基坑開挖對既有隧道的影響與支護方案對比研究

張昊然 姚海波 耿英宸 李嘉興 王增月

(1.北方工業大學， 北京 100144；2.中化學路橋建設有限公司， 北京 101100)

隨著國家經濟的蓬勃發展，交通運輸的建設也急速發展，交通重心從地上逐漸變成地下，鐵路等地下交通設施愈發重要。隨著鐵路隧道的建設，地下空間利用率增加，可用地下空間減小，加之目前很多城市的鐵路隧道線路錯綜復雜，在建筑建設的基坑開挖階段，不可避免地會有與鐵路隧道近接的情況。基坑開挖勢必會對臨近隧道造成影響，因此，如何設計基坑支護，保證施工安全進行，減小對附近隧道的影響尤為重要。

現階段，國內外的專家學者對于既有鐵路隧道下基坑開挖支護的研究主要有，劉遠亮[1]對地層自重固結、基坑開挖施工的整個過程進行模擬分析，得出基坑開挖過程中土體開挖卸荷作用對臨近隧道結構的位移變形以水平變形為主，豎向變形較小，開挖至基坑底部時，隧道結構變形量達到最大；陳麗敏[2]對基坑開挖引起的鄰近建筑及地鐵隧道變形情況進行三維建模，分析后發現基坑開挖后建筑物地下室整體表現為沉降變形的趨勢，采用單排樁支護形式，建筑物的傾斜度會達到規范臨界值；孫琳[3]等分析基坑開挖是否考慮降水對基坑支護結構變形的影響，并與現場基坑支護結構的監測結果進行對比，發現初始地下水水位越淺，對基坑及臨近建筑物影響越大；趙志孟[4]在進行基坑正常支護和基坑坍塌兩種情況下隧道的變形分析后，提出軟弱土層可以采用“地連墻+3道內支撐”作為深基坑的支護方式，能夠有效控制變形；賈瑞晨[5]分析地鐵隧道后期監測中的變化后，認為澆筑底板、支撐直接影響隧道位移控制的穩定性，支撐穩定后各個指標不會產生多種波動；趙良云[6]分析鄰近盾構地鐵隧道兩側深基坑開挖的圍護設計后，認為軌道交通控制保護區內，基坑開挖施工順序的選擇應仔細考慮；張汝捷[7-9]等對包括區間隧道水平位移及收斂、區間道床豎向位移、管縫和裂縫、軌道幾何形態等在內的主要指標進行評估研究后，發現基坑開挖時深基坑的施工對臨近地鐵區間隧道的影響總體表現為道床的下沉，隧洞結構的徑向收斂、區間隧道水平方向的位移和軌距變化。綜上，對于既有鐵路隧道的基坑開挖的影響已經有了較為完善的研究，但是基坑開挖不同支護形式對既有鐵路隧道影響的對比研究較少。本文采用MIDAS-GTS有限元軟件模擬不同支護方法基坑開挖對既有鐵路隧道的影響，進行對比分析，結果可為相關工程提供參考。

1 工程概況

本工程基坑周邊場地復雜，有既有鐵路隧道1座，半徑6 m，埋深6 m。因臨近鐵路，將鉆孔灌注樁+內支撐支護與地下連續墻支護方案進行對比分析。其中，為增加實驗數據可靠性，設置兩種開挖工況。工況Ⅰ：基坑開挖深度12 m，分3次開挖，每次4 m，形狀為五邊形。工況Ⅱ：開挖深度15 m，分3次開挖，每次5 m，形狀為五邊形，兩種開挖情況下隧道基坑位置如圖1、圖2所示。基坑與既有隧道最右側水平距離15 m，隧道拱頂與基坑底豎直距離6 m，隧道為復合襯砌結構，襯砌采用C20噴射混凝土。基坑平面如圖3所示。鉆孔灌注樁直徑1.2 m，地下連續墻墻厚1 m，鉆孔灌注樁、地下連續墻嵌固端深度18 m。土層總深度40 m，包含3個土層，第一層為雜填土20 m，第二層為黏土10 m，第三層為粉質黏土10 m。因本工程整體結構都在地下水位以上，故不考慮地下水問題。

圖1 隧道基坑位置(工況Ⅰ)圖(m)

圖2 隧道基坑位置(工況Ⅱ)圖(m)

