深基坑工程施工與既有隧道的相互影響研究

周侃東，黃河，沈銀斌，暢宇飛，牛盼

（機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 前言

隨著我國城市現代化進程的不斷推進，各地塊都在如火如荼地進行開發利用，建筑基坑就不可避免地與周邊既有隧道等建構筑物相互影響[1]?；尤糇冃芜^大，可能導致既有隧道產生損傷性位移，影響地鐵的正常運營，對人民群眾的日常出行與城市運轉不利。因此近年來，以三維仿真模擬的方式分析基坑及相關問題正在逐步成為業內的一個重要課題[2～4]。本文以實際工程為依托，對深基坑工程施工及與之臨近的既有地鐵隧道進行了深入研究，重點分析了深基坑圍護結構與隧道的位移情況，對深基坑工程施工與既有隧道的相互影響進行了分析評價。

1 工程概況

1.1 項目概況

商業運營中心項目位于合肥市潛山北路以北、南淝河以東。下匐已建成的合肥地鐵3號線。擬建上部結構為高層辦公樓，下部為采用獨立基礎的2層地下室。本基坑深度9.5m，臨近隧道一側支護設計采用咬合樁與內支撐結合的支護型式，坑底土體采用高壓旋噴加固。近隧道區域基坑支護平面及剖面圖如圖1所示。地鐵隧道結構最外側（BC段）距離基坑圍護結構最外側水平距離僅6.261m。典型剖面如圖2所示。

圖1 近隧道區域基坑支護平面圖

圖2 近隧道區域基坑支護剖面圖

1.2 工程地質條件

本工程場區現狀地形較為平整，地貌單元屬于江淮波狀平原，微地貌為南淝河河漫灘及一級階地前緣。場地土自上而下分布有：①層雜填土，層厚3.20 m～6.20m；②層淤泥質粉質粘土，層厚0.40m～1.70m；③層粉質粘土，層厚2.30m～8.40m；④層粉土夾粉砂，層厚1.30m～4.30m；⑤層粉土夾粉砂層厚3.00m～6.90m；⑥層強風化砂巖，層厚0.50m～2.80m；⑦層中風化砂巖，未揭穿。土層物理力學指標如表1所列。

土層物理力學指標 表1

2 數值仿真模擬

2.1 計算邊界及網格劃分

為準確地反映基坑與隧道相互影響關系，考慮土體的非線性因素，土體采用修正摩爾庫倫本構模型[5]。采用重力與位移邊界條件：定義模型中Z方向的自重荷載，底面施加固定約束，頂面為自由面，固定模型的前、后、右三個側面，約束其水平方向上的位移，為提高效率，左側設置YZ對稱平面約束，約束其節點X方向的位移和Y、Z方向的轉動。在模型內部，對包括格構柱和立柱樁在內的1D單元施加轉動約束。

深基坑開挖整體模型與網格劃分如圖3所示，深基坑圍護結構與隧道相對位置如圖4所示。模型網格劃分疏密分明，能夠在保證計算精度的前提下大幅提高計算效率。

圖3 近地鐵隧道的深基坑開挖整體模型與網格劃分

圖4 深基坑圍護結構與隧道相對位置

2.2 工況模擬

根據設計工序，設置如下工況并求解：

Step-1：激活整體模型的所有位移邊界條件和自重，進行初始應力場分析；

Step-2：進行隧道開挖模擬和位移清零；

Step-3：進行圍護結構與立柱的施工模擬；

Step-4：進行坑底土體加固；

Step-5：開挖第一層（開挖1），設置第一道內支撐和冠梁，基坑開挖至-4.35m處；

Step-6：開挖第二層（開挖2），設置第二道內支撐和腰梁，基坑開挖至-9.5m處。至此基坑的開挖過程完成。

3 結果提取與分析

3.1 圍護結構水平位移

根據計算結果，該深基坑開挖1、開挖2工況下，X與Y方向圍護結構的深層水平位移如圖5、圖6所示。

圖5 開挖1工況下圍護結構X、Y方向深層水平位移云圖

圖6 開挖2工況下圍護結構X、Y方向深層水平位移云圖

為研究既有隧道對基坑圍護結構的變形的影響程度，以開挖2工況為例，提取與隧道距離不同的圍護結構的水平位移進行對比分析?？梢钥闯?，AB段圍護結構水平位移的最大值發生在模型邊緣處，此處與隧道的水平距離約為34.34m，而BC段距離隧道的水平距離為6.261m。提取AB段圍護結構的兩種工況下的最大水平位移，將其與更為鄰近隧道的BC段圍護結構的最大水平位移進行對比，得到的結果如圖7所示。

由圖7可知，AB圍護結構最大水平位移為15.02mm，BC段則為15.27mm，僅增大1.66%。由此可知距離隧道較遠的基坑圍護結構，無論是位移值還是變形規律，與靠近隧道部分圍護結構的變形均相差無幾。結果表明，在本工程中盡管隧道與基坑圍護結構水平距離僅為6.261m，但隧道對基坑圍護結構的位移影響較為微弱。

圖7 開挖2工況下AB段與BC段深層水平位移對比曲線

3.2 隧道襯砌變形

根據計算結果，該深基坑工程施工1、2工況下，隧道襯砌結構的總位移云圖如圖8所示。通過結果提取，分析得到左右隧道在兩工況下最大位移值所處位置在隧道長度方向上的變化曲線，如圖9所示。

圖8 開挖1、2工況下隧道襯砌的位移云圖

圖9 隧道位移隨位置的變化曲線

根據上述結論，隧道在該基坑開挖時，其產生位移的趨勢始終是向著基坑方向，產生最大位移值的部位基本處于基坑底部與隧道的連線上。開挖1工況下隧道的最大位移值為0.57mm，位于左隧50m～70m區間內，此時右隧道上最大位移值僅為0.29mm。開挖2工況下隧道的最大位移值為1.90mm，其最大水平收斂與拱頂沉降分別為1.42mm、1.04mm，位于左隧的60m～70m區間內，此時右隧上最大位移值為0.60mm。各處位移均在10mm的控制值以內，即該深基坑工程施工對隧道結構的影響可控。

隨著基坑的開挖，其對隧道的影響范圍逐步變大，且最大位移也隨之增大。相較于隧道對基坑圍護結構的影響，深基坑施工對隧道的影響更大。

4 結論

通過對本工程中深基坑圍護結構與既有隧道的相互影響研究，得出該深基坑工程施工既定支護方案滿足地鐵3號線區間隧道的控制要求，能夠在確保自身基坑安全的前提下，同時保證對隧道結構的影響在可控范圍內。既有隧道對其臨近的深基坑施工影響較為微弱，與隧道對深基坑圍護結構的影響相比較，深基坑工程施工會對臨近既有隧道產生較大影響。