深基坑施工对邻近连拱隧道影响特性分析

胡文亮，陈寅春

(重庆市设计院，重庆400015)

0 引言

随着我国房地产业和城市地下交通网络的快速发展，地下结构在正常运营阶段，周围环境的各种新修建筑工程会对其产生影响，特别是邻近隧道的深基坑工程，一般距离隧道结构较近，不可避免地对隧道结构及隧道围岩产生一定影响。

关于邻近地下结构与建筑基坑施工过程中的相互影响，有学者进行了相关研究。朱士云，等［1］针对上海地铁一号线上雅居乐国际广场基坑施工技术进行了探讨;吴波，等［2］对地铁区间隧道施工影响邻近管线进行了三维数值分析，为管线安全性进行预测;李志高，等［3］结合上海东方路下立交工程大面积基坑施工工艺上分析了开挖卸载对下卧隧道的影响，提出了减小隧道变形的施工控制措施;况龙川［4］根据基坑开挖工况与地铁隧道监测数据分析了基坑开挖影响地铁隧道的主要因素。

目前在深基坑施工对连拱隧道影响方面的研究较少，笔者结合重庆农村商业银行大厦基坑实际工程采用有限元数值仿真模型研究深基坑施工对邻近连拱隧道影响特性，以据此评价隧道结构安全性，以期对今后类似工程提供参考和积累经验。

1 工程概况

重庆农村商业银行大厦基坑尺寸为86 m×70 m×32 m，基坑与江溉路隧道方向平行，基坑基底分为两级，一级基底高于隧道拱顶9.3 m，在此基础上远离隧道推移6.7 m后形成二级基底，基底低于隧道拱顶1.75 m;基坑边界距隧道中线14.0 m。

基坑邻近隧道为两车道中隔墙连拱隧道，单洞净宽10.42 m，净高6.82 m。隧道初期支护采用锚喷支护，支护参数为：R25锚杆L=3.5 m@1.0 m×1.0 m，0.2 m 厚喷射混凝土;隧道衬砌结构采用0.5 m厚C30钢筋混凝土，二衬结构双向配筋，配筋参数为Φ22 mm@150 mm。隧道埋深约30 m，隧道围岩等级为IV级。连拱隧道与基坑位置关系见图1。

图1 连拱隧道与基坑位置关系(单位：m)Fig.1 Position of multi-arch tunnel and foundation pit

2 有限元模型分析

2.1 计算模型

为全面分析基坑开挖对邻近隧道的空间效应影响，根据隧道与基坑尺寸及相互位置关系等的因素建立三维有限元模型(图2)，基坑边界距模型边界控制30 m，隧道距离模型边界3倍洞径，取模型尺寸为180 m×180 m。模型网格划分遵循受力关键部位网格密，非关键部分逐渐稀疏的原则［5］。岩土及中墙采用六面体实体单元，隧道二次衬砌采用板单元，赋予板单元厚度0.5 m。模型边界条件为：模型底边竖向位移约束，前后左右采用水平法向约束，顶部为自由面。

图2 有限元模型Fig.2 The finite element model of structure system

2.2 计算条件

通过岩土有限元软件MIDAS/GTS软件建立有限元模型仿真模拟基坑施工开挖过程进行分析基坑对连拱隧道的影响。

计算采用岩土及结构的材料遵循有限变形理想弹塑性本构关系［6］和 Drucker-Prager屈服准则［7］。材料参数根据相关规范及地勘报告取值见表1。

表1 材料物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of material

计算模拟施工步骤如下：

1)初始地应力场模拟。

2)连拱隧道开挖及支护衬砌模拟。根据规范对隧道开挖模拟荷载释放系数进行如下分配［8］：围岩及初期支护荷载释放系数50%，二衬结构荷载释放系数50%。

3)基坑分层开挖模拟。基坑分层开挖高度2～3 m，并及时施做基坑侧壁支护。

2.3 计算结果

通过有限元模型对基坑分层开挖进行施工阶段计算分析基坑施工过程对邻近连拱隧道的影响。

2.3.1 变形分析

经计算提取基坑施工过程连拱隧道结构变形结果，见图3。

图3 基坑开挖引起隧道结构变形云图Fig.3 Tunnel construction deformation caused by foundation pit

伴随着基坑开挖深度的增加，隧道结构变形量及变形区域都有所增大。在基坑土体开挖于连拱隧道一侧为卸载过程，隧道结构变形最大值区域从拱肩转向拱腰，方向为卸载的合力方向，最大位移区域变化与卸载合力方向变化相符。

模拟基坑施工过程中基坑侧壁有无支护两种工况，经计算对比分析基坑支护情况对邻近隧道结构的影响。对两种工况下提取各个不同开挖深度下隧道结构变形最大值，见图4。

图4 基坑开挖过程引起隧道结构变形最大值Fig.4 The displacement extreme value of tunnel structure

通过对两种工况下各开挖深度下隧道结构变形最大值对比分析，基坑侧壁进行有效支护工况下隧道结构最大变形为14.7 mm，而基坑无支护工况下隧道结构最大变形为20.8 mm;说明深基坑开挖进行有效的基坑支护措施对邻近隧道结构变形有一定的控制作用。

