深基坑施工對(duì)鄰近既有隧道的影響分析*

張立舟 夏毓超 杜逢彬

深基坑施工對(duì)鄰近既有隧道的影響分析*

張立舟1，2夏毓超3**杜逢彬1，2

（1.重慶市勘測(cè)院，400020，重慶；2.重慶市巖土工程技術(shù)研究中心，400020，重慶；3.重慶交通大學(xué)國際學(xué)院，400074，重慶//第一作者，工程師）

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，越來越多的深基坑與城市軌道交通控制保護(hù)區(qū)重疊。鑒于城市軌道交通這種極其重要的市政設(shè)施，高層建筑物深基坑施工必須保證鄰近既有隧道的安全性。以重慶市中心區(qū)域某涉軌項(xiàng)目的高層建筑深基坑為例，通過數(shù)值模擬分析了深基坑施工對(duì)既有隧道的影響，確定了切實(shí)可行的施工方案，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)亦驗(yàn)證了方案的可行性。

城市軌道交通；深基坑開挖；既有隧道；力學(xué)影響

AbstractWith the continuous development of underground space construction in cities，the range of deep pit excavation will frequently overlap with urban rail transit control and protection zones.Since urban rail transit is one of the most important municipal facilities，deep pit excavation of high-rise buildings must ensure the safety of the adjacent rail transit tunnels.In this paper,taking a deep pit excavation project in the central area of Chongqing City for example，which is close to an operating rail transit,the adverse impact of rail transit caused by the neighboring pit exaction is analyzed based on numerical simulation，a practical construction scheme is proposed and verified by monitoring data.

Key wordsurban rail transit； deep pit excavation； existing tunnel；mechanical impact

First-author′s address Chongqing Survey Institute，400020，Chongqing，China

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，越來越多的建（構(gòu)）筑物與城市軌道交通間的相互影響愈發(fā)突出。文獻(xiàn)［1］從政府職能審批方面來減小涉軌建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)，劃定了地下車站和隧道結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)50 m以內(nèi)為軌道交通控制保護(hù)區(qū)。然而，僅僅從行政審批上來減小涉軌建設(shè)項(xiàng)目的工程風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)是不夠的，探索一種適合重慶山地城市的涉軌建設(shè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與分析體系顯得尤為重要。本文僅以重慶市中心區(qū)域某涉軌項(xiàng)目的深基坑為例，通過數(shù)值模擬分析了深基坑施工對(duì)既有隧道的影響，得到切實(shí)可行的施工方案，可為相似工程的設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)等手段就深基坑施工對(duì)鄰近既有軌道交通隧道的影響進(jìn)行研究，并取得了一些成果。

1.1 理論計(jì)算

理論計(jì)算的一般方法為附加荷載法。即根據(jù)彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)觀點(diǎn)，并結(jié)合土力學(xué)、巖石力學(xué)相關(guān)理論計(jì)算深基坑施工在隧道處引起的附加應(yīng)力；再根據(jù)隧道承受的附加應(yīng)力，利用Winkler彈性地基梁模型計(jì)算隧道的應(yīng)力和應(yīng)變，進(jìn)而分析深基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。

文獻(xiàn)［3-4］采用Mindlin算法計(jì)算由基坑開挖引起的隧道坑壁、坑底卸荷附加應(yīng)力；再根據(jù)溫克爾地基模型及Galerkin算法提出了計(jì)算隧道縱向變形的一維有限元方程，對(duì)隧道與基坑的相對(duì)位置關(guān)系、圍巖狀況、隧道洞徑及隧道埋深等對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形的影響作了較為深入的分析、研究，得出了與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合的成果。

1.2 數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬方法就基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響可研究考慮基坑開挖-巖土體-隧道結(jié)構(gòu)三者相互變形協(xié)調(diào)，無需分部計(jì)算、轉(zhuǎn)化，可適合更加復(fù)雜的工況分析，并降低計(jì)算耗時(shí)。目前，采用ANSYS、PLAXIS等有限元軟件模擬由基坑施工引起的隧道變形較為廣泛，考慮巖土-隧道相互作用的耦合分析更接近于實(shí)際。文獻(xiàn)［5-6］采用有限元軟件PLAXIS對(duì)深基坑施工引起的隧道變形進(jìn)行了模擬。分析了在不同支護(hù)條件下，基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。文獻(xiàn)［7］結(jié)合上海某基坑施工方案，采用ABAQUS軟件對(duì)由基坑開挖引起的既有隧道的影響進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬，提出了切實(shí)可行的設(shè)計(jì)及施工方案。

1.3 模型試驗(yàn)

原位試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，且沒有預(yù)見作用；室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)茌^全面地反映基坑開挖引起的巖土體及隧道結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理，復(fù)制性強(qiáng)、可行性強(qiáng)，且有較強(qiáng)的預(yù)見性。文獻(xiàn)［8］采用室內(nèi)模型，分析研究了基坑開挖對(duì)不同埋深、不同水平距離隧道的影響。文獻(xiàn)［9］采用離心機(jī)模擬了多個(gè)基坑施工對(duì)周邊既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，得出了更優(yōu)化的施工方案。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

