淺析明挖隧道實(shí)施對緊鄰基坑的影響

鞏生龍，謝 明

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著城市建設(shè)的蓬勃發(fā)展，有限的土地資源不斷被最大限度地開發(fā)利用，寫字樓、居民樓、地下商場、地下人行隧道和地下車行環(huán)路等等如雨后春筍一般涌現(xiàn)，地塊開發(fā)密度越來越大。然而，由于區(qū)域建設(shè)情況及開發(fā)功能定位等特殊原因，經(jīng)常會造成地塊與明挖隧道建設(shè)時序不盡相同；同時，明挖隧道往往又要與周邊地下車庫或地下商場相連，這就必然帶來不同地塊、隧道緊鄰施工互相影響的問題。

目前國內(nèi)大型地塊快速開發(fā)已不在少數(shù)，在建或待建的有杭州未來科技城核心區(qū)塊、義烏金融商務(wù)區(qū)、濟(jì)南漢峪金融商務(wù)中心、南寧五象新區(qū)總部基地地下空間等等。這些區(qū)域地塊內(nèi)都涵蓋了商業(yè)區(qū)、辦公樓、地下環(huán)路等多個項目，不同項目的同時開發(fā)導(dǎo)致工期受限，實(shí)際工程中往往要求相鄰各基坑能夠同時施工或縮短兩相鄰基坑施工的間隔時間。為保護(hù)這些已有基坑、建構(gòu)筑物等的正常使用，需嚴(yán)格控制基坑工程施工的位移，以及位移傳遞在周邊環(huán)境安全或正常使用的范圍之內(nèi)，變形控制和環(huán)境保護(hù)往往成為基坑工程成敗的關(guān)鍵[1]。

近年來，常常由于基坑施工而引起建筑物或地下管線損壞的現(xiàn)象發(fā)生，而基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)并無破壞現(xiàn)象，因此基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除滿足強(qiáng)度要求外，還要滿足基坑周邊環(huán)境的變形控制要求，在軟土地區(qū)后者往往占主導(dǎo)地位[2]。而關(guān)于基坑周邊環(huán)境影響的相關(guān)研究更是豐富，范益群等[3]將隧道新奧法施工的時空效應(yīng)法引進(jìn)軟土基坑工程；Finno等[4]對有無支護(hù)體系兩種情況下的基坑開挖對建筑物的影響作了研究；劉忠昌[5]運(yùn)用FLAC軟件模擬了深基坑開挖過程中的地下管線變形；鄭剛等[6]采用PLAXIS軟件研究了鄰近任意角度建筑物受基坑開挖的影響情況；陳小雨等[7]以兩相鄰深基坑為工程背景，分析了不同基坑間距下土壓力的數(shù)值解與理論解沿挖深的分布規(guī)律；王洪亮等[8]研究了緊鄰既有建筑基坑土壓力理論，并提出了求解有限土體主動土壓力的簡化公式；林海[9]以福州君臨盛世茶亭基坑和世茂國際中心基坑作為研究對象，詳細(xì)分析了相鄰基坑同步開挖情況下的土體位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力；應(yīng)宏偉等[10]以杭州某深大基坑為背景,利用有限元分析軟件ABAQUS,對隔斷墻的效果進(jìn)行了深入研究。

綜上，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者就基坑開挖對周邊建構(gòu)筑物影響進(jìn)行了大量研究，但是對緊鄰已有基坑的同步實(shí)施影響研究還相對較少。現(xiàn)基于深圳振海路明挖隧道的實(shí)際工程案例，利用有限元PLAXIS模擬基坑開挖，展開明挖隧道實(shí)施對緊鄰已有基坑的影響進(jìn)行分析與研究，對明挖隧道建設(shè)提出合理安全的實(shí)施方案。其成果可為類似復(fù)雜地塊開發(fā)工程施工設(shè)計提供借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

深圳前海振海路明挖隧道工程位于前海深港現(xiàn)代服務(wù)業(yè)合作區(qū)的桂灣片區(qū)夢海大道下方，近桃園路路口。西連華潤開發(fā)地塊，東接地鐵開發(fā)地塊，為市政公共明挖隧道工程。如圖1所示。

圖1 明挖隧道與緊鄰地塊平面位置示意圖

該隧道基坑開挖深度約11.5m，圍護(hù)形式采用放坡+咬合樁，支撐采用一道混凝土支撐和一道鋼支撐的形式，基坑西側(cè)與緊鄰的華潤地塊基坑共用圍護(hù)樁。華潤地塊基坑開挖深度約23m，圍護(hù)形式采用放坡+咬合樁，支撐采用三道混凝土支撐的形式。目前華潤地塊已開挖至坑底并完成墊層施工，振海路隧道準(zhǔn)備實(shí)施。

