基坑开挖对邻近既有盾构隧道的影响分析

张莎莎，苏焰花，樊 林，戴志仁

(1. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064； 2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引 言

随着城市交通的快速发展，城市地铁建设迅速普及。新建建筑施工时，基坑开挖过程容易对周围既有盾构隧道造成影响，引起隧道周围土体扰动，隧道不同部位随之产生位移和隆起变形。

在基坑开挖对邻近既有隧道的影响方面，汪良旗等[1-2]探讨了基坑开挖对既有隧道影响的4种分析方法(理论分析法、模拟试验法、实测分析法、数值分析法)及其不足之处；Klar等[3-4]讨论了地下施工对邻近隧道影响的两阶段方法；姜兆华等[5-6]在数值模拟的基础上，基于Mindlin经典理论和Winkler地基模型理论，得到了施加附加应力后基坑开挖对既有隧道的纵向位移计算方法；高广运等[7-9]以实际工程为背景，建立三维数值分析模型，对基坑开挖的过程进行模拟，研究了基坑开挖过程中盾构隧道的位移变化情况；李大勇等[10-11]运用了三维有限元的方法，研究了地下管线变形、土体和基坑支护方式的耦合作用下基坑开挖对于临近地下管线的影响。吉茂杰等[12]、黄宏伟等[13]基于实际工程研究了基坑开挖对于下卧隧道的影响及影响范围，同时探究了基坑工程中时间效应、空间效应对于隆起的影响。韩加明等[14-16]基于实际工程建立三维数值模型，研究了基坑与隧道不同间距、基坑开挖深度和开挖大小等参数变化对隧道结构位移变形的影响；余建河等[17-18]以粉土中既有隧道上部基坑开挖为例，采用ABAQUS有限元软件建立模型，考虑了4种工况的基础基坑开挖对隧道顶部和底部位移、隧道水平位移、基坑底部位移以及桩墙位移的影响；Wei等[19-20]研究了深基坑施工中邻近地铁隧道的变形机理；Ding等[21-22]研究了基坑开挖过程中地铁隧道的结构变形及内力分布情况；陈仁朋等[23]研究了干砂地层中基坑开挖对于临近隧道内力、隧道空间位置、隧道周围土压力及地表沉降的影响，并探究了隔断墙对隧道上浮及水平位移所起的作用。李健津等[24]、阎旭丽等[25]结合Mindlin经典理论对基坑开挖过程中隧道围土的应力路径演变趋势。韩伟等[26]以厦门某线站区间基坑工程为例，通过有限元结构分析软件MIDAS GTS进行数值模拟分析，建立有限元模型，研究了基坑二次开挖对盾构区间隧道产生的影响，并与现场监测数据进行对比分析。徐凌等[27-30]通过三维有限元数值分析研究了基坑开挖对下卧地铁隧道的影响，得到了基坑开挖引起的隧道纵向隆起变形及隆起的规律；陈郁等[31]以上海东方路下立交工程为背景，由Mindlin经典理论和弹性地基梁推导出基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的计算方法。然而已有研究成果大多针对具体工程的位移和膨胀变形特点，本文研究基坑开挖对邻近既有盾构隧道位移和膨胀变形的一般规律，并将位移与膨胀变形特点联系起来。

鉴于此，以某已建地铁建设项目为背景，通过有限元结构分析软件MIDAS GTS数值模拟的方法，计算开挖过程中隧道的位移及纵向隆起变形，并与现场实测数据进行对比，验证模拟的正确性。

1 现场监测与数值模拟试验设计

1.1 工程实例

建设项目的北侧基坑开挖边线距已建地铁3号线盾构隧道外边线最近约13.5 m。项目规划净用地面积15 189.25 m2，规划总建筑面积128 813.23 m2，项目基坑周边地坪平整后标高为501.80 m，基坑开挖深度15.0 m(绝对高程486.8 m)，属深基坑。邻近本项目基坑工程的为已建地铁3号线盾构隧道，隧道外径6 m，内径5.4 m，隧道埋深10.3 m，每环管片分6片，厚度为300 mm，采用螺栓连接。

