有效的控制對策。

1 案例概況

某城市擬建大型廣場，地上38層，地下4層，地上部分采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)。建筑基坑左側(cè)距離某道路頂管隧道14.5m，右側(cè)距頂管隧道16.8m，基坑開挖過程中，既有下穿頂管隧道發(fā)生一定變形。

2 基坑支護方案

因為基坑開挖會對周圍既有頂管隧道產(chǎn)生較大影響，若土體出現(xiàn)變形，頂管隧道會發(fā)生下沉或上浮現(xiàn)象，嚴(yán)重的還會損壞隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，該工程基坑上部采取放坡開挖方法，放坡采取鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土支護形式，支護結(jié)構(gòu)采取雙排樁+鋼支撐形式。前排樁采取鉆孔灌注樁，樁長在15.5m～17.5m之間，后排樁體采用長度為15m的鉆孔灌注樁，兩排鉆孔灌注樁之間的距離為3.5m，在基坑的兩個角部，分別設(shè)置鋼管水平支撐，基坑的中間區(qū)域使用鋼管斜拋撐。基坑支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 該基坑支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 基坑開挖對下穿頂管隧道的影響分析

3.1 模型建立

為了進一步了解基坑開挖對鄰近既有下穿頂管隧道的變形影響，相關(guān)人員要結(jié)合該地區(qū)的地形地貌特點，包括基坑與下穿頂管隧道結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維模型，并根據(jù)基坑實際施工情況，進行準(zhǔn)確的計算，提升模型的合理性，更好的反映出具體情況[1]。在建立模型的過程當(dāng)中，相關(guān)人員要注意以下問題：

第一，基坑采用鉆孔灌注樁，結(jié)合剛度等效原理得知，連續(xù)的鉆孔灌注樁相當(dāng)于地下連續(xù)墻，可以利用板單元來代替，環(huán)梁則采取梁單元來代替，鋼管支撐用桁架代替[2]。

第二，下穿頂管隧道管片用板單元來模擬。

第三，該基坑內(nèi)部與外部的土體，均利用實體單元來模擬，進而構(gòu)建更為完善的計算模型。

影響下部頂管隧道變形的因素比較多，例如基坑與隧道之間的距離，包括基坑挖土深度，以及該地區(qū)的地質(zhì)條件與上部荷載等，施工單位要根據(jù)具體情況，科學(xué)選擇施工方案，并合理控制基坑的開挖深度[3]。

3.2 基坑開挖對鄰近既有下穿頂管隧道影響分析

3.2.1 基坑外土體位移對下穿頂管隧道產(chǎn)生的影響

由于基坑內(nèi)部土體開挖量的逐漸增加，基坑內(nèi)部的原狀土體密實度不斷下降，土體孔隙率逐漸提升，使得土體自身的抗剪強度逐漸下降，土體內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。基坑頂部土體應(yīng)力逐漸釋放，不但會產(chǎn)生明顯的水平位移，而且會逐漸下沉。

另外，隨著基坑內(nèi)部土體的逐漸開挖與卸載，基坑底部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，隆起量達到了24.5mm，基坑周圍的土體由于開挖深度的不斷增加，沉降量逐漸增大，基坑開挖結(jié)束后，沉降量達到了6.87mm。該基坑開挖與支護結(jié)束后，基坑底部坡腳位置的側(cè)移最大，達到18.52mm。隨著基坑坑壁逐漸向內(nèi)移動，基坑底部出現(xiàn)較大變形，其變形矢量主要集中在基坑中部與上部，同時基坑的底部會出現(xiàn)卸荷回彈量[4]。

3.2.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)水平對下穿頂管隧道產(chǎn)生的影響

在此基坑工程中，圍護體系排樁需要隨開挖隨支護，因此，相關(guān)人員還要密切監(jiān)測排樁的水平位移。根據(jù)上述分析得知，在不同施工條件下，伴隨基坑開挖深度的逐漸加大，其后部的土體水平位移增加，基坑底部最大水平位移達到了17.8mm。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因是基坑開挖，對墻體土壓力產(chǎn)生較大破壞，土壓力平衡被打破，同時由于墻后部土體發(fā)生變形，土壓力無法在短時間內(nèi)平衡。針對基坑下部的圍護結(jié)構(gòu)來講，受墻體被動土壓力的影響，其變形量逐漸減小，水平位移也會逐漸減小[5]。

