基坑分區(qū)開挖對隧道的影響

沈銀斌，陳賀欣，吳迎雷

（1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230051；2.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038；3.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

新的地下交通結(jié)構在建設過程中因基坑開挖可能會對鄰近既有地鐵結(jié)構產(chǎn)生影響，嚴重情況下會威脅地鐵結(jié)構的正常使用，因此必須分析基坑開挖對隧道的影響。張嬌等[1]，張治國等[2]，郭鵬飛等[3]ZHU[4]，褚峰等[5]，朱峰[6]，沈雯等[7]分別從不同角度分析基坑分區(qū)開挖對隧道的影響。本文通過數(shù)值模擬方法，分析采用不同的基坑開挖方式對臨近地鐵隧道的影響。

1 工程概況

懷寧路下穿天鵝湖隧道位于合肥市政務區(qū)核心區(qū)域，起自南二環(huán)以南，自桐文路交口降坡，下穿天鵝湖路及天鵝湖湖體，在距離祁門路80米處斜上穿接地，終于懷寧路與祁門路交口，隧道全長685 m,其中暗埋段447 m，敞開段238 m。懷寧路總體呈南北走向，向北可達北二環(huán)路，向南接經(jīng)開區(qū)。上跨呈東西走向的地鐵3號線祁門路站～大劇院站區(qū)間，該穿湖公路隧道為雙向6車道的三跨矩形鋼筋混凝土箱型結(jié)構。

該基坑工程涉及3號線祁門路站～大劇院站區(qū)間，沿穿湖隧道走向延伸。此次涉軌段基坑長80 m，寬32.1 m，見圖2所示。

圖1 工程項目位置平面圖

圖2 基坑平面及分區(qū)圖（單位：m）

場地土層主要涉及①填土層②粉質(zhì)黏土層③強風化泥質(zhì)砂巖④中風化泥質(zhì)砂巖。地下水類型為上層滯水和潛水。分別分布于填土層與砂巖上部與粉質(zhì)黏土交界處。

2 基坑分區(qū)開挖及圍護方案

本次研究的是天鵝湖隧道上跨合肥軌道交通3號線祁門路站～大劇院站區(qū)間隧道的部分，里程樁號為K0+340～K0+420，該段公路隧道縱坡坡率4.55%，結(jié)構形式主要為兩種，K0+340～K0+371.5范圍為敞口型U型槽，K0+371.5～K0+420為暗埋段雙跨單層箱型結(jié)構，結(jié)構底板埋深 6.93～11.28 m，該隧道采用明挖順作法施工。

由于祁大地鐵區(qū)間與基坑的豎向投影凈距為6.2 m，根據(jù)有關軌道交通嚴格控制區(qū)和影響控制區(qū)范圍的規(guī)定，該工程影響為強烈影響區(qū)，外部作業(yè)影響等級為特級。

3 基坑施工的數(shù)值模擬

3.1 修正摩爾-庫倫本構及材料參數(shù)

本文使用MIDAS GTS NX軟件對基坑施工過程進行三維建模分析。土體采用修正摩爾庫倫本構（Modified-Mohr-Coulomb）模型[8-9]，該本構是對摩爾庫倫（Mohr-Coulomb）模型的改進，解決了地面隆起變形和坑道底部土體隆起偏大的情況，能夠較合理地描述地層的變化問題。模型通過分別定義加載彈性模量和卸載彈性模量，來優(yōu)化因開挖（移除荷載）導致的地面隆起現(xiàn)象。

在地勘報告提供的參數(shù)基礎上，結(jié)合合肥地區(qū)的經(jīng)驗值，以及數(shù)值模擬結(jié)果與基坑開挖的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，進行反分析獲得土體計算參數(shù)，見表1所列。

土體物理力學參數(shù)表 表1

圖3 基坑圍護縱斷圖

因盾構隧道錯縫拼裝，管片之間采用螺栓連接，模型中需考慮因接頭存在引起的整體圓環(huán)剛度減弱，通過對橫向剛度有效率進行折減來等效。取橫向剛度有效率為0.8，襯砌隧道直徑6 m，管片厚度0.3 m,采用C50混凝土，彈性模量3.45×104MPa。