拟开挖基坑设计深度为15.0 m，地下室分为8个支护段，其基坑支护方案(图1)采用锚拉桩(C′D段)、围护桩+内支撑(DE′段)、悬臂桩(E′F段)、双排桩支护(FG段)几种支护方式，共布桩109根，其中DE′段靠近隧道，围护结构采用排桩加内支撑体系，桩顶标高-2.0 m，支护桩长为21.0 m(以嵌固深度不小于8.0 m控制)，桩径1 200 mm，桩间距不大于2倍桩距，即不大于2 400 mm，桩顶冠梁上设置φ609×16钢管内支撑(角撑)，钢管支撑施加轴向预加力1 131 kN(最大值)，内支撑水平间距5.4 m，每排设2根。

图1 基坑支护方案设计Fig.1 Design of Foundation Pit Support Scheme

1.2 工程地质条件

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and Mechanical Parameters of Soil Layers

1.3 水文地质条件

项目所在场地的地下水主要为孔隙潜水，储藏于卵石土层中,钻孔内测得地下水稳定水位埋深为23.5～24.1 m，相应高程为477.71～478.40 m。依据工程现场实际水位勘查状况以及本地区历年水文地质资料，预计在不利条件下场地内最高水位可达到499.00 m左右。

1.4 基坑与邻近地铁隧道位置关系

基坑开挖边线距地铁3号线结构外边线最近约16.6 m，基坑开挖深度为15.0 m，采用锚拉桩支护，直径1.2 m，间距2.6 m，嵌固深度5.5 m，绿地地块基坑与邻近地铁横剖面相对位置关系如图2所示。

图2 新建地块基坑与邻近地铁横剖面相对位置Fig.2 Relative Position of Foundation Pit of Greenfield Site and Adjacent Metro Cross-section

1.5 基坑开挖监测

对于基坑开挖的沉降监测和水平监测，采用相对高程系统建立高程监测网络。选取基坑DE′段布设多个沉降位移监测点，将隧道中心所在水平面与隧道两侧交线作为水平监测线b-b，其拱顶所在水平线作为水平监测线a-a(图3)。

图3 监测点布置Fig.3 Arrangement of Monitoring Points

为监测基坑开挖过程中基坑周围土体的实际竖向位移量，采用全站仪和水准仪等监测设备，监测控制周围土体位移。基坑周边沉降监测点埋设应略低于周围地面，以便保护监测点不被碾压，基坑采用人工开挖方式，监测点采用窖井式布置。水平位移测点的埋设应保证监测点、基准点以及工作基点的通视，避免视觉遮挡，并注意保护测点安全。

1.6 数值模拟试验设计

1.6.1 模型建立

采用MIDAS GTS有限元软件建立三维模型(图4)进行数值分析，模型尺寸为130 m×75 m×40 m；已建地铁盾构隧道外径6 m，内径5.4 m，杂填土厚度2 m，黏性土厚度2 m，细砂厚度1 m，细砂以下至边界处均为卵石土。盾构隧道管片衬砌及土体采用3D实体单元模拟，车站顶板、中板、底板、侧墙及基坑开挖喷混、角撑均采用2D板单元模拟，车站顶纵梁、中纵梁、底纵梁、中柱及基坑开挖过程中排桩、冠梁、斜撑均采用1D梁单元模拟，锚索采用植入式桁架模拟，模型四周均采用固定边界条件，顶面采用自由变形边界。模型中考虑地面超载的影响，在模型顶部自由面上施加了20 kPa荷载。

图4 三维有限元网格划分Fig.4 Three-dimensional Finite Element Meshing

基坑开挖模拟分为4层开挖，开挖深度分别为4.5、3、3、4.5 m。

1.6.2 计算参数

混凝土、钢材均采用线弹性本构模型，土体采用修正摩尔-库仑本构模型，计算参数按照地勘报告给出的数据选取，得到模型中的土层及结构物理力学参数(表2)。

表2 围岩和建筑物材料基本物理力学参数Table 2 Basic Physical and Mechanical Parameters of Surrounding Rock and Materials of Building Structures

2 结果分析

2.1 模型计算结果分析

2.1.1 隧道整体位移对比

随着基坑土体分层开挖，基坑周围土体会产生向基坑内部的偏移，坑底土体向上隆起，造成周围土体变形，会使得邻近隧道产生水平向位移以及高度方向上的位置变化。将靠近基坑侧隧道编号为1，另一条隧道编号为2。计算得到隧道顶最大位移点，在最大位移点附近取100 m长隧道，观察隧道的位移情况。原点截面位置为隧道上位于最大位移处逆时针方向的截面。

