软土地区基坑施工对邻近盾构隧道的影响分析

许冠，赵豫鄂，成怡冲

（浙江华展工程研究设计院有限公司，浙江 宁波 315012）

1 引言

随着城市轨道交通建设及地下空间开发的不断推进，邻近已建盾构隧道进行基坑施工的情况越来越多。盾构隧道是城市的生命线，而其对于外部作业导致的土体变形又十分敏感，这使得旁侧基坑工程的建设难度增大，对基坑施工导致的自身及隧道的变形控制提出了更高的要求。

从基坑设计角度看，目前主要的变形控制措施：一是提高支护结构的综合刚度【1，2】，包括增加围护墙厚度和长度、坑内外土体加固等；二是充分利用基坑变形的时空效应【3】，包括分区分块开挖和减小基坑无支撑无垫层暴露时间等。当然，以上措施的施加必然导致基坑工程费用的增加，针对不同的基坑工程项目应根据类似工程经验及模拟计算结果合理选择变形控制措施并优化设计，以达到安全性与经济性的平衡。

本文主要针对软土地区紧邻盾构隧道的某基坑工程项目，建立三维有限元数值模型，并通过计算结果优化基坑设计，以辅助该项目安全顺利实施，并可为类似工程提供参考。

2 工程概况

工程位于宁波市海曙区中山路与机场路交叉段东南侧，东侧为规划道路，南侧为西塘河，西侧为机场路，北侧为中山路。项目下设1 层地下室，基坑面积约10 360m2，基坑延长米约451m，开挖深度为6.8m。基坑支护形式采用钻孔灌注桩结合一道混凝土支撑的形式，基坑平面支护体系采用对撑+角撑的体系。基坑北侧中山路下为宁波市轨道交通1 号线泽民站—望春站之间的盾构区间。区间隧道外径为6.2m，壁厚350mm，隧道中心距为13.2m。该区间隧道在基坑开挖范围内，隧道的顶埋深为-9.5m。宁波轨道交通1 号线已经运营，区间隧道的变形关系到社会的公共安全，因此，该区间隧道为本工程基坑施工阶段重点保护的对象。由于工程场地淤泥质软土层厚度超过20m，基坑及邻近隧道的变形控制难度极大。

为控制基坑北侧1 号线区间隧道变形，基坑围护结构采取了以下加固措施：（1）基坑内采用分隔桩把基坑分成南北2块，用水泥搅拌桩把南北2 块基坑再进行细分，采用大基坑小开挖的方式，进行分区分块的开挖施工；（2）北侧基坑土体加固，水泥搅拌桩深度为支撑底至坑底以下3m；南侧基坑14m 范围内进行土体加固，加固深度为坑底至坑底以下3m；（3）加强支护结构刚度，基坑北侧支护桩采用φ800mm@1 000mm 钻孔灌注桩，桩长加长至进入5-1层黏土层不小于2.5m。

3 有限元模型

3.1 基本假定

借助MIDAS/NX 有限元计算程序，对基坑开挖各施工工况进行模拟，以分析支护结构与土体在各个工况下的变形情况。计算中做了如下假定：

1）土层及围护体为连续、均质、各向同性的材料；

2）土体为弹塑性材料，采用HS 模型模拟；

3）支护结构及隧道衬砌均为线弹性材料；

4）初始应力仅考虑土体自重，忽略构造应力。

3.2 模型的建立

根据已有的经验以及相关的研究成果，基坑分析范围边线距离基坑边的距离为3H～5H（H 为基坑开挖深度）。在上述前提下，结合本项目基坑周边的环境情况，确定了三维数值模拟分析的对象尺寸。模型底边界约束水平和竖直方向位移，左右侧边约束水平位移，顶部边界自由。原方案三维有限元模型见图1。

图1 原方案的三维有限元模型

4 模拟分析及设计优化

由图2 可知，基坑施工引起区间隧道产生向基坑方向的水平位移及沉降，以水平位移为主。区间隧道水平位移最大值出现在工况16 北侧基坑拆除支撑时，最大值为7.5mm；区间隧道沉降最大值出现在工况14 北侧基坑开挖至坑底时，最大值为-1.7mm；区间隧道变形总位移出现在工况16 北侧基坑拆除支撑时，最大值为7.6mm，较接近隧道结构的变形控制指标【4】。

图2 区间隧道位移最大值变化趋势

由图3 区间隧道位移最大值及增量变化趋势可知，隧道水平位移和沉降在工况12 南侧中部基坑开挖中出现突增。究其原因，南侧中部基坑开挖面积1 890m2，沿基坑边宽度为66.5m，大体量土方一次性开挖对区间隧道影响较大。

图3 区间隧道位移最大值增量变化趋势

基于以上结果并基于专家论证意见，对原方案进行如下调整：

1）基坑北侧（临近区间隧道区域）支护桩改为600mm 厚地下连续墙，桩长21.5～24.5m；

2）基坑北侧支撑体系采用内桁架的支撑形式，并减少支撑间距；

3）临近区间隧道的北侧基坑增加为4 个开挖分区，以减小原南侧中部基坑开挖土方量。

模型调整后，区间隧道水平位移最大值为6.3mm，比调整前减小16.0%；区间隧道竖向位移最大值为-1.3mm，比调整前减小23.5%。基坑开挖对邻近隧道的变形显著减小。

5 结语

本文基于某软土地区基坑工程设计方案，就基坑开挖对邻近轨道交通区间隧道的影响进行评估并提出了改进意见。结果表明，随着基坑开挖的进行，轨道交通区间隧道水平位移与沉降最大值逐渐增大；南侧中部基坑土体开挖时，区间隧道变形增量较大，通过重新规划土体分区面积并增加围护墙刚度与减小支撑间距，可进一步减小基坑施工对邻近隧道的影响。分析结果可为今后类似工程的设计、施工以及轨道交通区间隧道保护的相关决策做参考。