圖3 基坑平面圖(m)

2 計算情況

2.1 計算模型

以京張城際鐵路基坑為背景，根據實際參數信息，建立MIDAS-GTS有限元3D計算模型。為充分考慮基坑及周圍土體對其的影響，模型尺寸為長 195.36 m、寬157.94 m、高40 m。該模型所受自重荷載及約束條件可通過靜力邊坡自動添加。計算模型如圖4所示。

圖4 計算模型圖

2.2 計算參數

本模型為彈塑性本構模型，運用修正摩爾-庫倫準則進行有限元計算，計算模型結構的參數如表1、表2所示。

表1 土層參數表

表2 結構參數表(kN/m/sec)

2.3 施工情況

本模型采用施工階段的求解類型，整個計算過程包括5個施工階段，分別為：地應力平衡、隧道開挖、第一次開挖與基坑支護、第二次開挖與基坑支護以及第三次開挖與基坑支護。具體添加步驟如表3所示。

表3 施工階段步驟表

2.4 測點布置

選擇隧道與基坑并行區段中心截面以及此截面沿隧道方向前后20 m、40 m為監測面，每個監測面上布置8個測點，如圖5所示。

圖5 測點布置圖

3 應力結果分析

3.1 隧道襯砌主應力分析

計算完成后，提取兩種工況下，不同支護方案、不同基坑開挖階段，隧道與基坑并行區段中心截面處襯砌右拱肩位置的最大主應力和最小主應力值(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)如圖6、圖7所示。

圖6 隧道襯砌最大主應力圖

圖7 隧道襯砌最小主應力圖

從圖6、圖7可以看，隨著開挖深度的不斷加深，兩種支護方案中隧道襯砌上的最大主應力值和最小主應力值均緩慢增長，不同工況下的最大主應力值和最小主應力值都是地連墻方案小于鉆孔灌注樁方案。

3次開挖完成后，隧道與基坑并行區段中心截面上的8個測點最大主應力值如圖8、圖9所示。

圖8 隧道襯砌各測點最大主應力圖

圖9 隧道襯砌各測點最小主應力圖

從圖8、圖9可以看出，3次開挖完成后，兩種工況下的不同支護方案中，隧道襯砌上的最大主應力值和最小主應力值都隨著開挖的進行而增大，均在右拱肩處達到最大。其中，連續墻方案下的最大主應力值和最小主應力值整體大于鉆孔灌注樁方案下的應力值。

3.2 隧道襯砌剪應力分析

計算完成后，提取兩種工況下，不同支護方案中，基坑開挖各階段時，隧道與基坑并行區段中心截面處，襯砌右拱肩位置剪力值(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，如圖10所示。從圖10可以看出，隨著開挖深度的不斷加深，鉆孔灌注樁支護方案中隧道襯砌上的剪應力逐漸增大，但并不顯著，工況Ⅰ剪力值最大為11.3 MPa，工況Ⅱ為12.8 MPa，均大于隧道襯砌所采用的C20混凝土抗剪強度2.7 MPa，此狀態下，隧道襯砌產生開裂，隧道結構遭到破壞；連續墻支護方案中隧道襯砌所受剪應力則逐漸緩慢增大，工況Ⅰ剪力值最大為1.6 MPa，工況Ⅱ為2.5 MPa，均小于C20混凝土抗剪強度，隧道襯砌不會開裂。

圖10 隧道襯砌剪力圖

3次開挖完成后，隧道與基坑并行區段中心截面上的8個測點剪應力值如圖11所示。

圖11 隧道襯砌各測點剪力圖

從圖11可以看出，3次開挖完成后，兩種工況中不同支護方案隧道襯砌的剪應力變化都較為平穩，都在右拱肩處達到最大。其中，鉆孔灌注樁方案中的剪應力值整體大于C20混凝土抗剪強度2.7 MPa，隧道襯砌有開裂風險；而連續墻方案下的隧道襯砌剪應力均符合要求，隧道不會開裂。

4 位移結果分析

4.1 隧道豎向位移分析

3次開挖之后，記錄兩種支護方法下的各監測面數據(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，如圖12、圖13所示。