计算得到X向距离原点48 m处，监测点在各开挖阶段及支护阶段的位移量为最大，故可作为最不利位移监测面，设置截面1-1(图5)。

图5 1-1截面与基坑平面位置关系Fig.5 1-1 Section in Relation to Planar Location of Foundation Pit

在1号隧道、2号隧道上a-a、b-b监测线提取数值模拟结果数据，可得隧道沿线左侧拱腰和拱顶的位移(图6、7)。1、2号隧道b-b截面监测点X向位移、a-a截面监测点Z向位移总体上规律相似，但在开挖过程中，1号隧道的位移量大于2号隧道位移量，监测点的最大位移发生在靠近原点48 m处且位移量沿X轴向两边逐渐减小。由此可知，隧道的总体变形状况同隧道监测点与基坑的位置有关，同时与开挖深度有关。总的变化趋势为：隧道整体朝基坑方向偏移，靠近基坑侧隧道上监测点的位移较另一侧隧道监测点位移大；同一隧道，距离基坑越近处隧道监测点位移总变形量越大。

图6 隧道b-b截面监测点X向位移Fig.6 X-directional Displacements of Tunnel b-b Section Monitoring Points

图7 隧道a-a截面监测点Z向位移Fig.7 Z-directional Displacements of Tunnel a-a Section Monitoring Points

2.1.2 隧道的水平、竖向位移

取1-1截面拱顶、拱腰及拱底位置作为监测点(图8)，监测各点在开挖过程中的位移状况。

图8 隧道监测点位置Fig.8 Locations of Tunnel Monitoring Points

通过提取数值模拟结果数据，可得1-1截面处各监测点在各开挖阶段的水平向位移(图9、10)。由图9可知，随着开挖深度的增加，各监测点向X轴负方向发生位移且位移逐渐增大，表现为向基坑侧偏移的趋势。其中，A点拱顶位置的X向位移最小，B点左侧拱腰、C点拱底、D点右侧拱腰处的X向位移依次增大。第4次开挖后的D点位移为总体X向位移的最大值，为0.037 8 mm，小于容许变形值4 mm，对隧道影响极小。由图10可知：第1次基坑开挖过程完成后，除B点外各监测点均向Y轴负方向发生位移，最大位移点为C点，为-0.042 mm，监测点位移总体表现为朝向基坑开挖方向的趋势；第2次开挖完成后，A点拱顶、C点拱底位置向Y轴方向略有移动，B点背对基坑侧拱腰位置，沿Y轴方向移动，位移由-0.063 mm变为-0.013 mm，近基坑侧D点拱腰处位移量绝对值增大，但增大幅度小于B点；第3次开挖及第4次开挖时，拱顶A点与拱底C点均向Y轴方向即朝向基坑的方向发生偏移，其位移量小，远端拱腰B点处向Y轴负方向即远离基坑侧的方向移动，D点拱腰处向Y轴方向移动且位移显著，最大位移量为0.058 mm，整个施工过程中位移均小于容许变形值规定。

图9 各监测点在不同开挖过程中X向位移Fig.9 X-directional Displacement of Each Monitoring Point in Different Excavation Processes

图10 各监测点在不同开挖过程中Y向位移Fig.10 Y-directional Displacement of Each Monitoring Point in Different Excavation Processes

通过提取数值模拟结果数据，可得1-1截面处各监测点在各开挖阶段的竖向位移(图11)。随着基坑分层开挖过程的进行，各监测点均发生向Z轴正方向的位移，即隧道出现回弹现象，且随着开挖深度增加，各监测点位移量增大。其中A点拱顶的回弹最为显著，最大位移为0.523 mm，B点背对基坑侧拱腰位置回弹量显著但小于A点，C点拱底处的位移量最小，D点靠近基坑，由于基坑开挖土体向基坑侧偏移，使得其Z轴方向位移量小。

图11 各监测点在不同开挖过程中Z向位移Fig.11 Z-directional Displacement of Each Monitoring Point in Different Excavation Processes

根据各检测点位移变化，得到隧道在开挖过程中的相对位移极值为0.46 mm，为安全值范畴。由以上竖向位移变形可以发现：拱顶与拱底的竖向位移差(回弹变形)较为明显，说明隧道在整体隆起变形趋势下，还存在“竖鸭蛋”变形趋势，这会导致隧道拱顶处接缝内侧受到挤压，如果管片拼装过程中存在明显的踏步或错台，则会导致拱顶区域管片接缝位置出现挤压碎裂[32-33]。