1.2 工程水文地質(zhì)

該工程場地原始地貌為濱海灘涂，分布有較厚的淤泥層，后經(jīng)人工填海改造，回填至現(xiàn)狀標(biāo)高。目前地層由上至下為第四系雜填土層，第四系全新統(tǒng)海積層淤泥，全新統(tǒng)沖洪積層粘土，中更新統(tǒng)殘積砂質(zhì)粉質(zhì)粘性土，基巖為加里東期混合花崗巖。具體土體力學(xué)參數(shù)見表1所列。其中，人工填土層為填海改造，密實(shí)程度不均，堆填時間較短，自重固結(jié)程度小，結(jié)構(gòu)總體呈松散狀。其分布在水平向及豎向不均勻性均很明顯，尤其是粘性土與硬雜質(zhì)（碎、塊石等）不均勻混雜，同時由于堆載對淤泥層不同程度的擠壓使得人工填土中常夾有大量淤泥質(zhì)土，使得該層軟硬不均明顯；第四系全新統(tǒng)淤泥層具含水量高，高壓縮性，強(qiáng)度低的特點(diǎn)；混合花崗巖殘積土具混合土的特征，既具有砂土的特征，亦具粘性土特征，同時也為小顆粒從大顆粒的孔隙中隨地下水涌出及地下水潛蝕等提供可能。其結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，遇水?dāng)_動后強(qiáng)度很低。非飽和性殘積土在浸水后易崩解，水穩(wěn)性差；全、強(qiáng)風(fēng)化巖具有遇水軟化、崩解，強(qiáng)度急劇降低的特點(diǎn)。

擬建場地地下水賦存于土層孔隙和基巖裂隙中，第四系全更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層為相對隔水層，其上主要為潛水類型，主要賦存于填土、砂層中；其下為基巖裂隙水，主要賦存于基巖的強(qiáng)、中風(fēng)化巖中，由于該場地節(jié)理、裂隙較發(fā)育，地下水滲透性較好，具承壓性，水量較大。勘察期間，地下水混合穩(wěn)定水位埋深為1.20～1.70m，混合穩(wěn)定水位高程為3.14～3.81m。

表1 地勘土體參數(shù)表

2 概念分析及模型建立

2.1 概念分析

依據(jù)工程概況可知，華潤基坑已開挖至坑底，變形趨于穩(wěn)定。明挖隧道開挖將在華潤基坑外側(cè)卸土，削弱了圍護(hù)樁外側(cè)被動土抗力，隧道第一道支撐尚能平衡華潤地塊第一道支撐水平力，但無法平衡第二、三道支撐所傳遞水平力。故該隧道工程直接全部開挖必然會造成華潤地塊圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及整體圍護(hù)體系受力的變化。

根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)，基坑開挖影響范圍主要為平面3倍基坑深度范圍以內(nèi)，將通過有限元軟件模擬分析與基坑距離不同的明挖隧道實(shí)施對華潤基坑的影響，

2.2 基坑模型的建立及分析方法

2.2.1 有限元模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)該基坑的基本情況建立數(shù)值模型，根據(jù)現(xiàn)場勘測結(jié)果，將部分性質(zhì)相近的土體合并，將基坑所在地區(qū)的土層大致分為6層。此分析首先模擬土體初始地應(yīng)力場和緊鄰華潤基坑開挖，然后模擬振海路隧道基坑分步開挖施工和支撐結(jié)構(gòu)施工。水平方向按照實(shí)際的基坑尺寸建模，模型總長200m，土層深度60m，如圖2所示，模型兩側(cè)為水平向約束，底部為豎向約束。

圖2 計算模型簡圖

2.2.2 計算參數(shù)選取

依據(jù)地勘提供鉆孔柱狀圖，確定了該基坑周圍土體的初始參數(shù)，設(shè)定的各層土的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。因?yàn)樵诨娱_挖之前已經(jīng)進(jìn)行了基坑降水處理，因此不考慮地下水對基坑變形的影響。

土體采用Hardening-Soil模型，圍護(hù)樁采用彈性板單元模擬，支撐采用錨桿單元模擬。考慮結(jié)構(gòu)單元與土體共同作用，結(jié)構(gòu)與土體間設(shè)置接觸面單元，不考慮滲流作用。其中支撐及圍護(hù)剛度通過實(shí)際支撐圍護(hù)尺寸進(jìn)行等效剛度計算，詳見表2和表3所列。

