基坑施工對臨近既有地鐵隧道影響及開挖順序研究

彭健海，申 瑾

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年來，伴隨著我國城市地下空間不斷的開發利用，可供新建項目使用的土地資源越來越少，新建項目目前必不可少的需要在既有工程附近施工。在基坑開挖過程中，會對基坑周邊土體產生卸荷作用，坑底土體產生回彈，坑側土體由于兩側水土壓差而向坑內偏移。基坑開挖導致基坑周圍土體應力場發生了變化，其臨近埋置于土中既有隧道受到外界荷載隨之變動[1-3]。既有地鐵隧道對于外界環境的改變較為敏感，主要體現在隧道變形以及裂縫方面。目前隧道主要由管片拼裝完成，其不均勻沉降將導致軌道變形，影響列車安全運行[4]。外界荷載改變將會導致隧道結構原受力結構發生改變，造成裂縫，引發運營隧道漏水現象[5-6]。

近年來，不少學者對基坑開挖對臨近隧道影響進行了研究，大多采用數值模擬結合現場監測[7-8]，給出了一些針對性的施工措施[9-10]。還有學者結合工程實例，歸納總結出基坑開挖對周邊土體變形解析解，劃定了開挖影響分區[11-13]。這些成果對實際工程案例進行了簡化處理，對二維數值模擬開展了詳細的研究。但對于結合實際工程情況的三維數值模擬，仍缺少相關的研究。

本文依托某臨近既有地鐵開挖基坑工程案例，建立三維數值模型，分析基坑開挖對臨近地鐵隧道結構影響特征，進而總結出不同開挖方法對于既有隧道影響程度規律，為后續工程提供參考依據。

1 數值計算與分析

1.1 數值模型建立

依托項目基坑整體呈不規則矩形，基坑東西向長度約200 m，南北向長度約110 m，最大開挖深度12.5 m，距離既有地鐵隧道最近處為10 m。基坑采用樁+錨索形式，既有隧道洞身位于強風化花崗巖。基坑與既有隧道最近處橫剖面如圖1所示。

本次分析選取了地層-結構模型進行分析，根據擬建基坑與既有軌道交通工程的位置關系建立三維模型，如圖2所示。邊界采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；四個側面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制平動和轉動。土體采用修正摩爾庫侖本構模型的實體單元，隧道襯砌結構采用板單元，錨桿采用可植入式桁架單元，其余結構都采用梁單元。地層-結構模型邊界采用固定位移邊界，上邊界取至地面，為自由面；四個側面地層邊界限制水平位移；下部邊界限制平動和轉動。構件模型計算參數如表1所示。

表1 構件模型計算參數

從地表以下依次分布著2 m厚的素填土，1 m厚的粉質黏土，1.5 m厚的粗礫砂，2.5 m厚強風化花崗巖，4 m 厚中風化花崗巖，其余均為微風化花崗巖。數值模擬中從上至下土體參數如表2所示。

基坑內土體分為三層開挖，對開挖區域均勻劃分為6塊，如圖3所示。開挖基本工況為先開挖遠離既有隧道土體(⑤～⑧)，再開挖靠近既有隧道側土體(①～④)。

1.2 模擬結果分析

開挖基坑后，周邊土體應力場發生了變化，既有隧道在其影響區范圍內，隧道結構發生變形以及內力的改變。模擬施工工況后，隧道結構變形情況如圖4,圖5所示。隧道結構內力變化如圖6,圖7所示。

通過位移云圖可以看出，既有隧道的水平位移最大值為1.55 mm，方向為指向基坑方向；豎直向上位移最大值為2.27 mm，隧道變形主要分布拱腰位置。

通過既有隧道內力云圖可以看出，基坑開挖后，增加的正彎矩為23 kN，分布在拱腰處；增加的負彎矩為33 kN，分布在拱腳處。剪力分布范圍較小，僅有局部出現，最大值為6.3 kN。剪力變化值及其分布較小，后續不進行討論。

2 不同開挖順序研究

基于初始工況下，分析了既有隧道結構變形及內力變化情況。基坑開挖后，臨近基坑的既有隧道所存賦的土體應力場發生變化，既有隧道的內力隨之改變。為了研究有效降低土體應力場變化，減少開挖對既有隧道的擾動，將均勻分塊土體按照不同開挖順序設置成3種開挖工況，如表3所示。開挖土塊命名與基本工況下一致。工況開挖基本原則：工況1(基本工況)是先開挖遠離既有隧道側土體，工況2是開挖靠近既有隧道側土體，工況3是采取跳倉方式開挖土體。

表3 不同開挖工況下土塊開挖順序

把各工況進行了建模計算，既有隧道的變形及內力變化情況匯總如表4所示。從表4可以看出：工況2與基本工況相比，既有隧道的變形與內力變化存在降低；工況3與其他兩種工況相比，既有隧道的變形與內力變化降低最大。不同開挖方法下，豎向位移變化幅度較大，橫向位移及彎矩變化幅度較小。

表4 不同開挖工況下既有隧道變形及內力變化

基坑開挖后，周邊土體應力場發生變化，既有隧道一段在應力場影響范圍內。原既有隧道在開挖前所存賦的圍巖已經處于應力平衡，隧道結構內力為原設計狀態。為保證開挖后，隧道結構內力變化達到較小的范圍，應對其周邊土體擾動達到最少。工況2首先開挖靠近既有基坑的土體，再開挖遠離基坑的土體，這樣既有地鐵所存賦的土體僅在第一次開挖存在擾動。工況3采用跳倉開挖方法，開挖土塊小，其擾動范圍相應變小，因此對既有隧道結構影響最小。但跳倉開挖工序較為復雜，對工期影響較大，需要在對既有隧道保護與工期之間進行比較。

3 結論

本文依托某臨近既有隧道基坑工程案例，研究了開挖基坑對臨近既有地鐵隧道的影響以及開挖順序，得到了以下重要結論：

1)基坑土體開挖后，側下方既有隧道結構拱腰處橫向及豎向位移較大。隧道結構內力中彎矩較大值出現在靠近基坑側拱腰、拱腳處，剪力值變化不顯著。

2)基于開挖后隧道結構的影響特征，模擬三種開挖順序，通過對比總結出跳倉法開挖對既有隧道影響最小；在無法使用跳倉情況下，應先開挖靠近既有隧道側土體。

3)本文的研究內容為“基坑施工對臨近既有地鐵隧道影響及開挖順序研究”，但受限于論文篇幅，只針對開挖對既有隧道影響特征進行了論述，并未對開挖影響范圍進行更深層次的研究，下一步的研究會將基坑開挖影響范圍與既有隧道響應特征更好地聯系起來。