基坑开挖引起紧邻地铁隧道力学响应与处理方案研究

石钰锋，方焘，王海龙，胡文韬 ，郭俊，张鹏

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013 ；2.南昌市政公用集团，江西 南昌 330000；3.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；4.中建钢构有限公司，广东 深圳 518048)



基坑开挖引起紧邻地铁隧道力学响应与处理方案研究

石钰锋1，3，方焘1，王海龙2，胡文韬1，郭俊2，张鹏4

(1.华东交通大学 土木建筑学院，江西 南昌 330013 ；2.南昌市政公用集团，江西 南昌 330000；3.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029；4.中建钢构有限公司，广东 深圳 518048)

摘要:针对在建基坑对既有地铁隧道影响问题，依托杭州某基坑工程，建立三维数值仿真模型，分析既有地铁隧道在基坑施工中的受力变形响应，重点评价基坑施工引起隧道结构的附加应力及变形，在此基础上，研究临近隧道侧围护结构参数加强、分块对称开挖等措施对隧道结构受力变形的控制效果。研究结果表明：基坑开挖对临近既有隧道的影响程度与两者之间的距离、基坑支护结构刚度及开挖顺序有关，距离越近、支护刚度越小、一次开挖范围越大影响越大；加强临近隧道侧围护结构刚度和合理采用分块对称开挖均能很好地控制基坑变形，尤其适用于变形控制严格的工程；除附加变形外，隧道结构附加内力可作为隧道结构稳定分析的重要评价指标。

关键词：基坑开挖； 地铁隧道； 影响评价； 处理措施； 数值分析

随着城市轨道的快速发展，基坑邻近既有地铁情况越来越多[1-5]，已引起业内的广泛关注及高度重视。基坑开挖必然引起临近地铁隧道附加内力及变形，严重时将导致结构破坏，基坑工程手册[6]对地铁容许变形进行了规定，但规范中仍未明确。为此，如何准确评价在建基坑与既有地铁隧道的相互影响是难点，也是研究热点[7]。理论研究方面，常将隧道结构考虑为弹性地基梁，开挖效果简化为应力释放，对其进行求解，且多研究坑底下卧情况，无法考虑土体非线性、施工条件、两者相对位置、应力释放时空效应等影响[7]。因此不少学者采用数值手段开展研究，Zhang等[8]通过前人经典模型试验对简化数值模型精度进行检验，然后开展了隧道埋深、与基坑距离等因素对隧道变形的影响。Wei等[9]依托杭州某工程，结合数值计算与实践论证了基坑底部加固可有效减小隧道上浮。Zhang等[10]通过经现场测试验证过的半解析法分析了基坑面积、相对距离及开挖工序等因素对基坑与隧道的相互影响。Shi等[11]采用考虑应力路径的亚塑性本构，建立三维数值模型，对干砂地层中地下室开挖与既有隧道的影响进行了研究。Hu等[12]根据数值计算预测运营地铁隧道受临近基坑开挖的变形，对相关设计参数、施工工序提出合理建议。Sharma等[13]在对某紧邻基坑的既有隧道变形的监测基础上开展数值分析，认为隧道刚度越大，受基坑开挖影响越小。黄宏伟等[14]以位于某隧道拱顶上方的上海外滩通道为背景，通过三维有限元软件PLAXIS分别模拟了无保护措施、采取土体加固和堆载三种措施对已有隧道的影响。杨德春等[15]以苏州某深基坑工程为例，通过对基坑支护体系、土方开挖和拆撑方式进行数值模拟，分析地铁隧道结构附加变形及应力变化，提出了软土深基坑设计与施工风险控制关键技术。郭典塔等[16]结合某广场基坑工程，采用三维数值模拟分析近接隧道基坑开挖施工力学特性，研究了基坑与隧道之间的静动力学相互作用机理。理想弹塑性模型常导致不合理的坑底回弹，多用于基坑的初步分析，因此姜兆华[7]采用HS硬化土模型研究了既有隧道受基坑开挖的影响。ZHENG等[17]通过考虑应力路径的数值计算分析认为隧道附加变形主要因为上覆接触压力不均匀变化引起，隧道变形量随其埋深而减小。徐长节等[18]依托具体工程采用HS硬化土模型开展了紧邻基坑的既有隧道变形的控制技术研究。另外模型试验及现场监测作为该问题研究的重要手段，也有不少的文献报道。魏少伟[19]采用国际通用标准砂，利用离心机试验，研究了基坑开挖对下卧隧道内力和变形的影响。梁发云等[20]以上海某紧邻地铁隧道的深基坑工程为背景，采用离心模型试验，研究“先挖大基坑，后挖小基坑”的开挖过程中隧道结构的内力和变形特性。许多学者依托实际工程，结合基坑及隧道的主要监测成果，分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响[21-24]。业内关于基坑对既有地铁隧道影响的机理研究尚不深入，评价标准也不完善，本文依托杭州某工程，采用三维数值手段深入分析基坑开挖对既有临近隧道的影响，提出基坑与隧道相互影响的综合评价指标，并对各种隧道变形控制手段进行对比研究，以更好指导该类工程。

