基于深基坑開挖的臨近初支隧道變形特征研究

李際平，李玉興，張恩重，楊偉偉，張昌友

(山東省地礦工程勘察院，山東濟南 250014)

0 引言

隨著城市地下空間的開發(fā)利用，深大基坑工程往往與地下隧道工程在空間上存在復雜的臨近關(guān)系，基坑工程施工對臨近既有隧道的影響已經(jīng)成為近幾年地下空間開發(fā)利用的重要研究課題。 對于緊鄰既有隧道的深大基坑來說，基坑土體的開挖會改變原始地應(yīng)力狀態(tài)，從而導致基坑周圍土體應(yīng)力場和變形場發(fā)生變化，臨近基坑的隧道結(jié)構(gòu)在附加應(yīng)力的作用下會發(fā)生一定的變形，影響隧道的使用和安全。 學者們對基坑與隧道在施工過程中的相互作用關(guān)系做了大量的研究。 孫雅珍[1]利用數(shù)值分析得到基坑平面開挖形狀會影響隧道位移變化趨勢及地表沉降量。 謝曉冬等[2]和高廣運等[3]通過采用數(shù)值分析研究了基坑開挖對鄰近隧道的影響，得出基坑開挖深度與隧道位移的相關(guān)關(guān)系。 何連昇等[4]研究基坑開挖與臨近既有隧道的相互影響，得出隧道側(cè)墻水平位移與隔離樁和隧道之間的距離呈正相關(guān)。 章潤紅等[5]研究得出隧道附加位移與隧道中心距支護結(jié)構(gòu)水平距離呈負相關(guān)。 岳云鵬等[6]針對基坑分塊開挖的數(shù)量和長度分別進行了數(shù)值計算和現(xiàn)場實測，認為橫向分塊的開挖效果優(yōu)于縱向分塊。 魏煥衛(wèi)等[7]通過模型試驗分析了水平間距及盾構(gòu)隧道埋深兩個因素對既有基坑的影響和埋入式隔離樁體系對既有隧道的保護作用。 邢崴崴[8]和魏剛等[9]通過模擬基坑開挖對在建地鐵車站的變形影響，得出車站各位移的影響規(guī)律，提出隧道位移的預測經(jīng)驗公式。 梁愛武等[10]、左殿軍等[11]及陳輝[12]通過研究分析深基坑工程近距離開挖時對臨近隧道產(chǎn)生的影響，得出深基坑開挖時隧道的位移與基坑開挖深度呈正相關(guān)。 徐志兵等[13]和李宇升等[14]通過研究基坑開挖對鄰近隧道的作用，總結(jié)并提出隧道變形控制的相關(guān)措施。 鄭剛等[15]利用土體小應(yīng)變剛度特性有限元法，得出基坑開挖過程中不同支護結(jié)構(gòu)體系的變形模式和最大水平位移下鄰近既有隧道變形影響區(qū)域。 裴行凱[16]和張壯等[17]利用三維有限元模型研究基坑開挖對地鐵隧道縱向襯砌斷面應(yīng)力和彎矩分布規(guī)律，土巖復合地層深基坑變形時空效應(yīng)的特征與規(guī)律。 張兵兵等[18]研究基坑開挖對臨近既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，并采用FLAC3D進行大型三維數(shù)值模擬研究。卜康正等[19]研究基坑明挖卸荷時復合地基中樁側(cè)摩阻力對下臥地鐵隧道豎向變形的影響，推導復合地基中樁的側(cè)摩阻力作用下地鐵隧道的總豎向附加應(yīng)力。 上述研究內(nèi)容主要圍繞新建基坑對既有運營隧道的影響分析，而對初期支護結(jié)構(gòu)的隧道在臨近基坑開挖下的研究較少。 故以濟南中央商務(wù)區(qū)(Central Business District，CBD)在建初支隧道旁側(cè)臨近基坑工程為研究對象，采用二維有限元數(shù)值模擬，分析基坑開挖對臨近初支隧道的變形影響。

