基坑开挖引起邻近既有隧道变形的影响区研究

陈志飞

（苏交科集团（江苏）安全科学研究院有限公司，江苏 南京 211112）

隧道作为公路的一部分，随着公路数量的增长，隧道通车里程也在不断增加。公路隧道施工打破原有的土壤结构和土层应力，并对临近既有隧道造成一定的影响，导致临近既有隧道上方塌陷、基坑沉降变形，基坑变形位移过大，造成基坑渗漏，埋下交通安全事故隐患。因此，基坑开挖过程中，要对临近既有运用隧道的变形进行严格监测控制，以免影响既有隧道的安全。

1 工程概况

某公路施工路段为K25+620～K27+730.446，总长5110.446m，其中隧道长度为682m，公路施工过程中，对临近公路造成渗漏、塌方等现象。由于施工路段包含部分软土，为了确保公路路基的质量，需对软土地基进行处理。基坑长度为20m，宽度为18m，基坑深度为16m，局部基坑深度达到了16.5m。为了避免施工过程中对邻近公路工程造成影响，需要控制基坑围护结构，防止变形。

基坑采用分段分区开挖，将整个基坑分成3段：南部基坑、中部基坑和北部基坑。先完成南部基坑的施工，南部基坑南侧围护结构采用厚度1200mm的地下连续墙，东西两侧采用厚度1000mm的地下连续墙，北侧采用900的排桩，并结合混凝土柱支撑结构。基坑施工并完成填土后，开挖中部基坑。隧道与南部基坑设置隔离桩，并预埋袖阀管。通过勘查，发现基坑周围环境比较复杂，基坑北面有一条已经运营的公路，并且侵占了路基的红线范围，施工过程中，需要对其进行加固处理，防止基坑施工导致邻近公路塌方现象。

通过勘查，该区域的土体从上至下依次为素填土、砂质粘性土、强化花岗岩、中风化花岗岩和微风化花岗岩。其中素填土的厚度为4m、砂质粘性土的厚度为6m、强风化花岗岩的厚度为15m、中风化花岗岩的厚度为3m。该施工路段的地下水位比较低，对路基施工影响比较小，所以，在施工过程中不考虑地下水的影响。道路路基临近开挖基坑断面见图1。

图1 道路路基邻近开挖基坑断面

为了避免基坑施工对邻近道路隧道造成影响，基坑施工过程中，需要安装支护结构，基坑内部采用地下连续墙，路基采用钢管桩加预应力锚索支护结构。地下连续墙的厚度为1m，北面地下连续墙的高度为25m，南面地下连续墙的高度为22m，钢管桩的外径为500mm，壁厚20mm；预应力锚索支护结构长度为10m，钢管桩的直径大小为600mm，厚度为16mm。由于该施工区域具有素填土、粘性土和风化花岗岩，施工过程中，土体的流变性比较大，增加了基坑施工难度。因此，施工过程中，需要安装全站仪、计算机、传感仪和监控设备对深基坑工程进行实时监测，一共设置15个变形点、5个基础点，进行实时监测。一旦发现施工过程中变形量超过了最大的位移值，则发出警报信息，施工单位必须采取有效措施，防止位移过大，导致基坑沉降、塌陷等问题。

2 有限元分析模型

有限元分析模型是利用数学近似计算方法模拟真实的项目物理系统，根据物理系统各个元素相互作用，用有限的未知量逼近无限未知量，从而得到相对接近的数值。为有效评估基坑施工对邻近公路路基的影响，采用岩土工程有限元软件PLAXIS模拟施工过程，计算出对公路路基的影响。

公路工程的土体采用PLAXIS软件中的小应变硬化模型Hss进行模拟，地下连续墙、钢管桩、预应力锚索采用线性弹性混凝土材料模型，其中弹性模量为30GPa，泊松比为0.2，PLAXIS软件的embedded模拟钢管桩。为了验证有限元模型中参数是否与真实的公路工程应力变化保持一致，对南侧的地下连续墙进行测量，发现南侧地下连续墙的最大侧移发生在地下连续墙的顶端，最大位移值为45mm，与实际测量结果稳合，证明有限元模型采用的参数比较合理，可以真实反映基坑变形和周围土体变形。为了确定不同条件下基坑开挖对临近既有公路隧道变形影响区的范围，本文选择36种不同条件下的变形影响区参数绘制如表1中的变形形式，确定基坑围护结构可能产生的最大位移、变形模式和基坑的相对位置，得出基坑影响临近公路路基影响区域。

表1 不同条件下的变形影响区参数

3 不同条件下隧道变形影响区实测分析

3.1 围护结构最大水平位移变形影响分析

受到水平支护结构方向布置的间距、支护结构刚度、施工工艺、环境等因素影响， 基坑围护结构变形可分为内凸变形、悬臂变形、复合变形和踢脚变形四种模式。不同围护结构变形模式下，基坑外部深层土体的位移特点、开挖造成变形范围也有一定的差异。在相同的变形模式下，当控制值变小，则变形影响区的范围扩大，并随着隧道远离围护结构，对隧道支护结构的影响比较小。

通过分析发现，复合变形模式和内凸变形模式影响区变化比较接近，复合变形模式的影响区比内凸变形区大，由于复合型变形模式下顶部水平位移造成坑体外土体变形，悬臂变形模式影响区范围最小，踢脚变形影响区最大。

由此得出，基坑施工过程中，为了避免扰动临近已运营的公路隧道，可以采用悬臂变形支护结构，有效控制基坑底部围护结构的水平位移，尽量避免使用踢脚变形支护结构，以免扩大隧道围护结构变形。

3.2 不同参数对变形影响区分析

将基坑开挖引起临近既有隧道变形的影响区的宽度和深度作为变形影响区范围的分析指标，得出四种不同变形模式下最大水平位移值，得出既有隧道变形影响宽度和深度随着围护结构最大水平位移值增加而不断增加，其中在20mm范围以内，变形影响区的变化比较明显，随着变形影响区控制值减少，则增值逐渐平稳。

4 结束语

综上所述，基坑开挖对临近既有公路隧道变形的影响区与围护结构变形模式和隧道位移控制标准有关，在条件相同的情况下，基坑外部影响范围随着围护结构最大水平位移值增加而增加，随着变形控制值减少，增长趋势逐渐平稳。