近距离开挖基坑对下部盾构隧道的影响分析

王 伟 武慧俊

(1.北京城建设计发展集团股份有限公司，浙江 杭州 310017;2.中铁隧道勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310017)

0 引言

杭州地铁1号线某盾构区间隧道与上部物业开发基坑坑底的最小距离为1.5 m，上部基坑开挖深度为14.2 m，盾构隧道在物业开发基坑下的长度达300 多米。盾构隧道外径6.2 m，内径5.5 m。

根据上海、广州地铁建设经验，对地铁隧道的变形控制要求极其严格，隧道绝对最大位移不能超过20 mm，施工引起的外加荷载应小于20 kPa。

本文的目的在于找出基坑开挖过程中盾构隧道的变形规律，并提出可采取的加固措施。

1 工程调研

目前，国内已有类似的工程实例，但是在软土地区尤其是杭州地区尚属首例。国内类似工程实例调研结果如表1 所示。

表1 国内类似工程实例调研结果汇总表

以上基坑工程成功案例的显著特点是:

1)深、大基坑空间效应小，基底变形控制难度大，覆土需要一定保证，才能确保盾构安全。

2)开挖过程中运用时空效应原理合理安排开挖土方的尺寸，尽量减小每步开挖无支撑暴露时间，严格按照“分层、分块、分段、对称、平衡、限时”开挖基坑，能有效控制隧道变形。

3)加固措施主要以门式加固为主，效果较好。

此类工程在已建盾构隧道上部进行大基坑开挖，土方开挖最大的难点在于控制基坑底部隧道回弹。本基坑工程与上海东方路—张扬路地下立交工程相类似。且底板和盾构都处于淤泥质粉质粘土层，土性各种参数也接近于本工程的主要土层，因此具有一定的借鉴价值。

2 工程概况

2.1 工程规模与实施条件

物业开发大基坑长约600 m，宽约300 m，地下两层地下室基坑深度为14.2 m。地铁1号线盾构隧道从物业开发地下室底板下穿过，穿越长度约300 m，盾构顶距离地下室基坑坑底的最小距离为1.5 m。

因管线迁改、施工围挡及分期建设等原因，物业开发的施工工期相对滞后于地铁1号线。在施工时序上，地铁1号线盾构隧道先施工，再在隧道上方开挖物业开发大基坑。

图1 和图2 分别是地铁盾构隧道与物业开发地下室结构的平面、纵剖关系图。

图1 地铁1号线与物业开发地下室的平面关系图

图2 地铁1号线与物业开发地下室的纵剖关系图

本基坑工程的显著特点是:盾构隧道与物业开发结构底板距离近;物业开发大基坑开挖暴露范围大，基坑大面积卸载后对盾构隧道的影响比较大。

2.2 工程地质条件

本场地浅部深度20 m 范围内为冲海相砂质粉土夹粉砂，中部埋深20 m～40 m 范围约10.0 m～20.0 m 厚的高压缩性流塑状淤泥质粉质粘土层和埋深40 m～45 m 范围约1.0 m～6.0 m 厚的粉质粘土、含砂粉质粘土层，下部为性质较好的圆砾层，厚度大于3 m。地下水位埋深为0.9 m～3.0 m，水位年变幅为1.0 m～2.0 m，地下水流速较小。

3 基坑开挖的数值计算分析

3.1 程序简介

计算采用FLAC3D 岩土专业软件，隧道管片采用Liner 单元，Liner 单元具有界面摩擦特性输入项，用来模拟衬砌比较合适。土体单元采用Mohr-Coulomb 弹塑性本构模型。

3.2 数值计算模型

1)计算模型及工况。

FLAC3D 中模型建立如图3 所示，模型长52.3 m，高42.7 m，宽30 m。区间隧道结构长度30 m，盾构外径D=6.2 m，管片壁厚0.35 m。

有限元模型网格划分如图3 所示，隧道结构网格如图4 所示。

图3 FLAC3D模型网格划分（单位：m）

图4 FLAC3D 中盾构隧道管片结构单元

该模型计算考虑土体整层开挖，基坑深度14.2 m 共分5 个开挖步，其分层开挖高度分别为2.6 m，2.6 m，3 m，3 m，3 m，如图5所示。

图5 土层分层及分层开挖高度示意图

2)计算参数。

数值模拟计算的土层参数如表2 所示。

表2 有限元计算参数表

3.3 数值计算结果

1)未采取加固措施的计算结果。

文献［1］［2］应用残余应力原理和应力路径方法建立了基坑隆起变形计算公式，根据该公式，本基坑开挖6 m 时坑内土体的回弹累计值为30.2 mm，开挖至基坑底时盾构隧道隆起位移值为63.87 mm。残余应力法计算结果见表3。

表3 残余应力法计算结果

图6 给出了未采取加固措施的情况下，基坑开挖到坑底后引起的基底竖向位移变形云图。

图6 基坑开挖竖向位移云图

从图6 可以看出，开挖到坑底时，基底竖向回弹值达到了65 mm，与数值计算结果比较接近。这说明未经加固的基坑开挖后会导致下部隧道隆起位移过大，不能满足对地铁隧道隆起变形限制要求。

2)加固后计算结果。

为了减小盾构隧道在基坑开挖期间的隆起，在隧道周边采取门式加固措施，加固体在隧道边留有500 mm 的安全距离，隧道顶以上加固高度4 m，两侧加固宽度2 m～15 m，如图5所示。

采取加固措施后，加固体对盾构隧道周边土体竖向位移有很大的限制作用。但因加固体相比整个基坑而言其体量较小，所以仅对隧道周边土体起作用，而对较远处的土体位移作用不大。

表4 给出了隧道顶部加固高度4 m 的前提下，两侧加固宽度与盾构隧道底部隆起量关系。

表4 隧道两侧加固宽度与隧道底部隆起量关系

从表4 中数据可以看出，采取加固措施后，盾构隧道底部的隆起量有明显的减小。加固宽度从2 m 增加到15 m，隧道底部隆起量减小了23 mm。但加固宽度增加到5 m 以后，对前两个开挖步的隆起量影响不大。可知有效的加固宽度仅在隧道两侧3 m～5 m 左右，且整层开挖的方式不利于控制隧道变形。

4 结语

通过对已建地铁盾构隧道上部开挖深基坑工程的三维有限元计算分析，得出如下结论:

1)利用残余应力原理和三维数值分析方法建立起来的隧道变形计算模型，结果比较接近，能够较准确地预测隧道的隆起变形。

2)隧道加固措施有利于减小因基坑开挖引起的隧道隆起变形。

3)合理的加固宽度在隧道两侧3 m～5 m 左右，隧道上部应结合实际情况进行适当加固处理。基坑开挖应分层、分段、分块开挖，纵向分段长度沿盾构轴线方向不大于3 m。

［1］刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践［J］.岩石力学与工程学报，2001，20(2) :202-207.

［2］杨 挺，王心联，许琼鹤，等.箱型隧道基坑下已建地铁盾构隧道隆起位移的控制分析与设计［J］.岩土力学，2005(20) :38-39.

［3］刘国彬，侯学渊.软土的卸荷模量［J］.岩土工程学报，1996(1) :18-23.

［4］刘国彬，侯学渊.软土基坑隆起变形的残余应力分析法［J］.地下工程与隧道，1996(2) :2-7.

［5］刘庭金.基坑施工对盾构隧道变形影响的实测研究［J］.岩石力学与工程学报，2008(27) :3393-3400.

［6］李进军，王卫东.基坑工程对邻近建筑物附加变形影响的分析［J］.岩土力学，2007(28) :623-629.