長大深基坑施工對下臥盾構隧道影響分析

劉偉龍 ,張宇

（1.廣州地鐵建設管理有限公司，廣東 廣州 510220；2.廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

隨著城市地下空間開發規模的日益增大和城市軌道交通建設的快速發展，新建基坑工程不可避免地要鄰近既有地鐵區間隧道進行施工[1-2]，甚至上跨既有地鐵區間隧道[3]。大量研究表明，基坑開挖卸載作用引起坑內土體回彈，導致鄰近隧道結構產生隆起變形和附加應力，嚴重時將危害地鐵運營正常使用和安全[4]。本研究以廣州珠江琶醍啤酒文化創意園區長大深基坑工程為背景，通過Midas GTS 有限元數值模擬方法，對基坑施工全過程進行模擬，分析了施工過程中下臥盾構隧道變形和內力變化規律，以期為類似工程提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

廣州珠江琶醍啤酒文化創意園區東區地下空間及停車場項目基坑長約158m，寬約103m，基坑開挖面積約為9456m2，開挖深度約為10.3～13.6m，為形狀不規則的長大深異性基坑。基坑場地正下方地鐵18 號線區間盾構隧道直徑為8.5m，隧道埋深為23.947～26.075m。基坑與地鐵區間的平面位置關系如圖1 所示。

1.2 工程地質條件

基坑場地范圍處于三水斷陷盆地東延部分，場區內未見斷層。基坑深度范圍內土層從上至下依次為素填土、淤泥質土、淤泥質粉砂、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化泥質粉砂巖。地下穩定水位埋深為1.40～1.80m，地下水類型為第四系孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 基坑開挖與支護設計方案

綜合考慮基坑尺寸和周邊環境，基坑分為三個開挖區域（見圖1）。其中，一區上跨地鐵區間隧道，開挖深度為10.3m，采用Ф1200@1350 鉆孔灌注樁加一道混凝土內支撐的支護型式，并對基底以下淤泥質砂土層采用三軸攪拌樁進行加固，加固深度為基底以下3.3～4.3m；二、三區開挖深度為13.6m，采用Ф1200@1350 鉆孔灌注樁加兩道混凝土內支撐的支護設計型式。基坑采用坑內降水方式，每次降水深度為基坑開挖面以下1.0m，基坑外不降水，圍護樁外側采用Ф850 @600 三軸攪拌樁止水，攪拌樁長度為16.5m。

2 數值模擬分析

基于有限元數值模擬方法，建立三維數值計算模型，對基坑施工全過程進行動態模擬。

2.1 數值模型的建立

為消除邊界條件影響，取模型左右邊界、前后邊界及下邊界距離基坑開挖邊緣為3～5 倍基坑開挖深度，上邊界取至地面，則模型尺寸為X 方向（基坑長度方向）290m，Y 方向（基坑寬度方向）210m，Z 方向（豎向）60m。模型側面設置水平約束，下邊界為固定約束，上邊界為自由邊界。

土體采用實體單元模擬，隧道襯砌、基坑主體結構頂板、中板、底板、側墻采用板單元模擬，基坑圍結構通過等效剛度原則將圍護樁等效成地連墻板單元模擬，內支撐、冠梁、腰梁、格構柱以及主體結構抗拔樁、結構柱采用梁單元模擬。基坑與盾構隧道位置關系網格圖如圖2 所示。

2.2 計算工況

針對基坑施工全過程進行數值模擬，總共分為16個計算工況，并通過設置模型水位線邊界條件模擬基坑開挖降水，計算工況設置見表1。

表1 計算工況

3 基坑施工對下臥隧道影響分析

3.1 隧道豎向位移分析

圖3 所示為基坑施工過程中隧道最大隆起位移變化規律，其中橫坐標為計算工況，只取每個工況最終數據進行分析，由圖3 可得出以下結論：

圖3 基坑施工過程中隧道最大隆起位移變化規律

（1）在施作圍護樁、基底加固、抗拔樁和立柱樁以及第一次降水過程中，隧道整體發生下沉，且下沉量逐漸增大，最大下沉量為0.407mm。

（2）基坑開挖后，隧道產生豎向隆起變形，且隨著開挖深度和開挖面積的增加，隆起值逐漸增大，最大隆起值發生在一區基坑土體開挖至基底時，其數值為1.979 mm，遠小于規范[5]限值為15mm。

（3）基坑開挖過程中，每次基坑內降水，隧道隆起值均會產生一定回彈，隆起值減小。

（4）基坑開挖完成后，隨著地下室主體結構施作，隧道隆起值逐漸減小。

由圖3 可知，基坑開挖至一區基底時隧道隆起變形最大，該工況下隧道豎向位移云圖如圖4 所示，可以看出，隧道豎向位移呈現出“中間隆起，兩端下沉，且隆起值遠大于下沉值”的分布特征，隧道最大隆起值為1.979mm，發生在左線隧道中部位置，隧道最大下沉值為0.391mm，發生在右線隧道端部位置，表明基坑開挖卸載引起基底土體回彈而導致基坑正下方隧道結構產生較大隆起變形。

圖4 基坑開挖至一區基底時隧道豎向位移云圖

3.2 隧道水平位移分析

圖5 所示為基坑施工過程中隧道最大水平位移變化規律，可以看出，基坑圍護結構施作后，隧道水平位移快速增長，隨著基坑施工過程的推進，水平位移變化較小。隧道最大水平位移發生在二、三區基坑開挖至基底時，其數值為0.934mm，遠小于規范[5]限值為15mm。

圖5 基坑施工過程中隧道最大水平位移變化規律

3.3 隧道內力分析

圖6 所示為基坑施工過程中隧道襯砌最大彎矩變化規律。隨著基坑開挖，隧道襯砌彎矩逐漸增大，且在地下室主體結構施工后基本不變。隧道襯砌最大彎矩發生在二、三區基坑開挖至基底時，其數值為114.584kN，且根據配筋復核結果，隧道襯砌結構安全可靠。

圖6 基坑施工過程中隧道襯砌最大彎矩變化規律

4 結論

本文通過有限元數值模擬手段，研究了長大深基坑施工對下臥隧道的影響，得出以下結論：

（1）基坑開挖引起下臥隧道產生豎向隆起位移和水平位移，并以豎向隆起變形為主導，且隧道變形量隨開挖深度和開挖面積的增加而增大。

（2）基坑開挖降水及主體結構施作導致隧道產生附加沉降變形，有利于控制隧道豎向隆起位移，尤其是主體結構施工完成后，基坑正下方隧道最大豎向位移由隆起1.979mm 變為下沉0.116mm。

（3）基坑開挖引起隧道豎向位移、水平位移及襯砌安全系數均在規范容許范圍之內，隧道安全可控，說明基坑設計和施工措施合理、可靠。