基坑開挖對既有盾構隧道的影響分析

劉鵬飛 董元濱 劉天一 賈德龍 趙旭彤

摘要 文章采用有限元分析軟件，針對某地塊開發項目對盾構隧道結構的影響進行模擬計算，分析基坑開挖過程中基坑支護結構及盾構隧道結構的位移情況，對基坑支護方案可行性進行評價。數值模擬結果表明，基坑開挖過程中隧道結構安全，支護方案合理，為地塊開發近接既有盾構隧道施工風險分析及盾構隧道結構保護提供了一定的參考。

關鍵詞 基坑開挖；盾構隧道；數值模擬；影響分析

中圖分類號 F512；F810.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0049-04

0 引言

地鐵線路多沿市政道路進行敷設，周邊地塊基坑開挖會對鄰近的地鐵隧道產生一定的擾動，這種情況下地鐵盾構隧道原有的受力平衡狀態會被打破從而產生變形，而地鐵項目作為城市基礎設施，承載著一座城市大量的居民出行功能，且由于其建造成本高、工程復雜，對自身的變形要求極為嚴格，一旦發生事故將造成嚴重經濟損失及社會影響。因此，地鐵周邊基坑工程不僅需要控制工程自身風險，更重要的是控制對地鐵盾構隧道帶來的風險。為確保地鐵盾構隧道安全，基坑開挖對既有盾構隧道的影響分析成為值得深入研究的課題[1-3]。

1 概述

1.1 工程概況

某市地塊開發項目總用地面積93 000 m2，西鄰地鐵盾構隧道。擬建項目主要包括1#～8#住宅樓、S1#商業樓及地下車庫。住宅樓地上10～18層，地下2層，樁筏及獨立基礎；商業樓地上2層，地下1層；車庫地下1層，框架結構，獨立基礎，場地地面標高約40.5～42.88 m，基坑開挖深度約7 m。

項目西側地鐵線路已于2019年12月28日開通運營，區間采用盾構法施工，為雙單洞隧道，線間距為13.4～

17 m，區間長度993.331 m；設置一座聯絡通道；隧道埋深為9.01～11.81 m。管片厚度0.3 m，管片外徑6.4 m，采用C50混凝土材料，環寬1.2 m。聯絡通道采用礦山法施工，初支采用C25網噴早強混凝土，厚度0.25 m；二襯采用C40混凝土，厚度0.3 m。

基坑外邊線距右線隧道凈距約14.5～18.4 m；距左線隧道凈距約28.5～32.1 m，地鐵隧道頂標高約28.6～30.80 m，埋深約為9.01～11.81 m。相對位置關系如圖1所示。

1.2 工程地質及水文地質條件

場地位于山前沖洪積平原地貌，勘察期間孔口絕對高程在34.82～39.24 m之間，地勢南高北低。場區地層分別為①黃土狀粉質黏土、②碎石、③粉質黏土、④粉質黏土、⑤碎石、⑥全風化閃長巖。

勘察期間測得地下水穩定水位平均埋深4.18 m，穩定水位標高33.47～34.19 m，平均33.82 m。地下水屬第四系孔隙潛水，主要賦存于第②層碎石、第⑤層碎石及基巖裂隙中。地下水年正常水位升降變化幅度一般在3 m以內。近3～5年最高水位標高約36 m，歷史最高水位標高約36.5 m。建議抗浮設防水位標高36.5 m。

1.3 基坑圍護結構設計

基坑AE段深度約4.55～5.28 m，已經采用懸臂樁支護，支護樁嵌固深度9.52 m，樁徑800 mm，有效樁長13.35 m，樁間距1.2 m，樁頂錨入冠梁50 mm。冠梁頂標高40.50 m，冠梁頂以上土體采用自然放坡開挖，按1∶0.6坡度放坡。下部1.5～2 m采用掛成品鋼絲網，噴面混凝土強度C20，噴面厚度60 mm。

基坑DE段基坑深度約4.73～5.7 m，采用鉆孔灌注樁+擋土墻支護。支護樁嵌固深度9.52 m，樁徑800 mm，有效樁長13.35 m，樁間距1.5 m，后續基坑大幅內縮后，重新采用擋土墻支護，垂直開挖。沿坑底周邊設置300 mm×300 mm的排水盲溝?；娱_挖完成之后，基坑內部架設框架梁并澆筑混凝土板作為臨時生活區?；訃o結構如圖2、圖3所示。

