基坑分區開挖對隧道的影響

沈銀斌，陳賀欣，吳迎雷

（1.機械工業勘察設計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230051；2.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；3.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

新的地下交通結構在建設過程中因基坑開挖可能會對鄰近既有地鐵結構產生影響，嚴重情況下會威脅地鐵結構的正常使用，因此必須分析基坑開挖對隧道的影響。張嬌等[1]，張治國等[2]，郭鵬飛等[3]ZHU[4]，褚峰等[5]，朱峰[6]，沈雯等[7]分別從不同角度分析基坑分區開挖對隧道的影響。本文通過數值模擬方法，分析采用不同的基坑開挖方式對臨近地鐵隧道的影響。

1 工程概況

懷寧路下穿天鵝湖隧道位于合肥市政務區核心區域，起自南二環以南，自桐文路交口降坡，下穿天鵝湖路及天鵝湖湖體，在距離祁門路80米處斜上穿接地，終于懷寧路與祁門路交口，隧道全長685 m,其中暗埋段447 m，敞開段238 m。懷寧路總體呈南北走向，向北可達北二環路，向南接經開區。上跨呈東西走向的地鐵3號線祁門路站～大劇院站區間，該穿湖公路隧道為雙向6車道的三跨矩形鋼筋混凝土箱型結構。

該基坑工程涉及3號線祁門路站～大劇院站區間，沿穿湖隧道走向延伸。此次涉軌段基坑長80 m，寬32.1 m，見圖2所示。

圖1 工程項目位置平面圖

圖2 基坑平面及分區圖（單位：m）

場地土層主要涉及①填土層②粉質黏土層③強風化泥質砂巖④中風化泥質砂巖。地下水類型為上層滯水和潛水。分別分布于填土層與砂巖上部與粉質黏土交界處。

2 基坑分區開挖及圍護方案

本次研究的是天鵝湖隧道上跨合肥軌道交通3號線祁門路站～大劇院站區間隧道的部分，里程樁號為K0+340～K0+420，該段公路隧道縱坡坡率4.55%，結構形式主要為兩種，K0+340～K0+371.5范圍為敞口型U型槽，K0+371.5～K0+420為暗埋段雙跨單層箱型結構，結構底板埋深 6.93～11.28 m，該隧道采用明挖順作法施工。

由于祁大地鐵區間與基坑的豎向投影凈距為6.2 m，根據有關軌道交通嚴格控制區和影響控制區范圍的規定，該工程影響為強烈影響區，外部作業影響等級為特級。

3 基坑施工的數值模擬

3.1 修正摩爾-庫倫本構及材料參數

本文使用MIDAS GTS NX軟件對基坑施工過程進行三維建模分析。土體采用修正摩爾庫倫本構（Modified-Mohr-Coulomb）模型[8-9]，該本構是對摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）模型的改進，解決了地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況，能夠較合理地描述地層的變化問題。模型通過分別定義加載彈性模量和卸載彈性模量，來優化因開挖（移除荷載）導致的地面隆起現象。

在地勘報告提供的參數基礎上，結合合肥地區的經驗值，以及數值模擬結果與基坑開挖的實際監測數據的對比，進行反分析獲得土體計算參數，見表1所列。

土體物理力學參數表 表1

圖3 基坑圍護縱斷圖

因盾構隧道錯縫拼裝，管片之間采用螺栓連接，模型中需考慮因接頭存在引起的整體圓環剛度減弱，通過對橫向剛度有效率進行折減來等效。取橫向剛度有效率為0.8，襯砌隧道直徑6 m，管片厚度0.3 m,采用C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa。

3.2 有限元模型及工況設置

本模型尺寸為160 m×93.3 m×40 m，共有293009個網格單元，土層采用四面體網格，三維網格劃分詳見圖4。

圖4 三維模型劃分示意圖

本模型主要模擬了3個施工方案。對比分析不同的基坑開挖方式對地鐵隧道的影響。具體方案見表2所列。

圖5 區間與隧道的相對位置圖

施工模擬初步方案 表2

方案2分區方式為是1區（Ⅰ），2區（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），3區（Ⅵ）。

3.3 結構安全控制標準

在滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》的基礎上，充分考慮后續存在的其他外部作業可能對該段區間結構的影響，對本工程基坑開挖制定了該范圍結構安全位移控制標準。

結構安全控制值 表3

4 模擬結果分析

4.1 整體大基坑分層開挖

監測點沿地鐵結構的走向分布，從西向東依次排序，從西向東視圖見圖6所示。

圖6 地鐵區間監測點分布圖

由圖7和圖8數據結果可以看出，采用大基坑開挖產生的豎向位移和橫向位移都比較大，沿區間走向呈正態分布。最大值未發生在監測點位置，模擬結果得到左線豎向位移最大值16.84mm，右線豎向位移最大值17.44mm，均已超過目標控制值（11.5 mm）。豎向位移最終值右線8.95 mm，左線7.42 mm（均超過預警值6.9 mm）；產生的水平位移左線最大值3.37 mm（已超出預警值3 mm），右線最大值-2.81 mm。區間結構兩側產生徑向收斂變形,越靠近基坑，收斂變形越大。

圖7 沿地鐵區間走向各監測點位置豎向位移曲線

圖8 沿地鐵區間走向各監測點位置水平位移曲線

4.2 分區開挖（3基坑）

與方案1數據結果對比，變形規律相似；豎向位移減小，但最大值依舊超出目標控制值（11.5 mm），豎向位移最大值降低了22.5%，減少了3.92 mm，左線左側和右線右側的水平位移增大，但幅度不大，左線右側和右線左側水平位移值減小。

圖9 沿地鐵區間走向各監測點位置豎向位移曲線

圖10 沿地鐵區間走向各監測點位置水平位移曲線

4.3 分區開挖（6基坑）

采用（6基坑）開挖方式，區間結構的位移變形顯著降低，箱型隧道結構的及時修筑及回填，很大程度上及時抑制了地鐵結構的位移變形。

圖11 沿地鐵區間走向各監測點位置豎向位移曲線

圖12 沿地鐵區間走向各監測點位置水平位移曲線

區間左線豎向位移最大值7.56 mm，右線豎向位移最大值8.90mm（均已超出預警值6.9mm）。左線最終值7.10mm，右線 7.18mm。與方案 1 對比，豎向位移最大值降低了49.0%，減少了8.54 mm，水平位移處于安全范圍，減少了1.67 mm。因此，對比3種基坑開挖方式結果，方案3是最佳的基坑開挖方式。

5 結論

通過數值模擬分析基坑的不同開挖方式對下臥既有隧道結構的影響。并得到以下結論：

①基坑分區開挖，以及隧道結構的及時修筑和回填，能夠有效限制地鐵隧道結構的隆起變形；

②與大基坑開挖后再修筑隧道結構方案相比，采用3基坑分區開挖，邊回筑公路隧道結構豎向位移降低22.5%，采用6基坑分區分層開挖，及時修筑隧道結構和回填，豎向隆起變形降低了49.0%，能夠很大程度降低因基坑開挖豎向卸荷造成的隆起變形，也是深大基坑更加合理的開挖方式。