基坑开挖对既有盾构隧道的影响研究

聂 浩

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250001)

为保证轨道交通结构的安全性，进行基坑开挖对既有盾构区间隧道影响的研究具有实际意义[1]。

目前，国内已有许多学者对轨道交通周边基坑开挖变形进行研究，杨骏[2]等基于土力学基本理论和数值计算分析，研究软土地区基坑开挖对盾构区间的变形影响规律。丁勇春[3]等通过统计基坑开挖后的变形监测数据，进行基坑开挖对区间隧道的影响分析。李瑛[4]等将数值计算结果与实测数据进行对比分析，研究大面积卸荷情况下，基坑开挖对盾构隧道的影响。文献[5-8]等利用数值计算方法分析不同情况下基坑开挖对地下结构变形及应力的影响；文献[9-12]通过分析基坑开挖后的地下结构实测数据，研究其变形影响规律。以往的研究多集中于基坑开挖过程对区间隧道的影响，对后续基坑内结构施工阶段的研究相对较少。以下基于FLAC3D数值计算方法，进行基坑施工全过程对区间盾构隧道变形及应力的影响规律研究。

1 工程概况

拟建基坑为商务楼地下室，开挖深度约为13 m，采用明挖法施工。区间隧道侧穿基坑，基坑围护结构外缘距区间隧道水平距离最近约6.8 m，隧道外径为6.4 m，埋深为17.585～19.29 m，基坑与区间隧道的位置关系如图1～图2所示。

图1 基坑与区间隧道平面

图2 基坑与区间隧道剖面(单位：mm，高程：m)

依据地勘资料，场地地层由上往下主要为杂填土、粉质黏土、黏土、残积土、强风化闪长岩及中风化闪长岩。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩裂隙水。

2 工程措施

为降低基坑开挖对盾构区间隧道的影响，结合地层特点与基坑开挖状况，采用高压旋喷桩落底式止水帷幕隔水，在基坑外侧设立降水回灌井，保证基坑外侧地下水位不变。因此，可以忽略地下水位变化对区间隧道的影响，重点研究基坑开挖引起的地层应力重分布过程对区间隧道的影响。

基坑采用不同围护结构时，其地层变形控制效果不同，一般情况下，围护结构刚度越大，变形控制越强[13]。“放坡+土钉支护”变形控制效果较差，但施工成本低；“钻孔灌注桩+锚索支护”变形控制效果较好，但施工成本较高；地连墙围护结构变形控制效果最好，施工成本也最高。经综合比较分析，决定采用“双排桩+锚索”的支护形式。

3 数值分析

3.1 模型参数

假定岩土体为连续性介质，且只考虑自重应力场。岩土体采用Mohr-Coulomb材料模型，锚索采用cable结构模型；由于钻孔灌注桩及旋喷桩咬合支护结构模型建立困难，故将其简化为围护桩墙，采用实体单元模拟[14]；利用null模型模拟基坑的开挖，得到基坑开挖对盾构隧道的影响，计算模型如图3所示。

图3 围护桩支护模型(单位：m)

模型尺寸为85.8 m×110 m×33 m(X×Y×Z)，盾构隧道外径为6.4 m，内径为5.8 m，管片厚300 mm。采用单层装配式衬砌，左线与右线盾构隧道中心间距为17 m，基坑长60.4 m(沿Y向)，X向基坑长度取37 m，基坑与盾构隧道的相对位置如图4所示。

图4 基坑与盾构隧道相对位置关系

模型计算参数和结构计算参数见表1～表2。

表1 模型计算参数

表2 结构计算参数

3.2 开挖模拟方案

对于盾构隧道，采用分部开挖、先开挖左线后开挖右线的模拟施工方法。利用null模型“杀死”管片内岩土体，并将管片单元力学参数改为C50混凝土参数，以模拟隧道开挖过程中盾构管片的施力过程，并施加垂直于开挖面的面荷载，以模拟盾构刀盘对岩土体的压力，循环模拟直至盾构隧道开挖完成。

基坑开挖前，既有盾构隧道变形已趋于稳定，地层应力重分布过程也已基本完成，以此为基础，忽略盾构隧道开挖引起的变形，进行基坑开挖模拟，赋予围护桩墙单元相应的力学参数，模拟围护结构施工，然后利用“null”模型模拟基坑开挖过程。当开挖至一定深度时，施加cable结构单元，模拟锚索的施工，如此循环，直至开挖至基坑底部；然后施加建筑结构地下部分荷载，模拟地下部分的应力与变形。在基底施加整栋建筑结构荷载，模拟建筑完成后对盾构隧道的影响，模拟开挖计算步如表3所示。

表3 基坑施工主要计算步

3.3 数值计算分析

(1) 变形分析

基坑开挖前盾构隧道开挖引起的沉降位移云图与应力云图如图5～图8所示。

图5 盾构隧道开挖引起的竖向位移

图6 盾构隧道开挖引起的管片竖向位移

图7 盾构施工引起的竖向应力

图8 盾构施工引起的管片竖向应力

盾构隧道开挖引起地层应力释放与重分布，在盾构隧道拱顶部位形成竖向沉降变形区域，最大沉降量为4.282 mm；仰拱部位存在一定的隆起，最大隆起量为4.713 mm；盾构管片拱腰及拱肩部位存在压应力集中，最大压应力为3.52 MPa，拱顶与仰拱部位压应力较小。

