上软下硬地层基坑开挖对下部双线隧道的影响研究

李 毅

(四川大学规划建设处，四川 成都 610000)



上软下硬地层基坑开挖对下部双线隧道的影响研究

李 毅

(四川大学规划建设处，四川 成都 610000)

以青岛某建筑工程深基坑下部存在既有地铁双线隧道工程为例,采用有限差分法计算软件，分析了基坑支护形式及开挖方案对隧道的影响规律，并探讨了支护结构的变形特征，得出的结论为工程的顺利施工提供了依据。

深基坑，支护形式，既有隧道，注浆加固

0 引言

随着国民经济的快速发展，在有限的城市空间中建设高层建筑不可避免与既有工程发生冲突。建筑深基坑稳定性是保证上层建筑安全的决定性因素，在复杂的地质环境中，采取有效、可靠的保证措施是至关重要的[1-3]。城市规划与经济发展速度总有一定矛盾存在，深基坑开挖也会遇到下部存在既有隧道的情况，在尽可能降低工程造价的前提下增强基坑支护形式，采取合理的加固措施，保证两者结构在施工阶段均保持安全，是重中之重[4-6]。

赵俊等[7]对复合地层中基坑开挖对下卧隧道结构的变形进行了分析，得出基坑宽度与隧道直径的比例是影响盾构隧道变形的关键因素；汪小兵等[8]研究了基坑开挖对下部隧道的影响因素，得出了基坑分段开挖可有效控制隧道变形；张启斌等[9]结合现场实测数据分析了基坑开挖对下方铁路隧道的影响规律，应用“电水平尺”监测了施工扰动下的隧道变形特征；戚长军等[10]采用三维数值模拟手段分析了基坑开挖对既有隧道的影响，发现基坑采用不同步序开挖可有效控制隧道变形。不难看出，国内对基坑开挖工程中临近侧或下部存在隧道的情况有了一些研究，但针对上软下硬地层采用不同支护方式下，隧道与基坑共同变形的研究较少。文章结合青岛某建筑深基坑下部存在既有双线隧道的工程为例，采用数值模拟手段分析不同支护形式及底部处理措施下的隧道及基坑变形规律，得出的结论可为同类工程提供借鉴。

1 工程概况

青岛市某建筑深基坑位于李沧区，基坑平面形状为方形20 m×20 m见开，深度为14 m。支护方案预采用两种形式：1)地连墙+横支撑支护形式，地连墙厚度600 mm，深度17 m，第一道支撑采用混凝土支撑，第二道支撑采用型钢支撑，距混凝土支撑7 m；2)钻孔灌注桩形式，参数为φ1.0 m@1.5 m，桩身长度为18.5 m，止水帷幕采用桩间咬合形式，直径为800 mm；基坑第一道支撑为混凝土支撑，截面尺寸为800 mm×1 000 mm，第二道为型钢支撑，距离地面6.0 m，第三道型钢支撑距地面10.5 m。下部盾构隧道已施工完成，隧道外直径6.0 m，内径5.4 m，两隧道距离7 m，拱顶距基坑底部9 m。工程概况简图见图1。

基坑开挖范围内主要以杂填土(厚度2 m)、粉质粘土(厚度4 m)、粘性土(厚度5 m)及强风化花岗岩(厚度10 m)为主，强风化花岗岩裂隙较发育，节理面呈暗红色，平均强度21 MPa左右，基坑下部隧道穿越范围内主要以中风化花岗岩为主，强度在60 MPa以下，勘察期间无地下水，具体地层参数如表1所示。

表1 地层参数

2 基坑开挖对隧道影响机理

在一定程度上，盾构隧道结构对地层是一种加固效果，可改善土体的不良性质。上部基坑开挖时，坑内土体移走引起地层应力释放，下部土体在上部约束力缺失的情况下，同样向上发展。先期固结压力的消失，带动底部土体位移发展。隧道结构由圆形向椭圆形发展，结构的变形进一步增加土体的变形，导致围护结构周边土体的弹性抗力增加，造成支护结构水平位移改变，降低或增加基坑内部支撑的轴力值(见图2)。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型建立