2.3.2 应力分析

经计算提取基坑施工前后连拱隧道结构第一主应力(主拉应力)结果，见表2、图5。

表2 基坑开挖前后隧道结构应力对比Table 2 Tunnel stress comparison before and after pit excavation/MPa

图5 基坑开挖前、后隧道结构第一主应力Fig.5 The first principal stress of tunnel before and after pit excavation

通过对比分析基坑开挖前后连拱隧道结构的第一主应力变化。开挖前隧道二衬第一主应力最大值分布在拱脚区域，应力值在纵向无变化，最大值出现在外拱脚，为4.9 MPa;在开挖后基坑投影区段临基坑一侧隧道洞室二衬外拱脚第1主应力最大值由4.9MPa减小至1.9 MPa，投影区段外30 ～50 m 范围内外拱脚应力最大值由4.9 MPa增大至5.6 MPa;在基坑投影区段中墙两侧内拱脚应力最大值由2.1 MPa增大至4.9 MPa。基坑开挖卸载在影响范围内的隧道结构主拉应力增大。

经计算提取基坑施工前后连拱隧道结构第三主应力(主压应力)结果，见表2、图6。

图6 基坑开挖前、后隧道结构第三主应力Fig.6 The third principal stress of tunnel before and after pit excavation

通过对比分析基坑开挖前后连拱隧道结构的第三主应力变化。开挖前隧道二衬结构的第三主应力分布纵向无明显变化，最大值出现在外拱脚，达－13.0 MPa;在开挖后基坑投影区段隧道拱顶第三主应力最大值由 －3.2 MPa减小至 －0.6 MPa，近基坑侧隧道外拱脚第三主应力最大值由－12.1 MPa减小至－5.1 MPa。基坑开挖卸载影响范围内隧道结构的主压应力整体减小。

2.3.3 应变分析

经计算提取基坑施工前后连拱隧道围岩结构第一主应变(主拉应变)结果，见图7。

图7 基坑开挖前后隧道结构第1主应变Fig.7 The first principal strain of tunnel before and after pit excavation

经计算提取基坑施工前后连拱隧道结构第三主应变(主压应变)结果，见图8。

图8 基坑开挖前、后隧道结构第三主应变Fig.8 The third principal strain of tunnel before and after pit excavation

对比分析基坑开挖前后连拱隧道围岩结构的主应变变化情况可知，基坑开挖引起连拱隧道围岩主拉应变区域增大，主压应变区域减小，表明隧道围岩稳定性降低，与隧道结构应力分析结果一致。

3 结论

采用岩土通用有限元软件MIDAS/GTS分析研究深基坑施工对邻近连拱隧道影响特性，得到结论如下：

1)基坑施工过程其侧壁稳定对邻近连拱隧道结构有较大影响。基坑侧壁有效的支撑可以减小对邻近地下结构的影响。

2)随着基坑开挖深度的增加，隧道结构对基坑影响的响应增大。连拱隧道由于中墙的存在减小了远基坑侧的隧道结构受基坑开挖的影响，近基坑一侧的隧道结构响应较为突出。

3)基坑开挖引起连拱隧道围岩主拉应变区域增大，主压应变区域减小，围岩稳定性降低，对连拱隧道结构受力不利。

4)基坑开挖改变了隧道围岩的应力应变场进而影响到隧道结构的安全性。

［1］朱士云，侯爱民，潘建华，等.地铁隧道正上方建筑物浅基坑施工技术［J］.建筑科技，2009，2(2)：102-105.Zhu Shiyun，Hou Aimin，Pan Jianhua，et al.Construction technique of shallow foundation pit above subway tunnel［J］.Architecture Technology，2009，2(2)：102-105.

［2］吴波，高波.地铁区间隧道施工对近邻管线影响的三维数值模拟［J］.岩石力学与工程学报，2002，12(2)：2451-2456.Wu Bo，Gao Bo.3-D Numerical simulation on effect of tunnel construction on adjacent pipeline［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002，12(2)：2451-2456.

［3］李志高，刘国彬，曾远，等.基坑开挖引起下方隧道的变形控制［J］.地下空间与工程学报，2006，2(3)：264-270.Li Zhigao，Liu Guobin，Zeng Yuan，et al.Control measures of Ttunnel displacement by over-excavation unloading［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，2(3)：264-270.

［4］况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响［J］.岩土工程学报，2000，22(3)：57-62.Kuang Longchuan.Influence of construction of deep foundation pit on tunnels of metro［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000(3)：57-62.

［5］周建昆，李志宏.紧邻隧道基坑工程对隧道变形影响的数值分析［J］.地下空间与工程学报，2010，6(增刊1)：1398-1403.Zhou Jiankun，Li Zhihong.Numerical analysis on deformation effect of metro tunnels due to adjacent excavation project［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，6(S1)：1398-1403.

［6］Doege E，Bohnsack R.Closed die technologies for hot forging［J］.Journal of Material Processing Technology，2000，98(2)：165-170.

［7］ZienKiewiez O C.The Finite Element Method［M］.3rd ed.London：Mcgraw Hill，1977.

［8］JTG D 70—2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.JTG D 70—2004 Code for Design of Road Tunnel［S］.Beijing：China Communications Press，2004.