重慶某地產(chǎn)開發(fā)項(xiàng)目位于城市中心區(qū)域，緊鄰運(yùn)營(yíng)的重慶軌道交通1號(hào)線。該項(xiàng)目總用地面積為28 226 m2。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，塔樓共5棟，層高為40層左右，裙樓將各棟塔樓連在一起。該項(xiàng)目地下室連成整體，共4層，負(fù)1層為商業(yè)，負(fù)2～4層為地下車庫。該項(xiàng)目基坑北側(cè)、東側(cè)為城市主干道，南側(cè)為城市支路，西側(cè)為老住宅區(qū)?；訛長(zhǎng)形，面積超過2 600 m2，基坑最大深度為24.8 m。

圖1 擬建地產(chǎn)項(xiàng)目與鄰近既有隧道的關(guān)系示意圖

圖2 擬建地產(chǎn)項(xiàng)目與鄰近既有隧道剖面圖（1-1）

圖1 、圖2為該地產(chǎn)項(xiàng)目與鄰近既有隧道的位置示意圖。由圖1、圖2可知，重慶軌道交通1號(hào)線從該擬建地產(chǎn)項(xiàng)目北側(cè)地下通過，其中，左線隧道凈寬11.60 m，凈高8.88 m；右線隧道凈寬5.88 m，凈高6.20 m。場(chǎng)地范圍內(nèi)隧道軌面標(biāo)高為304.343～304.492 m。根據(jù)本項(xiàng)目建筑方案設(shè)計(jì)，基坑上臺(tái)階開挖邊線與左線隧道結(jié)構(gòu)邊線的最小水平距離為1.06 m。設(shè)計(jì)單位考慮到涉軌項(xiàng)目的安全性，將下部地下室邊墻向遠(yuǎn)離隧道方向回調(diào)了7.54 m，基坑上臺(tái)階坑底與隧道拱頂?shù)拇怪本嚯x為5.80 m?；酉屡_(tái)階開挖邊線與隧道結(jié)構(gòu)邊線的最近水平距離為8.63 m。

地產(chǎn)項(xiàng)目深基坑采用靜態(tài)爆破+機(jī)械開挖+逆作法的施工方式。其中，靠近隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)的基坑采用機(jī)械開挖?；舆吰缕旅娌捎脟婂^支護(hù)進(jìn)行加固及防護(hù)。同時(shí)，在邊坡坡頂、坡腳及坡面進(jìn)行截水、排水。

2.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地原地貌為構(gòu)造剝蝕地貌，經(jīng)后期人工改造，形成居民區(qū)，地勢(shì)平坦。場(chǎng)地內(nèi)部基巖零星出露，經(jīng)地勘鉆孔揭露，場(chǎng)地分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)溪沙廟組地層（砂巖、砂質(zhì)泥巖互層分布）。土層厚度一般小于2 m，基坑標(biāo)高范圍內(nèi)巖體主要為中-厚層狀砂巖，坑底局部為砂質(zhì)泥巖。場(chǎng)地位于川東南弧形構(gòu)造帶華瑩山帚狀褶皺構(gòu)造束東南部，石馬河（化龍橋）向斜東翼。巖層呈單斜產(chǎn)出。巖層傾向?yàn)?60°（西偏南10°），巖層傾角為8°左右。

場(chǎng)地周圍無地表水，場(chǎng)地基巖上部為相對(duì)透水砂巖，下部主要為不透水的泥質(zhì)巖層。場(chǎng)地地下水按含水層性質(zhì)可分為松散層孔隙水和基巖裂隙水兩類。根據(jù)地勘抽水試驗(yàn)成果，場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水量較小，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

3 數(shù)值模擬

3.1 假定條件

（1）假設(shè)巖體為連續(xù)、均質(zhì)且各向同性的彈塑性材料；

（2）計(jì)算時(shí)不考慮時(shí)間因素對(duì)變形的影響，即不考慮蠕變效應(yīng)；

（3）根據(jù)等效剛度原理將隧道襯砌等效為各向異性的彈性材料；

（4）基坑開挖過程中，認(rèn)為隧道襯砌與圍巖緊密接觸，兩者之間變形協(xié)調(diào)、接觸耦合；

（5）支護(hù)結(jié)構(gòu)等均認(rèn)為是線彈性材料。

3.2 二維數(shù)值模型的建立

采用ANSYS 13.0有限元軟件進(jìn)行二維數(shù)值模擬分析。由于隧道橫向尺寸遠(yuǎn)比縱向長(zhǎng)度小，且基坑近似與既有隧道縱向平行，因此該計(jì)算可按照平面應(yīng)變問題處理。巖體及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用6節(jié)點(diǎn)三角形平面單元，共2 463個(gè)單元，4 785個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模型底部采用固定約束，左、右兩側(cè)采用水平約束。巖體重力荷載通過設(shè)置重力加速度的方式來模擬。二維數(shù)值模型如圖3所示。巖體及隧道襯砌物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 二維數(shù)值模型