1 工程概況

工程背景為濟南CBD 中信泰富商業(yè)樓超高層項目，擬建物主要包括T1 主塔樓，其高度為300 m，地下4 層，開挖深度為21 m；T2 主塔樓，其高度為100 m，地下4 層，開挖深度為20～21 m，而裙房高度為 25 m，地下 4 層，開挖深度為 17 ～20 m。 擬建項目基坑總面積約為22 000 m2、其周長為530 m，基坑南側(cè)為在建地鐵隧道區(qū)間，自西向東逐漸靠近，其頂部埋深約為13 m、隧道高度為7.414 m，采用礦山法施工，基坑底邊線距離上行隧道最近處僅為5.6 m。根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[20]對外部作業(yè)影響等級進行劃分見表1和2。

表1 接近程度判定標準表

表2 外部作業(yè)影響等級表

基坑與地鐵隧道的凈距僅有5.6 m，隧道毛洞跨度為6.8 m，按照外部作業(yè)影響等級劃分原則，該基坑工程為特級外部作業(yè)，因此在建隧道的安全和監(jiān)測工作至關(guān)重要。

暗挖隧道采用初支先行，貫通后現(xiàn)澆二襯的施工方式。 基坑開挖與隧道施工工期存在交疊，基坑開挖至基底時，隧道已完成初期支護，二次襯砌未施工，此時隧道支護結(jié)構(gòu)相對薄弱，基坑支護形式顯得尤為關(guān)鍵，經(jīng)過多種支護方案對比，同時結(jié)合基坑周邊場地使用要求和地質(zhì)條件，最終確定基坑采用支護樁＋預應(yīng)力錨索支護方案，支護樁樁徑為1 m，樁間距1.5 m，預應(yīng)力錨索共設(shè)置3 道，錨索長度均為21 m，錨固段長度自上而下分別為12、13、14 m，其水平間距為1.5 m、豎向間距為3 m、傾角為10°，鉆孔直徑為150 mm。 基坑與隧道平面位置如圖1 所示，基坑樁錨支護剖面如圖2 所示。

圖1 基坑與隧道平面位置圖/m

圖2 基坑支護剖面圖/m

基坑主要特征包括:規(guī)模超大超深；南側(cè)存在在建地鐵隧道區(qū)間，基坑與地鐵隧道之間的距離僅有5.6 m；基坑開挖期間隧道為初支完成而未進行二次襯砌階段，隧道的支撐體系相對薄弱；支護體系采用樁錨支護形式對旁側(cè)在建地鐵隧道進行保護。

2 二維有限元分析模擬

2.1 有限元模型的建立

MIDAS-GTS/NX 軟件是一種用于巖土工程的有限元分析軟件，故采用該軟件對工程進行二維有限元分析。 由于基坑開挖對隧道的影響十分復雜，考慮到基坑縱向與隧道的走向基本一致，其縱向延伸長度遠遠大于橫向，將其簡化為平面應(yīng)變問題加以考慮，并建立二維數(shù)值模型進行分析。

基坑橫斷面長度為100 m、開挖深度為21.9 m、支護樁樁長為27.9 m，基坑旁側(cè)在建上行隧道凈間距為5.6 m，雙線地鐵隧道直徑均為6.4 m、隧道中心間距為20.2 m，為了消除邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果的干擾，故整個橫斷面模型的水平、垂直方向長度分別取220、60 m，模型采用修正摩爾庫倫本構(gòu)模型(修正M-C)，土體采用實體單元模擬，支護樁采用植入式梁單元模擬，錨索采用植入式桁架模擬，隧道初支采用梁單元模擬。 模型兩側(cè)及底部均設(shè)置固定約束。隧道初期支護中噴砼采用厚度為320 mm的C25 早強混凝土，鋼拱架采用 HW250×250×9×4，按截面等效原理換算，即初期支護混凝土的EI(E 為彈性模量、I 為截面慣性矩、EI 為抗彎剛度)和鋼拱架的EI之和等于初期支護梁截面的EI，而初期支護梁截面的I 已知，由此可計算出初期支護的彈性模量E?？辈焐疃葍?nèi)，未見地下水。

選取基坑某典型地質(zhì)作為分析對象，其相應(yīng)的模型計算參數(shù)見表3。

表3 模型材料計算參數(shù)表

續(xù)表3

新建基坑與旁側(cè)臨近在建隧道的二維有限元模型如圖3 所示。

圖3 新建基坑與在建地鐵隧道的二維數(shù)值模型圖

2.2 基本假定及模擬方法

采用MIDAS-GTS/NX 有限元軟件進行模擬分析，主要包括以下基本假定:

