隧道暗挖施工對近接基坑變形及穩定性影響芻探

文亞勇

（中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 保定 072750）

城市化進程加速使得大中型城市地鐵發展突飛猛進，由此引發大量工程建設問題?，F階段可供建設使用的土地日益緊張，暗挖隧道施工必然對已施工完畢的基坑受力和變形產生不利影響。

對于城市基坑工程，變形控制通常起主導作用?；幼冃沃饕腥矫妫簢o結構變形、坑底隆起變形和坑外土體變形[1]。近年來，有學者利用理論分析、現場實測、數值計算等方法研究了暗挖隧道施工對道路、建（構）筑物等變形的影響[2]，重點分析了暗挖隧道與建（構）筑物間的水平間距、垂直埋深、盾構方式、襯砌注漿結構等影響因素[3-4]。研究表明，盾構施工擾動了土體使其失去了初始平衡狀態，引起盾構隧道周邊土體應力重分布，從而引起周圍地層的沉降變形，隨之引發周圍建筑結構產生過大的變形而發生破壞。隧道盾構暗挖施工對已施工完成的地鐵基坑影響研究需要進一步探明。

本文以某地鐵線路南站廳站基坑為例，采用FLAC3D 有限差分軟件建立分析模型，全過程模擬區間隧道盾構施工對既有基坑支護結構內力、基坑變形和穩定性等方面的影響，進一步了解地鐵隧道施工與近接基坑的相互作用關系，旨在為類似基坑的設計和施工提供借鑒和指導。

1 工程概況

某地鐵線路首期工程全線共設29 座車站，工程全長32 km，29.79 km 為地下線路。南站廳位于環市西路交叉口，環市西路上設有高架橋，西灣路左右設有兩處匝道，場地附近建筑物林立，有師范學校附小（西北角）、羊城西灣大廈（東北角）、匯福酒店（東南角）、居住區及教研基地（東側），交通位置如圖1 所示。

圖1 場地交通位置

經過該站點的區間隧道有三個隧道結構，左側是已完成施工的南站廳站基坑，長249.2 m，寬73.5 m，最大挖深約13 m，主要采用鋼筋混凝土支撐結合鋼管支撐，還有部分施工段采用錨索支護。隧道左線與內部扶梯通道間有高架橋樁基，樁基直徑1.20 m，底部標高-21.80 m。南站廳靠左線側有防護墻，防護墻距離左線隧道結構外緣3.30 m。（結構間的相對位置與尺寸見圖2，隧道結構斷面見圖3，支護參數見表1）

圖2 基坑與隧道位置關系

圖3 隧道結構斷面

表1 支護結構參數

站址范圍內為微丘臺地貌，車站主體結構上覆土為素填土＜1＞、可塑殘積土＜5-1＞；車站主體結構主要位于硬塑殘積土＜5-2＞、紅層強風化帶＜7＞；下伏紅層中等風化帶＜8＞。強風化帶及中風化帶貯存基巖裂隙水，富水性稍好，透水性弱。地下水對混凝土結構無腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋有弱腐蝕性。（巖土體物理力學參數見表2）

2 建立分析模型

2.1 分析模型

據場地情況建立計算模型。模型中隧道上下左右邊界范圍分別為40、150、70和70 m。兩側邊界水平向位移約束，模型底部固定，頂部自由。計算過程中巖土體及結構均采用實體單元，樁與巖土體之間加設接觸面模擬兩者摩擦效應。計算模型總單元數為24 715 個，總節點數為50 922 個。高架橋單根樁基頂部荷載為3 000 kN，人行橋樁基頂部荷載為500 kN。建立模型如圖4 所示，圖中1#～5#為基坑底部框架監測點。計算時巖土體采用M-C本構模型（參數見表2、3）。

圖4 計算模型

表2 巖土體參數

2.2 暗挖施工過程模擬

該段隧道采用臺階法施工，計算中模擬了18 道施工步驟：①中洞上半斷面右幅開挖及支護；②中洞下半斷面右幅開挖及支護；③中洞上半斷面左幅開挖及支護；④中洞下半斷面左幅開挖及支護；⑤左洞上半部右幅開挖及支護；⑥左洞下半部右幅開挖及支護；⑦左洞上半部左幅開挖及支護；⑧左洞下半部左幅開挖及支護；⑨右洞上半部右幅開挖及支護；⑩右洞下半部右幅開挖及支護；?右洞上半部左幅開挖及支護；?右洞下半部左幅開挖及支護；?中洞臨時支護拆除；?中洞部分二次襯砌；?拆除左洞部分臨時支護；?施工左洞部分二次襯砌；?拆除右洞部分臨時支護；?右洞二次襯砌施工。本次計算中，初期支護在完全穩定后才作二次襯砌，初期支護釋放的圍巖壓力為100%。具體情況如圖5 所示。

