建筑基坑施工全过程对下方盾构隧道变形影响研究

马 静

(北京市市政专业设计院股份公司，北京 100037)

0 引言

随着城市轨道交通网络不断完善，大量的地铁隧道投入运营。在已建地铁隧道上方进行基坑土方开挖和上覆建筑物建造已经成为一种常见的现象。建筑基坑施工全过程可分为基坑土方开挖卸荷过程及建筑物施工加载过程，在施工过程中，地铁隧道及其周围土体原有的应力状态多次被打破，造成盾构隧道围岩应力的多次重分布，对处于运营状态的地铁隧道造成了严重影响。对地铁隧道上方的出现基坑开挖卸荷-加载行为，若不进行详细的技术评估，并采取有效措施对地铁隧道进行保护，将导致地铁隧道发生变形，甚至破坏，直接威胁地铁的安全运营[1-2]。

国内外不少学者均对此问题进行了大量有益的分析和探讨，为建筑基坑施工全过程中下方地铁隧道的保护提供了大量的经验。张治国[3]、姜兆华[4]、吉茂杰[5]、陈郁[6]等从理论解析的角度出发，对基坑土方开挖卸荷阶段，邻近隧道的变形计算方法进行了研究；Ding J S[7]、刘国彬[8]、商可[9]等以实际工程为例，运用数值计算的方法，对基坑土方开挖卸荷施工过程中，下方地铁隧道的变形特征进行了分析。现有研究成果侧重建筑基坑土体开挖卸荷过程中，下方地铁隧道变形特征的研究，但对于建筑物施工加载阶段，下方地铁隧道的变形特征研究较少。

基于此，本文以北京某典型地铁隧道及邻域的基坑工程为基础，考虑基坑位于盾构隧道正上方及斜上方2种计算方案，对建筑基坑施工全过程中下方地铁隧道的变形动态响应进行了研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京某邻近地铁隧道深基坑工程位于朝阳区亮马桥路，基坑场地西侧为运营中的地铁10号线，该区间隧道自2008年7月开始运营。本工程中，建筑基坑位于盾构隧道斜上方位置，基坑侧壁与盾构隧道管片水平距离6.0m，盾构隧道顶部距离基坑槽底3.0m。区间隧道采用盾构法施工，盾构隧道外径6000mm，内径5400mm，管片采用300mm厚的C50预制混凝土管片，管片环宽1200mm。基坑开挖深度9.0m，基坑支护结构上部2.0m采用放坡支护，下部7.0m采用“地下连续墙+预应力锚索”联合支护的方式。地下连续墙厚0.8m，幅宽6.0m，混凝土强度等级C25。基坑下部地下连续墙支护区域设置两道预应力锚索，孔径150mm。第一道锚索位于地下连续墙顶部，锚索入射角度10°，水平间距1.50m，锚杆总长21m，其中锚固段长度15.0m；第二道锚索位于-5.5m处，锚索入射角度10°，水平间距1.50m，锚杆总长23m，其中锚固段长度18.0m。

1.2 工程地质条件

根据现场钻探结果，该工程地基土层按成因年代可划分为人工堆积层和第四纪沉积层两类。基坑深度范围内的地基土层主要以黏性土、粉土和砂土的交互沉积土层为主。地表以下有2～3m的房渣土和碎石填土层。上部建筑物采用梁式筏板基础，基底标高23.9m，位于粉质粘土层。

2 数值计算方案及计算模型建立

2.1 数值计算方案及监测点布置

应用MIDAS GTS NX软件进行三维数值模拟，考虑基坑与既有盾构隧道的相对位置关系，数值计算考虑2种方案。方案1中，基坑位于盾构隧道的正上方，基坑槽底距离盾构隧道管片顶部3.0m，基坑与盾构隧道的相对位置关系及监测点布置情况如图1(a)所示；方案2中，基坑位于盾构隧道斜上方，基坑槽底距离盾构隧道管片顶部距离与方案1相同，基坑支护结构外侧边缘距离盾构隧道管片最近距离6.0m，基坑与盾构隧道相对位置关系及监测点布置情况如图1(b)所示。

图1 基坑支护方案及监测点布置Fig.1 Foundation pit supporting scheme and layout of monitoring points

