深基坑工程施工与既有隧道的相互影响研究

周侃东，黄河，沈银斌，畅宇飞，牛盼

（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

0 前言

随着我国城市现代化进程的不断推进，各地块都在如火如荼地进行开发利用，建筑基坑就不可避免地与周边既有隧道等建构筑物相互影响[1]。基坑若变形过大，可能导致既有隧道产生损伤性位移，影响地铁的正常运营，对人民群众的日常出行与城市运转不利。因此近年来，以三维仿真模拟的方式分析基坑及相关问题正在逐步成为业内的一个重要课题[2～4]。本文以实际工程为依托，对深基坑工程施工及与之临近的既有地铁隧道进行了深入研究，重点分析了深基坑围护结构与隧道的位移情况，对深基坑工程施工与既有隧道的相互影响进行了分析评价。

1 工程概况

1.1 项目概况

商业运营中心项目位于合肥市潜山北路以北、南淝河以东。下匐已建成的合肥地铁3号线。拟建上部结构为高层办公楼，下部为采用独立基础的2层地下室。本基坑深度9.5m，临近隧道一侧支护设计采用咬合桩与内支撑结合的支护型式，坑底土体采用高压旋喷加固。近隧道区域基坑支护平面及剖面图如图1所示。地铁隧道结构最外侧（BC段）距离基坑围护结构最外侧水平距离仅6.261m。典型剖面如图2所示。

图1 近隧道区域基坑支护平面图

图2 近隧道区域基坑支护剖面图

1.2 工程地质条件

本工程场区现状地形较为平整，地貌单元属于江淮波状平原，微地貌为南淝河河漫滩及一级阶地前缘。场地土自上而下分布有：①层杂填土，层厚3.20 m～6.20m；②层淤泥质粉质粘土，层厚0.40m～1.70m；③层粉质粘土，层厚2.30m～8.40m；④层粉土夹粉砂，层厚1.30m～4.30m；⑤层粉土夹粉砂层厚3.00m～6.90m；⑥层强风化砂岩，层厚0.50m～2.80m；⑦层中风化砂岩，未揭穿。土层物理力学指标如表1所列。

土层物理力学指标 表1

2 数值仿真模拟

2.1 计算边界及网格划分

为准确地反映基坑与隧道相互影响关系，考虑土体的非线性因素，土体采用修正摩尔库伦本构模型[5]。采用重力与位移边界条件：定义模型中Z方向的自重荷载，底面施加固定约束，顶面为自由面，固定模型的前、后、右三个侧面，约束其水平方向上的位移，为提高效率，左侧设置YZ对称平面约束，约束其节点X方向的位移和Y、Z方向的转动。在模型内部，对包括格构柱和立柱桩在内的1D单元施加转动约束。

深基坑开挖整体模型与网格划分如图3所示，深基坑围护结构与隧道相对位置如图4所示。模型网格划分疏密分明，能够在保证计算精度的前提下大幅提高计算效率。

图3 近地铁隧道的深基坑开挖整体模型与网格划分

图4 深基坑围护结构与隧道相对位置

2.2 工况模拟

根据设计工序，设置如下工况并求解：

Step-1：激活整体模型的所有位移边界条件和自重，进行初始应力场分析；

Step-2：进行隧道开挖模拟和位移清零；

Step-3：进行围护结构与立柱的施工模拟；

Step-4：进行坑底土体加固；

Step-5：开挖第一层（开挖1），设置第一道内支撑和冠梁，基坑开挖至-4.35m处；

Step-6：开挖第二层（开挖2），设置第二道内支撑和腰梁，基坑开挖至-9.5m处。至此基坑的开挖过程完成。

3 结果提取与分析

3.1 围护结构水平位移

根据计算结果，该深基坑开挖1、开挖2工况下，X与Y方向围护结构的深层水平位移如图5、图6所示。

图5 开挖1工况下围护结构X、Y方向深层水平位移云图

图6 开挖2工况下围护结构X、Y方向深层水平位移云图

为研究既有隧道对基坑围护结构的变形的影响程度，以开挖2工况为例，提取与隧道距离不同的围护结构的水平位移进行对比分析。可以看出，AB段围护结构水平位移的最大值发生在模型边缘处，此处与隧道的水平距离约为34.34m，而BC段距离隧道的水平距离为6.261m。提取AB段围护结构的两种工况下的最大水平位移，将其与更为邻近隧道的BC段围护结构的最大水平位移进行对比，得到的结果如图7所示。

由图7可知，AB围护结构最大水平位移为15.02mm，BC段则为15.27mm，仅增大1.66%。由此可知距离隧道较远的基坑围护结构，无论是位移值还是变形规律，与靠近隧道部分围护结构的变形均相差无几。结果表明，在本工程中尽管隧道与基坑围护结构水平距离仅为6.261m，但隧道对基坑围护结构的位移影响较为微弱。

图7 开挖2工况下AB段与BC段深层水平位移对比曲线

3.2 隧道衬砌变形

根据计算结果，该深基坑工程施工1、2工况下，隧道衬砌结构的总位移云图如图8所示。通过结果提取，分析得到左右隧道在两工况下最大位移值所处位置在隧道长度方向上的变化曲线，如图9所示。

图8 开挖1、2工况下隧道衬砌的位移云图

图9 隧道位移随位置的变化曲线

根据上述结论，隧道在该基坑开挖时，其产生位移的趋势始终是向着基坑方向，产生最大位移值的部位基本处于基坑底部与隧道的连线上。开挖1工况下隧道的最大位移值为0.57mm，位于左隧50m～70m区间内，此时右隧道上最大位移值仅为0.29mm。开挖2工况下隧道的最大位移值为1.90mm，其最大水平收敛与拱顶沉降分别为1.42mm、1.04mm，位于左隧的60m～70m区间内，此时右隧上最大位移值为0.60mm。各处位移均在10mm的控制值以内，即该深基坑工程施工对隧道结构的影响可控。

随着基坑的开挖，其对隧道的影响范围逐步变大，且最大位移也随之增大。相较于隧道对基坑围护结构的影响，深基坑施工对隧道的影响更大。

4 结论

通过对本工程中深基坑围护结构与既有隧道的相互影响研究，得出该深基坑工程施工既定支护方案满足地铁3号线区间隧道的控制要求，能够在确保自身基坑安全的前提下，同时保证对隧道结构的影响在可控范围内。既有隧道对其临近的深基坑施工影响较为微弱，与隧道对深基坑围护结构的影响相比较，深基坑工程施工会对临近既有隧道产生较大影响。