长大深基坑施工对下卧盾构隧道影响分析

刘伟龙 ,张宇

（1.广州地铁建设管理有限公司，广东 广州 510220；2.广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010）

随着城市地下空间开发规模的日益增大和城市轨道交通建设的快速发展，新建基坑工程不可避免地要邻近既有地铁区间隧道进行施工[1-2]，甚至上跨既有地铁区间隧道[3]。大量研究表明，基坑开挖卸载作用引起坑内土体回弹，导致邻近隧道结构产生隆起变形和附加应力，严重时将危害地铁运营正常使用和安全[4]。本研究以广州珠江琶醍啤酒文化创意园区长大深基坑工程为背景，通过Midas GTS 有限元数值模拟方法，对基坑施工全过程进行模拟，分析了施工过程中下卧盾构隧道变形和内力变化规律，以期为类似工程提供参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

广州珠江琶醍啤酒文化创意园区东区地下空间及停车场项目基坑长约158m，宽约103m，基坑开挖面积约为9456m2，开挖深度约为10.3～13.6m，为形状不规则的长大深异性基坑。基坑场地正下方地铁18 号线区间盾构隧道直径为8.5m，隧道埋深为23.947～26.075m。基坑与地铁区间的平面位置关系如图1 所示。

1.2 工程地质条件

基坑场地范围处于三水断陷盆地东延部分，场区内未见断层。基坑深度范围内土层从上至下依次为素填土、淤泥质土、淤泥质粉砂、全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。地下稳定水位埋深为1.40～1.80m，地下水类型为第四系孔隙水和基岩裂隙水。

1.3 基坑开挖与支护设计方案

综合考虑基坑尺寸和周边环境，基坑分为三个开挖区域（见图1）。其中，一区上跨地铁区间隧道，开挖深度为10.3m，采用Ф1200@1350 钻孔灌注桩加一道混凝土内支撑的支护型式，并对基底以下淤泥质砂土层采用三轴搅拌桩进行加固，加固深度为基底以下3.3～4.3m；二、三区开挖深度为13.6m，采用Ф1200@1350 钻孔灌注桩加两道混凝土内支撑的支护设计型式。基坑采用坑内降水方式，每次降水深度为基坑开挖面以下1.0m，基坑外不降水，围护桩外侧采用Ф850 @600 三轴搅拌桩止水，搅拌桩长度为16.5m。

2 数值模拟分析

基于有限元数值模拟方法，建立三维数值计算模型，对基坑施工全过程进行动态模拟。

2.1 数值模型的建立

为消除边界条件影响，取模型左右边界、前后边界及下边界距离基坑开挖边缘为3～5 倍基坑开挖深度，上边界取至地面，则模型尺寸为X 方向（基坑长度方向）290m，Y 方向（基坑宽度方向）210m，Z 方向（竖向）60m。模型侧面设置水平约束，下边界为固定约束，上边界为自由边界。

土体采用实体单元模拟，隧道衬砌、基坑主体结构顶板、中板、底板、侧墙采用板单元模拟，基坑围结构通过等效刚度原则将围护桩等效成地连墙板单元模拟，内支撑、冠梁、腰梁、格构柱以及主体结构抗拔桩、结构柱采用梁单元模拟。基坑与盾构隧道位置关系网格图如图2 所示。

2.2 计算工况

针对基坑施工全过程进行数值模拟，总共分为16个计算工况，并通过设置模型水位线边界条件模拟基坑开挖降水，计算工况设置见表1。

表1 计算工况

3 基坑施工对下卧隧道影响分析

3.1 隧道竖向位移分析

图3 所示为基坑施工过程中隧道最大隆起位移变化规律，其中横坐标为计算工况，只取每个工况最终数据进行分析，由图3 可得出以下结论：

图3 基坑施工过程中隧道最大隆起位移变化规律

（1）在施作围护桩、基底加固、抗拔桩和立柱桩以及第一次降水过程中，隧道整体发生下沉，且下沉量逐渐增大，最大下沉量为0.407mm。

（2）基坑开挖后，隧道产生竖向隆起变形，且随着开挖深度和开挖面积的增加，隆起值逐渐增大，最大隆起值发生在一区基坑土体开挖至基底时，其数值为1.979 mm，远小于规范[5]限值为15mm。

（3）基坑开挖过程中，每次基坑内降水，隧道隆起值均会产生一定回弹，隆起值减小。

（4）基坑开挖完成后，随着地下室主体结构施作，隧道隆起值逐渐减小。

由图3 可知，基坑开挖至一区基底时隧道隆起变形最大，该工况下隧道竖向位移云图如图4 所示，可以看出，隧道竖向位移呈现出“中间隆起，两端下沉，且隆起值远大于下沉值”的分布特征，隧道最大隆起值为1.979mm，发生在左线隧道中部位置，隧道最大下沉值为0.391mm，发生在右线隧道端部位置，表明基坑开挖卸载引起基底土体回弹而导致基坑正下方隧道结构产生较大隆起变形。

图4 基坑开挖至一区基底时隧道竖向位移云图

3.2 隧道水平位移分析

图5 所示为基坑施工过程中隧道最大水平位移变化规律，可以看出，基坑围护结构施作后，隧道水平位移快速增长，随着基坑施工过程的推进，水平位移变化较小。隧道最大水平位移发生在二、三区基坑开挖至基底时，其数值为0.934mm，远小于规范[5]限值为15mm。

图5 基坑施工过程中隧道最大水平位移变化规律

3.3 隧道内力分析

图6 所示为基坑施工过程中隧道衬砌最大弯矩变化规律。随着基坑开挖，隧道衬砌弯矩逐渐增大，且在地下室主体结构施工后基本不变。隧道衬砌最大弯矩发生在二、三区基坑开挖至基底时，其数值为114.584kN，且根据配筋复核结果，隧道衬砌结构安全可靠。

图6 基坑施工过程中隧道衬砌最大弯矩变化规律

4 结论

本文通过有限元数值模拟手段，研究了长大深基坑施工对下卧隧道的影响，得出以下结论：

（1）基坑开挖引起下卧隧道产生竖向隆起位移和水平位移，并以竖向隆起变形为主导，且隧道变形量随开挖深度和开挖面积的增加而增大。

（2）基坑开挖降水及主体结构施作导致隧道产生附加沉降变形，有利于控制隧道竖向隆起位移，尤其是主体结构施工完成后，基坑正下方隧道最大竖向位移由隆起1.979mm 变为下沉0.116mm。

（3）基坑开挖引起隧道竖向位移、水平位移及衬砌安全系数均在规范容许范围之内，隧道安全可控，说明基坑设计和施工措施合理、可靠。