深基坑施工对邻近既有隧道的影响分析*

张立舟 夏毓超 杜逢彬

深基坑施工对邻近既有隧道的影响分析*

张立舟1，2夏毓超3**杜逢彬1，2

（1.重庆市勘测院，400020，重庆；2.重庆市岩土工程技术研究中心，400020，重庆；3.重庆交通大学国际学院，400074，重庆//第一作者，工程师）

随着城市地下空间的不断开发，越来越多的深基坑与城市轨道交通控制保护区重叠。鉴于城市轨道交通这种极其重要的市政设施，高层建筑物深基坑施工必须保证邻近既有隧道的安全性。以重庆市中心区域某涉轨项目的高层建筑深基坑为例，通过数值模拟分析了深基坑施工对既有隧道的影响，确定了切实可行的施工方案，监测数据亦验证了方案的可行性。

城市轨道交通；深基坑开挖；既有隧道；力学影响

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

随着城市地下空间的不断开发，越来越多的建（构）筑物与城市轨道交通间的相互影响愈发突出。文献［1］从政府职能审批方面来减小涉轨建设项目的风险，划定了地下车站和隧道结构外边线外侧50 m以内为轨道交通控制保护区。然而，仅仅从行政审批上来减小涉轨建设项目的工程风险远远是不够的，探索一种适合重庆山地城市的涉轨建设项目的风险评价与分析体系显得尤为重要。本文仅以重庆市中心区域某涉轨项目的深基坑为例，通过数值模拟分析了深基坑施工对既有隧道的影响，得到切实可行的施工方案，可为相似工程的设计与施工提供参考。

1 国内外研究现状

目前，国内外学者主要采用理论计算、数值模拟及模型试验等手段就深基坑施工对邻近既有轨道交通隧道的影响进行研究，并取得了一些成果。

1.1 理论计算

理论计算的一般方法为附加荷载法。即根据弹性力学、弹塑性力学观点，并结合土力学、岩石力学相关理论计算深基坑施工在隧道处引起的附加应力；再根据隧道承受的附加应力，利用Winkler弹性地基梁模型计算隧道的应力和应变，进而分析深基坑开挖对隧道结构的影响。

文献［3-4］采用Mindlin算法计算由基坑开挖引起的隧道坑壁、坑底卸荷附加应力；再根据温克尔地基模型及Galerkin算法提出了计算隧道纵向变形的一维有限元方程，对隧道与基坑的相对位置关系、围岩状况、隧道洞径及隧道埋深等对隧道结构变形的影响作了较为深入的分析、研究，得出了与实测数据较为吻合的成果。

1.2 数值模拟

采用数值模拟方法就基坑施工对隧道结构的影响可研究考虑基坑开挖-岩土体-隧道结构三者相互变形协调，无需分部计算、转化，可适合更加复杂的工况分析，并降低计算耗时。目前，采用ANSYS、PLAXIS等有限元软件模拟由基坑施工引起的隧道变形较为广泛，考虑岩土-隧道相互作用的耦合分析更接近于实际。文献［5-6］采用有限元软件PLAXIS对深基坑施工引起的隧道变形进行了模拟。分析了在不同支护条件下，基坑施工对隧道结构的影响。文献［7］结合上海某基坑施工方案，采用ABAQUS软件对由基坑开挖引起的既有隧道的影响进行了动态模拟，提出了切实可行的设计及施工方案。

1.3 模型试验

原位试验成本高、周期长，且没有预见作用；室内试验能较全面地反映基坑开挖引起的岩土体及隧道结构的变形机理，复制性强、可行性强，且有较强的预见性。文献［8］采用室内模型，分析研究了基坑开挖对不同埋深、不同水平距离隧道的影响。文献［9］采用离心机模拟了多个基坑施工对周边既有隧道结构的影响，得出了更优化的施工方案。

2 工程概况

2.1 工程简介

重庆某地产开发项目位于城市中心区域，紧邻运营的重庆轨道交通1号线。该项目总用地面积为28 226 m2。根据设计方案，塔楼共5栋，层高为40层左右，裙楼将各栋塔楼连在一起。该项目地下室连成整体，共4层，负1层为商业，负2～4层为地下车库。该项目基坑北侧、东侧为城市主干道，南侧为城市支路，西侧为老住宅区。基坑为L形，面积超过2 600 m2，基坑最大深度为24.8 m。