将盾构隧道开挖引起的位移清零，分析基坑开挖对盾构隧道的影响，得到不同开挖步下模型的变形与应力。由图5、图6可知，随基坑开挖深度的不断增加，模型X向位移与坑底隆起量不断增大，当开挖至坑底时变形量最大，模型变形云图如图9～图11所示。

图9 基坑开挖第九步竖向变形

图10 基坑开挖第九步X向变形

图11 基坑开挖引起的节点位移

由图11可知，基坑开挖引起应力释放，进而导致土体向基坑内侧位移，基坑表面节点位移较大，随距离的增加，节点位移逐渐减小。由图9、图10可知，基坑周边存在一定的竖向沉降，最大沉降量为2.64 cm，靠近隧道一侧基坑支护结构X向位移较大，最大位移为2.95 cm。

基坑开挖引起的盾构管片位移云图如图12～图13所示。

图12 基坑开挖引起的盾构管片竖向位移

图13 基坑开挖引起的盾构管片X向位移

由图12、图13可知，当基坑开挖至坑底时，盾构管片X向最大位移为6.77 mm，产生于基坑Y向中间位置处管片拱肩部位；基坑开挖导致靠近基坑一侧盾构管片产生一定的竖向隆起，隆起量较小，最大为1.31 mm。

为得到基坑开挖对盾构隧道的影响，对盾构管片拱顶、拱腰及模型中心处管片环向节点进行监测，监测点布置如图14所示。

图14 管片位移监测示意

得到不同开挖步下环向监测点水平位移变化曲线(如图15所示)。

图15 不同点水平位移随计算步变化曲线

由图15可知，当基坑开挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；当开挖至坑底时，位移达到最大值。施作基坑地下结构并回填土后，基坑水平向位移得以减小，当施作完地上结构后，管片水平位移得到有效控制，最大位移约为4.0 mm。

依据变形规律，对基坑开挖至坑底时盾构管片拱顶竖向位移、拱腰水平位移及管片环向监测点进行统计分析，得到如图16～图17所示的位移曲线。

图16 沿隧道轴向拱腰水平位移曲线

图17 沿隧道轴向拱顶竖向位移曲线

对管片拱腰水平位移数据、拱顶竖向位移数据分别进行多项式拟合，依据曲率半径计算公式，有

(1)

计算可得，管片水平向最小曲率半径为100 519 m，管片竖向最小曲率半径为1 521 981 m，均远大于15 000 m，符合规范要求。

隧道轴向中点处环向监测点布置：以隧道中间拱腰位置为监测零点，沿环向分别向上、向下布置监测点，向上为-1至-8，拱顶位置处监测点为-8，向下为1至8，拱底位置处监测点为8。当基坑开挖至底部时，管片沿环向监测点水平位移量如图18所示。

图18 沿隧道环向监测点水平位移曲线

由图18可知，当基坑开挖至坑底时，管片拱腰最大水平位移量为6.0 mm，管片拱顶最大沉降量为0.7 mm，均小于10 mm，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[15]的要求。

监测点-3位置处及管片拱肩部位水平位移最大(为6.7 mm)，并以此为中心向两侧逐渐递减。管片最大水平位移量小于10 mm，满足相应规范要求。

(2)应力分析

基坑开挖引起应力释放，在应力重分布过程中盾构管片应力发生变化。为保证基坑开挖后盾构管片结构的安全，需要对盾构管片应力状态进行分析，基坑开挖至坑底时，盾构管片应力云图如图19～图20所示。

图19 基坑开挖引起的盾构管片竖向应力

图20 基坑开挖引起的盾构管片X向应力

基坑开挖后，管片拱肩部位存在一定的应力集中，应力达3.52 MPa，拱顶与仰拱部位竖向压应力较小；基坑开挖后，管片拱腰部位X向应力较小(最大为0.3 MPa)，拱顶与仰拱部位X向应力较大(最大为1.65 MPa)。

由基坑开挖后管片的受力分析可得，基坑开挖后盾构管片受力在合理范围内，不会造成管片的结构破坏。

4 结论及建议

(1)当基坑开挖至坑底时，双排桩垂直于基坑边缘水平方向位移达最大值(2.95 cm)，基坑周边地层沉降达到最大值(2.64 cm)，靠近基坑侧管片拱肩位置处水平位移达到最大值(6.77 mm)，管片隆起量最大值为1.31 mm。

(2)当基坑开挖至坑底前，管片水平向位移逐步增大；当开挖至坑底时位移达到最大值；当施作基坑地下结构并回填土后，基坑水平向位移减小；当施作完地上结构后，管片水平位移得到有效控制，最大位移约为4.0 mm。

(3)基坑开挖后，管片拱肩部位存在一定应力集中，最大应力达3.52 MPa，管片拱腰部位X向应力较小，最大为0.3 MPa，拱顶与仰拱部位X向应力较大，最大为1.65 MPa。

(4)基坑开挖至坑底后，应加快建筑物地下部分施工，限制基坑侧向位移，增加坑底荷载，有助于盾构隧道位移恢复，减小基坑开挖对盾构隧道的影响。