基坑開挖對既有隧道結構影響分析

高睿 盧新建 王為民 闕金濤

(福建省建筑科學研究院有限責任公司 福建省綠色建筑技術重點實驗室 福建福州 350025)

0 引言

隨著城市建設的快速發展，有效利用土地和地下空間日益得到重視，地面空間、地下空間與上部空間協調發展的城市立體化再開發，是城市中心區改造的有效途徑，充分利用城市地下空間成為當前城市立體化開發的重要組成部分。

然而，由于城市建筑物和生命線工程等各類地下管線的密集化，往往出現基坑工程上覆于已建地鐵隧道之上，對基坑開挖的要求越來越嚴格，不僅要確?；娱_挖的安全性和經濟性，而且還要確保地鐵隧道的安全。因此，嚴格控制隧道結構的位移，成了基坑安全的首要任務。

關于基坑開挖對既有隧道結構的影響，諸多學者進行較為深入的研究[1-6]，如何進行地鐵隧道結構保護也就成為學術界和工程界關注的焦點。

基于此，本文結合某具體工程實例，分析其基坑下臥隧道結構的保護方案，并提出基坑及地下結構相協調的合理施工方案，以確保地鐵隧道結構的安全。

1 工程概況

1.1 地下結構與隧道結構概況

擬建工程普遍設4層地下室，基坑開挖深度約為18.0m～19.0m，其中地鐵下穿區域設2層地下室，基坑開挖深度約為8.0m～9.0m，具體平面布置及剖面圖如圖1～圖2所示。地鐵隧道距兩側支護樁2.7m～3.5m，地下結構在地鐵下穿區域兩側及中部集中布置支護樁，并在負二層樓板處設置2m厚蓋板，以確保隧道結構安全。

圖1 地下結構平面布置圖

圖2 地下結構與地鐵隧道剖面圖

綜合考慮隧道結構安全、工期及造價等因素，該工程擬在地鐵隧道施工前，在地鐵軌道線路上提前進行隧道結構區域支護樁和地下結構施工，而后進行盾構隧道施工，待隧道結構施工完成后，最終進行周邊區域地下結構施工。

1.2 工程地質條件

該工程場地內土層為：①素填土、②粉質粘土、③殘積砂質粘性土、④全風化花崗巖、⑤土狀強風化花崗巖。各巖土層主要性狀如下：

①素填土：灰黃色，稍濕，松散，主要由粘性土回填而成，其中硬質含量5%左右，回填時間5～6年，未經專門壓實處理，密實度不均，未完成自重固結，厚度0.50m～10.20m。

②粉質粘土：紅褐色、黃褐色，濕，可塑～堅硬，以粉粒、粘粒為主含少量石英中粗砂，其中粗砂含量10%～30%左右，搖振反應無，光澤反應無，干強度中等，韌性高。厚度0.90～6.90m。

③殘積砂質黏性土：黃色、黃白色，濕，可塑～堅硬，母巖為花崗巖，具原巖殘余結構，礦物成分主要為石英、長石，長石已基本風化成粘土礦物,石英礫砂含量占0.0%～22.8%，個別地段為殘積粘性土、殘積礫質粘性土。搖振反應無 ,干強度中等，韌性中等，浸水易崩解、軟化，層厚5.3m～29.8m。

④全風化花崗巖：黃白色、灰白色，成份主要為石英、長石，長石大部分風化成粘土礦物，標貫試驗修正后擊數30≤N<50擊，風化劇烈，屬極軟巖，散體構造，極破碎，巖體基本質量等級為V級，該層浸水易崩解、軟化，層厚5.6m～22.2m。

⑤土狀強風化花崗巖：灰白色，成份主要為石英、長石，長石大部分風化成粘土礦物，標貫試驗修正后擊數N≥50擊，巖芯手捏即散，呈土狀，風化劇烈，屬極軟巖，散體構造，極破碎，巖體基本質量等級V類，該層浸水易崩解、軟化。局部分布中風化花崗巖孤石，層厚18.56m～57.15m。

1.3 水文地質條件

影響基坑開挖范圍內的地下水，主要為賦存于③殘積砂質粘性土及以下基巖各風化帶中的孔隙水。場地地下水穩定水位埋深2.60m～7.60m，水位標高11.17m～14.55m，地下水抗浮水位及防水水位按設計室外地坪標高下1.00m考慮，水位變化幅度約為0.5m。

1.4 物理力學參數

場地各巖土層物理力學指標如表1所示。

表1 巖土體物理力學指標

2 分析模型及工況

2.1 土體本構模型參數

該工程采用平面應變模型進行分析，土體本構模型采用硬化土(Harding Soil Model)模型，土體單元采用15節點三角形單元模擬。支護樁、地下結構及圍護樁均采用5節點梁單元模擬，梁單元剛度按樁基及墩柱的抗彎剛度和軸向剛度進行等效，計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