1工程概况

工程位于杭州市下沙经济开发区。基坑东西向长约200m，南北向长约80～100m(图1)，安全等级为一级。地面标高±0.00m相当于黄海高程6.80m，场地相对标高以-0.40m计。基坑设计开挖深度为-11.80m，分3层开挖，第1层开挖至-2.30m，第2层开挖至-8.90m，第3层开挖至坑底。

基坑的北面和西面目前为空地，南面有一已运营的上、下行地铁隧道，基坑围护结构距隧道边缘最近距离约11m，坑底与隧顶垂直距离2.3m，如图2所示。为减小基坑开挖对邻近地铁的影响，确保地铁运营安全，设计中加强了临近地铁隧道侧围护结构刚度，并拟在施工中采取分块对称开挖。本文拟采用FLAC3D软件动态模拟设计及施工过程，分析基坑开挖对地铁隧道产生的影响。

图1　基坑及地铁位置关系图Fig.1 Layout of foundation pit and Metro

图2　邻近隧道的基坑剖面图Fig.2 Profile of foundation pit near the tunnel

临近地铁侧围护结构采用大直径钻孔灌注桩排桩结合双排三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，其余均采用型钢水泥土搅拌桩作为挡土结构兼止水帷幕，如图3。型钢水泥土搅拌桩径为850mm，中心距为600mm。钻孔灌注桩桩径1 000mm，中心距1 150mm，混凝土强度等级C25。

图3　基坑围护结构平面图Fig.3 Layout of retaining structure

支撑采用2层钢筋混凝土内支撑。第1道支撑中心标高-1.800m，截面为900(b)×800(h)mm，第2道支撑中心标高-8.400m，截面为1 000(b)×900(h)mm，均采用C30混凝土。地下水控制主要采用设置三轴水泥搅拌桩止水、简易深井降水。

2数值分析

2.1模型建立

为分析地铁隧道在临近基坑施工过程中周围岩土体及结构的受力与变形，并提出控制措施，基于FLAC3D软件建立三维模型进行研究。

根据基坑周边环境及杭州地区软土基坑开挖经验，确定模型尺寸为220m×330m×50m(宽×长×高)，可满足分析精度要求，如图4所示。

图4　模型示意图Fig.4 Sketch of model

模型约束条件为：4个侧面水平向位移约束，底部z向约束，上表面为自由面。岩土体、钻孔灌注及SMW工法桩用实体单元模拟，其中岩土体服从摩尔-库仑本构，桩体按弹性材料考虑，内撑、格构柱、隧道结构分别采用梁、桩、壳单元模拟，如图5所示。

表1　土层物理力学指标

图5　基坑围护及隧道结构示意图Fig.5 Sketch of exterior-protected structures and tunnel structures

图6　钻孔灌注及SMW工法桩刚度等效图Fig.6 Stiffness equivalence of pile and diaphragm wall

为突出本文研究重点，另有如下说明：1)基坑周边按照建筑基坑支护技术规程(JGJ120—2012)考虑20kPa的超载；2)每层开挖后，基底2m深度范围内考虑加固，加固后地层参数在原基础上提升一个数量级[25]；3)忽略格构柱的纵向变形；4)不考虑隧道运营期动荷载影响。

表2围护结构及隧道衬砌相关参数

Table2Relevantparametersofretainingstructureandtunnellining

围护结构E/GPaμH/mb/m钻孔灌注桩200.20.799-SMW工法桩7.80.20.750-第1道支撑300.20.8000.9第2道支撑300.20.9001.0隧道衬砌400.2--

