軟土地區深基坑開挖對緊鄰既有隧道的影響分析及控制措施

梁霄LIANG Xiao

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海 200092）

0 引言

隨著社會經濟、城市現代化建設的快速發展，城市核心區地下交通基礎設施也不斷完善，越來越多的深基坑工程鄰近既有隧道開挖建設?，F有研究多針對軌道交通區間盾構隧道，在區間隧道上方或側方進行深基坑開挖，研究基坑開挖卸載對區間隧道的影響及控制措施等[1-3]，但針對既有道路隧道箱涵結構、深基坑緊貼既有隧道開挖的案例相對較少。

本文以上海地區一個緊貼既有道路隧道的設計坑工程為背景，采用修正Mohr-Coulomb 彈塑性模型、整體有限元方案對基坑開挖過程進行動態模擬，分析基坑開挖對既有隧道的影響。

1 工程概況

本文依托項目為新建路隧道唐山路匝道改建工程，對原唐山路匝道進行改造，匝道改造后平行于新建路隧道主線向北轉向東余杭路并接地。（圖1）

圖1 改建匝道與新建路隧道主線相互關系平面圖

圖2 改建匝道與新建路隧道主線的相對關系剖面圖

根據改建匝道的工程籌劃，改建匝道分區2 開挖范圍，改建匝道與既有新建路隧道主線平行，兩者結構凈距最小處僅1.65m，改建匝道基坑深度約11m。既有新建路隧道主線為單層多孔箱涵結構，其圍護采用SMW 工法樁、且型鋼已拔除，隧道主線結構為天然地基形式、結構下方無工程樁。

2 緊鄰既有隧道深基坑變形控制設計

考慮兩者之間距離近、空間狹小，如何控制開挖基坑的變形以及減小其引起的既有新建路隧道側向位移、變形和沉降，確保改建匝道基坑和既有新建路隧道的安全至關重要。

2.1 基坑變形控制標準

根據上海市市政行業標準《城市橋梁、隧道安全保護區區域技術標準》[4]和相關管理單位的要求，本工程對既有新建路隧道結構產生的絕對沉降量及水平位移量均≤10mm。

2.2 基坑圍護方案設計

2.2.1 圍護設計選型 改建匝道分區2 的基坑深度約10～11m，根據上海地區多年來軟土地下工程建設的實踐經驗，以及本工程的水文地質條件，可采用的圍護型式有地下連續墻、鉆孔灌注樁和SMW 工法樁。

在緊鄰既有隧道的一側采用成孔擾動小、成孔質量好、剛度大的鉆孔咬合樁；在基坑的另一側采用適應性好、更加經濟的SMW 工法樁。

表1 圍護結構選型對比表

2.2.2 支撐體系設計 為控制基坑變形對緊鄰既有隧道的影響，結合基坑深度，豎向設置三道內支撐，其中首道撐為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。在主體結構回筑、拆撐過程中，設置1 道鋼換撐控制支撐的豎向間距，以減小圍護結構的變形。

為盡可能減小基坑開挖過程中圍護結構的側向變形，降低對既有隧道的影響，鋼支撐采用軸力自動補償系統。該系統可以實時對鋼支撐軸力進行監測，并根據監測值及時自動補償支撐軸力，可控制伺服鋼支撐的軸力又同時保證圍護結構的位移穩定，達到控制基坑支護系統變形的目的，對鄰近周邊敏感環境起到主動控制防護作用[5-6]。

2.2.3 坑內土體加固 為提高坑內被動區土體抗力，控制基坑變形，坑底采用裙邊加固和抽條加固相結合的方式，其中抽條加固在緊鄰既有新建路隧道范圍進行加密。加固均采用三軸攪拌樁，水泥摻入量不小于20%。

綜上，保護既有隧道的針對性措施為增大圍護結構剛度（咬合樁增大樁徑、工法樁型鋼密插）、坑底裙邊和抽條加固、鋼支撐設置軸力自動補償系統，圍護結構設計斷面如圖3 所示。

圖3 緊鄰既有隧道范圍的改建匝道基坑圍護設計剖面圖

圖4 三維有限元模型

3 基坑開挖對既有隧道影響的三維數值模擬

為分析基坑施工對緊鄰既有新建路隧道的影響，并驗證上述基坑變形控制措施的效果，采用大型有限元分析軟件Midas GTS 進行三維數值模型精細化模擬，以預測分析基坑開挖過程中的變形及對既有隧道的影響情況。