考虑基坑及隧道尺寸，为了真实反映基坑开挖过程中周边地层的变形规律，将模型的宽度设定为基坑宽度的5倍，即模型宽100 m，模型高度定为80 m，纵向方向定为80 m。模型共85 520个单元，215 560个节点。边界条件为：计考虑地面车辆荷载，在模型上边界施加均布荷载30 kN；四周边界条件为水平连杆连接；底部为固定铰支座连接(见图3)。

土层按地质资料概化为五层，初步计算参数按表1确定。假设材料服从摩尔—库仑准则[9]，基坑围护结构、支撑结构均采用实体单元，地连墙、围护桩与周边土体之间设置接触面(Interface单元)，桩间旋喷采用Liner单元，盾构管片采用实体单元，盾构逐渐加固采用Shell单元模拟。

3.2 钻孔灌注桩支护形式基坑开挖模拟

该方案下基坑支护形式为灌注桩+内支撑的支护形式，为降低基坑开挖对下部盾构的影响，基坑分层开挖深度为3 m。在模拟过程中，先施工围护桩和第一道混凝土支撑，将模型运行最大不平衡力为0。开挖第一层土体至地表以下3 m，将模型运行至最大不平衡力为0，以此类推直至开挖至基坑底部。图4为该方案下基坑开挖到底部的竖向位移云图，可以看出：1)基坑竖向位移呈对称分布，侧墙位置竖向位移较小，基坑底部竖向位移较大；2)基坑支撑连同围护结构均发生下沉，支撑中间位置竖向位移较大，是支撑的危险位置；3)基坑底部隆起明显，最大隆起值为22 mm，基坑底角位置易出现应力集中；4)隧道结构发生微小变形，由原来的圆形发展为椭圆形。

3.3 地连墙支护形式基坑开挖模拟

如图5所示为地连墙支护形式下基坑开挖引起的下部隧道及周边地层的竖向位移。在模拟中首先定义地连墙的刚度及深度和内支撑的材料参数，将模拟运行至最大不平衡力为0。基坑每层开挖深度不大于4 m，将模型运行至不平衡力小于设定值，根据竖向位移云图可知：1)整体来看，地层竖向位移变化规律呈对称分布，地连墙两侧土体出现下沉趋势，坑底出现隆起；2)地连墙与基坑底部相连位置应力集中明显，且第二道支撑发生下沉位移；3)基坑底部土体卸荷引起下部隧道竖向变形，坑底隆起量小于灌注桩支护形式；4)地连墙支护形式能较好的隔断基坑下部土体的联系，阻断土体应力传递，在土体卸荷后，两侧土体应力大部分直接作用在围护墙上，降低了坑底土体隆起量。

3.4 坑底注浆加固方案

针对两种方案开挖下基坑底部土体回弹问题，为限制隆起变形量，增加既有隧道结构的稳定性，采取在坑底注浆加固的措施。为保证工程造价的经济性，选择在基坑底部进行注浆加固的措施，图6为注浆加固范围为2 m和4 m时底部塑性区范围。可以看出：1)注浆加固范围为2 m时，底部塑性区范围较大，拱顶塑性区未有明显减少；2)注浆加固范围为4 m时，底部塑性区出现明显降低，隧道拱顶及支护墙底部塑性区减少；3)底部注浆加固范围增加至4 m时，基坑底部土体对围护结构的支护抗力明显提高，基坑及隧道安全性得到提高。

