基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響分析

劉鵬飛 董元濱 劉天一 賈德龍 趙旭彤

摘要 文章采用有限元分析軟件，針對某地塊開發(fā)項目對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行模擬計算，分析基坑開挖過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的位移情況，對基坑支護(hù)方案可行性進(jìn)行評價。數(shù)值模擬結(jié)果表明，基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)安全，支護(hù)方案合理，為地塊開發(fā)近接既有盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞 基坑開挖；盾構(gòu)隧道；數(shù)值模擬；影響分析

中圖分類號 F512；F810.6文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0049-04

0 引言

地鐵線路多沿市政道路進(jìn)行敷設(shè)，周邊地塊基坑開挖會對鄰近的地鐵隧道產(chǎn)生一定的擾動，這種情況下地鐵盾構(gòu)隧道原有的受力平衡狀態(tài)會被打破從而產(chǎn)生變形，而地鐵項目作為城市基礎(chǔ)設(shè)施，承載著一座城市大量的居民出行功能，且由于其建造成本高、工程復(fù)雜，對自身的變形要求極為嚴(yán)格，一旦發(fā)生事故將造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失及社會影響。因此，地鐵周邊基坑工程不僅需要控制工程自身風(fēng)險，更重要的是控制對地鐵盾構(gòu)隧道帶來的風(fēng)險。為確保地鐵盾構(gòu)隧道安全，基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響分析成為值得深入研究的課題[1-3]。

1 概述

1.1 工程概況

某市地塊開發(fā)項目總用地面積93 000 m2，西鄰地鐵盾構(gòu)隧道。擬建項目主要包括1#～8#住宅樓、S1#商業(yè)樓及地下車庫。住宅樓地上10～18層，地下2層，樁筏及獨立基礎(chǔ)；商業(yè)樓地上2層，地下1層；車庫地下1層，框架結(jié)構(gòu)，獨立基礎(chǔ)，場地地面標(biāo)高約40.5～42.88 m，基坑開挖深度約7 m。

項目西側(cè)地鐵線路已于2019年12月28日開通運營，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，為雙單洞隧道，線間距為13.4～

17 m，區(qū)間長度993.331 m；設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道；隧道埋深為9.01～11.81 m。管片厚度0.3 m，管片外徑6.4 m，采用C50混凝土材料，環(huán)寬1.2 m。聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工，初支采用C25網(wǎng)噴早強混凝土，厚度0.25 m；二襯采用C40混凝土，厚度0.3 m。

基坑外邊線距右線隧道凈距約14.5～18.4 m；距左線隧道凈距約28.5～32.1 m，地鐵隧道頂標(biāo)高約28.6～30.80 m，埋深約為9.01～11.81 m。相對位置關(guān)系如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

場地位于山前沖洪積平原地貌，勘察期間孔口絕對高程在34.82～39.24 m之間，地勢南高北低。場區(qū)地層分別為①黃土狀粉質(zhì)黏土、②碎石、③粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤碎石、⑥全風(fēng)化閃長巖。

勘察期間測得地下水穩(wěn)定水位平均埋深4.18 m，穩(wěn)定水位標(biāo)高33.47～34.19 m，平均33.82 m。地下水屬第四系孔隙潛水，主要賦存于第②層碎石、第⑤層碎石及基巖裂隙中。地下水年正常水位升降變化幅度一般在3 m以內(nèi)。近3～5年最高水位標(biāo)高約36 m，歷史最高水位標(biāo)高約36.5 m。建議抗浮設(shè)防水位標(biāo)高36.5 m。

1.3 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基坑AE段深度約4.55～5.28 m，已經(jīng)采用懸臂樁支護(hù)，支護(hù)樁嵌固深度9.52 m，樁徑800 mm，有效樁長13.35 m，樁間距1.2 m，樁頂錨入冠梁50 mm。冠梁頂標(biāo)高40.50 m，冠梁頂以上土體采用自然放坡開挖，按1∶0.6坡度放坡。下部1.5～2 m采用掛成品鋼絲網(wǎng)，噴面混凝土強度C20，噴面厚度60 mm。

基坑DE段基坑深度約4.73～5.7 m，采用鉆孔灌注樁+擋土墻支護(hù)。支護(hù)樁嵌固深度9.52 m，樁徑800 mm，有效樁長13.35 m，樁間距1.5 m，后續(xù)基坑大幅內(nèi)縮后，重新采用擋土墻支護(hù)，垂直開挖。沿坑底周邊設(shè)置300 mm×300 mm的排水盲溝。基坑開挖完成之后，基坑內(nèi)部架設(shè)框架梁并澆筑混凝土板作為臨時生活區(qū)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

