軟土地區(qū)基坑施工對鄰近盾構隧道的影響分析

許冠，趙豫鄂，成怡沖

（浙江華展工程研究設計院有限公司，浙江 寧波 315012）

1 引言

隨著城市軌道交通建設及地下空間開發(fā)的不斷推進，鄰近已建盾構隧道進行基坑施工的情況越來越多。盾構隧道是城市的生命線，而其對于外部作業(yè)導致的土體變形又十分敏感，這使得旁側基坑工程的建設難度增大，對基坑施工導致的自身及隧道的變形控制提出了更高的要求。

從基坑設計角度看，目前主要的變形控制措施：一是提高支護結構的綜合剛度【1，2】，包括增加圍護墻厚度和長度、坑內外土體加固等；二是充分利用基坑變形的時空效應【3】，包括分區(qū)分塊開挖和減小基坑無支撐無墊層暴露時間等。當然，以上措施的施加必然導致基坑工程費用的增加，針對不同的基坑工程項目應根據(jù)類似工程經(jīng)驗及模擬計算結果合理選擇變形控制措施并優(yōu)化設計，以達到安全性與經(jīng)濟性的平衡。

本文主要針對軟土地區(qū)緊鄰盾構隧道的某基坑工程項目，建立三維有限元數(shù)值模型，并通過計算結果優(yōu)化基坑設計，以輔助該項目安全順利實施，并可為類似工程提供參考。

2 工程概況

工程位于寧波市海曙區(qū)中山路與機場路交叉段東南側，東側為規(guī)劃道路，南側為西塘河，西側為機場路，北側為中山路。項目下設1 層地下室，基坑面積約10 360m2，基坑延長米約451m，開挖深度為6.8m?；又ёo形式采用鉆孔灌注樁結合一道混凝土支撐的形式，基坑平面支護體系采用對撐+角撐的體系?；颖眰戎猩铰废聻閷幉ㄊ熊壍澜煌? 號線澤民站—望春站之間的盾構區(qū)間。區(qū)間隧道外徑為6.2m，壁厚350mm，隧道中心距為13.2m。該區(qū)間隧道在基坑開挖范圍內，隧道的頂埋深為-9.5m。寧波軌道交通1 號線已經(jīng)運營，區(qū)間隧道的變形關系到社會的公共安全，因此，該區(qū)間隧道為本工程基坑施工階段重點保護的對象。由于工程場地淤泥質軟土層厚度超過20m，基坑及鄰近隧道的變形控制難度極大。

為控制基坑北側1 號線區(qū)間隧道變形，基坑圍護結構采取了以下加固措施：（1）基坑內采用分隔樁把基坑分成南北2塊，用水泥攪拌樁把南北2 塊基坑再進行細分，采用大基坑小開挖的方式，進行分區(qū)分塊的開挖施工；（2）北側基坑土體加固，水泥攪拌樁深度為支撐底至坑底以下3m；南側基坑14m 范圍內進行土體加固，加固深度為坑底至坑底以下3m；（3）加強支護結構剛度，基坑北側支護樁采用φ800mm@1 000mm 鉆孔灌注樁，樁長加長至進入5-1層黏土層不小于2.5m。

3 有限元模型

3.1 基本假定

借助MIDAS/NX 有限元計算程序，對基坑開挖各施工工況進行模擬，以分析支護結構與土體在各個工況下的變形情況。計算中做了如下假定：

1）土層及圍護體為連續(xù)、均質、各向同性的材料；

2）土體為彈塑性材料，采用HS 模型模擬；

3）支護結構及隧道襯砌均為線彈性材料；

4）初始應力僅考慮土體自重，忽略構造應力。

3.2 模型的建立

根據(jù)已有的經(jīng)驗以及相關的研究成果，基坑分析范圍邊線距離基坑邊的距離為3H～5H（H 為基坑開挖深度）。在上述前提下，結合本項目基坑周邊的環(huán)境情況，確定了三維數(shù)值模擬分析的對象尺寸。模型底邊界約束水平和豎直方向位移，左右側邊約束水平位移，頂部邊界自由。原方案三維有限元模型見圖1。

圖1 原方案的三維有限元模型

4 模擬分析及設計優(yōu)化

由圖2 可知，基坑施工引起區(qū)間隧道產(chǎn)生向基坑方向的水平位移及沉降，以水平位移為主。區(qū)間隧道水平位移最大值出現(xiàn)在工況16 北側基坑拆除支撐時，最大值為7.5mm；區(qū)間隧道沉降最大值出現(xiàn)在工況14 北側基坑開挖至坑底時，最大值為-1.7mm；區(qū)間隧道變形總位移出現(xiàn)在工況16 北側基坑拆除支撐時，最大值為7.6mm，較接近隧道結構的變形控制指標【4】。

圖2 區(qū)間隧道位移最大值變化趨勢

由圖3 區(qū)間隧道位移最大值及增量變化趨勢可知，隧道水平位移和沉降在工況12 南側中部基坑開挖中出現(xiàn)突增。究其原因，南側中部基坑開挖面積1 890m2，沿基坑邊寬度為66.5m，大體量土方一次性開挖對區(qū)間隧道影響較大。

圖3 區(qū)間隧道位移最大值增量變化趨勢

基于以上結果并基于專家論證意見，對原方案進行如下調整：

1）基坑北側（臨近區(qū)間隧道區(qū)域）支護樁改為600mm 厚地下連續(xù)墻，樁長21.5～24.5m；

2）基坑北側支撐體系采用內桁架的支撐形式，并減少支撐間距；

3）臨近區(qū)間隧道的北側基坑增加為4 個開挖分區(qū)，以減小原南側中部基坑開挖土方量。

模型調整后，區(qū)間隧道水平位移最大值為6.3mm，比調整前減小16.0%；區(qū)間隧道豎向位移最大值為-1.3mm，比調整前減小23.5%?；娱_挖對鄰近隧道的變形顯著減小。

5 結語

本文基于某軟土地區(qū)基坑工程設計方案，就基坑開挖對鄰近軌道交通區(qū)間隧道的影響進行評估并提出了改進意見。結果表明，隨著基坑開挖的進行，軌道交通區(qū)間隧道水平位移與沉降最大值逐漸增大；南側中部基坑土體開挖時，區(qū)間隧道變形增量較大，通過重新規(guī)劃土體分區(qū)面積并增加圍護墻剛度與減小支撐間距，可進一步減小基坑施工對鄰近隧道的影響。分析結果可為今后類似工程的設計、施工以及軌道交通區(qū)間隧道保護的相關決策做參考。