3.2.3 基坑四周地表沉降對下穿頂管隧道產(chǎn)生的影響

根據(jù)大量的基坑工程實踐得知，基坑外部土體出現(xiàn)沉降變形的形狀主要分為兩種，分別是三角形與凹槽形。相關(guān)人員為了進一步了解基坑開挖對周圍地表沉降產(chǎn)生的影響，在基坑開挖邊緣處，每隔5.0m布設(shè)一個監(jiān)測點，準(zhǔn)確記錄基坑外部的地表沉降。該基坑外部的地表沉降為凹槽形，基坑開挖結(jié)束后，地表沉降最大值位于基坑邊緣外側(cè)16.0m左右，最大的沉降量達到了6.9mm，隨著墻后距離的不斷增加，沉降量逐漸下降，最終趨于零。

3.2.4 基坑開挖對下穿頂管隧道變形產(chǎn)生的影響

基坑開挖對下穿頂管隧道變形產(chǎn)生的影響如下：第一，基坑開挖結(jié)束后，頂管隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平位移，呈現(xiàn)出左側(cè)大、右側(cè)小的趨勢，與基坑距離近，頂管隧道的水平位移大，最大達到了6.08mm，最小為0.28mm。第二，該基坑左側(cè)隧道豎向變形量顯著大于右側(cè)隧道變形量，最大為3.18mm，頂管隧道變形滿足結(jié)構(gòu)安全要求。第三，基坑開挖施工期間，下穿頂管隧道產(chǎn)生的不均勻變形大于豎向位移，所以，在水平方向，下穿頂管隧道特別容易發(fā)生拉彎破壞現(xiàn)象[6]。

3.3 預(yù)防措施

為了減小基坑開挖對下穿頂管隧道變形產(chǎn)生的不利影響，施工單位在具體施工期間，要采用有效的控制措施，保證頂管隧道的穩(wěn)定運行，具體可從以下幾方面入手：

第一，針對基坑底部以下的土體，可結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用滿堂加固方案。如果既有下穿頂管隧道與基坑距離比較近時，可以對基坑被動區(qū)土體采取旋噴加固措施。通過對基坑被動區(qū)土體進行加固處理，不但可以提升巖土體密實度，而且能夠顯著調(diào)巖土體自身的抗剪強度，避免巖土體出現(xiàn)較大變形。

第二，針對既有下穿頂管隧道四周土體采取注漿加固措施，提升土體自身的抗剪切能力，減小基坑施工對頂管隧道產(chǎn)生的影響，真正達到提升頂管隧道抵抗變形能力的目的。

第三，在基坑和下穿頂管隧道間采取隔斷措施，可以施作鋼管樁墻，提升基坑結(jié)構(gòu)的安全性，避免下穿頂管隧道出現(xiàn)較大變形。但是，采用此種施工措施，建設(shè)成本比較高[7]。

第四，施工單位可以適當(dāng)增加基坑圍護結(jié)構(gòu)的入土深度，提高圍護結(jié)構(gòu)的剛度，保證基坑圍護結(jié)構(gòu)的完整性。在基坑開挖期間，施工人員要支護一段、開挖一段，避免出現(xiàn)基坑坍塌事故。

第五，為了避免基坑底部出現(xiàn)變形破壞，防止基坑底部隆起，施工單位還要適時施作結(jié)構(gòu)底板，并結(jié)合基坑施工特點，適當(dāng)增加圍護結(jié)構(gòu)的入土深度，保證基坑圍護結(jié)構(gòu)更加安全。

4 結(jié)語

綜上，本文結(jié)合某基坑工程實例，驗證采取鉆孔灌注樁支護結(jié)構(gòu)的可行性，基坑支護結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，滿足基坑工程的施工需求。在基坑開挖過程當(dāng)中，對既有下穿頂管隧道產(chǎn)生一定影響，下穿頂管隧道容易發(fā)生不均勻沉降與變形，在水平方向上，頂管隧道發(fā)生拉彎變形的概率特別大。施工單位決定對基坑被動區(qū)土體進行加固處理，減小基坑開挖對既有下穿頂管隧道產(chǎn)生的不利影響。通過采用上述施工方案，取得較好的施工效果，經(jīng)過專業(yè)的檢測機構(gòu)檢測后，基坑開挖質(zhì)量達標(biāo)，對既有下穿頂管隧道影響減小，故可以為類似工程項目提供有效借鑒。