基坑开挖对邻近既有隧道工程的影响研究

吴运忠

（九江市公路发展中心永修分中心，江西九江 330300）

0 引言

近年来，城市化进程不断加快，在进行建筑物的建设过程中常常会遇到邻近的既有建筑物，新建筑物的建设对既有建筑物的安全影响重大，尤其是新建筑基坑开挖阶段。根据学者们研究表明基坑工程在开挖时相当于对土体卸载，必然会引起坑底的土体隆起，基坑四周的地层也会产生移动变形，进而有可能导致邻近的地铁隧道发生变形。

例如，左殿军等[1]采用数值模拟的方法研究深基坑开挖对邻近地铁隧道影响，研究结果表明地表的沉降、隧道衬砌的位移随着基坑开挖深度的增加而增大；张治国等[2]对在软土隧道附近进行基坑开挖，研究基坑开挖对隧道的影响，研究提出在邻近软土隧道进行基坑开挖的保护措施；应宏伟等[3]根据实际的工程案例对深基坑中采用隔断墙保护的邻近建筑物进行研究分析，研究结果表明隔断墙能够明显降低坑外地表的沉降，减小邻近建筑物的横向角变量，减小因基坑开挖引起建筑物的损伤。魏少伟、胡琦、孙钰杰等[4-6]利用三维分析软件对基坑开挖时坑底对已建隧道的影响进行研究，结果表明基坑的空间效应对隧道横断面的影响有着明显的影响。现有的研究已取得一定的成果，但对隧道埋深、基坑开挖深度及基坑与隧道的距离等不同影响因素的分析相对较少。为此，在现有的研究成果基础上，利用Plaxis 3D 软件建立三维模型分析不同的隧道埋深、不同的基坑开挖深度及隧道与基坑不同水平距离情况下基坑开挖对既有隧道的影响。

1 基坑开挖对邻近既有隧道影响的有限元模拟

1.1 有限元软件介绍

此次模拟采用的有限元软件是由荷兰研究学者开发的Plaxis 3D 软件，该软件具有应用能力强、建模简单、运算快及自动划分网格等强大的优点，同时还能对多个相介质土进行模拟，处理土体的非线性随时间的变形情况。Plaxis 3D 能够模拟土体、墙、梁、板等各种元素，还能处理各种元素直径的接触面问题，此次利用该软件进行小应变土体硬化本构（HS-small）模型的建立，采用该模型是因为根据相关的研究表明，该模型是更适合于基坑变形分析的本构模型。该模型是基于三轴排水试验的研究成果而建立的，它能够充分地考虑土体在小应变时的刚度非线性变化，并且能够考虑材料的剪切硬化与压缩硬化问题，还能对土体在小应变时的土体特性进行考虑。

1.2 模型的建立

此次的隧道直径大小为6m，模型的尺寸为长75cm×宽57cm×高60cm，具体的模型见图1，模型中采用四面体单元进行模拟，模型中的边界设置中对顶面设置为自由，侧面添加水平位移的约束，底面添加固定的约束，在Plaxis 3D 软件中提供了两种三角形土体单元，分别是6 节点三角形土体单元和15 节点三角形土体单元节点，两种形式的土体单元节点均能用来模拟模型中的土层及块体，并且结构类型的单元能够与土体单元类型自动匹配，相较于6 节点三角形土体单元而言，15 节点三角形土体单元的计算精度更高，通过模拟能得到高精度计算结果，其位移计算的结果集中在节点中，而应力应变的计算则是在高斯积分点上，可快速通过选择节点得到关于荷载与位移的关系曲线图，还能通过快速选择应力点得到应力-应变曲线图，此次模型中的相关参数见表1 及表2。

图1 隧道与基坑的模型图

表1 模型中的参数设置

表2 模型中的参数设置

1.3 模拟的方案

本文为模拟基坑开挖时在不同隧道埋深、不同基坑开挖深度及隧道与基坑的不同水平距离情况下对既有隧道的影响，分别设置九种不同的工况进行模拟；此次的模拟开挖过程是一次性的，在进行模拟开挖时，先将岩土体假定为弹塑性体，即认为岩土体是均质的且各向同性，然后进行初始应力计算，最后进行基坑的开挖模拟，具体的模拟工况如表3 所示。

