基坑开挖对既有盾构隧道的影响分析

刘鹏飞 董元滨 刘天一 贾德龙 赵旭彤

摘要 文章采用有限元分析软件，针对某地块开发项目对盾构隧道结构的影响进行模拟计算，分析基坑开挖过程中基坑支护结构及盾构隧道结构的位移情况，对基坑支护方案可行性进行评价。数值模拟结果表明，基坑开挖过程中隧道结构安全，支护方案合理，为地块开发近接既有盾构隧道施工风险分析及盾构隧道结构保护提供了一定的参考。

关键词 基坑开挖；盾构隧道；数值模拟；影響分析

中图分类号 F512；F810.6文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0049-04

0 引言

地铁线路多沿市政道路进行敷设，周边地块基坑开挖会对邻近的地铁隧道产生一定的扰动，这种情况下地铁盾构隧道原有的受力平衡状态会被打破从而产生变形，而地铁项目作为城市基础设施，承载着一座城市大量的居民出行功能，且由于其建造成本高、工程复杂，对自身的变形要求极为严格，一旦发生事故将造成严重经济损失及社会影响。因此，地铁周边基坑工程不仅需要控制工程自身风险，更重要的是控制对地铁盾构隧道带来的风险。为确保地铁盾构隧道安全，基坑开挖对既有盾构隧道的影响分析成为值得深入研究的课题[1-3]。

1 概述

1.1 工程概况

某市地块开发项目总用地面积93 000 m2，西邻地铁盾构隧道。拟建项目主要包括1#～8#住宅楼、S1#商业楼及地下车库。住宅楼地上10～18层，地下2层，桩筏及独立基础；商业楼地上2层，地下1层；车库地下1层，框架结构，独立基础，场地地面标高约40.5～42.88 m，基坑开挖深度约7 m。

项目西侧地铁线路已于2019年12月28日开通运营，区间采用盾构法施工，为双单洞隧道，线间距为13.4～

17 m，区间长度993.331 m；设置一座联络通道；隧道埋深为9.01～11.81 m。管片厚度0.3 m，管片外径6.4 m，采用C50混凝土材料，环宽1.2 m。联络通道采用矿山法施工，初支采用C25网喷早强混凝土，厚度0.25 m；二衬采用C40混凝土，厚度0.3 m。

基坑外边线距右线隧道净距约14.5～18.4 m；距左线隧道净距约28.5～32.1 m，地铁隧道顶标高约28.6～30.80 m，埋深约为9.01～11.81 m。相对位置关系如图1所示。

1.2 工程地质及水文地质条件

场地位于山前冲洪积平原地貌，勘察期间孔口绝对高程在34.82～39.24 m之间，地势南高北低。场区地层分别为①黄土状粉质黏土、②碎石、③粉质黏土、④粉质黏土、⑤碎石、⑥全风化闪长岩。

勘察期间测得地下水稳定水位平均埋深4.18 m，稳定水位标高33.47～34.19 m，平均33.82 m。地下水属第四系孔隙潜水，主要赋存于第②层碎石、第⑤层碎石及基岩裂隙中。地下水年正常水位升降变化幅度一般在3 m以内。近3～5年最高水位标高约36 m，历史最高水位标高约36.5 m。建议抗浮设防水位标高36.5 m。

1.3 基坑围护结构设计

基坑AE段深度约4.55～5.28 m，已经采用悬臂桩支护，支护桩嵌固深度9.52 m，桩径800 mm，有效桩长13.35 m，桩间距1.2 m，桩顶锚入冠梁50 mm。冠梁顶标高40.50 m，冠梁顶以上土体采用自然放坡开挖，按1∶0.6坡度放坡。下部1.5～2 m采用挂成品钢丝网，喷面混凝土强度C20，喷面厚度60 mm。

基坑DE段基坑深度约4.73～5.7 m，采用钻孔灌注桩+挡土墙支护。支护桩嵌固深度9.52 m，桩径800 mm，有效桩长13.35 m，桩间距1.5 m，后续基坑大幅内缩后，重新采用挡土墙支护，垂直开挖。沿坑底周边设置300 mm×300 mm的排水盲沟。基坑开挖完成之后，基坑内部架设框架梁并浇筑混凝土板作为临时生活区。基坑围护结构如图2、图3所示。