2 模型建立

2.1 計算模型

考慮基坑開挖施工過程的復雜性，采用Midas GTS NX 有限單元法三維建模進行應力分析及變形分析。本構模型采用修正摩爾-庫倫屈服模型，采用板單元模擬隧道管片結構，鉆孔灌注圍護樁、各層樓板等采用板單元建模，樁基采用植入式梁單元。建模過程中，三維基坑模型中地層分界與鉆孔相同，巖土參數如表1所示。土體邊界自基坑外邊線向外擴3～5倍基坑深度，土地深度取至基坑底部2倍鉆孔灌注樁長度，土體建模X方向總長230 m；土體建模Y方向總長150 m；土體建模Z方向總長35 m。由于模型的邊界分別與X、Y軸平行，因此直接設置為Midas默認的地基支承邊界條件，模型底部限制X、Y、Z三個方向位移，模型四周限制法向位移。

計算基坑圍護結構DE支護單元采用型號為800@

1 500的鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉換為厚度為

540 mm的地下連續墻；EA支護單元采用直徑800@1 200

鉆孔灌注樁，利用等剛度原理可轉換為厚度為590 mm的地下連續墻。結構材料屬性如表2所示。

根據設計文件，荷載采用建筑設計單位提供的計算書中上部荷載以基底平均壓力的形式施加于基礎底部。高層住宅基底壓力按369 kPa輸入，商業樓基底壓力按77.4 kPa輸入，車庫范圍按50.3 kPa輸入。隧道及基坑支護結構模型如圖4所示。

2.2 工況設置

①工況1：初始應力場分析。②工況2：隧道開挖。③工況3：基坑圍護結構施工。④工況4：第一步開挖。⑤工況5：第二步開挖。⑥工況6：第三步開挖。⑦工況7：基礎、擋墻、回填土施工。⑧工況8：地塊主體結構施工。

3 數值模擬分析

3.1 基坑水平位移

基坑西側圍護結構有向基坑內移動的趨勢，水平位移隨基坑開挖逐漸增大，最大值為12.2 mm，最大值出現在基坑開挖至坑底的工況中；隨著土體回填及主體結構施工水平位移呈減小趨勢，最終為8.9 mm?；又ёo結構水平位移如圖5所示。

3.2 隧道水平位移

施工過程中隧道水平方向向基坑側位移，隧道水平位移隨開挖呈先逐步增加后逐步減小的趨勢，當基坑開挖至坑底時水平位移最大值為1.58 mm，隨著土體回填及主體結構施工，隧道水平位移減小為1.06 mm。隧道水平位移如圖6所示。

3.3 隧道豎向位移

隧道在基坑開挖卸荷作用下，鄰近基坑的隧道右線產生隆起現象，最大隆起量為0.26 mm；在土體回填及主體結構施工過程中隧道隆起量下降，最終隆起量為0.23 mm。隧道豎向位移如圖7所示。

4 結論

根據數值模擬計算結果，地塊項目施工過程中基坑鄰近盾構隧道一側水平位移最大值為10.9 mm。隧道最大隆起量0.26 mm，最大水平位移1.58 mm，滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202—2013）[4]相關要求。綜合分析，認為該地塊開發項目對既有隧道影響較小，基坑支護方案合理可行，施工過程中仍需加強監測，進行信息化施工。

該文通過運用有限元分析方法，建立了既有盾構隧道—基坑結構整體分析模型，研究了基坑開挖對既有盾構隧道的影響，確保了既有盾構隧道結構安全，為地塊開發近接既有盾構隧道施工風險分析及盾構隧道結構保護提供了一定的參考。

參考文獻

[1]朱春柏， 錢棟棟， 余忠祥， 等. 考慮空間效應的基坑開挖對鄰近隧道影響分析[J]. 地下空間與工程學報， 2023

（5）： 1471-1477.

[2]馬勤， 張玉山. 深基坑開挖誘發鄰近運營地鐵隧道變形響應特征研究[J]. 地基處理， 2023（5）： 434-443.

[3]陳仁朋， 高天惠， 吳懷娜， 等. 旁側基坑開挖對超大直徑盾構隧道變形影響分析[J]. 湖南大學學報（自然科學版）， 2023（9）： 230-240.

[4]城市軌道交通結構安全保護技術規范： CJJ/T202—2013[S]. 北京： 中國建筑工業出版社， 2013.