基坑卸载对既有隧道影响分析

肖博文　席培胜　朱荣军

摘 要：地下工程的复杂性，使地铁隧道的安全使用对变形要求非常严格.临近基坑卸载对既有轨道的正常使用带来诸多问题，通过Midas/GTS软件创建基坑与隧道的三维数值模型，以合肥南站综合交通枢纽配套南广场基坑开挖工程为研究对象，分析不同工况下的基坑地连墙X向与Y向变形以及基坑对A、B隧道水平与竖向位移的影响.得出如下结论：卸载基坑与既有隧道间的距离对隧道水平位移变形和竖向位移变形都有影响，距离基坑越近则影响越大，反之则越小;隧道的竖向位移与基坑开挖深度成正比关系，对于水平位移，基坑卸载对隧道的影响为沿基坑最近的隧道段向两端逐渐减小;侧方隧道各个测点的位移变化为隧道纵向竖向变形趋势一致，都为逐渐增大到峰值后再逐渐减小的凹槽型，位移最大处为中心线处;与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱，不同工况下基坑一圈围护结构位移的趋势均相似，最大水平位移都在中间位置，其中工况二影响最大，占比总位移百分之五十.

关键词：基坑卸载;隧道;数值模拟;隧道变形

中图分类号：U442.55  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）11-0088-04

在社会日益发展的今天，地上交通运输和空间的使用越来越不能满足人们的需求，怎样去充分开发和利用地下空间变得格外重要.目前地铁在各个城市越来越被普及，那么未来必定会有很多在已经建的地铁附近进行基坑开挖卸载的工程，如何确保施工安全且尽可能降低对隧道的影响是值得去讨论的问题.设法确定最合理的施工方案，做好四周的围护结构，控制土体位移等值得考虑.因此，如何做好基坑开挖及卸载对隧道的影响的研究是极其有意义也是非常紧迫的.

众所周知，地下工程有其独特的未知性和复杂性，目前我们认识的和掌握的都是不全面及不完善的，对于基坑开挖及卸载对隧道的影响这一课题是尚不成熟的.本文的研究成果可以为后续同类工程提供施工方法和参数的依据，也能提供一些经验参考.

1 工程概况

1.1 参数选取

合肥南站南广场上跨312绕城高速，北接高铁站，南邻繁华大道，通过规划支路与繁华大道等周边路网相连.本文研究广场西侧深基坑，其侧方穿过两条已投入运行的平行隧道.基坑长221米，宽191米，占地4.30公顷，现分析基坑卸载对原有隧道影响.

现场勘查得出工程土体参数，如表1所示.

2 数值模拟

2.1 基坑模型概况

本模型依据圣维南理论，模型取基坑深度3倍为边界到基坑底部的距离，同时考虑隧道的影响，基坑的三维计算尺寸定为300m×296m×67m，单元数为31578，节点数为4586421，如下图1和图2分别为模型的整体计算模型和基坑开挖后的效果图.设垂直方向为X轴，沿隧道方向为Y轴，重力方向定为Z轴.

将基坑整体分三步进行开挖对应三层地下室.基坑四周通过连续墙加锚杆的方式来进行围护，设置参数为地连墙厚取820mm，嵌固深度31.6m，基坑地板厚度取310mm.如下图3和图4分别为地连墙支护结构和隧道衬砌结构.

2.2 基坑开挖过程模拟

第一步：先建立整体计算模型，考虑模型各相互影响因素和约束后设置模型各数值参数.

第二步：进行隧道部分的施工，隧道建成后忽略其变形给原模型结构带来的影響，对影响数值进行处理恢复.随后进行地连墙的施工.

第三步（工况一）：先挖除第一层土体，挖至5.6m处进行锚固支护结构的施工.

第四步（工况二）：先挖除第二层土体，挖至12.6m处进行锚固支护结构的施工.

第五步（工况三）：直接将基坑开挖完毕，深度为16.9m，然后施作基坑底板进行锚固支护结构的施工，至此全部施工完成.

3 模拟结果分析

3.1 隧道变形分析

为了得出直观有效的变形数据结果，将两个平行隧道分别命名为隧道A和隧道B分别在两个隧道的每一个断面上设置四个数据点A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4，具体位置如图5所示.靠近基坑的隧道为A隧道，其中A2数据采集点为最靠近隧道的点，最近距离为5.41m.B隧道与A隧道平行且两隧道中心轴线相距11.9m，两隧道距地表埋深9.7m.

3.2 隧道竖向位移

图6、图7和图8为隧道在三种工况影响下的竖向位移云图，由图可知在不同工况下隧道都是两端产生较小的竖向位移，最大竖向位移都产生在隧道中部，而最大竖向位移是各不相同的，其产生的数值分别为1.65mm、4.30mm和5.36mm.从三张图对比可知，相对于同一隧道随着开挖深度的不断加大，其竖向位移也随之在不断增大.通过分析可知产生这种现象的原因是工况三环境下基坑开挖深度是最大的.联系实际，在这一类型工程施工工程中一定要加强对邻近建筑的检测，确定合理的施工深度，防止对邻近既有建筑的影响过大，影响其正常使用或产生破坏等.同时相较于这两平行隧道而言，不论在哪一种工况环境下，都是靠近基坑的隧道产生较大的竖向位移.根据相关规范，本模拟得出的竖向位移均小于20mm的要求，故说明使用地连墙加锚杆的这一支护方式是正确的.

