基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道變形的影響分析

張 愿，楊美玲

(柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州 545616)

0 引言

城市建設中，經常會遇到既有隧道附近基坑開挖情況，基坑開挖會引起隧道上方土體卸荷，進而會影響隧道的安全，因此，研究基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響具有重要的意義。近年來，國內學者對此進行了一些研究，鄭剛、鄒偉彪等[1-2]以某既有隧道上方的基坑工程為研究對象，結合現場實測數據，采用有限元軟件ABAQUS對基坑的實際施工過程進行模擬，分析了既有隧道箱體兩側的土體加固、澆筑底板與抗浮樁形成“保護箍”以及堆載回壓等措施對既有箱體軌道的影響；詹劍青、郭永發等[3-4]以深基坑開挖對其鄰近隧道的影響為研究內容，通過有限元數值分析，研究了不同情況下深基坑開挖對鄰近隧道的影響，研究結果可為施工提供參考；郭院成等[5]以某地區粉土中鄰近地鐵的基坑工程為案例進行研究，通過室內土工試驗得到了相關具體力學參數取值，并建立了基坑開挖對下臥服役地鐵隧道影響的三維數值分析模型，分析了基坑開挖對下臥地鐵隧道的位移影響；萬蓓菁等[6]以某城市軌道交通1號線區間隧道鄰近基坑工程為例，詳細闡述了基坑開挖過程中采取的各項技術措施，并對數值模擬與監測數據進行了分析對比，為其他同類型工程提供參考。本文主要以鄰近既有地鐵隧道左上方基坑開挖為研究對象，采用有限差分軟件FLAC 3D建模分析，重點分析了基坑開挖過程中隧道的變形規律，研究結果可為類似鄰近既有地鐵隧道基坑開挖和保護提供參考和借鑒。

1 工程概況

某基坑開挖工程鄰近既有地鐵隧道，基坑最大開挖深度為12.0 m，每次開挖3 m，分4步進行開挖。基坑開挖范圍內從上至下主要依次為填土層、粉質黏土層以及砂礫層。該基坑工程擬采用灌注樁、冠梁和錨索的支護形式，支護樁和冠梁均采用C25混凝土，其中冠梁設置在頂部，尺寸為800 mm×1 200 mm，支護樁樁徑取1 m，樁間距為1.5 m，樁長為22 m。基坑四周設置有止水帷幕，止水帷幕高8.7 m。隧道直徑為6.0 m，管片厚度為30 cm，具體如圖1所示。

圖1 基坑結構斷面示意圖(m)

2 數值建模

2.1 模型建立

如下頁圖2所示，采用FLAC 3D軟件建立模型，模型的長、寬、高分別為100 m×10 m×40 m，從上至下依次為素填土、粉質黏土、黏土、細砂土和中砂土，厚度依次為1.8 m、14.3 m、9.1 m、8.6 m和7.2 m。模型采用摩爾-庫侖作為本構模型，除模型上邊界外，其他邊界均進行位移和邊界約束。基坑開挖深度為12 m，共分4次開挖。模擬時在基坑頂部距離坑邊2.0 m外設置條形荷載，荷載大小取20 kPa，作用寬度取18.0 m。該基坑共設置3層錨索，腰梁采用22 b工字鋼，錨索深度分別為-2.8 m、-5.7 m和-9.1 m，從上至下錨索長度依次為20 m、21 m和21 m，錨固段長度依次為13 m、16 m和15 m。采用一樁一錨固，錨固傾角為15°，預應力為350 kN。表1和表2分別為土體和支護結構的力學參數表。

表1 土體物理力學參數表

表2 各單元力學參數表

圖2 數值模型圖

2.2 工況設置

本文共設置4種工況，錨索從上至下分別設置在-2.8 m、-5.7 m和-9.1 m的位置，具體如圖3所示。

圖3 工況設置示意圖

2.3 隧道監測點設置

為了更好地研究基坑開挖對鄰近既有隧道的變形影響，如圖4所示，在隧道襯砌上設置8個監測點，即1#～8#監測點，任意兩個點連圓心之間的夾角均為45°，1#監測點位于隧道拱頂。