2.2 分析方案

根據現有地下結構設計方案，該工程分3階段進行施工：

(1)第一階段：隧道結構兩側、中部支護樁及地下結構底板的施工，在第一階段施工期間，基坑采用分級放坡支護。

(2)第二階段：盾構隧道施工，先行施工的支護樁及地下室底板確保了盾構施工時的覆土要求。

(3)第三階段：周邊區域(除第一階段施工區域外)地下結構施工。

其中，第一階段分別采用3種方案施工，即：

(1)方案一：僅施工地鐵隧道結構兩側及中間支護樁，其余支護樁均不施工，放坡坡腳線緊鄰內排樁。

(2)方案二：僅施工地鐵隧道結構兩側及中間支護樁，其余支護樁均不施工，放坡坡腳線卸載至距離支護樁12m位置。

(3)方案三：施工地鐵隧道結構兩側及中間支護樁，鄰近第二排支護樁亦同時施工，其他區域支護樁均不施工，放坡坡腳線卸載至第二排支護樁4m的位置處。

2.3 分析工況

(1)建立土層，形成初始地應力；

(2)施工隧道區域支護樁；

(3)隧道區域降水，并進行土方開挖；

(4)施工地下結構；

(5)施工地鐵隧道結構，并對位移清零；

(6)地下水位恢復；

(7)圍護樁施工，基坑二次降水及土方開挖；

(8)主體地下結構施工；

(9)地下水位二次恢復。

3 有限元結果分析

考慮到該工程重點針對基坑開挖對已建地鐵隧道的影響分析，故本文分析均主要針對隧道建成后基坑開挖及地下結構施工所引發的地鐵隧道結構變形性狀。

3.1 方案一：僅施工隧道區域支護樁，坡底線緊鄰外排支護樁

僅施工內排樁部分，系指如圖4中僅施工虛線框范圍內的地下結構，而對于虛線框范圍外的地下結構底板及樁基暫不施工，同時，先行開挖部分的放坡坡腳線緊鄰內排支護樁。具體工況分析結果如下：

圖4 分析工況說明

(1)隧道建成后

在盾構隧道施工完成后，模型位移場如圖5所示。

圖5 模型位移場

在隧道施工完成后，隧道結構內力如圖6和圖7所示。

圖6 隧道結構軸力圖

圖7 隧道結構彎矩圖

如圖6～圖7所示，隧道結構的最大軸力為189.40kN/m，最大彎矩為12.73kN·m/m。同時，在隧道施工完成后，地下結構(包括蓋板和樁基)的位移及內力如圖8～圖9所示。

圖8 地下結構位移圖 圖9 地下結構彎矩圖

由于地鐵隧道施工，使支護樁在隧道中心標高附近發生了內擠變形，最大位移為9.05mm，由此引發的地下結構連板的最大彎矩為4470kN·m，即隧道施工導致隧道兩側支護樁產生較大的附加內力。

(2)土方開挖后

在基坑土方開挖完成后，模型位移場如圖10所示。

在基坑開挖完成后，隧道結構位移及內力如圖11～圖13所示。

圖11 隧道結構位移圖

圖12 隧道結構軸力圖

圖13 隧道結構彎矩圖

在基坑開挖完成后，由于坑內土體的卸荷作用，坑底土體發生了隆起變形，并直接導致地鐵隧道結構發生了一定的隆起變形，其中隧道結構最大位移為10.98mm，最大軸力為435.24kN/m，最大彎矩為234.72kN·m/m。由此可見，在基坑開挖過程中，由于坑底隆起將引發隧道結構產生一定的位移，并導致隧道結構產生一定的附加內力。

(3)地下結構完成后

在地下結構完成后，模型的位移場如圖14所示。

圖14 模型位移場

由于地下結構施工所引發的隧道結構位移及內力如圖15～圖17所示。

圖15 隧道結構位移圖

圖16 隧道結構軸力圖

圖17 隧道結構彎矩圖

待地下結構完成后，隧道結構最大位移減小為9.72mm，最大軸力為451.27kN/m，最大彎矩為241.81kN·m/m。由此可見，在地下結構施工過程中，由于地下結構自重影響，隧道結構位移略微減小，但對隧道結構軸力和彎矩值的影響不大，即地下結構施工對隧道結構影響較小。

(4)地下水恢復后

在地下水恢復后，模型位移場如圖18所示。

圖18 模型位移場

在地下水恢復后，隧道結構的位移及內力如圖19～圖21所示。

圖19 隧道結構位移圖

圖20 隧道結構軸力圖

圖21 隧道結構彎矩圖

待地下水位恢復后，由于地下水的浮力作用，隧道結構發生了較為顯著的上浮變形，隧道結構的最大位移為19.87mm。同時，由于水壓力作用，最大軸力增大至753.51kN/m，隧道結構的最大彎矩為215.17kN·m/m。由此可見，在地下水恢復后，隧道結構發生了較為顯著的上浮現象，且由于水壓力作用，隧道結構的軸力明顯增加，但對隧道結構的彎矩影響則相對較小。

綜上表明，在基坑開挖、地下結構施工過程中，引發的隧道結構位移相對較小，對隧道結構的內力影響亦相對較小，但當地下結構完成且地下水恢復后，隧道結構將產生較大的上浮，對隧道結構的影響相對較大，且地下水位的回升亦使得隧道結構軸力顯著增大。

