深基坑开挖支护结构对下穿既有隧道的影响

苏 妮， 曹广勇

(安徽建筑大学 土木工程学院， 安徽 合肥 230601)

基坑开挖必然使得周围土体与附近隧道产生沉降变形，对隧道的运营构成安全问题。既有隧道在运行过程中对于变形要求非常严格，隧道地铁结构物等的绝对沉降量及水平位移量至多20 mm，变形曲率半径最小15 000 m，相对弯曲至多1/2 500。因此，合理地控制深基坑开挖引起的周边土体与临近隧道变形，确保基坑工程和邻近运行隧道的安全可靠非常重要[1]。郭家武等[2-7]通过实际工程的监测数据与数值模拟得出，控制支护结构变形可有效控制深基坑开挖的安全性。丁克伟等[8-9]通过实际工程的监测数据与数值模拟得出，修正摩尔本构模型的数值计算对基坑周边临近建筑物变形控制是有效的。

本文以徐州市某工程为背景进行深基坑开挖支护结构对周边土体与既有隧道的影响性分析，首先设计支护方案的常用构成结构，利用有限元分析软件 MIDAS/GTS按实际工程顺序建立三维模型模拟计算结果，分析基坑开挖过程中形成的周边土体变形以及对既有隧道的影响程度，同时还分析了支护方案中常用支护结构的核心结构，为今后解决含砂姜土质下基坑开挖下穿隧道的支护结构影响问题提供参考。

1 工程背景

本项目基坑长30.1 m，宽15.04 m，整个基坑开挖深度9 m左右。基坑的既有隧道是新建成使用的双排近距顶管隧道，隧道埋深17.42 m，两管道直径2.02 m，两平行隧道横向间距2.02 m。隧道穿越徐洪河段全长592 m，位于含砂姜黏土层，采用双排D2020的钢管进行顶管施工。从地质条件来说，该工程自上而下划分共5层：粉土夹粉砂层(厚1.06 m)、淤泥质粉质黏土层(厚4.64 m)、粉土夹粉砂层(厚1.7 m)、黏土层(厚4.0 m)以及含砂姜黏土层。隧道所处地层为含砂姜黏土层，主要成分为黏土，具备黏性大、强度高、摩阻系数较大等特点。根据地勘资料及现场勘测，地下水均属于潜水，基坑开挖不考虑渗流影响。

2 数值模拟计算

本文数值模拟计算采用的有限元软件为Midas/GTS。首先，假定土体与各个结构属性是各向同性均匀连续的，地层的初始应力场是均匀分布的。通过对深基坑开挖常用支护结构不同组合方案下的数值模拟来分析对周边土体与既有隧道的影响性与重要程度。

2.1 支护结构组合方案

本项目初始支护方案由基坑立柱、地连墙、圈梁与内支撑、锚杆组成，基坑开挖分3步走，每次开挖3 m左右。首先，进行基坑立柱施工与地连墙的施工；其次，随着基坑的开挖同步设置与基坑同尺寸的圈梁与支撑。0 m位置处的第1层圈梁和内支撑，-3 m位置处设置第2层圈梁与内支撑，-6 m处设置第3层圈梁与锚杆。第2个支护模拟方案组成为立柱与地连墙。第3个支护模拟方案为立柱、圈梁与内支撑、锚杆。第4个支护模拟方案为地连墙与圈梁、支撑、锚杆。圈梁与支撑尺寸分别为0.8 m×1 m和1 m×0.8 m，地连墙的厚度为1 m，立柱桩直径为0.9 m，锚杆直径为0.025 m，长度为10 m。

2.2 模型参数设置

土体材料采用莫尔-库伦模型，材料属性为3D单元实体，通过扩展实体几何进行3D网格划分。基坑材料属性为3D单元实体。地连墙与隧道通道采用弹性模型，材料属性为2D板单元。圈梁、支撑采用弹性模型，材料属性为1D板单元。锚杆是弹性模型1D植入式桁架单元，立柱桩为1D梁单元弹性模型，需要设置立柱桩约束，限制立柱竖向的自由度，以达到1D与3D的耦合。材料属性及主要力学参数如表1所示。

表1 材料属性及力学参数

3 数据分析

土体网格模型如图1所示。网格模型示意图分为土体结构网格图和基坑支护结构网格图。

(a)土体结构网格 (b)基坑支护结构网格图

3.1 对既有隧道的沉降影响

各支护结构组合下既有隧道的位移变化如图2所示。由图2可得，当基坑开挖的支护方案由基坑立柱、地连墙与圈梁、内支撑、锚杆组成时，最后一步基坑开挖后隧道的位移变化值为13.4 mm，位移变化在规定范围内。同理，当采用第2、第3、第4支护方案时，基坑开挖对既有隧道的最大位移变化值分别为14.7 mm、16.5 mm以及14.2 mm。所有方案对隧道位移变化的影响值均在规定范围(不大于20 mm)内。

(a)第1支护方案 (b)第2支护方案

(c)第3支护方案 (d)第4支护方案

3.2 对基坑周边土体的沉降影响

各支护方案下周边土体纵向位移变化如图3所示。

(a)第1支护方案 (b)第2支护方案

(c)第3支护方案 (d)第4支护方案

由图3可得，当基坑开挖的支护方案采用初始方案时，最后一步基坑开挖后周边土体的最大纵向位移变化值为8.5 mm，当采用第2、第3、第4支护方案时，基坑开挖对周边土体纵向的位移值分别为15 mm、110.8 mm和8.8 mm。

4 结 语

对下穿既有隧道基坑开挖的不同支护方案进行有限元分析，几种方案的组合对隧道位移变化的影响值均在规范范围内。在这几种支护结构中，地连墙的存在无论是对既有隧道位移的影响还是对基坑周边土体的影响皆最大。若仅考虑支护方案对隧道的影响，基于安全性与经济性的两方面原因则最优方案为第2支护方案，即由立柱与地连墙结构组成的方案；若以安全第一则第1支护方案最佳；若考虑整体土体与既有隧道的安全性影响则第1支护方案和第4支护方案最佳。