圖12 隧道豎向位移折線(工況Ⅰ)圖

圖13 隧道豎向位移折線(工況Ⅱ)圖

從圖12、圖13可以看出，在兩種工況下，3次開挖完成后，鉆孔灌注樁支護方案中隧道襯砌豎向位移先增大后減小，在隧道中間面處達到最大，工況Ⅰ為14.1 mm，工況Ⅱ為15.7 mm；連續墻支護方案中隧道襯砌豎向位移變化基本平穩，在隧道中間面處達到最大，工況Ⅰ為2.3 mm，工況Ⅱ為4.2 mm。GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》中規定的控制值為10 mm。因此鉆孔灌注樁支護方案并不滿足規范要求，而連續墻支護方案則滿足規范要求。

由上述結果可知，在基坑開挖完成后，隧道與基坑并行區段中心截面處豎向位移最大，監測面上8個測點的豎向位移如圖14所示。

圖14 隧道各測點豎向位移折線圖

從圖14可以看出，3次開挖完成后，兩種工況不同支護方案下的豎向位移在靠近基坑處較大，其中，鉆孔灌注樁支護方案下，各測點位移變化較明顯；連續墻支護方案下，各測點位移變化相對平緩，兩種方案下的最大位移均發生在右拱肩處。

4.2 隧道水平位移分析

3次開挖之后，記錄兩種工況中，不同支護方案下的各監測面數據(以3次開挖完成后工況Ⅰ為例)，得出每次開挖時隧道監測面水平位移折線圖，如圖15、圖16所示。

圖15 隧道水平位移折線(工況Ⅰ)圖

圖16 隧道水平位移折線(工況Ⅱ)圖

從圖15、圖16可以看出，3次開挖完成后，鉆孔灌注樁方案下，隧道襯砌水平位移先增大后減小，在隧道中間截面處達到最大，工況Ⅰ為4.5 mm，工況Ⅱ為 6.5 mm；連續墻支護方案下，隧道襯砌水平位移基本平穩，在隧道中間面處達到最大，工況Ⅰ為1.9 mm，工況Ⅱ為2.9 mm。GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》中規定的控制值為10 mm。因此，兩種支護方案均滿足要求。

由上述結果可知，在基坑開挖完成后，隧道與基坑并行區段中心截面處水平位移最大，監測面上8個測點的水平位移量，如圖17所示。

圖17 隧道各測點水平位移折線圖

從圖17可以看出，3次開挖完成后，兩種工況不同支護方案的水平位移量均在靠近基坑處數值較大，其中鉆孔灌注樁支護方案下的位移量變化與連續墻支護方案相比更加明顯。兩種方案下的水平位移量都是在右拱肩處達到最大。

5 結論

本文通過分析不同支護方法基坑開挖對既有鐵路的影響，得出以下主要結論：

(1)連續墻支護方案下隧道襯砌上的最大主應力7.5 MPa(工況Ⅰ)、9.6 MPa(工況Ⅱ)和最小主應力3.1 MPa(工況Ⅰ)、5.5 MPa(工況Ⅱ)明顯小于鉆孔灌注樁方案中最大主應力14.5 MPa(工況Ⅰ)、17.2 MPa(工況Ⅱ)和最小主應力13.5 MPa(工況Ⅰ)、11.3 MPa(工況Ⅱ)；同時，連續墻支護方案下隧道襯砌上的剪力值1.6 MPa(工況Ⅰ)、2.5 MPa(工況Ⅱ)也小于鉆孔灌注樁方案下的剪力值11.3 MPa(工況Ⅰ)、12.8 MPa(工況Ⅱ)，且地下連續墻方案下隧道襯砌不會開裂。

(2)在3次開挖過程中，連續墻支護方案中隧道中心截面沉降量2.3 mm(工況Ⅰ)、4.2 mm(工況Ⅱ)遠小于鉆孔灌注樁支護方案沉降量14.1 mm(工況Ⅰ)、15.7 mm(工況Ⅱ)；兩種方案下的隧道水平位移量有少許差異，其中鉆孔灌注樁方案變化明顯。

(3)3次開挖完成后，隧道的豎向和水平位移均在隧道與基坑并行區段中心截面處達到最大，在此截面上，靠近基坑處及右拱肩處位移量最大，隨著測點遠離基坑，位移量也相應減小。同時，隧道襯砌上應力值的變化也遵循這一規律。

(4)開挖深度為15 m時，隧道襯砌上的應力值、隧道沉降量、隧道的水平位移量均大于開挖深度為 12 m時的數值。