2 模型建立

2.1 计算模型

考虑基坑开挖施工过程的复杂性，采用Midas GTS NX 有限单元法三维建模进行应力分析及变形分析。本构模型采用修正摩尔-库伦屈服模型，采用板单元模拟隧道管片结构，钻孔灌注围护桩、各层楼板等采用板单元建模，桩基采用植入式梁单元。建模过程中，三维基坑模型中地层分界与钻孔相同，岩土参数如表1所示。土体边界自基坑外边线向外扩3～5倍基坑深度，土地深度取至基坑底部2倍钻孔灌注桩长度，土体建模X方向总长230 m；土体建模Y方向总长150 m；土体建模Z方向总长35 m。由于模型的边界分别与X、Y轴平行，因此直接设置为Midas默认的地基支承边界条件，模型底部限制X、Y、Z三个方向位移，模型四周限制法向位移。

计算基坑围护结构DE支护单元采用型号为800@

1 500的钻孔灌注桩，利用等刚度原理可转换为厚度为

540 mm的地下连续墙；EA支护单元采用直径800@1 200

钻孔灌注桩，利用等刚度原理可转换为厚度为590 mm的地下连续墙。结构材料属性如表2所示。

根据设计文件，荷载采用建筑设计单位提供的计算书中上部荷载以基底平均压力的形式施加于基础底部。高层住宅基底压力按369 kPa输入，商业楼基底压力按77.4 kPa输入，车库范围按50.3 kPa输入。隧道及基坑支护结构模型如图4所示。

2.2 工况设置

①工况1：初始应力场分析。②工况2：隧道开挖。③工况3：基坑围护结构施工。④工况4：第一步开挖。⑤工况5：第二步开挖。⑥工况6：第三步开挖。⑦工况7：基础、挡墙、回填土施工。⑧工况8：地块主体结构施工。

3 数值模拟分析

3.1 基坑水平位移

基坑西侧围护结构有向基坑内移动的趋势，水平位移随基坑开挖逐渐增大，最大值为12.2 mm，最大值出现在基坑开挖至坑底的工况中；随着土体回填及主体结构施工水平位移呈减小趋势，最终为8.9 mm。基坑支护结构水平位移如图5所示。

3.2 隧道水平位移

施工过程中隧道水平方向向基坑侧位移，隧道水平位移随开挖呈先逐步增加后逐步减小的趋势，当基坑开挖至坑底时水平位移最大值为1.58 mm，随着土体回填及主体结构施工，隧道水平位移减小为1.06 mm。隧道水平位移如图6所示。

3.3 隧道竖向位移

隧道在基坑开挖卸荷作用下，邻近基坑的隧道右线产生隆起现象，最大隆起量为0.26 mm；在土体回填及主体结构施工过程中隧道隆起量下降，最终隆起量为0.23 mm。隧道竖向位移如图7所示。

4 结论

根据数值模拟计算结果，地块项目施工过程中基坑邻近盾构隧道一侧水平位移最大值为10.9 mm。隧道最大隆起量0.26 mm，最大水平位移1.58 mm，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202—2013）[4]相关要求。综合分析，认为该地块开发项目对既有隧道影响较小，基坑支护方案合理可行，施工过程中仍需加强监测，进行信息化施工。

该文通过运用有限元分析方法，建立了既有盾构隧道—基坑结构整体分析模型，研究了基坑开挖对既有盾构隧道的影响，确保了既有盾构隧道结构安全，为地块开发近接既有盾构隧道施工风险分析及盾构隧道结构保护提供了一定的参考。

参考文献

[1]朱春柏， 钱栋栋， 余忠祥， 等. 考虑空间效应的基坑开挖对邻近隧道影响分析[J]. 地下空间与工程学报， 2023

（5）： 1471-1477.

[2]马勤， 张玉山. 深基坑开挖诱发邻近运营地铁隧道变形响应特征研究[J]. 地基处理， 2023（5）： 434-443.

[3]陈仁朋， 高天惠， 吴怀娜， 等. 旁侧基坑开挖对超大直径盾构隧道变形影响分析[J]. 湖南大学学报（自然科学版）， 2023（9）： 230-240.

[4]城市轨道交通结构安全保护技术规范： CJJ/T202—2013[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2013.