图1 拟建地产项目与邻近既有隧道的关系示意图

图2 拟建地产项目与邻近既有隧道剖面图（1-1）

图1 、图2为该地产项目与邻近既有隧道的位置示意图。由图1、图2可知，重庆轨道交通1号线从该拟建地产项目北侧地下通过，其中，左线隧道净宽11.60 m，净高8.88 m；右线隧道净宽5.88 m，净高6.20 m。场地范围内隧道轨面标高为304.343～304.492 m。根据本项目建筑方案设计，基坑上台阶开挖边线与左线隧道结构边线的最小水平距离为1.06 m。设计单位考虑到涉轨项目的安全性，将下部地下室边墙向远离隧道方向回调了7.54 m，基坑上台阶坑底与隧道拱顶的垂直距离为5.80 m。基坑下台阶开挖边线与隧道结构边线的最近水平距离为8.63 m。

地产项目深基坑采用静态爆破+机械开挖+逆作法的施工方式。其中，靠近隧道结构一侧的基坑采用机械开挖。基坑边坡坡面采用喷锚支护进行加固及防护。同时，在边坡坡顶、坡脚及坡面进行截水、排水。

2.2 工程地质与水文地质条件

场地原地貌为构造剥蚀地貌，经后期人工改造，形成居民区，地势平坦。场地内部基岩零星出露，经地勘钻孔揭露，场地分布的地层为第四系全新统及侏罗系中统溪沙庙组地层（砂岩、砂质泥岩互层分布）。土层厚度一般小于2 m，基坑标高范围内岩体主要为中-厚层状砂岩，坑底局部为砂质泥岩。场地位于川东南弧形构造带华莹山帚状褶皱构造束东南部，石马河（化龙桥）向斜东翼。岩层呈单斜产出。岩层倾向为260°（西偏南10°），岩层倾角为8°左右。

场地周围无地表水，场地基岩上部为相对透水砂岩，下部主要为不透水的泥质岩层。场地地下水按含水层性质可分为松散层孔隙水和基岩裂隙水两类。根据地勘抽水试验成果，场地范围内地下水量较小，水文地质条件简单。

3 数值模拟

3.1 假定条件

（1）假设岩体为连续、均质且各向同性的弹塑性材料；

（2）计算时不考虑时间因素对变形的影响，即不考虑蠕变效应；

（3）根据等效刚度原理将隧道衬砌等效为各向异性的弹性材料；

（4）基坑开挖过程中，认为隧道衬砌与围岩紧密接触，两者之间变形协调、接触耦合；

（5）支护结构等均认为是线弹性材料。

3.2 二维数值模型的建立

采用ANSYS 13.0有限元软件进行二维数值模拟分析。由于隧道横向尺寸远比纵向长度小，且基坑近似与既有隧道纵向平行，因此该计算可按照平面应变问题处理。岩体及隧道衬砌结构均采用6节点三角形平面单元，共2 463个单元，4 785个节点。

模型底部采用固定约束，左、右两侧采用水平约束。岩体重力荷载通过设置重力加速度的方式来模拟。二维数值模型如图3所示。岩体及隧道衬砌物理力学参数如表1所示。

图3 二维数值模型

表1 模型物理力学参数

3.3 数值模拟分析

3.3.1 隧道施工对围岩的影响

隧道施工打破了原有围岩应力的平衡状态，使得围岩应力重新分布，隧道拱顶及拱底亦产生相应的变形。图4为隧道开挖并支护后引起的围岩二次应力分布图。由图4可知，隧道拱顶及仰拱处产生了较大的拉应力，最大拉应力为+32.2 kPa。图5为隧道施工引起的竖向位移分布图。由图5可知，隧道拱顶最大沉降为18.28 mm，且围岩松动圈已延伸至拟建基坑内，范围可达2.0倍洞径，并随距离的增加而减弱。故由于隧道施工引起的围岩松动圈的存在对深基坑边坡开挖和支护会产生不利影响。

图4 隧道开挖并支护后引起的围岩二次应力分布图

图5 隧道引起的竖向位移分布图

3.3.2 深基坑施工对邻近既有隧道的影响

深基坑的施工使相邻周边岩体原有的平衡状态被打破，岩体应力重新分布，引起邻近的隧道结构产生相应的变形、偏移［13-14］，致使隧道结构的实际应力、应变超过支护结构的设计值，引起结构开裂或破坏。