2.2 模型尺寸及网格划分

为忽略边界效应对数值计算结果的影响，数值计算模型中地基土体范围须取3倍以上基坑深度，本工程中，应充分考虑上覆荷载对模型边界产生的影响。数值计算中，模型长×宽×高为120m×120m×60m，3倍模型土方开挖深度为24m，基坑槽底至模型底部边界54m，支护结构外侧距离模型水平边界40m，可满足上覆荷载对模型边界产生的影响。数值计算模型网格划分采用定义线性梯度的方法，盾构隧道及基坑支护结构周围网格密集，边界处网格稀疏，在满足计算精度的同时，可以缩短计算时间。数值计算模型网格划分如图2所示。

数值计算模型四周设置位移边界条件，模型上表面为自由面，四周约束其法向位移，底部约束其竖向位移。地铁隧道与土层之间通过设置接触，模拟盾构隧道与地基土层之间的挤压和摩擦效应。接触单元应用Mohr Coulomb准则，通过设置接触面之间的法向刚度模量、切向刚度模量、粘聚力、内摩擦角等参数，模拟地基土与隧道结构间的挤压和摩擦。依据MIDAS/GTS帮助文件，法向刚度模量取相邻单元较小弹性模量值的50倍；剪切刚度模量取相邻单元较小剪切模量的50倍；粘聚力取基坑外侧土体粘聚力的3倍；内摩擦角取基坑外侧土体内摩擦角的3倍。

2.3 模型材料参数选取

依据数值计算模型初期试算结果及相关研究成果[10]，地基土层采用修正的Mohr Coulomb本构模型模拟，且卸荷模量取3倍加载模量，可以有效地控制基坑土方开挖卸荷引起的地基土回弹过大的现象。故此，数值计算模型中，地基土层以实体单元建立，土体本构选用修正的Mohr Coulomb本构模型。地基土体参数取值依据工程勘察报告选取，详见表1。

图2 数值计算模型网格剖分Fig.2 FEM mesh of calculation model

岩土类别厚度/m压缩模量/MPa泊松比重度/(kN/m3)粘聚力/(kN/m2)摩擦角/°加载模量/MPa卸载模量/MPa杂填土2.07.00.3618.510157.021粘质粉土Ⅰ5.27.70.2521.62120.715.446.2粉质黏土13.29.70.2620.728.720.619.458.2粘质粉土Ⅱ1.818.70.2520.67302337.4111.2中砂3.230.00.2721.003060180圆砾卵石—55.00.2322.0035110330

结构模型中，地下连续墙、预应力锚杆、盾构隧道管片、筏板基础等均采用弹性本构模型。地下连续墙及筏板基础采用板单元模拟，盾构隧道管片采用实体单元模拟，锚杆采用植入式桁架单元模拟。结构模型具体参数依据工程实际值确定，具体参数详见表2。

2.4 建筑施工全过程工序模拟

建筑物施工过程中，地铁隧道及其邻域土体共经历4次应力重分布过程：(1)地铁隧道贯通后，随着时间的推移，隧道围土的固结沉降逐步达到稳定，数值计算中，该过程通过调高工序1收敛标准实现；(2)基坑土方开挖卸荷过程，数值计算中，该过程通过结构模型网格“激活”及土方模型网格“钝化”命令实现，本工程中，土体平均重度约为20.73kN/m3，基坑开挖深度为9m，土方开挖卸荷量总计186.57kPa；(3)建筑物施工加载过程，该过程通过建筑物网格“激活”命令实现，数值计算模型中，每层楼按12kPa荷载考虑，每次加载2层，拟建建筑物地下3层，地上9层，加载量总计144kPa；(4)建筑物施工完成后，地铁隧道及其周围土体逐步达到稳定，该过程通过调高工序16的收敛标准实现。本工程中，数值计算具体工序见表3。

表2 结构部分物理力学参数表

表3 数值计算工序

3 计算结果与分析

数值计算模型方案1中，基坑位于盾构隧道正上方；方案2中，基坑位于盾构隧道左侧斜上方。根据基坑与盾构隧道的相对位置关系，本文规定，竖向位移为正值时，表示盾构隧道发生上浮；负值时，表示盾构隧道发生下沉。水平位移为正值时，表示盾构隧道发生朝向左侧的位移；负值时，表示盾构隧道发生朝向右侧的位移。

图3 地铁隧道位移时程响应Fig.3 Displacement time-history response of shield tunnel at different working conditions