4 监测数据对比

根据上文分析可知，采用地连墙及底部注浆加固范围为4 m时，基坑结构及已建成的隧道结构稳定性较好，地层塑性区较少且基坑隆起量小。实际施工中采用模拟确定的方案进行施工，即采用地连墙和底部注浆4 m的方案。现场施工过程中，全过程采集基坑支护结构的水平变形及坑底隆起变化值，并在隧道内部拱顶位置布设监测点。如图7所示为地连墙水平变形和坑底隆起变形的模拟与实测曲线对比图，可以看出：1)模拟曲线与实测曲线较吻合，变形规律相同，在基坑深度中间位置水平位移最大，整体呈“S”型；2)地连墙水平位移模拟最大值为13.0 mm，实测最大值为14.5 mm。分析原因，数值模拟无法真实模拟现场施工过程中的人员、机械走动荷载，且粘土层存在一定的蠕变特性，在模拟中无法充分考虑，造成模拟值小于实测值；3)基坑底部隆起值模拟结果大于实测结果，模拟隆起值6.5 mm，实测隆起值4.5 mm。地层定义的为摩尔—库仑材料，是一种弹塑性材料，在上部土体卸荷后，材料极易出现回弹，且实际施工过程中，施工机械及人员走动会限制底部土体隆起程度。

5 结语

基坑施工对既有结构产生二次扰动，在下部土体存在已有构筑物的情况下，上部土体卸荷会改变地层的应力、位移场。施工之前，应针对地层地质特征，制定经济可行、加固效果明显的方案。本文得出的结论与建议主要如下：

1)基坑内部土体的卸荷造成坑底先期固结压力的消失，造成土体隆起，带动下部结构发生变形，可采取改变围护结构形式及坑底注浆的形式消除影响。

2)基坑采用地连墙支护方案对基坑加固效果较钻孔灌注桩的形式好，两种方案下引起的坑底隆起范围差异较大，考虑塑性区面积、结构位移等指标，地连墙支护形式最佳。

3)坑底注浆加固可有效降低坑底塑性区面积，且在保证经济性的条件下，将注浆范围增加至4 m，坑底土体性质可明显改善。

4)结合现场实测数据，排除实际施工过程中不可抗拒的因素，模拟值与实测值较为吻合，在实际施工中应密切观测围护结构与盾构隧道的结构变形速率，必要时采取加固措施。

[1] 王建秀,邹宝平,付慧仙,等.超大直径盾构下穿保护建筑群地面沉降预测[J].现代隧道技术,2013(5):98-104.

[2] 魏 纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学,2013(5):1421-1428.

[3] 曾英俊,杨 敏,熊巨华,等.双线盾构长距离穿越深基坑底部引起地下连续墙沉降分析及控制措施[J].建筑结构学报,2012(2):135-141.

[4] 曾英俊.双线盾构长距离穿越深基坑底部对基坑围护侧移及内力的影响[J].工业建筑,2014(S1):882-887．

[5] 商 可.既有盾构隧道地层中基坑开挖方案对比分析[J].公路,2015(1)：218-222．

[6] 曹 平,刘 印,汪俊波.深基坑分层开挖对邻近盾构隧道的影响分析[J].建筑技术开发,2012(5)：6-9．

[7] 赵 俊,甘鹏路,申文明,等.复合地层中基坑开挖对下卧隧道变形影响研究[J].隧道建设,2014(2)：118-123．

[8] 汪小兵,贾 坚.深基坑开挖对既有地铁隧道的影响分析及控制措施[J].城市轨道交通研究,2009(5)：52-57．

[9] 张启斌,霍知亮.基坑开挖对下方既有地铁隧道的影响分析和监测[J].城市轨道交通研究,2014(12)：39-44．

[10] 戚长军，刘争宏，余武术，等．基坑开挖对既有盾构隧道与地层的影响分析[J].水利与建筑工程学报,2014(5):142-146.

Study on influence of excavation of pit on deformation of underlying tunnel in upper soft and lower hard stratum

Li Yi

(Planning and Construction Department of Sichuan University, Chengdu 610000, China)

Taking the double-line subway tunnel of existing subway under the deep foundation pit of some building in Qingdao as the example, the paper adopts the finite difference method, analyzes the influence law of the support form and excavation scheme on the tunnel, explores the deformation features of the support structure, and achieves some conclusions, so as to provide some reference for the construction of the tunnel.

deep foundation pit, support form, existing tunnel, grouting and consolidation

1009-6825(2017)12-0178-03

2017-02-14

李 毅(1963- )，男

U231.3

A