地产项目场地基坑开挖最大深度为24.8 m，由于土层厚度较薄，故按岩质边坡失稳模式对其进行赤平投影稳定性分析及评价。靠近既有隧道一侧的基坑岩体无外倾结构面，其稳定性主要受岩体自身强度控制。但因基坑开挖边坡高度较大，且上部为市政道路，故采用机械开挖，且作临时放坡处理，临时坡率取1∶0.3。该基坑采用逆作法施工，且将地下室侧墙作为永久支挡结构。待施工完毕后用混凝土回填，且对地下室侧墙进行加固处理。若无放坡条件，则应自上而下采用锚杆挡墙支护作为永久支护处理。

图6为基坑开挖引起的围岩位移矢量分布图。由图6可知，由基坑开挖引起的隧道坑壁卸荷回弹最大位移矢量为3.2 mm（方向朝上）。图7为基坑开挖引起的隧道结构位移矢量分布图。由图7可知，衬砌结构的最大位移矢量为2.0 mm。图8为基坑开挖引起的衬砌结构弯矩分布图。由图8可知，衬砌结构最大弯矩值为+92.1 kNm。

图6 基坑开挖引起的围岩位移矢量分布图

图7 基坑开挖引起的隧道结构位移矢量分布图

图8 基坑开挖引起的衬砌结构弯矩分布图

通过以上分析得知：

（1）由于既有隧道采用静态爆破法施工，引起邻近隧道一侧的深基坑边坡岩体质量下降。数值模拟结果验证了围岩松动圈的存在。

（2）分析了基坑施工对既有隧道结构的影响，得出切实可行的施工方案，并在后期监测中证明了方案的可靠性。

（3）基坑开挖应重视保护岩体完整性，建议采用人工或机械切割开挖，尤其靠近左线隧道结构一侧严禁放炮开挖，以减小施工扰动；同时应加强支护措施。

（4）施工中应对既有隧道及深基坑进行专业变形监测。根据检测数据及时预警、及时调整施工方案，做到信息法施工。

4 结语

该地产深基坑项目于2008年施工。监测单位亦同时对邻近隧道结构及深基坑边坡变形情况进行了监测。监测数据显示：2011年—2013年间邻近隧道结构的拱顶沉降与收敛变形值范围为0.2～0.5 mm，均小于二级变形允许误差（± 0.5 mm［15］）。监测资料显示该项目深基坑施工对隧道结构基本未造成影响，其施工质量得到了较好的控制。

［1］重庆市规划局，重庆市交通规划研究院.重庆市主城区交通发展年度报告 2014［R］.重庆：重庆市规划局，2015：1.

［2］重庆市城乡建设委员会，重庆市轨道交通建设办公室.重庆市轨道交通控制保护区管理办法（试行）［R］.重庆：重庆市城乡建设委员会，2013：4.

［3］张治国，黄茂松，王卫东.邻近开挖对既有软土隧道的影响［J］.岩土力学，2009，30（5）：1373-1380.

［4］姜兆华，张永兴，蔡宇.邻近隧道的岩质深基坑开挖影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2012（S2）：3520-3526.

［5］吴伯建，朱珍德，高伟，等.深圳某邻近地铁隧道深基坑支护方案分析［J］.施工技术，2012，41（19）：23-26.

［6］许俊超.深基坑开挖对临近地铁隧道影响分析［J］.山西建筑，2012，38（17）：93-95.

［7］裴行凯，倪小东.深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策［J］.水利与建筑工程学报，2013（3）：45-48.

［8］姜兆华.基坑开挖时邻近既有隧道的力学响应规律研究［D］.重庆：重庆大学，2013.

［9］梁发云，褚峰，宋著，等.紧邻地铁枢纽深基坑变形特性离心模型试验研究［J］.岩土力学，2012，33（3）：657-664.

［10］重庆市勘测院.重庆市轨道交通一号线一期工程朝天门-沙坪坝岩土工程初步勘察报告［R］.重庆：重庆市勘测院，2006：12.

［11］孔恒，王梦恕，姚海波，等.城市地铁隧道工作面开挖的地层应力分布规律［J］.岩石力学与工程学报，2005（3）：485-489.

［12］陈光炫.地铁隧道衬砌结构受力分析及抗震研究［D］.吉林：吉林大学，2014：45.

［13］况龙川.深基坑施工对地铁隧道的影响［J］.岩土工程学报，2000（3）：284-288.

［14］唐仁，林本海.基坑工程施工对邻近地铁盾构隧道的影响分析［J］.地下空间与工程学报，2014（S1）：1629-1934.

［15］中华人民共和国住房与城乡建设部. 城市轨道交通工程监测技术规范：GB 50911—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2004：23.

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）

*重庆市社会民生科技创新专项项目（cstc2016shmszx30021）

**夏毓超为本文通信作者

TU433