(1) 假設(shè)計算范圍內(nèi)的土層為均質(zhì)水平層且土體為各向同性連續(xù)的彈塑性材料。

(2) 不考慮地下水滲透效應(yīng)和時間的影響。

(3) 支護樁與土體采用變形協(xié)調(diào)計算的方法。

基坑開挖模擬采用有限元軟件中的“激活”和“鈍化”功能，通過分層“鈍化”網(wǎng)格組來模擬基坑的分層開挖，土體開挖面定為錨索設(shè)計標高下0.5 m處，每次開挖深度2 m，數(shù)值模擬的具體過程見表4。

表4 模擬施工步驟表

2.3 分析觀測指標

基坑施工過程中對隧道上行線豎向位移及水平位移進行監(jiān)測，主要以隧道初支和支護樁的變形為觀測目標，隧道初支變形觀測點如圖4 所示，編號1～4、5～8 分別代表上行隧道、下行隧道初支頂板、底板和兩邊側(cè)墻變形觀測點，A 代表臨近基坑支護樁頂部變形觀測點，計算分析過程中主要觀測樁體的水平位移。

圖4 變形觀測點示意圖/mm

3 計算結(jié)果分析

3.1 隧道橫截面變形分析

支護樁及初支隧道橫截面上各關(guān)鍵位置點的水平位移云圖如圖5、6 所示，初支隧道橫截面上各關(guān)鍵位置點的水平位移變化曲線如圖7、8 所示。

圖5 支護樁及隧道水平位移云圖/mm

隧道各觀測點水平位移如圖7、8 所示，正值代表右移，而負值代表左移。 隧道各頂點的水平位移各不相同，隧道初支結(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變形。 在開挖深度至＜16.7 m 時，隧道初支各觀測點水平位移曲線較為平緩，其中上行隧道臨近基坑處側(cè)墻最大水平位移為1.42 mm(觀測點1)，下行隧道同位置側(cè)墻最大水平位移僅為0.86 mm；繼續(xù)開挖至基底，隧道初支水平位移增幅較大，曲線呈陡升趨勢，上行隧道臨近基坑處側(cè)墻最大水平位移為4.21 mm，下行隧道同位置側(cè)墻最大水平位移僅為1.35 mm，這是由于開挖至16.7 m 時與上行隧道初支頂板埋深處于同水平位置，隧道側(cè)墻受到的影響較小，當基坑繼續(xù)開挖至基底21 m 時，與上行隧道底板埋深處于同水平位置，支護樁此時受力可近似為“一端鉸支一端固結(jié)”的簡支梁，在鉸支處及固結(jié)位置的水平位移較小，而在中間位置側(cè)向剛度薄弱，基坑開挖導致隧道初支結(jié)構(gòu)的左側(cè)土壓力減小而引起隧道水平位移急劇增大。 下行隧道距離基坑開挖面較遠，受基坑開挖影響較小。

隧道橫截面上各關(guān)鍵位置點的豎向位移如圖9、10 所示，正值代表沉降、負值代表隆起。 基坑開挖過程中上行隧道近基坑側(cè)側(cè)墻及底板位移表現(xiàn)為隆起，而頂板及遠基坑側(cè)側(cè)墻位移表現(xiàn)為沉降，其中圖7 顯示，在基坑開挖深度＜16.7 m 時，各觀測點位移變化曲線較平緩，近基坑側(cè)側(cè)墻及底板隆起位移為0.82 mm，遠基坑側(cè)側(cè)墻及頂板沉降位移較小僅為0.12 mm，當繼續(xù)開挖至基底時，近基坑側(cè)側(cè)墻及底板隆起位移迅速降低至0.27 mm，遠基坑側(cè)側(cè)墻及頂板沉降位移急劇增大，曲線愈來愈陡峭，其中頂板沉降位移達到1.37 mm。

圖6 支護樁及隧道豎向位移云圖/mm

圖7 上行隧道各觀測點水平位移圖

圖8 下行隧道各觀測點水平位移圖

圖9 上行隧道各觀測點豎向位移圖

綜上可知，上行隧道的整體變化趨勢為:基坑開 挖至16.7 m 時，隧道左下側(cè)隆起、右上側(cè)沉降、開挖至基底21 m 處時，隧道左下側(cè)沉降0.2 mm、右上側(cè)沉降1.4 mm，基坑開挖以水平方向的應(yīng)力釋放為主，初支隧道的豎向變形較小。