選取距離既有新建路隧道最近且影響最大的分區2進行三維建模，對于既有新建路隧道，在模型中作一定的簡化：即選取與改建匝道距離最近處的主線結構斷面（單層雙孔箱涵結構）作為標準斷面進行建模。

3.1 三維有限元模型

考慮工程的影響范圍、模型尺寸的邊界效應以及基坑平面尺寸、開挖深度、地質條件、圍護樁深度、既有隧道尺寸和埋深等，確定數值模型尺寸為210×140×50m（即x、y、z方向）。模型網格劃分共得到88424 個單元、62298 個節點。

為方便建模，將鉆孔咬合樁、SMW 工法樁按照剛度等效原則，等效為與之受力形式相近、一定厚度的地下連續墻[7]。

模型中土層采用3D 實體單元，圍護結構、既有隧道結構均采用2D 板單元，頂圈梁、腰梁、混凝土支撐和鋼支撐均采用1D 梁單元模擬。

基坑模型的邊界條件：模型四周及底面均設置自動約束，即約束基坑四周和底部節點的平移自由度；模型頂部為自由面，不設置約束；單元設置自重荷載，基坑周邊地表設置超載。

3.2 材料本構及計算參數

對于圍護結構、混凝土支撐、鋼支撐、頂圈梁和腰梁、既有隧道結構等的本構關系按照各向同性線彈性考慮，其計算參數如表2 所示。

表2 材料物理力學參數

修正摩爾-庫侖本構模型（即HS 模型）是常用于基坑開挖數值分析的模型之一，適用于基坑開挖全過程中對周邊敏感環境進行分析[8]，故模型中土層選用HS 本構模型，相關參數如表3 所示。

表3 土層本構模型計算參數

3.3 施工工況模擬

Midas GTS 有限元軟件通過“激活與鈍化”單元來模擬整個施工過程，具體施工工況定義如表4。

表4 施工工況定義

4 三維有限元計算結果分析

4.1 計算結果分析

在采取2.2 節中相關設計措施后，基坑開挖完成后圍護結構水平向變形（向遠離既有隧道側為正）如圖5。

圖5 基坑開挖完成后圍護結構水平變形

圍護結構鄰近既有隧道側水平變形最大值為9.23mm，遠離既有隧道側水平變形最大值為-14.37mm，兩者的差異是由于既有隧道（箱涵結構）替代了原有土層，基坑開挖后鄰近既有隧道側的水土壓力相對偏小、基坑整體向既有隧道側擠壓。

基坑開挖完成后既有新建路隧道的變形（豎向變形向上為正、水平向變形向基坑側為正）如圖6 所示。

圖6 基坑開挖完成后既有新建路隧道變形圖

從圖6 可以看到，基坑開挖完成后既有新建路隧道的最大豎向沉降為8.65mm，最大水平向變形為5.14mm，滿足其變形控制保護要求，說明本文采取的相應保護性設計措施是合理有效的。

既有隧道中部且靠近基坑側的豎向沉降相比其他區域較小、為3mm，主要是由于基坑開挖卸載后坑底隆起，尤其對于窄條基坑隆起現象更為明顯[9]，故靠近基坑位置的豎向沉降反而偏小。既有隧道中部且靠近基坑側的水平向位移最大，主要受基坑開挖后圍護結構水平向變形的影響。

為探討本文采取的主要既有隧道保護設計措施分別對控制既有隧道變形的作用貢獻大?。捍胧僭龃髧o結構剛度、措施②坑底裙邊和抽條加固、措施③鋼支撐軸力自動補償系統，對是否考慮該設計措施分別計算，得到的主要計算結果如下：圍護結構水平變形（向基坑內為正）、既有隧道豎向沉降和水平變形。

從表5 可以看到，對圍護結構水平變形、既有隧道水平變形控制作用較大的為措施②，措施③對兩者水平變形的控制較為明顯，措施①的作用相對較??；對既有隧道豎向沉降控制作用較大的亦為措施②、措施③的作用此致，但措施①的作用為負相關。