2.2工况拟定

为研究基坑开挖对临近既有隧道的影响因素，特对围护结构刚度、挖土方式展开分析，拟定如表3所示3种工况，以供对比分析。

表3模拟工况

Table3Simulationcases

每种工况在模型建立及赋值后，计算自重平衡，施工既有隧道及基坑围护结构，基坑施工模拟按照“先撑后挖”原则，开挖至对应分层标高下0.5m后计算平衡，施做内撑，直至基坑开挖至设计标高后，施做底板，计算结束。表4为工况3的计算工序。

表4　工程现场施工过程

2.3结果分析

2.3.1隧道变形规律

隧道变形呈竖向隆起，水平上向基坑侧移动的规律，图7为工况1下，基坑开挖后，隧道总体变形示意图。

图7　工况1下隧道总体变形云图Fig.7 Final deformation of tunnel liner in case 1

选图7中基坑中心里程断面，对隧道衬砌变形分析，如图8所示，隧道结构向基坑侧移动，临近基坑侧隧道最大位移矢量为18.7mm，远离基坑隧道最大位移矢量为8.9mm，说明距离基坑越近隧道变形越大。同时临近基坑侧隧道上隆趋势显著，而远离基坑竖向变形以沉降为主，表明隧道与基坑的距离不同，其变形特征也不同。另外，基坑开挖不同深度时，隧道结构变形规律基本类似，仅量值上表现随基坑开挖深度增大而增大。

图8　工况1下隧道衬砌变形矢量图Fig.8 Vector diagram of tunnel liner deformation in case 1

2.3.2隧道受力规律

地铁隧道在施工中受地层扰动已承受一定内力，基坑开挖后，地层再次扰动，将引起隧道结构的内力改变。因3种工况规律类似，故以工况3为例进行详细分析。图9为不同工序下隧道弯矩分布图。可知：1)与基坑距离不同，附加弯矩分布、大小不同，临近基坑的隧道附加弯矩较大；2)随着基坑开挖深度增大，附加弯矩呈增大趋势；3)基坑开挖第1层时，附加弯矩与原分布规律一致，量值略有增加，随着开挖深度增大，上行线隧道临近基坑侧拱肩弯矩增大明显，弯矩图呈绕隧道中心顺时针翻转趋势，而下行线反之。

(a)附加弯矩汇总；(b)基坑开挖第1层；(c)基坑开挖第2层；(d)基坑开挖完成图9　工况3总弯矩及附加弯矩随基坑开挖分布图Fig.9 Distribution of moment & additional moment with excavation of foundation in case 3

表5为工况3中上行线隧道典型位置在不同开挖工序下弯矩变化值，变化规律与弯矩图一致。

表5典型位置不同工序下弯矩值

Table5Bendingmomentvalueoftunneltypicalpositionindifferentprocess

kN·m

注：弯矩为隧道纵向单位长度的范围内的合矩，正值表示衬砌内侧受拉，负值反之。

除弯矩变化外，基坑开挖也引起隧道轴力变化，但整体上呈减少趋势(如图10)，且变化不大，如上行隧道初始最大轴力为880kN，基坑开挖完成时轴力减少为800kN，减少比例约为9%，下行线隧道轴力减小比例约为2%～5%。

图10　基坑开挖前后隧道轴力分布图Fig.10 Tunnel axial force distribution before and after the excavation of foundation

综合考虑弯矩及轴力变化对隧道结构的影响，计算隧道衬砌的安全系数，可知隧道最小安全系数由3.20下降为2.61，位于上行线靠近基坑的拱脚位置(B点位)。需要指出，基坑开挖同时可引起隧道结构产生附加剪力，因其相对弯矩、轴力较小，本文未做分析。

2.3.3隧道变形受力控制效果

为减小基坑开挖对既有隧道的影响，设计上提出加强邻近隧道侧基坑围护结构刚度、分块对称开挖等措施，通过计算及实测分析两种措施效果。图11为各工况及实测情况下，基坑中心里程位置，围护结构(钻孔灌注桩、SWM工法桩)的水平位移图。

(a)远离隧道侧；(b)临近隧道侧图11　基坑围护结构水平位移图Fig.11 Horizontal displacement of retaining structure

从图11可以看出，各工况下基坑围护变形与测试结果规律一致，说明计算模型有效合理。同时，对比工况1和2可见，采用钻孔灌注桩替换SWM桩，变形显著减小；对比工况1和3可见，同等围护参数条件下，采用分块对称开挖可明显减小围护结构变形量。