通过提取数值模拟结果数据，可得水平向b-b截面与隧道交线在基坑隧道两侧的纵向监测点位移(图12、13)。1号隧道b-b截面近基坑侧监测点与远基坑侧监测点位移总体上规律相似，但开挖过程中近基坑侧各监测点的位移大于远基坑侧的位移，监测点的最大位移在靠近原点48 m处且位移量沿X轴向两边逐渐减小。同一监测点随着开挖深度的增加监测点的位移量随之增大，其中近基坑侧监测线上最大位移为0.54 mm，远基坑监测线上的最大位移为0.11 mm。监测点的位移量在右侧部分有所增加，是因为开挖基坑侧的车站及其附属结构对隧道产生影响，但对其他部位影响不大。

图12 1号隧道b-b截面近基坑侧监测点位移Fig.12 Displacements of Monitoring Points near Foundation Pit Side of Section b-b of Tunnel 1

图13 1号隧道b-b截面远基坑侧监测点位移Fig.13 Displacements of Monitoring Points Far Foundation Pit Side of Section b-b of Tunnel 1

2.1.3 基坑隆起监测点位移分析

通过提取数值模拟结果数据，可得基坑开挖引起1号盾构隧道纵向隆起情况(图14)。可以看出，基坑开挖引起1号盾构隧道纵向隆起位移量随监测点呈抛物线分布，纵向隆起变形在靠近原点48 m处达到最大值，最大值为1.6 mm，并向两边逐渐减小。

图14 基坑开挖引起1号隧道纵向隆起变形Fig.14 Longitudinal Heave Deformation of Shield Tunnel 1 Caused by Foundation Pit Excavation

2.2 结果对比分析

2.2.1 位移量结果对比

测量监测点实际位移量，因分层开挖时间较长，故取开挖完成时监测数据与模拟数据进行对比分析(图15)。各监测点实际测量值与数值模拟值近似，相较于模拟值偏大些，原因是各种施工活载的影响以及人员走动等带来的测量误差。通过对比分析可知，数值模拟结果合理可靠。

图15 1号隧道位移实测值与模拟值对比Fig.15 Comparison Between Measured and Simulated Displacements of Tunnel 1

2.2.2 纵向隆起变形结果对比

测量1号隧道监测点的纵向隆起数据，将所得结果与模拟试验结果做对比分析(图16)。1号隧道监测点现场实测与模拟得到的隧道纵向隆起曲线分布规律相似，但实测纵向隆起变形的最大值略大于模拟值，为1.95 mm，其原因是模拟试验假设土层各向同性且土质均匀，忽略隧道周围水对隧道的作用[27]。通过对比分析可知，数值模拟结果合理可靠。

图16 1号隧道纵向隆起变形实测值与模拟值对比Fig.16 Comparison Between Measured and Simulated Longitudinal Uplifts of Tunnel 1

3 结 语

(1)两平行隧道距离基坑较近隧道的位移变形量大于较远隧道的位移变形量。

(2)同一隧道在b-b监测线上，距离基坑较近处的监测点位移大于远处监测点位移，且隧道有向基坑偏移趋势，数值计算结果显示面对基坑的监测线上最大位移为0.54 mm，另一侧监测线上监测点最大位移为0.11 mm。

(3)同一隧道的同一竖向截面上各监测点的位移不同，靠近基坑一侧监测点位移值大于背向基坑侧的位移值。数值模拟结果显示，监测点位移总体表现为水平方向朝向基坑开挖方向的趋势；竖向隧道出现回弹隆起现象，且随着开挖步骤进行，各测点上浮位移量增大，最大值在隧道拱顶处。基坑开挖卸载会导致邻近隧道出现整体隆起变形，同时隧道还存在“竖鸭蛋”变形趋势，进一步会引起隧道拱顶处接缝内侧受到挤压，如果管片拼装过程中存在明显的踏步或错台，则会导致拱顶区域管片接缝位置出现挤压碎裂，实际工程中应引起重视。

(4)基坑开挖引起1号盾构隧道纵向隆起位移量随监测点呈抛物线分布，纵向隆起变形达到1.6 mm，并向两边逐渐减小。