基坑施工对临近既有地铁隧道影响及开挖顺序研究

彭健海，申 瑾

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

0 引言

近年来，伴随着我国城市地下空间不断的开发利用，可供新建项目使用的土地资源越来越少，新建项目目前必不可少的需要在既有工程附近施工。在基坑开挖过程中，会对基坑周边土体产生卸荷作用，坑底土体产生回弹，坑侧土体由于两侧水土压差而向坑内偏移。基坑开挖导致基坑周围土体应力场发生了变化，其临近埋置于土中既有隧道受到外界荷载随之变动[1-3]。既有地铁隧道对于外界环境的改变较为敏感，主要体现在隧道变形以及裂缝方面。目前隧道主要由管片拼装完成，其不均匀沉降将导致轨道变形，影响列车安全运行[4]。外界荷载改变将会导致隧道结构原受力结构发生改变，造成裂缝，引发运营隧道漏水现象[5-6]。

近年来，不少学者对基坑开挖对临近隧道影响进行了研究，大多采用数值模拟结合现场监测[7-8]，给出了一些针对性的施工措施[9-10]。还有学者结合工程实例，归纳总结出基坑开挖对周边土体变形解析解，划定了开挖影响分区[11-13]。这些成果对实际工程案例进行了简化处理，对二维数值模拟开展了详细的研究。但对于结合实际工程情况的三维数值模拟，仍缺少相关的研究。

本文依托某临近既有地铁开挖基坑工程案例，建立三维数值模型，分析基坑开挖对临近地铁隧道结构影响特征，进而总结出不同开挖方法对于既有隧道影响程度规律，为后续工程提供参考依据。

1 数值计算与分析

1.1 数值模型建立

依托项目基坑整体呈不规则矩形，基坑东西向长度约200 m，南北向长度约110 m，最大开挖深度12.5 m，距离既有地铁隧道最近处为10 m。基坑采用桩+锚索形式，既有隧道洞身位于强风化花岗岩。基坑与既有隧道最近处横剖面如图1所示。

本次分析选取了地层-结构模型进行分析，根据拟建基坑与既有轨道交通工程的位置关系建立三维模型，如图2所示。边界采用固定位移边界，上边界取至地面，为自由面；四个侧面地层边界限制水平位移；下部边界限制平动和转动。土体采用修正摩尔库仑本构模型的实体单元，隧道衬砌结构采用板单元，锚杆采用可植入式桁架单元，其余结构都采用梁单元。地层-结构模型边界采用固定位移边界，上边界取至地面，为自由面；四个侧面地层边界限制水平位移；下部边界限制平动和转动。构件模型计算参数如表1所示。

表1 构件模型计算参数

从地表以下依次分布着2 m厚的素填土，1 m厚的粉质黏土，1.5 m厚的粗砾砂，2.5 m厚强风化花岗岩，4 m 厚中风化花岗岩，其余均为微风化花岗岩。数值模拟中从上至下土体参数如表2所示。

基坑内土体分为三层开挖，对开挖区域均匀划分为6块，如图3所示。开挖基本工况为先开挖远离既有隧道土体(⑤～⑧)，再开挖靠近既有隧道侧土体(①～④)。

1.2 模拟结果分析

开挖基坑后，周边土体应力场发生了变化，既有隧道在其影响区范围内，隧道结构发生变形以及内力的改变。模拟施工工况后，隧道结构变形情况如图4,图5所示。隧道结构内力变化如图6,图7所示。

通过位移云图可以看出，既有隧道的水平位移最大值为1.55 mm，方向为指向基坑方向；竖直向上位移最大值为2.27 mm，隧道变形主要分布拱腰位置。

通过既有隧道内力云图可以看出，基坑开挖后，增加的正弯矩为23 kN，分布在拱腰处；增加的负弯矩为33 kN，分布在拱脚处。剪力分布范围较小，仅有局部出现，最大值为6.3 kN。剪力变化值及其分布较小，后续不进行讨论。

2 不同开挖顺序研究

基于初始工况下，分析了既有隧道结构变形及内力变化情况。基坑开挖后，临近基坑的既有隧道所存赋的土体应力场发生变化，既有隧道的内力随之改变。为了研究有效降低土体应力场变化，减少开挖对既有隧道的扰动，将均匀分块土体按照不同开挖顺序设置成3种开挖工况，如表3所示。开挖土块命名与基本工况下一致。工况开挖基本原则：工况1(基本工况)是先开挖远离既有隧道侧土体，工况2是开挖靠近既有隧道侧土体，工况3是采取跳仓方式开挖土体。

表3 不同开挖工况下土块开挖顺序

把各工况进行了建模计算，既有隧道的变形及内力变化情况汇总如表4所示。从表4可以看出：工况2与基本工况相比，既有隧道的变形与内力变化存在降低；工况3与其他两种工况相比，既有隧道的变形与内力变化降低最大。不同开挖方法下，竖向位移变化幅度较大，横向位移及弯矩变化幅度较小。

表4 不同开挖工况下既有隧道变形及内力变化

基坑开挖后，周边土体应力场发生变化，既有隧道一段在应力场影响范围内。原既有隧道在开挖前所存赋的围岩已经处于应力平衡，隧道结构内力为原设计状态。为保证开挖后，隧道结构内力变化达到较小的范围，应对其周边土体扰动达到最少。工况2首先开挖靠近既有基坑的土体，再开挖远离基坑的土体，这样既有地铁所存赋的土体仅在第一次开挖存在扰动。工况3采用跳仓开挖方法，开挖土块小，其扰动范围相应变小，因此对既有隧道结构影响最小。但跳仓开挖工序较为复杂，对工期影响较大，需要在对既有隧道保护与工期之间进行比较。

3 结论

本文依托某临近既有隧道基坑工程案例，研究了开挖基坑对临近既有地铁隧道的影响以及开挖顺序，得到了以下重要结论：

1)基坑土体开挖后，侧下方既有隧道结构拱腰处横向及竖向位移较大。隧道结构内力中弯矩较大值出现在靠近基坑侧拱腰、拱脚处，剪力值变化不显著。

2)基于开挖后隧道结构的影响特征，模拟三种开挖顺序，通过对比总结出跳仓法开挖对既有隧道影响最小；在无法使用跳仓情况下，应先开挖靠近既有隧道侧土体。

3)本文的研究内容为“基坑施工对临近既有地铁隧道影响及开挖顺序研究”，但受限于论文篇幅，只针对开挖对既有隧道影响特征进行了论述，并未对开挖影响范围进行更深层次的研究，下一步的研究会将基坑开挖影响范围与既有隧道响应特征更好地联系起来。