基坑開挖引起鄰近既有隧道變形的影響區(qū)研究

陳志飛

（蘇交科集團(tuán)（江蘇）安全科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 211112）

隧道作為公路的一部分，隨著公路數(shù)量的增長(zhǎng)，隧道通車?yán)锍桃苍诓粩嘣黾?。公路隧道施工打破原有的土壤結(jié)構(gòu)和土層應(yīng)力，并對(duì)臨近既有隧道造成一定的影響，導(dǎo)致臨近既有隧道上方塌陷、基坑沉降變形，基坑變形位移過大，造成基坑滲漏，埋下交通安全事故隱患。因此，基坑開挖過程中，要對(duì)臨近既有運(yùn)用隧道的變形進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)控制，以免影響既有隧道的安全。

1 工程概況

某公路施工路段為K25+620～K27+730.446，總長(zhǎng)5110.446m，其中隧道長(zhǎng)度為682m，公路施工過程中，對(duì)臨近公路造成滲漏、塌方等現(xiàn)象。由于施工路段包含部分軟土，為了確保公路路基的質(zhì)量，需對(duì)軟土地基進(jìn)行處理。基坑長(zhǎng)度為20m，寬度為18m，基坑深度為16m，局部基坑深度達(dá)到了16.5m。為了避免施工過程中對(duì)鄰近公路工程造成影響，需要控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，防止變形。

基坑采用分段分區(qū)開挖，將整個(gè)基坑分成3段：南部基坑、中部基坑和北部基坑。先完成南部基坑的施工，南部基坑南側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚度1200mm的地下連續(xù)墻，東西兩側(cè)采用厚度1000mm的地下連續(xù)墻，北側(cè)采用900的排樁，并結(jié)合混凝土柱支撐結(jié)構(gòu)?；邮┕げ⑼瓿商钔梁?，開挖中部基坑。隧道與南部基坑設(shè)置隔離樁，并預(yù)埋袖閥管。通過勘查，發(fā)現(xiàn)基坑周圍環(huán)境比較復(fù)雜，基坑北面有一條已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的公路，并且侵占了路基的紅線范圍，施工過程中，需要對(duì)其進(jìn)行加固處理，防止基坑施工導(dǎo)致鄰近公路塌方現(xiàn)象。

通過勘查，該區(qū)域的土體從上至下依次為素填土、砂質(zhì)粘性土、強(qiáng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖。其中素填土的厚度為4m、砂質(zhì)粘性土的厚度為6m、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖的厚度為15m、中風(fēng)化花崗巖的厚度為3m。該施工路段的地下水位比較低，對(duì)路基施工影響比較小，所以，在施工過程中不考慮地下水的影響。道路路基臨近開挖基坑斷面見圖1。

圖1 道路路基鄰近開挖基坑斷面

為了避免基坑施工對(duì)鄰近道路隧道造成影響，基坑施工過程中，需要安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑內(nèi)部采用地下連續(xù)墻，路基采用鋼管樁加預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻的厚度為1m，北面地下連續(xù)墻的高度為25m，南面地下連續(xù)墻的高度為22m，鋼管樁的外徑為500mm，壁厚20mm；預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為10m，鋼管樁的直徑大小為600mm，厚度為16mm。由于該施工區(qū)域具有素填土、粘性土和風(fēng)化花崗巖，施工過程中，土體的流變性比較大，增加了基坑施工難度。因此，施工過程中，需要安裝全站儀、計(jì)算機(jī)、傳感儀和監(jiān)控設(shè)備對(duì)深基坑工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一共設(shè)置15個(gè)變形點(diǎn)、5個(gè)基礎(chǔ)點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)施工過程中變形量超過了最大的位移值，則發(fā)出警報(bào)信息，施工單位必須采取有效措施，防止位移過大，導(dǎo)致基坑沉降、塌陷等問題。

2 有限元分析模型

有限元分析模型是利用數(shù)學(xué)近似計(jì)算方法模擬真實(shí)的項(xiàng)目物理系統(tǒng)，根據(jù)物理系統(tǒng)各個(gè)元素相互作用，用有限的未知量逼近無限未知量，從而得到相對(duì)接近的數(shù)值。為有效評(píng)估基坑施工對(duì)鄰近公路路基的影響，采用巖土工程有限元軟件PLAXIS模擬施工過程，計(jì)算出對(duì)公路路基的影響。

公路工程的土體采用PLAXIS軟件中的小應(yīng)變硬化模型Hss進(jìn)行模擬，地下連續(xù)墻、鋼管樁、預(yù)應(yīng)力錨索采用線性彈性混凝土材料模型，其中彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，PLAXIS軟件的embedded模擬鋼管樁。為了驗(yàn)證有限元模型中參數(shù)是否與真實(shí)的公路工程應(yīng)力變化保持一致，對(duì)南側(cè)的地下連續(xù)墻進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)南側(cè)地下連續(xù)墻的最大側(cè)移發(fā)生在地下連續(xù)墻的頂端，最大位移值為45mm，與實(shí)際測(cè)量結(jié)果穩(wěn)合，證明有限元模型采用的參數(shù)比較合理，可以真實(shí)反映基坑變形和周圍土體變形。為了確定不同條件下基坑開挖對(duì)臨近既有公路隧道變形影響區(qū)的范圍，本文選擇36種不同條件下的變形影響區(qū)參數(shù)繪制如表1中的變形形式，確定基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的最大位移、變形模式和基坑的相對(duì)位置，得出基坑影響臨近公路路基影響區(qū)域。

表1 不同條件下的變形影響區(qū)參數(shù)

3 不同條件下隧道變形影響區(qū)實(shí)測(cè)分析

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移變形影響分析

受到水平支護(hù)結(jié)構(gòu)方向布置的間距、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、施工工藝、環(huán)境等因素影響， 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形可分為內(nèi)凸變形、懸臂變形、復(fù)合變形和踢腳變形四種模式。不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式下，基坑外部深層土體的位移特點(diǎn)、開挖造成變形范圍也有一定的差異。在相同的變形模式下，當(dāng)控制值變小，則變形影響區(qū)的范圍擴(kuò)大，并隨著隧道遠(yuǎn)離圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響比較小。

通過分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合變形模式和內(nèi)凸變形模式影響區(qū)變化比較接近，復(fù)合變形模式的影響區(qū)比內(nèi)凸變形區(qū)大，由于復(fù)合型變形模式下頂部水平位移造成坑體外土體變形，懸臂變形模式影響區(qū)范圍最小，踢腳變形影響區(qū)最大。

由此得出，基坑施工過程中，為了避免擾動(dòng)臨近已運(yùn)營(yíng)的公路隧道，可以采用懸臂變形支護(hù)結(jié)構(gòu)，有效控制基坑底部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，盡量避免使用踢腳變形支護(hù)結(jié)構(gòu)，以免擴(kuò)大隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。

3.2 不同參數(shù)對(duì)變形影響區(qū)分析

將基坑開挖引起臨近既有隧道變形的影響區(qū)的寬度和深度作為變形影響區(qū)范圍的分析指標(biāo)，得出四種不同變形模式下最大水平位移值，得出既有隧道變形影響寬度和深度隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值增加而不斷增加，其中在20mm范圍以內(nèi)，變形影響區(qū)的變化比較明顯，隨著變形影響區(qū)控制值減少，則增值逐漸平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，基坑開挖對(duì)臨近既有公路隧道變形的影響區(qū)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形模式和隧道位移控制標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，在條件相同的情況下，基坑外部影響范圍隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值增加而增加，隨著變形控制值減少，增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)。