表2 模型支撐參數(shù)表

表3 模型圍護(hù)樁參數(shù)表

2.2.3 施工工況

依據(jù)實(shí)際工程，先開挖華潤地塊，待開挖到坑底后開挖本隧道基坑的原則。設(shè)置數(shù)值模擬工況順序，步驟如下：

（1）模擬計算土體初始地應(yīng)力場并位移清零，施工圍護(hù)樁及開挖華潤地塊第一道支撐以上的土體；

（2）施工華潤第一道支撐并開挖第一道與第二道之間的土體；

（3）施工華潤地塊基坑第二道支撐并開挖第二道與第三道之間的土體；

（4）施工華潤地塊第三道支撐并開挖到坑底；

（5）位移清零，開挖本隧道基坑第一道支撐以上的土體；

（6）施工本隧道基坑第一道支撐并開挖第一道與第二道之間的土體；

（7）施工本隧道基坑第二道支撐并開挖至坑底。

3 數(shù)值模擬計算

首先考慮本隧道基坑按常規(guī)一次開挖到底實(shí)施和分段分坑開挖實(shí)施兩種方案，分別建模分析兩種方案對緊鄰已實(shí)施基坑的總體影響。

一次開挖及分坑開挖兩種方案中本隧道工程基坑開挖到坑底時兩個基坑的水平位移如圖3、圖4所示。

圖3 一次開挖水平位移云圖

圖4 分坑開挖水平位移云圖

模擬結(jié)果顯示，分坑開挖方案對緊鄰地塊基坑影響明顯比一次開挖方案小。具體數(shù)值如圖5所示，隧道基坑一次開挖方案計算得到華潤地塊基坑中靠近本隧道工程圍護(hù)樁水平位移最大值達(dá)到21mm，分坑開挖方案計算得到的華潤地塊基坑中靠近本隧道工程的圍護(hù)樁水平位移最大值為1.8mm。

圖5 華潤地塊靠近本隧道工程基坑圍護(hù)樁水平位移圖

根據(jù)以上分析結(jié)果，可知緊鄰華潤地塊基坑開挖本隧道基坑時會引起華潤地塊底坑圍護(hù)較大變形，華潤地塊圍護(hù)樁的水平位移達(dá)到21mm，而且整體的水平位移也較大，可能對基坑安全造成隱患。若分坑先實(shí)施本隧道東側(cè)基坑（遠(yuǎn)離華潤基坑側(cè)），對華潤地塊基坑影響較小，基坑安全能夠得到保證。

為了更合理地確定分坑開挖的封堵墻位置，利用有限元軟件對距離華潤地塊基坑邊5m、10m、15m、20m、30m的隧道開挖對華潤地塊基坑影響進(jìn)行了模擬分析，把模擬結(jié)果繪制曲線如圖6、圖7所示。

以上分析結(jié)果表明，明挖隧道施工距離地塊基坑越遠(yuǎn)，施工對地塊基坑影響越小。結(jié)合以往大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，距離相鄰地塊10～15m（約一倍隧道基坑開挖深度）開挖，其對地塊基坑影響是可控的。

圖6 不同距離隧道開挖時相鄰地塊基坑圍護(hù)樁水平位移曲線圖

圖7 明挖隧道和地塊基坑距離與地塊基坑圍護(hù)樁水平位移曲線圖

4 結(jié)語

本文通過建立二維有限元數(shù)值模型，對與相鄰基坑距離不同的明挖隧道實(shí)施對緊鄰已實(shí)施基坑的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，研究結(jié)果表明：

（1）當(dāng)?shù)貕K與隧道等同時開發(fā)時，一定要確定合理的建設(shè)時序。

（2）相鄰基坑共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)前期結(jié)構(gòu)未完成時，后期基坑直接開挖會對前期基坑引起較大的變形，造成安全隱患。

（3）明挖隧道施工距離相鄰基坑越遠(yuǎn)，施工對相鄰基坑影響越小，當(dāng)距離大于三倍隧道基坑開挖深度范圍，可認(rèn)為明挖隧道施工對相鄰基坑基本沒有影響。

（4）相鄰基坑共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)前期結(jié)構(gòu)未完成之前欲實(shí)施后期基坑，后期基坑應(yīng)采用分坑開挖方案，且封堵墻距離前期基坑應(yīng)大于一倍后期基坑開挖深度范圍。