基坑開挖對鄰近既有隧道變形的影響

李順群，馬偉亮，葉茂松，黃雄飛，張 彥

(1.天津城建大學 a.土木工程學院，b.天津市軟土特性與工程環(huán)境重點實驗室，天津 300384；2.安徽水安建設集團股份有限公司，安徽 合肥 230601)

隨著城市建設的迅速發(fā)展，地下空間的利用日漸增多，越來越多的基坑工程在既有隧道周邊進行施工。雖然基坑工程不斷加強支護結構，但是，無論何種支護結構都避免不了對周邊土體的擾動，使周邊土體應力場發(fā)生改變?；娱_挖對周圍土體產生卸荷作用，坑底土體產生回彈變形，坑外土體會因內外水土壓力差的作用而向坑內方向偏移，進而導致鄰近隧道產生附加應力和變形。國內外一些大城市都發(fā)生過因基坑工程施工而引起的地鐵隧道砌筑開裂、道床板脫落等事故，嚴重威脅列車行車安全，因此研究基坑開挖對隧道的影響，并作出預測和評估，是一個亟待解決的問題[1-3]。

國內外學者結合工程的數值模擬進行分析[4-8]，還有學者采用理論計算和模型試驗等方法進行研究[9-12]，這些方法都需要對實際的工程進行大量簡化，因此對實際工程計算的精度比較低，且通過數值模擬和實測結果結合研究和基坑開挖對隧道影響的規(guī)律性研究較少。

本文中以合肥大學城深基坑項目為背景，通過小應變硬化模型(HSS)進行模擬計算，并結合鄰近地鐵隧道的土體三維應力、隧道變形的監(jiān)測結果，分析基坑開挖對鄰近隧道的影響；通過對坑外16個位置的隧道進行模擬計算，分析不同位置隧道的變形規(guī)律，從而為其他相似基坑工程提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

合肥大學城地下空間的東廣場工程場地位于合肥地鐵3號線繁華大道到大學城北段的西側，基坑的占地面積為35 564.3 m2，東西向長度為314.7 m，西側南北向長度為100.6 m，東側南北向長度為185 m。地下二層結構段開挖深度為13.77～16.6 m，地下一層結構段開挖深度為8.8～11.6 m，坑中坑段長度為4.8 m。具體情況如圖1所示。

圖1 合肥大學城地下空間東廣場工程基坑與隧道位置

基坑在鄰近隧道側采用D1000@1600鉆孔灌注樁和D900@600懸臂式鉆孔灌注樁加2道混凝土內支撐進行圍護，樁嵌入基底深度為8 m，混凝土內支撐尺寸為1 000 mm×800 mm(長度×寬度)，間距為4 m。綜合考慮基坑開挖深度和支護結構破壞、土體失穩(wěn)或變形過大對基坑周邊環(huán)境及地下結構施工影響的嚴重性，設置基坑支護安全等級為一級。

本工程場地東側南北向有一條現狀道路，施工前需鑿除；現狀翡翠路下有已建地鐵區(qū)間隧道，距離主體結構邊線約15.4 m，隧道埋深為15 m。

1.2 水文地質條件

經勘查，本工程場地宏觀地貌單元屬江淮丘陵，微地貌熟崗地，擬建工程場地現為城市景觀綠地，場地地形總體呈東西高、中部低。基坑深度范圍內的土層主要為素填土(厚度為1.0～2.5 m)、粉質黏土(厚度為2.5～17.5 m)、黏土(厚度為17.5～20.5 m)、強風化泥質砂巖層。地下水位為-20 m左右，為弱潛水，主要接受大氣降水補給。地下潛水水位隨季節(jié)變化有0.50 m左右的升降幅度。抗浮水位為整平標高下0.50 m。由于本基坑基本位于黏土層中，因此場地土層滲透系數小。對于基坑降水，坑內采用明溝排水，坑頂不設置截水溝，直接將水排入基坑后抽排，雨水季節(jié)加大抽排量。

1.3 應力和位移監(jiān)測點位置

在基坑施工全過程對地鐵上行線隧道18個剖切面和下行線隧道31個剖切面進行監(jiān)測，每個剖切面布置上、下、左、右共4個應力和位移監(jiān)測點,測點編號分別為1#、2#、3#、4#，如圖2所示。

本文中采用天津城建大學和天津三為科技有限公司開發(fā)的三維土壓力盒[13]進行監(jiān)測。該傳感器由基座和7個常規(guī)一維土壓力盒組成，每個常規(guī)土壓力盒為一個測試單元，根據7個測試單元中任意6個的測試數據可以計算出測點位置的三維應力狀態(tài)。三維土壓力盒具有固定的三維坐標方向，在埋設時將三維土壓力盒的x軸沿著翡翠路平行基坑方向，y軸沿著水平指向基坑方向，z軸豎直向上。

本工程共設置12個三維土壓力盒，分別埋在12個位置進行監(jiān)測，所有的三維土壓力盒均布置在基坑和隧道之間深度為7.5、15.0 m的位置，且沿東西和南北2個方向等間距布置。如圖2所示，1-1和1-2孔洞位于中軸線位置，3-1和3-2位于基坑南側邊緣位置。其中，b-b剖面共布置4個土壓力盒，分別對應5#、6#、7#、8#測點。三維土壓力測試現場布置如圖3所示。