2种处理措施减小围护结构变形的同时，有效减小临近隧道的变形，3种工况下，上行线隧道的最大位移矢量分别为18.7，26.3，5.2mm，下行线隧道变形较小，见图8。

表6为各工况下，上行线隧道典型点位弯矩值，3种工况下最大弯矩分别为-217，-260，-175kN·m，数据表明，加强基坑围护结构刚度、分块对称开挖措施对减小临近隧道衬砌弯矩明显，计算各工况下最小安全系数分别为2.61，2.35和3.12。

表6典型位置不同工况下弯矩值

Table6Bendingmomentvalueoftunneltypicalpositionindifferentcase

kN·m

综上可知，基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响不容忽视，可引起其较大的变形及附加内力，从而影响其稳定性，安全系数降低明显。其对隧道的影响程度与两者之间的距离(水平距离及垂直距离)、基坑围护结构刚度及开挖顺序有关。距离越近、支护刚度越小，一次开挖范围越大对隧道影响越大。

3施工效果

施工中，临近隧道侧围护结构采用钻孔灌注桩，并严格按照分块对称开挖、先支后挖等原则施工，根据现场测试，整个基坑施工期间，隧道未发现裂缝，轨道也未出现明显变形，未影响地铁的正常运营，表明本文所提方案的2个措施有效。

施工中对上行线水平位移进行监测，图12为其在基坑长边范围的分布图，可见，位于基坑中部一定范围内，隧道水平位移相对显著，两头变形显著减弱，但最大值仍不足8mm，远小于《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》中提出的20mm的要求。

图12　实测上行隧道水平位移沿基坑长边分布图Fig.12 Field monitoring data of horizontal displacement along the pit long-side direction

值得注意的是，尽管隧道变形满足目前的相关要求，但计算表明衬砌安全系数不大，因此有必要尽快建立结构内力的控制准则。

4结论

1) 基坑开挖对临近既有隧道的影响程度与两者之间的距离、基坑支护结构刚度及开挖顺序有关，距离越近、支护刚度越小、一次开挖范围越大影响越大。

2) 基坑开挖至一定深度，隧道临近基坑侧拱腰弯矩增大明显，弯矩图呈绕隧道中心顺时针翻转趋势，而距离基坑较远的隧道弯矩反之；隧道安全系数降低最显著位置为靠近基坑的拱腰处。

3) 适当提高近邻隧道侧基坑围护结构刚度可加大围护桩对土体变形的隔断效应、分块对称开挖可改变土体卸载路径，从而有效减小基坑开挖对临近隧道的影响。

4) 除附加变形外，隧道结构附加内力可作为隧道结构稳定分析的评价指标，并尽快建立结构内力的控制准则。

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* 收稿日期：2015-09-05

基金项目：江西省科技落地计划资助项目(KJLD4036)；南昌市政公用集团科技基金资助项目

通讯作者：石钰锋(1985-)，男，江西都昌人，讲师，博士，从事隧道与地下工程研究；E-mail：s074811156@126.com

中图分类号：U451

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1100-08

Research on mechanical response and countermeasures ofsubway tunnel induced by adjacent excavation

SHI Yufeng1,3, FANG Tao1, WANG Hailong2, HU Wentao1, GUO Jun2， ZHANG Peng4

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,EastChinaJiaotongUniversity,Nanchang330013,China;2.NanchangMunicipalPublicGroup,Nanchang330000,China;3.JiangxiProvincialInstituteofWaterScience,Nanchang310029,China;4.ChinaConstructionSteelStructureCorp.Ltd,Shengzhen518048,China)

Abstract:In order to analyze the impact of the construction of foundation pit on existing shield tunnel, a three-dimensional numerical simulation model which relies on a foundation pit engineering in Hangzhou is established to study the deformation of existing shield tunnel due to the construction of foundation pit. This paper focuses on the additional stress and the deformation of shield tunnel structure caused by the construction of foundation pit. The control effects of several measures, such as symmetric block excavating and strengthening the parameters of exterior-protected construction adjacent to the side of tunnel, on shield tunnel’s deformation were researched. The results show that, the additional internal forces in tunnel structure can be used as an important evaluation index of tunnel structure stability analysis, except for additional deformation. It can well control pit deformation to strengthen the stiffness of exterior-protected construction adjacent to the side of tunnel and rational use symmetric block excavating. These measures is particularly suitable for engineering of rigorous deformation control.Key words: adjacent excavation; metro tunnel; influence assessment; countermeasure; numerical analysis