3.1 盾构隧道位移时程响应分析

建筑物施工全过程中，基坑下方地铁隧道监测点1、监测点5、监测点9、监测点13的竖向位移及水平位移时程曲线如图3所示。方案1中，盾构隧道竖向位移远大于水平位移，随着基坑开挖卸荷的进行，盾构隧道逐步发生上浮，竖向位移最大值出现在土方开挖至基坑底部时，约为18.8mm；随着上部建筑结构施工的进行，盾构隧道逐步发生下沉，基坑加载完成后，竖向位移总量约为11.41mm，并未恢复至初始状态，若建筑物楼层继续增加，荷载不断增大，则盾构隧道竖向位移可能恢复至最初状态并持续增大。方案2中，盾构隧道水平位移大于竖向位移，随着基坑土体开挖卸荷的不断推进，盾构隧道竖向位移逐步上浮，水平位移朝向基坑方向。最大水平位移均出现在监测点1的位置，即盾构隧道顶部，基坑开挖卸荷完成后，最大水平位移5.48m；基坑加载完成后，水平位移减少73%，约为1.52mm。

图4 地铁隧道位移分布雷达图(径向坐标表示位移, 单位：mm；环向坐标表示监测点编号)Fig.4 Radar chart of distribution of shield tunnel displacement

综合分析上述特征可知，建筑基坑施工位于盾构隧道正上方时，应对盾构隧道的竖向位移加强控制，在建筑基坑开挖卸荷-加载影响区范围内，随着基坑与盾构隧道水平距离的增加，竖向位移的影响逐步减弱，水平位移的影响逐步增加，应逐步重视水平位移的影响，对盾构隧道周围深层土体水平位移进行加密监测。建筑基坑施工过程中，下方地铁隧道的最大竖向位移及最大水平位移均出现在基坑开挖卸荷完成阶段，此时，应尽早进行基础底板封闭施工，避免“晾槽”现象的发生，否则，将会对盾构隧道造成极为不利的影响。

3.2 盾构隧道位移分布

基坑开挖卸荷-加载过程中，下方地铁隧道在基坑开挖卸荷完成及基坑加载完成工序下，位移分布如图4所示。方案1中，盾构隧道竖向位移及水平位移呈对称分布，最大竖向位移出现土方开挖至基坑底部时的盾构隧道顶部位置，此时，地铁隧道顶部与与底部竖向位移差约为3.41mm；最大水平位移出现在土方开挖至基坑底部时的监测点13及监测点5位置，监测点13水平位移朝向基坑左侧的支护结构，监测点5水平位移朝向基坑右侧的支护结构，左右两侧的水平位移大小基本相同，约为1.7mm，左右两侧水平位移差约为3.4mm。方案2中，盾构隧道右侧竖向位移大于左侧竖向位移，左右两侧位移差为0.65mm；盾构隧道上部水平位移大于下部，顶部和底部位移差约为0.66mm，盾构隧道发生朝向基坑方向的扭转。综合分析上述特征可知，基坑开挖卸荷-加载位置在盾构隧道正上方时，竖向位移及水平位移呈对称分布，在基坑开挖卸荷-加载影响区范围内，随着基坑与盾构隧道水平距离的增加，盾构隧道发生朝向基坑方向的扭转。

4 结论

本文应用数值模拟的方法，以北京地区地基土层结构为例，对建筑基坑施工全过程中，下方地铁隧道的变形动态响应特征进行了研究。得出以下结论：

(1)基坑位于盾构隧道正上方时，应以控制盾构隧道竖向位移为主，在基坑开挖卸荷-加载影响区范围内，随着基坑与盾构隧道水平距离的增加，竖向位移的影响逐步减弱，水平位移的影响逐步增加，应逐步重视水平位移的影响，对盾构隧道周围深层土体水平位移进行加密监测。

(2)建筑基坑施工全过程中，下方地铁隧道最大竖向位移及最大水平位移均出现在基坑土方开挖卸荷完成阶段，此时，应及早进行底板封闭施工，避免出现过长时间的“晾槽”。

(3)建筑基坑施工全过程中，当基坑土方开挖卸荷-加载位置位于隧道正上方时，盾构隧道的竖向位移及水平位移均呈对称分布，在基坑开挖卸荷-加载影响区范围内，随着基坑与盾构隧道水平距离的增加，盾构隧道发生朝向基坑方向的扭转。