圖4 隧道監測點設置圖

3 數值結果分析

3.1 開挖過程中支護樁水平位移分析

為了驗證數值模型的合理性，如圖5所示，為四種不同工況下支護樁水平位移模擬值與現場監測值對比曲線。由圖5可知，工況一和工況二支護樁最大水平位移均在樁頂，且從上至下基本呈現出水平位移逐漸減小直至穩定的趨勢，數值模擬對應的最大水平位移分別為3.18 mm和5.70 mm，現場監測對應的最大水平位移分別為2.72 mm和4.36 mm；工況三和工況四支護樁最大水平位移從上至下呈現出先增大后減小直至穩定的趨勢，數值模擬對應的最大水平位移分別為11.74 mm和13.23 mm，現場監測對應的最大水平位移分別為9.16 mm和12.11 mm。四種工況下支護樁水平位移數值模擬值與現場監測值整體吻合度良好，說明本文數值模擬方法的合理性和可行性。

(a)工況一

3.2 既有隧道水平位移分析

基坑開挖卸荷會導致土體變形，勢必會對隧道的變形產生影響，如圖6所示，取隧道中部的切片，給出了4種不同工況下的隧道水平位移云圖。由圖6可知，4種工況下隧道均整體向左側發生水平位移，這與基坑位于隧道左側且開挖卸荷有關。不同工況下隧道最大水平位移均發生在左側拱肩附近，最小水平位移均發生在右側拱腳附近。由此可知，基坑開挖工程中，隧道始終朝著基坑一側發生水平位移，且隧道水平位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(a)工況一

為了更直觀地分析隧道的水平位移變化規律，如圖7所示，給出了不同工況下隧道監測點水平位移變化情況，以隧道向左位移為正，反之為負。由圖7可知，各種工況下隧道左側水平位移均明顯大于右側，隨著基坑開挖深度不斷增大，隧道水平位移不斷增大。其中8#監測點水平位移始終最大，4種工況下，8#監測點對應的水平位移分別為1.01 mm、1.55 mm、2.40 mm和3.31 mm。

圖7 不同工況下隧道監測點水平位移玫瑰圖

3.3 既有隧道豎向位移分析

如圖8所示，取隧道中部的切片，給出了4種不同工況下的隧道豎向位移云圖。由圖8可知，4種工況下隧道均整體向上側發生豎向位移，這與隧道斜上方基坑開挖卸荷有關。不同工況下隧道最大豎向位移均發生在左側拱腰略偏上附近，最小豎向位移均發生在右側拱腰附近，且左半部分隧道豎向位移量始終大于右側。由此可知，基坑開挖工程中，離基坑較近一側的隧道豎向位移大于離基坑較遠一側，且隧道豎向位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(a)工況一

如圖9所示，給出了不同工況下隧道監測點豎向位移變化情況，以隧道向上位移為正，反之為負。由圖9可知，各種工況下隧道左側豎向位移均明顯大于右側，隨著基坑開挖深度不斷增大，隧道豎向位移不斷增大。其中7#監測點和8#監測點豎向位移基本相當且最大，4種工況下，最大豎向位移分別為1.02 mm、1.76 mm、2.76 mm和3.58 mm。

圖9 不同工況下隧道關鍵監測點豎向位移玫瑰圖

4 結語

本文主要以鄰近既有地鐵隧道左上方基坑開挖為研究對象，采用有限差分軟件FLAC 3D建模分析，重點分析了基坑開挖過程中隧道的變形規律，得到以下結論：

(1)各工況下支護樁水平位移數值模擬值與現場監測值整體吻合度良好，說明本文數值模擬方法的合理性和可行性。

(2)基坑開挖過程中隧道均整體向左側發生水平位移，不同工況下隧道最大水平位移均發生在左側拱肩附近，最小水平位移均發生在右側拱腳附近。即基坑開挖工程中，隧道始終朝著基坑一側發生水平位移，且隧道水平位移隨基坑開挖深度增大而增大。

(3)基坑開挖過程中隧道均整體向上發生隆起位移，離基坑較近一側的隧道豎向位移大于離基坑較遠一側，且隧道豎向位移隨基坑開挖深度增大而增大。