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值模擬分析

3.3.1 隧道施工對(duì)圍巖的影響

隧道施工打破了原有圍巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使得圍巖應(yīng)力重新分布，隧道拱頂及拱底亦產(chǎn)生相應(yīng)的變形。圖4為隧道開挖并支護(hù)后引起的圍巖二次應(yīng)力分布圖。由圖4可知，隧道拱頂及仰拱處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為+32.2 kPa。圖5為隧道施工引起的豎向位移分布圖。由圖5可知，隧道拱頂最大沉降為18.28 mm，且圍巖松動(dòng)圈已延伸至擬建基坑內(nèi)，范圍可達(dá)2.0倍洞徑，并隨距離的增加而減弱。故由于隧道施工引起的圍巖松動(dòng)圈的存在對(duì)深基坑邊坡開挖和支護(hù)會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖4 隧道開挖并支護(hù)后引起的圍巖二次應(yīng)力分布圖

圖5 隧道引起的豎向位移分布圖

3.3.2 深基坑施工對(duì)鄰近既有隧道的影響

深基坑的施工使相鄰周邊巖體原有的平衡狀態(tài)被打破，巖體應(yīng)力重新分布，引起鄰近的隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變形、偏移［13-14］，致使隧道結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力、應(yīng)變超過支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)值，引起結(jié)構(gòu)開裂或破壞。

地產(chǎn)項(xiàng)目場(chǎng)地基坑開挖最大深度為24.8 m，由于土層厚度較薄，故按巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)模式對(duì)其進(jìn)行赤平投影穩(wěn)定性分析及評(píng)價(jià)?？拷扔兴淼酪粋?cè)的基坑巖體無外傾結(jié)構(gòu)面，其穩(wěn)定性主要受巖體自身強(qiáng)度控制。但因基坑開挖邊坡高度較大，且上部為市政道路，故采用機(jī)械開挖，且作臨時(shí)放坡處理，臨時(shí)坡率取1∶0.3。該基坑采用逆作法施工，且將地下室側(cè)墻作為永久支擋結(jié)構(gòu)。待施工完畢后用混凝土回填，且對(duì)地下室側(cè)墻進(jìn)行加固處理。若無放坡條件，則應(yīng)自上而下采用錨桿擋墻支護(hù)作為永久支護(hù)處理。

圖6為基坑開挖引起的圍巖位移矢量分布圖。由圖6可知，由基坑開挖引起的隧道坑壁卸荷回彈最大位移矢量為3.2 mm（方向朝上）。圖7為基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)位移矢量分布圖。由圖7可知，襯砌結(jié)構(gòu)的最大位移矢量為2.0 mm。圖8為基坑開挖引起的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布圖。由圖8可知，襯砌結(jié)構(gòu)最大彎矩值為+92.1 kNm。

圖6 基坑開挖引起的圍巖位移矢量分布圖

圖7 基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)位移矢量分布圖

圖8 基坑開挖引起的襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布圖

通過以上分析得知：

（1）由于既有隧道采用靜態(tài)爆破法施工，引起鄰近隧道一側(cè)的深基坑邊坡巖體質(zhì)量下降。數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了圍巖松動(dòng)圈的存在。

（2）分析了基坑施工對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，得出切實(shí)可行的施工方案，并在后期監(jiān)測(cè)中證明了方案的可靠性。

（3）基坑開挖應(yīng)重視保護(hù)巖體完整性，建議采用人工或機(jī)械切割開挖，尤其靠近左線隧道結(jié)構(gòu)一側(cè)嚴(yán)禁放炮開挖，以減小施工擾動(dòng)；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)措施。

（4）施工中應(yīng)對(duì)既有隧道及深基坑進(jìn)行專業(yè)變形監(jiān)測(cè)。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)預(yù)警、及時(shí)調(diào)整施工方案，做到信息法施工。

4 結(jié)語

該地產(chǎn)深基坑項(xiàng)目于2008年施工。監(jiān)測(cè)單位亦同時(shí)對(duì)鄰近隧道結(jié)構(gòu)及深基坑邊坡變形情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：2011年—2013年間鄰近隧道結(jié)構(gòu)的拱頂沉降與收斂變形值范圍為0.2～0.5 mm，均小于二級(jí)變形允許誤差（± 0.5 mm［15］）。監(jiān)測(cè)資料顯示該項(xiàng)目深基坑施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)基本未造成影響，其施工質(zhì)量得到了較好的控制。

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Impact Analysis of Deep Pit Excavation on the Adjacent Urban Rail Transit Tunnel

ZHANG Lizhou，XIA Yuchao，DU Fengbin

10.16037/j.1007-869x.2017.09.025

2015-12-01）

*重慶市社會(huì)民生科技創(chuàng)新專項(xiàng)項(xiàng)目（cstc2016shmszx30021）

**夏毓超為本文通信作者

TU433