基坑开挖对下卧既有隧道的变形影响分析

赵 春 伟

(天津市市政工程设计研究院，天津 300000)



基坑开挖对下卧既有隧道的变形影响分析

赵 春 伟

(天津市市政工程设计研究院，天津 300000)

以宁波市某新建通道上跨既有地铁1号线的基坑开挖工程为背景，建立了Midas/GTS NX三维模型，考虑土体、围护结构和既有隧道的相互作用，分析了地基加固、设置抗浮桩以及开挖顺序引起的时空效应对既有隧道变形的影响，得出了一些有意义的结论。

基坑工程，既有隧道，地基加固，抗浮桩，时空效应

随着我国城市建设的飞速发展，有时不可避免的要在既有隧道附近施工，这必将引起既有隧道的变形，如何把变形限制在可控范围内成为工程实践和理论研究中亟待解决的焦点问题。国内外学者对此开展了一系列的研究[1-3]，并提出了一些隧道变形控制措施[5-10]。Sharma等[1]结合现场监测和数值计算，分析了某深大基坑对地铁隧道变形的影响。Dolezalova等[2]应用有限元分析了基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响。姜兆华[3]系统的分析了基坑开挖对邻近隧道的影响。刘国彬等[4]利用坑内加固措施来控制已建成隧道的隆起变形。张治国等[6]提出了基坑开挖对临近地铁隧道纵向变形影响的两阶段分析方法。阮顺良等[7]从力学原理上分析了影响隧道变形的机理，并提出了减小基坑工程对邻近地铁影响的控制措施。朱逢斌等[8]针对骑跨于既有盾构隧道之上的基坑工程，进行了平面应变有限元模拟。郑刚等[9]分析了土体加固、浇筑底板与抗浮桩形成“保护箍”以及堆载回压对既有轨道的影响。左殿军等[10]考虑隧道衬砌与土的相互作用，研究了基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。魏纲等[11]采取了地基加固、分段开挖等施工控制措施控制隧道的变形。

文章以上跨地铁隧道的基坑施工案例为依托，运用有限元建立3D模型，考虑了时空效应，模拟基坑开挖全过程，分析土体加固、抗浮桩和基坑开挖顺序对既有地铁隧道结构变形的影响。

1 工程概况

某新建地下通道与地铁1号线隧道斜交，角度为69.12°，新建结构宽31.2 m，高5 m，顶板1 m，底板1.4 m，侧墙0.9 m，中墙0.7 m，基坑深8.6 m～9.0 m。1号线为外径6 200 mm、内径5 500 mm的盾构隧道，管片厚350 mm，宽1.2 m，采用错缝拼装。跨越处距地下通道底板基坑净距4.842 m～5.264 m。为确保基坑开挖过程中既有隧道的安全，采用土体加固，设置抗浮桩以及分区、分块开挖的措施，来降低基坑开挖卸载引起的隧道隆起变形。

1.1 基坑分区

在基坑两侧各设置一道封堵墙，上下行线区间隧道的东西两

侧各设一道封堵墙，将穿越段大基坑分为三部分，远离区、接近区和核心区。

1.2 土体加固

远离区：采用裙边+抽条加固，加固深度为坑底下3 m；接近区：区间隧道两侧各2 m以外采用满堂加固，加固深度为地面下1 m至隧道底以下6 m；核心区：隧道上方采用MJS满堂加固，加固深度为地面下1 m至区间隧道上方2 m。

1.3 抗浮桩

在既有隧道两侧设置抗拔桩，并与新建通道底板形成有效连接。

2 施工模拟计算

针对基坑开挖对1号线隧道的影响，采用Midas/GTS NX三维有限元地层—结构模型进行分析。为减小边界效应影响，计算模型的水平方向尺寸和竖向尺寸即模型边界取大于3倍～5倍基坑开挖深度，影响深度约为开挖深度的2倍～4倍[12]。故计算模型的几何尺寸为140 m×140 m×50 m。模型四周边界为水平约束，底部为竖直约束。三维网格模型及隧道、支护结构模型见图1。

土体利用修正摩尔—库仑模型，并采用3D实体单元模拟，围护结构和隧道管片采用线弹性板单元模拟，抗浮桩采用线弹性梁单元模拟。各层土体的基本物理力学性质参数如表1所示。

3 计算结果分析

3.1 土体加固

基坑开挖卸荷引起的隧道的变形情况如图2所示，从图2中可以看出，随着施工过程的进行，隧道上方土体的卸载量逐渐增大，上、下行隧道均出现了隆起的现象，未进行土体加固时，上行线最大隆起量为11 mm，下行线最大隆起量为10 mm，既有隧道隆起量超过了结构变形控制标准，将会影响隧道结构的安全和地铁的正常运营，而土体加固后隧道的隆起量明显减少，上行线最大隆起量降低为5.7 mm，下行线最大隆起量降低为5.6 mm，满足结构变形控制标准。因此，土体加固可有效控制既有隧道的隆起，保证地铁线路的安全运营。

