基坑開挖對某既有隧道的變形影響數值分析

譚黎明

（國家林業和草原局昆明勘察設計院，云南 昆明 650031）

0 引言

隨著我國城市化進程的快速發展，城市土地資源由于其巨大的經濟價值變的稀缺，開始呈現密集開發利用的特征。既有城市道路沿線的經濟價值和走廊資源成為城市發展的首選地理位置。使得既有道路及其結構物附近進行工程建設活動的現象開始頻繁發生，但在已通車道路上建設構造物,不僅會破壞原有的道路結構及附屬設施, 還會產生交通擁擠和堵塞,并且可能引發交通事故,造成巨大的經濟損失和不良社會影響。

本文以臨近既有過江隧道的某建筑基坑工程為例，利用FLAC3D 有限差分法程序軟件包對建筑基坑臨近隧道的施工進行數值仿真模擬，分析隧道右側基坑開挖對隧道的位移影響。本工程案例是城市開發中較為典型的工程案例，可為此類基坑開挖對既有隧道擾動的影響提供一定的借鑒。

1 工程概況

1.1 新建項目基坑概況

某新建高層建筑項目擬建5 棟高層建筑，其中1#、2# 棟緊鄰既有過江隧道。基坑設計深度3.85～4.35 m，采用土釘墻支護，注漿采用二次高壓注漿工藝，放坡為1∶0.5～1∶0.75，根據位置不同，設置2排土釘。

1.2 既有隧道概況

既有隧道為南北走向的并行雙孔結構，雙孔最小間距18 m，單孔寬均為11 m，凈高7 m，每孔設置單向兩車道，設計時速50 km/h。隧道全長1910 m，暗埋段長1400 m，敞開段長510 m，臨近建筑基坑的隧道頂埋深10.12～17.94 m。

根據隧道竣工資料得知該段隧道原為明挖法施工，原隧道施工基坑采用Φ800 mm 的鉆孔樁+ 土釘墻圍護，鉆孔灌注樁長14.2 m，樁間距為1 m，采用C30水下混凝土；鉆孔灌注樁外側采用咬合旋噴樁止水，樁徑600 mm，樁間距400 mm，進入強風化礫巖1 m。

1.3 新建項目與既有基坑的位置關系

新建項目基坑外邊線距離右線隧道最外側平面4.690～6.067 m。基坑底距隧道頂豎向距離5.77～13.59 m（如圖1、圖2）。

圖1 建筑平面與既有隧道平面位置關系圖（單位：m）

圖2 建筑與既有隧道立面位置關系圖

1.4 工點地質概況

擬建場地范圍內分布的地層主要為人工填土層和第四系沖積層，下伏基巖為第三系泥質砂巖。各地層的自上而下分布如下如下：雜填土（）、粉質黏土、粉土、粉砂、圓礫、第三系全風化泥質砂巖、第三系強風化泥質砂巖、第三系中風化泥質砂巖。各土層厚度及物理力學指標詳見如下表1。

表1 土層物理力學指標表

2 基坑開挖對既有隧道的內力及變形數值計算

2.1 計算參數的選取

本次數值采用國際上通用的大型有限差分法程序軟件包FLAC3D 進行建模計算，模擬該建筑基坑開挖對既有隧道變形產生的影響。數值模擬計算過程中，土體的材料單元設置為Mohr-Coulomb 模型，鋼筋混凝土、旋挖灌注樁及預制管樁結構單元設置為各向同性彈性模型，主要關注模擬開挖過程中臨近隧道及其支護結構的變形和受力。

2.1.1 土層計算參數

據建筑基坑地勘報告，各土層參數詳見表1。

2.1.2 隧道結構計算參數

隧道襯砌、螺旋鉆孔灌注樁等結構的相關計算參數，泊松比取0.17，彈模按照設計圖上混凝土標號，依照《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）確定。具體計算參數詳見如下表2。