3.2 有限元模型及工況設置

本模型尺寸為160 m×93.3 m×40 m，共有293009個網(wǎng)格單元，土層采用四面體網(wǎng)格，三維網(wǎng)格劃分詳見圖4。

圖4 三維模型劃分示意圖

本模型主要模擬了3個施工方案。對比分析不同的基坑開挖方式對地鐵隧道的影響。具體方案見表2所列。

圖5 區(qū)間與隧道的相對位置圖

施工模擬初步方案 表2

方案2分區(qū)方式為是1區(qū)（Ⅰ），2區(qū)（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），3區(qū)（Ⅵ）。

3.3 結(jié)構安全控制標準

在滿足《城市軌道交通結(jié)構安全保護技術規(guī)范》的基礎上，充分考慮后續(xù)存在的其他外部作業(yè)可能對該段區(qū)間結(jié)構的影響，對本工程基坑開挖制定了該范圍結(jié)構安全位移控制標準。

結(jié)構安全控制值 表3

4 模擬結(jié)果分析

4.1 整體大基坑分層開挖

監(jiān)測點沿地鐵結(jié)構的走向分布，從西向東依次排序，從西向東視圖見圖6所示。

圖6 地鐵區(qū)間監(jiān)測點分布圖

由圖7和圖8數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，采用大基坑開挖產(chǎn)生的豎向位移和橫向位移都比較大，沿區(qū)間走向呈正態(tài)分布。最大值未發(fā)生在監(jiān)測點位置，模擬結(jié)果得到左線豎向位移最大值16.84mm，右線豎向位移最大值17.44mm，均已超過目標控制值（11.5 mm）。豎向位移最終值右線8.95 mm，左線7.42 mm（均超過預警值6.9 mm）；產(chǎn)生的水平位移左線最大值3.37 mm（已超出預警值3 mm），右線最大值-2.81 mm。區(qū)間結(jié)構兩側(cè)產(chǎn)生徑向收斂變形,越靠近基坑，收斂變形越大。

圖7 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置豎向位移曲線

圖8 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置水平位移曲線

4.2 分區(qū)開挖（3基坑）

與方案1數(shù)據(jù)結(jié)果對比，變形規(guī)律相似；豎向位移減小，但最大值依舊超出目標控制值（11.5 mm），豎向位移最大值降低了22.5%，減少了3.92 mm，左線左側(cè)和右線右側(cè)的水平位移增大，但幅度不大，左線右側(cè)和右線左側(cè)水平位移值減小。

圖9 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置豎向位移曲線

圖10 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置水平位移曲線

4.3 分區(qū)開挖（6基坑）

采用（6基坑）開挖方式，區(qū)間結(jié)構的位移變形顯著降低，箱型隧道結(jié)構的及時修筑及回填，很大程度上及時抑制了地鐵結(jié)構的位移變形。

圖11 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置豎向位移曲線

圖12 沿地鐵區(qū)間走向各監(jiān)測點位置水平位移曲線

區(qū)間左線豎向位移最大值7.56 mm，右線豎向位移最大值8.90mm（均已超出預警值6.9mm）。左線最終值7.10mm，右線 7.18mm。與方案 1 對比，豎向位移最大值降低了49.0%，減少了8.54 mm，水平位移處于安全范圍，減少了1.67 mm。因此，對比3種基坑開挖方式結(jié)果，方案3是最佳的基坑開挖方式。

5 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析基坑的不同開挖方式對下臥既有隧道結(jié)構的影響。并得到以下結(jié)論：

①基坑分區(qū)開挖，以及隧道結(jié)構的及時修筑和回填，能夠有效限制地鐵隧道結(jié)構的隆起變形；

②與大基坑開挖后再修筑隧道結(jié)構方案相比，采用3基坑分區(qū)開挖，邊回筑公路隧道結(jié)構豎向位移降低22.5%，采用6基坑分區(qū)分層開挖，及時修筑隧道結(jié)構和回填，豎向隆起變形降低了49.0%，能夠很大程度降低因基坑開挖豎向卸荷造成的隆起變形，也是深大基坑更加合理的開挖方式。