表5 不同保護設計措施作用下計算結果對比表

考慮到基坑底灰色淤泥質黏土層，該層土壓縮性高、強度低、土質差，圍護結構的水平變形集中在坑底范圍，同時既有隧道底板豎向標高與基坑底接近，故措施②對基坑圍護結構和既有隧道水平向變形的控制作用大于措施③，措施②對既有隧道豎向沉降的作用更明顯（通過控制基坑內坑底土隆起）；由于既有隧道緊鄰基坑，基坑圍護結構的施作相比原始狀態為增加荷載，圍護結構剛度越大相應荷載越大，故措施①導致既有隧道豎向沉降增大。

4.2 參數分析

為進一步分析本文采取的既有隧道保護設計措施對控制基坑圍護結構變形、既有隧道變形的作用，采用單一因素控制法進行分析。

①針對基坑底加固，分別采用抽條加固、裙邊加固、抽條+裙邊加固和滿堂加固的型式，基坑圍護結構和既有隧道的變形如圖7。

圖7 不同坑底加固類型下圍護結構和既有隧道變形量

從圖7 中可以看到，整體呈現出坑底加固量越大、圍護結構和既有隧道變形越小的趨勢，裙邊加固相比抽條加固對兩者變形控制的作用更為明顯。

對于裙邊加固、裙邊+抽條加固和滿堂加固，對既有既有隧道豎向沉降的控制，三者的作用差異較??；對于水平向變形的控制，三者的作用大小基本呈線性增加。針對本工程，同時考慮經濟因素，坑底采用裙邊+抽條加固較為適宜。

②有限元模擬中鋼支撐軸力自動補償系統的加載主要通過施加一恒定力來模擬伺服軸力[1～3]，在不同伺服系統布置型式和軸力設定值作用下，基坑圍護結構和既有隧道的變形如圖8。

圖8 不同伺服系統工況下圍護結構和既有隧道變形圖

從圖8 中可以看出，圍護結構水平向變形和既有隧道水平變形隨著伺服系統數量或軸力設定值的增加而減小、隨著伺服系統布置位置更靠近坑底而減??；伺服系統軸力和布置型式對遠離隧道側圍護結構變形的控制作用更明顯，分析原因是緊鄰既有隧道剛度相比土體更大，伺服系統對鄰近隧道側圍護結構以及既有隧道的水平變形的調節作用相對更弱。

伺服系統的軸力設定值和布置型式對既有隧道豎向沉降基本無影響。

③圍護結構在模型中等效為地墻后，其剛度主要反映在墻厚中，不同墻厚對應的基坑圍護結構和既有隧道的變形如圖9。

圖9 不同圍護剛度下圍護結構和既有隧道變形圖

從圖9 中可以看出，增大圍護結構剛度對其自身水平變形的控制作用較大，對控制既有隧道水平變形的作用相對較??；增大圍護結構剛度，導致既有隧道豎向沉降（尤其是鄰近基坑側）增加。

5 結論與討論

基于本工程既有隧道和開挖基坑的相對關系的特點，通過三維有限元數值模擬基坑開挖過程對緊鄰既有隧道的影響規律，主要結論如下。

①為控制改建匝道基坑開挖對緊鄰既有隧道的影響，本文采取的保護設計措施經有限元分析驗證是有效可行的；②緊鄰既有隧道基坑開挖，基坑整體變形特征為向既有隧道側擠壓；既有隧道中部且鄰近及肯側的水平變形最大；受窄條基坑隆起的影響，既有隧道靠近基坑位置的豎向沉降更??；③坑底加固對控制基坑圍護結構和既有隧道變形的作用最大、鋼支撐軸力自動補償系統的作用次之、增大圍護結構剛度作用最小，且增大圍護結構剛度不利于既有隧道沉降的控制；④裙邊加固形式對基坑圍護結構和既有隧道變形的控制作用優于抽條加固形式；鋼支撐軸力系統的布置對水平向變形的控制更有效，對既有隧道豎向沉降基本無影響；單純增大圍護結構的剛度對控制既有隧道水平變形作用不明顯，且不利于既有隧道沉降的控制。

如更有效的控制既有隧道豎向沉降，考慮通過隧道底板下方注漿加固的方式，施工過程中加強對既有隧道的監測，根據監測情況在隧道內部底板上鉆孔注漿加固作為應急針對性措施。