表1 土层基本物理力学性质参数表

3.2 抗拔桩的影响

基坑开挖卸荷引起的隧道的变形情况如图3所示，由图3可见，隧道的变形趋势与图2几乎一致。当抗浮桩与新建通道底板形成有效连接后，相当于在既有隧道结构周围形成“门式框架”，既有隧道隆起量有所减小。

3.3 开挖顺序

基坑开挖顺序引起的隧道变形情况如图4所示，开挖顺序为：由核心区向远离区开挖；由远离区向核心区开挖。从图4中可以看出：基坑核心区土体的开挖对既有隧道的隆起变形影响较大，由基坑核心区向远离区的开挖顺序最终引起隧道的隆起量大。因此基坑土体开挖应采取由远离区向核心区的开挖顺序，即尽可能最后开挖对隧道变形影响较大的土体，这与张强[12]的研究成果相吻合。

4 结语

依托宁波市某新建通道上跨既有隧道工程，利用Midas/GTS NX，建立了三维模型，分析了土体加固、抗拔桩以及基坑开挖顺序引起的时空效应等因素对控制既有隧道结构隆起的影响，并进行对比分析。结论如下：1)土体加固通过提高土体的粘聚力和摩擦角，提高土体变形模量等，控制了地层的变形，从而控制既有隧道的变形，并且加固土体的加载作用可减小开挖卸载对既有隧道变形的影响，其在控制隧道结构隆起方面效果显著。2)抗浮桩在与基坑底板形成有效连接以后，在既有隧道结构上方形成“门式结构”才能起到抑制既有隧道结构周围土体的隆起，从而控制隧道的隆起变形，其抑制既有隧道隆起的作用不如土体加固的效果大。3)基坑开挖顺序可以充分利用土体隆起的时空效应和隧道结构的刚度来控制既有隧道的隆起变形，最后开挖对隧道变形影响较大的土体，可以有效控制既有隧道的隆起，因此基坑土体开挖应采取由远离区向核心区的开挖顺序。

[1] Sharma J.S.,Hefny A.M.,Zhao J.Effect of Large Excavation on Deformation of Adjacent MRT Tunnels[J].Tunnelling andUnderground Space Technology,2001(16):93-98.

[2] Dolezalova M.Tunnel Complex Unloaded by a Deep Excavation[J].Computers and Geotechnics,2001,28(6-7):469-493.

[3] 姜兆华.基坑开挖时邻近既有隧道的力学响应规律研究[D].重庆:重庆大学博士学位论文,2013.

[4] 刘国彬,黄院雄,侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩土力学与工程学报,2001,20(2):202-207.

[5] 高广运,高 盟,杨成斌,等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报,2010,32(3):453-459.

[6] 张治国,张孟喜,王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学,2011,32(7):2085-2092.

[7] 阮顺良,胡士兵,楼永良.基坑工程对邻近地铁隧道影响及控制措施研究[J].现代隧道技术,2012,49(1):100-104.

[8] 朱逢斌,王月香.基坑施工对下方既有盾构隧道结构变形影响分析[J].现代隧道技术,2013,50(3):94-100.

[9] 郑 刚,刘庆晨,邓 旭.基坑开挖对下卧运营地铁隧道影响的数值分析与变形控制研究[J].岩土力学,2013,34(5):1459-1468.

[10] 左殿军,史 林,李铭铭,等.深基坑开挖对邻近地铁隧道影响数值计算分析[J].岩土工程学报,2014,26(S2):391-395.

[11] 魏 纲,李 钢,苏勤卫.基坑工程对运营地铁隧道影响的实测分析[J].现代隧道技术,2014,51(1):179-185.

[12] 张 强.开挖卸荷下既有地铁隧道的竖向变形及其控制研究[D].北京:北京交通大学博士学位论文,2012.

The deformation influence analysis on foundation pit excavation to overlaying existing tunnel

Zhao Chunwei

(TianjinMunicipalEngineeringDesignandResearchInstitute,Tianjin300000,China)

Taking the foundation pit excavation engineering of a new cross overpass existing tunnel line 1 in Ningbo as the engineering background, this paper established the Midas/GTS NX three-dimensional model, considering the interaction of soil, retaining structure and existing tunnel, analyzed the influence of time-space effect caused by foundation reinforcement, anti floating piles setting and excavation sequence to existing tunnel deformation, drew some meaningful conclusions.

foundation pit engineering, existing tunnel, foundation reinforcement, anti floating pile, time-space effect

1009-6825(2017)14-0190-03

2017-03-08

赵春伟(1985- ),男,工程师

U456.3

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