圖10 下行隧道各觀測點豎向位移圖

3.2 隧道橫斷面與支護樁水平位移的對比分析

開挖過程中支護樁與隧道的水平位移對比曲線如圖11 所示。

圖11 隧道及支護樁水平位移對比曲線圖

當開挖深度＜16.7 m 時，支護樁樁頂水平位移隨開挖深度增加而增大，位移增長速率較為穩(wěn)定，隧道各觀測點位移較小，曲線較平緩；說明支護樁對隧道水平位移起到了抑制作用，當開挖深度＞16.7 m時，樁頂位移突然增大，曲線陡峭，位移增長速率變大，隧道各觀測點位移曲線出現(xiàn)一定幅度增長，隧道與樁頂位移的曲線走勢一致，即樁頂位移變化速率增大的地方，相同位置處的隧道變化速率也隨之增大，開挖至21 m 時，樁頂和隧道水平位移均達到最大值，此時樁頂位移漲幅50%，隧道側(cè)墻及頂板位移漲幅96%，說明開挖側(cè)土壓力的減小對隧道水平位移起主導作用。

3.3 應(yīng)變分析

圖12～14 為基坑開挖深度21 m 時上行隧道的應(yīng)力云圖，隧道初期支護階段， 拱頂、拱腰及仰拱產(chǎn)生彎矩，其中初支彎矩最大發(fā)生在拱腰處，彎矩為96.3 kN·m，此時的初支最大正應(yīng)力為281 MPa，出現(xiàn)在隧道拱腰位置，經(jīng)復核，基坑開挖后，初支截面內(nèi)力能滿足設(shè)計要求。

圖12 上行隧道初支截面彎矩圖/(kN·m)

圖13 上行隧道初支截面軸力圖/kN

圖14 上行隧道初支截面剪力圖/kN

3.4 隧道收斂和安全性分析

初支隧道結(jié)構(gòu)水平收斂、豎向收斂值如圖15所示。

圖15 隧道水平收斂值與豎向收斂值對比圖

由圖15 可知，上行隧道水平最大收斂值為2.13 mm、豎向最大收斂值為1.78 mm，上行隧道初支水平收斂值、豎向收斂值均在基坑開挖深度＞16.7 m時出現(xiàn)大幅度增加，其中開挖深度＞16.7 m 時水平收斂值急劇增大，開挖至基底時水平收斂值為豎向收斂值的1.5 倍，這說明基坑開挖過程中，隧道水平收斂較為敏感；距離基坑較遠的下行隧道初支水平收斂值及豎向收斂值變化相對平緩，受基坑開挖的影響較小。 通過對隧道初支各觀測點收斂值分析，基坑開挖引起的隧道初支結(jié)構(gòu)水平收斂值、豎向收斂值均滿足CJJ/T 202—2013[20]中10 mm 的控制要求。

4 結(jié)論

運用有限元軟件MIDASGTS/NX 建立臨近初支隧道某基坑開挖的二維計算模型，分析了基坑開挖對鄰近在建初支隧道的影響，主要得出以下結(jié)論:

(1) 隧道整體變形趨勢:基坑開挖至16.7 m時，隧道左下側(cè)隆起，右上側(cè)沉降；開挖至基底21 m時，隧道左下側(cè)沉降0.2 mm、右上側(cè)沉降1.4 mm，基坑開挖以水平方向的應(yīng)力釋放為主，初支隧道的豎向變形較小。

(2) 隨開挖深度增加，隧道水平位移變化趨勢:前期受支護樁的阻斷抑制作用位移變化較小，后期受開挖側(cè)土壓力減小導致位移逐漸增大。

(3) 基坑開挖過程中，上行隧道水平位移遠遠大于下行隧道水平位移，隧道徑向收斂以水平收斂為主，水平收斂值是豎向收斂值的1.5 倍，因下行隧道距離基坑開挖面較遠，當開挖深度與隧道埋深同一水平位置，基坑開挖對下行隧道的變形影響較小。