圖5 暗挖隧道施工過程模擬

表3 結構計算參數

3 暗挖施工對既有基坑影響分析

分析隧道暗挖施工過程中隧道圍巖位移、基坑位移、基坑框架內力、基坑安全系數等，以綜合判定暗挖施工對既有基坑穩定性影響。分析中監測節點見圖4。

3.1 隧道圍巖位移

隧道圍巖位移計算結果如圖6、圖7 所示。由圖6 可見：圍巖變形較大處在隧道拱頂，最大變形值為30 mm，變形影響深度較深。由于靠近隧道一側的防護樁基伸到仰拱部位，有效抑止了隧道施工對基坑的影響，同時也保護了隧道上方的人行樁基。總的來說，位移變化大的位置圍巖應力松弛現象越明顯，兩者關系呈現顯著一致性。

圖6 隧道圍巖位移場

圖7 隧道圍巖塑性區

圖7 為隧道圍巖塑性屈服區模型結果。由于隧道圍巖的強度和力學性能較差，在施工中，圍巖不可避免出現屈服帶。隧道周邊圍巖的塑性區隨施工的推進逐漸向外擴展，其波及范圍較大，最大擴展深度為12 m，且以隧道中點為基點，呈梅花型分布，但塑性區擴展尚未波及地表；基坑周邊圍巖幾乎未出現屈服帶，說明隧道施工對基坑影響較小，靠近隧道一側的防護樁能有效保護基坑不受隧道影響；人行樁基底端圍巖已屈服，圍巖的承載能力降低，為了保證人行樁基和隧道左洞的施工安全，隧道左洞洞內加固范圍應擴大；高架橋樁基周邊圍巖在隧道施工中基本沒有出現屈服帶，表明施工中隧道穿越地區周圍建構筑物和地表的變形在安全范圍內。

3.2 基坑位移

基坑位移計算結果如圖8 所示。由圖可知：各控制點位移在整個施工過程中呈遞增趨勢，但變幅均較小，其最大位移僅為1.48 mm，出現在底板靠近隧道一側右邊緣。從位移的變化規律可看出，靠近隧道一側的防護樁能有效控制基坑位移，保護基坑不受隧道施工影響。

圖8 基坑位移隨暗挖施工變形曲線

3.3 基坑結構內力

基坑結構內力計算結果如圖9 所示。由圖9 （a）可知：底板控制點彎矩隨施工過程呈遞增趨勢，但變幅較小，1 號控制點彎矩在-5 kN.m 左右徘徊，2 號在-120 kN.m 左右徘徊，3 號在-100 kN.m 左右徘徊，4 號在-70 kN.m 左右徘徊，5 號控制點最大彎矩僅為-12 kN.m，說明隧道施工對基坑底板彎矩的影響較?。黄渲械装迮c樁基相接斷面彎矩最大，且為上緣受拉，其受力特性可看成以基坑底板樁基為支座30 m 長的連續梁。

由圖9（b）可知：底板控制點軸力隨施工呈遞增趨勢，但變幅較小，1 號控制點軸力在-80 kN左右徘徊，2 號在250 kN 左右徘徊，3 號在230 kN 左右徘徊，4 號在150 kN 左右徘徊，5 號控制點最大軸力僅為-36 kN，說明隧道施工對基坑底板軸力的影響較小；其中底板與樁基相接斷面軸力最大，且為拉力，其受力特性可看成以基坑底板樁基為支座30 m 長的連續梁。

圖9 基坑內力隨暗挖施工變化曲線

總的來說，基坑受力最薄弱的部位為框架底板與樁基相交的轉角部位，需要在底板與樁基相交的轉角位置配置鋼筋，其鋼筋的具體布置可根據相交斷面的軸力、彎矩進行。

3.4 安全系數

安全系數計算結果如圖10 所示。由圖可知：在整個施工過程中底板控制點最小安全系數不小于1.4，小于規范要求，需在底板與樁基相交部位配置受拉鋼筋。

圖10 安全系數隨暗挖施工變化曲線

4 結論

本文以地鐵南站廳基坑及區間隧道為例，采用FLAC3D 有限差法模擬隧道暗挖全過程施工對既有基坑支護結構內力、基坑變形和穩定性等方面的影響，研究結果表明：

①隧道周邊圍巖的塑性區隨施工的推進逐漸向外擴展，以隧道中點為基點，呈梅花型分布，但塑性區擴展尚未波及基坑周邊圍巖。②基坑位移、基坑底板內力在整個施工中呈遞增趨勢，但變幅均較小，其最大位移出現在底板靠近隧道一側右邊緣，內力最大在底板與樁基相接斷面處。③基坑安全系數在整個施工中均小于規范要求。④隧道施工對基坑影響較小，靠近隧道一側的防護樁能有效保護基坑不受隧道影響。