2 模型建立

2.1 計算模型

考慮基坑開挖施工過程的復(fù)雜性，采用Midas GTS NX 有限單元法三維建模進(jìn)行應(yīng)力分析及變形分析。本構(gòu)模型采用修正摩爾-庫倫屈服模型，采用板單元模擬隧道管片結(jié)構(gòu)，鉆孔灌注圍護(hù)樁、各層樓板等采用板單元建模，樁基采用植入式梁單元。建模過程中，三維基坑模型中地層分界與鉆孔相同，巖土參數(shù)如表1所示。土體邊界自基坑外邊線向外擴3～5倍基坑深度，土地深度取至基坑底部2倍鉆孔灌注樁長度，土體建模X方向總長230 m；土體建模Y方向總長150 m；土體建模Z方向總長35 m。由于模型的邊界分別與X、Y軸平行，因此直接設(shè)置為Midas默認(rèn)的地基支承邊界條件，模型底部限制X、Y、Z三個方向位移，模型四周限制法向位移。

計算基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)DE支護(hù)單元采用型號為800@

1 500的鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉(zhuǎn)換為厚度為

540 mm的地下連續(xù)墻；EA支護(hù)單元采用直徑800@1 200

鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉(zhuǎn)換為厚度為590 mm的地下連續(xù)墻。結(jié)構(gòu)材料屬性如表2所示。

根據(jù)設(shè)計文件，荷載采用建筑設(shè)計單位提供的計算書中上部荷載以基底平均壓力的形式施加于基礎(chǔ)底部。高層住宅基底壓力按369 kPa輸入，商業(yè)樓基底壓力按77.4 kPa輸入，車庫范圍按50.3 kPa輸入。隧道及基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

2.2 工況設(shè)置

①工況1：初始應(yīng)力場分析。②工況2：隧道開挖。③工況3：基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。④工況4：第一步開挖。⑤工況5：第二步開挖。⑥工況6：第三步開挖。⑦工況7：基礎(chǔ)、擋墻、回填土施工。⑧工況8：地塊主體結(jié)構(gòu)施工。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 基坑水平位移

基坑西側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有向基坑內(nèi)移動的趨勢，水平位移隨基坑開挖逐漸增大，最大值為12.2 mm，最大值出現(xiàn)在基坑開挖至坑底的工況中；隨著土體回填及主體結(jié)構(gòu)施工水平位移呈減小趨勢，最終為8.9 mm。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移如圖5所示。

3.2 隧道水平位移

施工過程中隧道水平方向向基坑側(cè)位移，隧道水平位移隨開挖呈先逐步增加后逐步減小的趨勢，當(dāng)基坑開挖至坑底時水平位移最大值為1.58 mm，隨著土體回填及主體結(jié)構(gòu)施工，隧道水平位移減小為1.06 mm。隧道水平位移如圖6所示。

3.3 隧道豎向位移

隧道在基坑開挖卸荷作用下，鄰近基坑的隧道右線產(chǎn)生隆起現(xiàn)象，最大隆起量為0.26 mm；在土體回填及主體結(jié)構(gòu)施工過程中隧道隆起量下降，最終隆起量為0.23 mm。隧道豎向位移如圖7所示。

4 結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，地塊項目施工過程中基坑鄰近盾構(gòu)隧道一側(cè)水平位移最大值為10.9 mm。隧道最大隆起量0.26 mm，最大水平位移1.58 mm，滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202—2013）[4]相關(guān)要求。綜合分析，認(rèn)為該地塊開發(fā)項目對既有隧道影響較小，基坑支護(hù)方案合理可行，施工過程中仍需加強監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工。

該文通過運用有限元分析方法，建立了既有盾構(gòu)隧道—基坑結(jié)構(gòu)整體分析模型，研究了基坑開挖對既有盾構(gòu)隧道的影響，確保了既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全，為地塊開發(fā)近接既有盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險分析及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)提供了一定的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]朱春柏， 錢棟棟， 余忠祥， 等. 考慮空間效應(yīng)的基坑開挖對鄰近隧道影響分析[J]. 地下空間與工程學(xué)報， 2023

（5）： 1471-1477.

[2]馬勤， 張玉山. 深基坑開挖誘發(fā)鄰近運營地鐵隧道變形響應(yīng)特征研究[J]. 地基處理， 2023（5）： 434-443.

[3]陳仁朋， 高天惠， 吳懷娜， 等. 旁側(cè)基坑開挖對超大直徑盾構(gòu)隧道變形影響分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2023（9）： 230-240.

[4]城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范： CJJ/T202—2013[S]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2013.