由图9取A隧道为研究对象具体分析A隧道A1、A2、A3、A4这四个位置的竖向位移变化特征通过对比分析，从图中可直观得出最靠近基坑的A2点产生了最大的竖向位移，最大值为-5.2mm左右.此结果是合理的，因为这四个测点中A2是基坑开挖距离最大的点，故受影响最大是合理的.从图中还可以发现，四个测点在随隧道纵向变化的过程中其竖向位移的变化趋势是相同的，即约在240m处达到最大值，向两端逐渐减小.此外A1和A4竖向位移相差很小，变化趋势几乎相同.而A1和A3竖向位移相差较大，故可知基坑开挖施工对隧道底部的影响是远大于其顶部的.

通过观察图10，A和B两个隧道的竖向位移对比，可以明显地看出两个隧道的竖向位移差距巨大，A隧道的最大值为-3.3mm而B隧道的最大值仅为-0.1mm左右.易得距离开挖基坑的距离对竖向位移变形的影响是巨大的，距离基坑越近则影响越大，反之则越小.且两者出现最大竖向位移变化量的位置并不相同.A隧道出现在240m处，最大位移变化量约为-3.3mm.而B隧道出现在175m处，最大为-0.1mm左右.通过这一发现，要求实际施工时要时刻检测各隧道的竖向位移变化，确保既有隧道能够正常使用及基坑正常施工.同时，分析图中B隧道曲线可得出，B隧道在120m到200m这一范围内表现为沉降，而在隧道端点出现最大隆起变形.

3.3 隧道水平位移

基坑开挖不但会使既有隧道发生竖向位移的变形，还会使隧道产生水平方向的位移变形.图11、图12和图13分别为三种不同工况下两隧道的水平位移云图，规定背离基坑方向为正方向.从图中可知，两隧道水平位移的变化趋势是相同的，最小值均出现在已建隧道的两端，最大值均出现在中心位置.从图中对比三种工况下两隧道水平位移的变化程度可知，工况一中隧道的最小位移为-0.215mm，最大位移为-1.509mm，工况二中隧道的最小位移-0.624mm最大位移为-5.513mm，工况三中隧道的最小位移为-0.839mm，最大位移为-7.375mm.本次模拟最大水平位移为7.375mm小于查规范得到的已运营地铁位移变化不超过20mm这一规定，故模拟所得结果是合理的.同时对比三种工况下的总体水平位移可得，随着基坑开挖深度的增大，其对隧道水平位移影响也不断增大，且位移皆是向基坑方向的，也符合实际施工时隧道的监测数据.

观察图14可知，此图为不同工况下A1测点水平位移的变化，首先从总体上可以看出三种工况下的隧道水平位移变化趋势几乎一致，沿着隧道方向随隧道的距离先逐渐增大到最大水平位移后再逐渐减小，且最大水平位移均出现在沿隧道方向175m处，最小位移为隧道的两端.对比三种工况可发现，随着开挖深度的增加，对既有隧道的水平位移的影响也是加大的.经过仔细观察图可发现图形发生巨大变化的点是从水平坐标60m到250m这一区间，这一区间恰巧与基坑宽度是一致的.故可以得出，与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱.分析可知这是由于基坑侧壁连续墙产生向坑内的位移导致的，而基坑范围以外有土体的约束，使隧道水平位移较小.

由图15来分析同一隧道A四个测点A1、A2、A3、A4的水平位移变化趋势.首先可以从图中轻易地发现这四个点的水平位移变化趋势是相同的，都是沿隧道方向随隧道距离的增大先增大后减小呈现凹槽形.其中A2的水平位移较其他三个观测点是最大的，而A2点为最靠近基坑的点，故可以得出距离基坑越近对既有隧道的影响越大.与竖向位移不同的是，对于水平位移A1点的位移在累积区间内总是大于A3点，可以得出隧道的埋深浅处的位移变形大于深处的位移变形.同样仔细观察可得图形发生巨大变化的点是从水平坐标60m到250m这一区间，这一区间恰巧与基坑宽度是一致的，说明基坑开挖对侧壁土体扰动较大.

通过观察图16，A和B两个隧道的水平位移对比，可以明显地看出两个隧道的水平位移差距巨大，A隧道的最大值为-6.7mm而B隧道的最大值仅为-3.9mm左右.易得距離开挖基坑的距离对水平位移变形的影响是巨大的，距离基坑越近则影响越大，反之则越小.

4 结论

（1）卸载基坑与既有隧道间的距离对隧道水平位移变形和竖向位移变形都有影响，距离基坑越近则影响越大，反之则越小;

（2）隧道的竖向位移与基坑开挖深度成正比关系，对于水平位移，基坑卸载对隧道的影响为沿基坑最近的隧道段向两端逐渐减小;

（3）侧方隧道各个测点的位移变化为隧道纵向竖向变形趋势一致，都为逐渐增大到峰值后再逐渐减小的凹槽型，位移最大处为中心线处.

（4）与基坑平行且在其长度范围内的既有隧道的水平位移影响较大，而范围外的影响很微弱.不同工况下基坑一圈围护结构位移的趋势均相似，最大水平位移都在中间位置，其中工况二影响最大，占比总位移百分之五十.

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