3.2 方案二：僅施工隧道區域支護樁，坡底線距外排支護樁12m

該方案同方案一，僅先行開挖部分的放坡坡腳線距離內排樁12m。具體工況分析結果如下：

(1)隧道建成后

在隧道施工完成后，隧道結構的最大軸力為210.15kN/m，最大彎矩為35.37kN·m/m。此時，地下結構支護樁最大位移4.71mm，由此產生的地下結構連板最大彎矩2090kN·m。由此可見，當放坡開挖范圍較大、坡腳線距內排樁距離較大時，地下結構產生的位移均略小于方案一的分析結果。

(2)土方開挖后

基坑開挖引發的隧道結構最大位移7.80mm，此時隧道結構最大軸力439.07kN/m，隧道結構最大彎矩226.92kN·m/m。由此可見，基坑開挖亦引發隧道結構產生一定的位移，并由此導致隧道結構產生一定的附加內力，但對比方案一，隧道結構位移相對較小，其主要原因在于前期土方開挖范圍越廣，坑底隆起變形作用則越弱，鄰近土方開挖影響則越小。

(3)地下結構完成后

待地下結構完成后，隧道結構最大位移6.57mm，最大軸力452.84kN/m，最大彎矩為234.37kN·m/m。同方案一結果類似，在地下結構施工過程中，由于上部結構自重影響，隧道結構將產生向下位移，一定程度上緩解了隧道結構隆起變形。

(4)地下水恢復后

待地下水位恢復后，隧道結構最大位移16.47mm，最大軸力752.59kN/m，最大彎矩204.86kN·m/m。由此可見，地下水恢復后，隧道結構亦發生了較為顯著的上浮現象，且由于水壓力作用，隧道結構軸力明顯增加，但對隧道結構彎矩則相對較小。

因此，在基坑開挖、地下結構施工過程中，引發的隧道結構位移相對較小，對隧道結構內力影響亦相對較小，但相比方案一分析結果，方案二基坑開挖引起的變形相對更小，更有利于隧道結構保護。當地下結構完成且地下水恢復后，隧道結構將產生較大的上浮，對隧道結構影響相對較大，且地下水位回升亦使得隧道結構軸力顯著增大。

3.3 方案三：僅施工隧道區域支護樁及鄰近第二排支護樁，坡底線距第二排支護樁4m

同時施工內、外排樁，系指同時對圖22中虛線框范圍內的地下結構(包括工程中及地下室連板)進行施工，且先行開挖部分坡腳線距離外排樁約4.0m。具體工況分析結果如下：

圖22 分析工況說明

(1)隧道建成后

隧道結構最大軸力215.70kN/m，最大彎矩32.78kN·m/m。在隧道施工完成后，支護樁最大位移4.50mm，地下結構連板最大彎矩2514kN·m。同方案一、二計算結果相比，由于內、外排樁共同作用，地下結構內力及位移相對更小。

(2)土方開挖后

在基坑開挖完成后，隧道結構最大位移5.07mm，略小于方案二結果，最大軸力380.32kN/m，最大彎矩190.44kN·m/m，隧道結構內力亦略小于方案二結果。因此，相比方案一和方案二，方案三在一定程度上減小隧道結構位移及內力。

(3)地下結構完成后

待地下結構完成后，隧道結構最大位移為4.55mm，此時隧道結構的最大軸力為392.82kN/m，最大彎矩為197.60kN·m/m。地下結構的自重亦對隧道結構的隆起變形起一定的緩解作用。

(4)地下水恢復后

待地下水位恢復后，隧道結構最大位移為13.57mm，最大軸力701.52kN/m，最大彎矩172.67kN·m/m。由此可見，在地下水恢復后，隧道結構亦發生了較為顯著的上浮現象，且由于水壓力作用，隧道結構軸力亦明顯增加，但彎矩則相對較小。

綜上計算結果可知，無論是基坑開挖、地下結構施工階段，還是地下水恢復階段，盡管外排樁施工對內排樁的內力產生較大影響，但對隧道結構的變形及內力影響較小。因此，從保護地鐵隧道角度出發，外排樁可暫不考慮施工，留待后期同地下結構一起施工。

4 結論

本文結合具體工程實例，通過對基坑下臥隧道結構保護分析，提出基坑及地下結構相協調的合理施工方案，具體結論如下。

(1)通過提前建造地鐵隧道兩側支護樁及蓋板等地下結構，可較為有效減少對地鐵隧道的影響。

(2)基坑土方開挖卸荷作用，將導致隧道結構發生一定的隆起變形，且隆起變形量受放坡開挖坡腳線距離影響較大。

(3)地下結構建造，將對隧道結構的隆起變形產生一定的反壓作用，可在一定程度上緩解隧道結構的隆起變形。

(4)地下水位恢復，將引發隧道結構發生較為顯著的上浮，故建議待地下結構頂板覆土完成后方可停止降水。