表2 隧道襯砌和螺旋鉆孔灌注樁計算參數

2.2 計算模型的建立

項目整個地塊呈四邊型，東西長160～180 m，南北長約150 m。地下室開挖標高為28.15 m，樓座基底標高為26.55 m。基坑設計深度為3.85～4.35 m。

由于基坑開挖與隧道位置的不對稱性，對該基坑模擬需要進行三維全斷面建模。為減小數值計算規模，同時突出研究的重點和減小邊界效應。幾何模型按圖3 取用，在順隧道方向，模型邊界至基坑最外邊界線距離設為20 m；在垂直隧道方向，模型計算邊界至基坑最外邊界線設為200 m，考慮到基坑中3#、4#、5#樓座距隧道距離較遠，為減小模型尺寸右側邊界選為基坑中線。

圖3 計算模型平面圖

對臨近基坑的隧道進行以下簡化模擬，隧道沿線路埋深不同，南端埋深約為9 m，北端約為19 m，且沿線路不平行。模擬時按隧道埋深淺處計算，且隧道斷面等效為圓形，半徑為5.6 m。

2.3 計算區域與網格劃分

按上述方法，幾何模型的平面尺寸約為290×196 m，模型右側包含1#、2# 兩個建筑物，模型底部邊界取值-100 m。隧道管片結構采用FLAC3D 內置的殼單元來模擬。

三維幾何模型單元的劃分全部采用8 節點6 面體，共劃分為28331 個單元，30732 個節點，1476個殼單元及771 個單元節點。

模型邊界條件為：底面約束豎向位移，側面約束法向位移。

2.4 模擬過程

實際工程中，地層土體由于長期在自重應力的作用下已經處于穩定狀態，因此在模擬基坑開挖時，首先需要對基坑模型進行初始應力狀態的模擬，即對計算模型進行初始應力場平衡及位移場清零。完成地應力平衡后，進行基坑開挖模擬，共分兩次開挖。第一次為全斷面開挖，一次性開挖至地下室設計標高處（28.15 m），深度為4.3 m。第二次開挖1#、2#主樓基坑處，開挖深度為1.6 m。

3 計算結果分析

基坑開挖在模擬過程中分兩次進行，第一次開挖至地下室標高，第二次開挖1#、2#主樓基坑。兩次基坑開挖卸載引起既有隧道發生向上變形。計算結果數值如圖4、圖5 所示。

圖4 基坑開挖引起的瀏陽河隧道豎向位移圖

圖5 基坑開挖引起隧道豎向位移云圖（單位：m）

從圖中可以看出，靠近基坑一側的右側隧道發生向上的位移大于左側隧道，其中正對基坑開挖的隧道右側拱頂向上位移最大，達到2.8 mm，左側拱頂向上位移最大值為1.31 mm。

圖6、圖7 為基坑開挖卸載引起的既有隧道左右拱頂和底部水平位移圖。從圖中可以看出，基坑開挖后由于隧道兩側土壓力差異影響，隧道向基坑側發生水平位移，靠近基坑一側的右側隧道發生水平的位移大于左側隧道，正對基坑開挖的隧道部分右側拱頂水平位移最大值為-0.4 mm，左側拱頂水平位移最大值為-0.25 mm。

圖6 基坑開挖引起的瀏陽河隧道水平位移圖

圖7 基坑開挖引起隧道水平向位移云圖（單位：m）

4 結論

通過對某新建項目建筑基坑開挖卸載引起既有隧道的變形數值仿真分析得知，基坑開挖卸載會引起隧道發生向上的豎向位移及靠向基坑的水平位移。最大位移均出現在正對基坑開挖的隧道位置，且呈現距基坑水平距離越小，位移越大的特征。隧道最大豎向位移值為2.8 mm（豎直向上），最大水平位移為-0.4 mm（靠向基坑方向）。

綜上所述，該項目基坑開挖引起的既有隧道變形值均很小，即基坑開挖對既有隧道結構的影響是安全可控的。