表3 模拟的工况

表3 中工况1、2、3 用于模拟隧道不同埋深情况下，基坑开挖对隧道产生的影响，工况4、5、6 用于模拟隧道与围护墙不同距离情况下，基坑开挖对隧道产生的影响，工况7、8、9 用于模拟基坑开挖深度不同时对隧道产生的影响。

2 基坑开挖对邻近既有隧道影响模拟结果分析

本文主要分析在不同工况下的基坑开挖对隧道的上浮及对隧道水平位移的影响。

2.1 不同的隧道埋深工况下

在不同隧道埋深工况下，根据模拟的应力结果通过作图分析基坑开挖对邻近既有隧道的上浮变化及水平位移变化，具体的结果如图2 所示。

图2 不同隧道埋深工况

从图2 中的（a）（b）中可以看出，当隧道距围护墙的距离及基坑的开挖深度一定时，随着隧道的埋深增大，因基坑的开挖而导致的隧道上浮及隧道的水平位移逐渐减小。特别当隧道的埋深从10m 变到13m 时，隧道的埋深对隧道的上浮影响非常明显，隧道上浮从0.026%降到0.021%；从埋深13m 到埋深16m 时的变化趋势较小，对于水平的位移变化来说，随着隧道埋深的增加其变化较为均匀，说明隧道埋深的增大对隧道的水平位移影响较小。

2.2 隧道与围护墙的不同距离

在隧道与围护墙的不同距离工况下，根据模拟的应力结果通过作图分析基坑开挖对邻近既有隧道的上浮变化及水平位移变化，具体的结果如图3 所示。

图3 隧道与围护墙不同距离工况

从图3 中的（a）（b）中可以看出，当隧道的埋深及基坑的开挖深度一定时，随着隧道与围护墙的距离增大，因基坑的开挖而导致的隧道上浮及隧道的水平位移逐渐减小，当隧道距离围护墙的距离为3m 时的隧道上浮约为0.023%，水平位移为0.016%，当隧道距离围护墙的距离为6m 时的隧道上浮约为0.02%，水平位移为0.016%，当隧道距离围护墙的距离为9m 时的隧道上浮约为0.016%，水平位移为0.006%，整体上其变化的趋势较为稳定，说明隧道与围护墙的距离对隧道的水平位移及隧道的上浮影响均较小。

2.3 不同的基坑开挖深度

在不同的基坑开挖深度工况下，根据模拟的应力结果通过作图分析基坑开挖对邻近既有隧道的上浮变化及水平位移变化，具体结果如图4 所示。

图4 不同基坑开挖深度工况

从图4 中的（a）（b）中可以看出，当隧道与围护墙的距离及隧道的埋深一定时，随着隧道开挖深度的增加，因基坑的开挖而导致的隧道上浮及隧道的水平位移逐渐增大；当隧道与围护墙的距离为6m 时的隧道上浮约为0.022%，水平位移为0.0115%；当隧道与围护墙的距离为9m 时的隧道上浮约为0.0235%，水平位移为0.016%；当隧道与围护墙的距离为12m 时的隧道上浮约为0.025%，水平位移为0.031%。发现隧道的上浮变化较为平稳，而隧道开挖深度的加大对既有隧道的水平位移影响较大。特别是当开挖深度从6m 变为9m 时，说明隧道的开挖深度对隧道的水平位移影响较大，对隧道的上浮影响较小。

3 结语

研究结果表明：隧道的埋深越深对邻近隧道的水平位移及隧道上浮影响越小，其中隧道的埋深对隧道上浮的影响较大；隧道与基坑围护墙距离越大对邻近隧道的水平位移及隧道上浮影响越小；基坑的开挖深度越深对邻近隧道的水平位移及隧道上浮影响越大，其中基坑的开挖深度对隧道水平位移的影响较大。因此，在工程允许的情况下，应尽可能控制基坑的开挖深度并加大隧道与基坑围护墙的距离。