深基坑开挖对紧邻隧道最近截面的影响分析

汪 涛，汪东林

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

随着我国社会现代化进程的不断加快，城市在横向扩张的同时也在寻求如何更好利用城市的地下空间，其中就有深基坑工程和地铁隧道工程等.由于城市土地资源的限制，有些深基坑的开挖不可避免地会影响到周围原有环境，包括高楼和地下隧道，大量相关学者研究了深基坑开挖对邻近建筑物的影响.徐泽等[1]研究了苏州某基坑开挖中既有管线的保护方案；储成伍[2]采用数值模拟和监测数据相结合的的方法研究了基坑开挖对邻近铁路路基的变形影响；吴铮等[3]利用ABAQUS软件进行了基坑开挖对下卧管线的变形影响分析；李阳[4]研究了基坑开挖对邻近车站的影响并提出了相应对策；林锦贤[5]按照不同施工阶段探究了明挖法深基坑的安全风险和控制措施；刘晨等[6]使用MIDAS/GTS软件模拟了复合土钉墙的支护效果，得出了复合土钉墙能够减小基坑土体的位移.本文以合肥市某深基坑及其邻近地下隧道为背景，使用MIDAS/GTS对基坑开挖及支护过程中隧道结构截面的变形进行模拟，研究基坑施工过程中隧道变形的有关规律，论证该工程的支护结构及开挖方式的安全性.

1 工程概况

该工程为合肥市大学城地下空间利用项目的附属连接通道中的基坑工程.该基坑总体呈长条形布置，深度为10 m，基坑东侧邻近合肥轨道交通3号线，与邻近地铁隧道结构相距距离为3.7-16.5 m.因此取距隧道3.7 m的最危险截面建模，进行有限元分析.基坑与地铁隧道位置如图1所示.

基坑两侧采用单排钻孔灌注桩围护，强度为C35，直径1 000 mm，桩身长度17 m.基坑内部采用水平支撑形式，第一道C30混凝土支撑尺寸800 mm×800 mm；第二道Q335钢支撑，直径609 mm(t=16).基坑C30底板厚度800 mm.

图1 基坑与隧道位置关系

2 建立模型

根据基坑与隧道的位置关系，选取二者相距最近的截面建立二维有限元模型，为保证分析结果合理有效，模型尺寸选定为长106 m、深27.5 m，其中划分网格尺寸均为0.5 m以确保结果精确.4个土层采用2D的修正摩尔库伦模型，围护桩、内支撑、基坑底板均采用1D梁单元模拟.基坑内分步开挖的土体厚度分别为1 m、5.5 m和4.5 m；混凝土支撑和钢支撑的标高分别为0.5 m和-5.5 m.土层参数及结构参数见表1和表2所列，模型示意图如图2所示.

表1 土层物理力学参数

表2 结构参数

本工程基坑由于开挖深度较大，故分层开挖，第一阶段为原始场地，用来模拟初始应力场，因合肥地铁3号线在基坑施工前已建成通车，故位移清零.

运用MIDAS/GTS软件建立二维模型，具体施工工况见表3.

图2 模型示意图

表3 施工阶段组

3 模拟结果分析

3.1 隧道管片位移变化分析

由MIDAS/GTS软件模拟所得工况2-工况6作用下隧道管片的总位移如图3-图6所示.

工况1和工况2：在本工程开工前合肥轨道3号线已完工通车，故位移清零，隧道管片无位移.

工况3：左线隧道，位移主要发生在隧道截面左侧，最大位移发生在左上角，约为2.42 mm，位移量向两侧逐渐减小至2.0 mm，隧道右侧变形相对较小，在1.4-1.6 mm之间，隧道底部沉降值在1.6-2.0 mm之间.右线隧道，最大位移在左侧0.75 mm，位移量向两侧逐步减小至0.65mm，右侧影响较小，位移量均在0.5-0.6 mm之间.因围护桩施工，土体向隧道方向挤压，左线隧道管片受影响较大总体变形趋势扁平化且向右偏移，右线隧道受影响较小.

工况4：由于本阶段开挖深度仅为1 m，且第一道支撑已完成施工.故右线隧道位移无明显变化，左线隧道位移略微减小,最大值约为2.35 mm.整体变形趋势同上一阶段.

工况5：本阶段开挖深度为5.5 m，左线隧道位移最大值减小为1.06 mm,且最大位移方位由左上角转为左下角隧道底部附近，总体变形主要发生在左侧位移量在1.06-0.90 mm之间，隧道底部上浮0.83-0.52 mm，位移量从左至右递减.右线隧道位移最大值略有减小，从0.75 mm变为0.183 mm，但主要影响范围有向右侧变化的趋势.本阶段隧道管片各位移量减小主要因为开挖深度较大土体的卸载作用导致隧道管片受到向内的应力减小.

工况6：左线隧道，位移最大值为3.40 mm，变形趋势与上一阶段相同，主要影响区域为隧道左侧，但数值明显增大，隧道底部上浮量为1.53-2.46 mm.右线隧道，受影响略微增大，最大值为0.37 mm，主要受影响范围为左下角.本次开挖达到了基坑设计最深处，对隧道管片的影响也达到了最大，但该内支撑支护体系有效遏制了隧道管片的变形.

图3 工况3隧道管片总位移

图4 工况4隧道管片总位移

图5 工况5隧道管片总位移

图6 工况6隧道管片总位移

3.2 围护桩位移变化分析

为了更加直观地分析围护桩位移，现将桩身18个节点各阶段X、Y方向位移做数据处理，其中桩顶节点编号为1.根据软件分析结果，利用数据处理得出桩身位移变化数据图，如图7-图9，其中水平位移向右为正值，数值位移向上为正值.图7-图10均采用origin pro绘制.

图7 左侧桩身水平位移

图8 右侧桩身水平位移

图9 桩顶竖直位移

水平位移：由图7和图8可见，围护桩在工况5、6时期受影响最大，主要表现为围护桩由两侧向基坑内位移，其中桩身中下部受影响较大.左右桩底分别最大水平位移分别是+0.526 mm、-0.303 mm.

竖直位移：工况3即桩身浇筑后桩顶发生了约5.1 mm的沉降，在工况4保持不变.工况5时竖直位移有所回落，两侧桩身由下沉变为略微上升，至工况6最终开挖，桩身达到隆起最大值，左侧5.29 mm，右侧5.62 mm.

3.3 基坑底部竖直位移分析

为更加直观地分析基底位移，将基坑底部沿水平方向分为10个节点，根据MIDAS/GTS计算结果汇总得出基底位移，如图10所示.

图10 基底位移

由工况4开始第一阶段开挖，底部隆起值均为2.5 mm左右；工况5第二阶段开挖变化最为明显，基底隆起值达到了最大约18.6 mm，总体呈拱形，基底两侧隆起约为15 mm；最终开挖及底板施工后，基底隆起略有收敛，总体位移约减小4 mm.

4 结论

通过对MIDAS/GTS软件计算的结果进行分析，得出如下结论：本工程联络通道基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响主要表现为隧道道床、拱顶的上浮和整体结构的水平向收敛；在施工过程中左线隧道所受影响主要位于左上方，右线隧道受影响范围主要在右侧偏上；左右线隧道结构位移最大值分别为3.402 mm、0.7508 mm，均低于规范控制值10 mm，此基坑支护方案可行.