圖3 三維土壓力測試現場布置

2 數值分析

2.1 計算模型簡化

考慮到模型計算效率、基坑和隧道位置的影響因素，計算選取b-b剖面(2-1和2-2鉆孔所在斷面)進行分析研究。計算模型簡圖如圖4所示。

圖4 計算模型簡圖(單位：m)

基坑開挖深度為16 m，開挖寬度為80 m，考慮模型的對稱性，取1/2基坑尺寸進行建模?；油馊∷椒较蜷L度為160 m，約為10倍開挖深度，坑底以下取深度為48 m，約為3倍開挖深度，基本可以消除邊界效應。模型采用15節(jié)點單元，單元個數為2 846，節(jié)點個數為23 170。模型底面設置全位移約束，側向約束法向位移。建模時將內支撐通過等面積法等效為錨桿進行計算，將灌注樁按等剛度法等效為連續(xù)墻，其中鉆孔灌注樁等 效為厚度為0.72 m的連續(xù)墻，懸臂式鉆孔灌注樁等效為厚度為0.69 m的連續(xù)墻，地下連續(xù)墻采用Plate單元進行模擬。

2.2 模型參數選取

表1 合肥大學城地下空間東廣場工程各土層物理性質

地下連續(xù)墻和混凝土內支撐的彈性模量取值為3×107kN/m，泊松比取值為0.2。等效厚度為0.72 m的連續(xù)墻抗彎剛度取值為9.3×104kN/m，抗壓剛度取值為2.16×107kN/m；厚度為0.69 m的連續(xù)墻抗彎剛度取值為8.2×104kN/m，抗壓剛度取值為2.07×107kN/m，內支撐抗壓剛度取值為2.4×107kN/m。

2.3 模擬過程

本基坑工程使用順做法進行施工，根據工程安排和實際施工情況進行模型中工況的設定。首先計算模型初始地應力，使其達到平衡狀態(tài)之后，進行模擬隧道開挖，然后進行圍護樁的施工，最后進行基坑開挖和內支撐的構筑。由于本文中只考慮基坑施工對隧道位移的影響，因此將隧道施工產生的位移清零，再進行之后的工況計算。模型采用6個工況進行模擬計算，具體工況如表2所示。

表2 計算工況

3 基坑開挖對鄰近隧道影響

3.1 鄰近隧道側土體三維應力分析

根據三維土壓力盒的埋設方位，設σy為水平且垂直基坑方向的應力，σx為水平且平行基坑方向的應力，σz為豎直方向的應力。因為工程現場只在回填和第3次開挖期間(工況6、7)進行三維土壓力的監(jiān)測，所以，根據文獻[19]，可以依據三維土壓力盒測試結果計算出三維應力狀態(tài)。由于剪切應力較小，因此本文中只考慮3個方向的正應力。

在2020年12月3日—2021年1月22日對基坑工程進行50 d監(jiān)測。12月3日開始監(jiān)測時第1道混凝土支撐已經構筑完成，土體已經開挖至16 m；12月3—11日進行回填土體(回填至第2道混凝土支撐)；12月12—20日進行構筑混凝土支撐；12月21日開始進行第3次土體的開挖，到12月31日完成。

本文中主要對7#測點位置(與基坑邊緣距離為5 m，深度為15 m)的監(jiān)測結果(圖5(a))進行分析。由圖可以看出：水平方向的應力σx與σy大小基本相等，豎直方向的應力σz最大，且在基坑回填期間應力仍在增大，土體表現為加載；在第3次開挖期間應力緩慢減小，土體表現為卸荷；在基坑開挖結束時，坑外土體應力基本穩(wěn)定為最終狀態(tài)。3個方向應力的變化趨勢和數值與模擬計算結果(圖5(b))基本吻合，證明考慮小應變特性的本構模型可以很好地反映土體情況，同時也說明本模型參數準確、可靠。根據模型計算結果可以看出，基坑開挖期間坑外土體在豎向和水平向均存在卸荷，但水平向的卸荷量大于豎向的。第2、3次基坑開挖深度一致，但在第2次開挖的土體卸載量遠大于第3次開挖的，主要原因是第3次基坑開挖比第2次時多了一道連續(xù)墻，因此第3次開挖對坑外土體的擾動程度遠小于第2次開挖的，也說明了第2道圍護結構和第2道內支撐的有效性。

第2次開挖基坑為主要階段，對周圍土體影響最大，根據不同位置應力σy(圖6)看出，坑外不同位置的土體第2次開挖期間卸荷量均最大，在第2次開挖期間，5#測點位置卸荷約為70 kN，7#測點位置卸荷約為110 kN，8#測點位置卸荷約為30 kN，表明距離基坑越遠，土體受擾動程度越小，與基坑等距離的深度為15 m位置的土體擾動程度比深度為7.5 m位置的大。

5#、6#、7#—應力和位移監(jiān)測點。圖6 不同位置水平且垂直基坑方向的應力σy

3.2 鄰近隧道側土體沉降分析

圖7所示為基坑施工中鄰近隧道側土體沉降曲線。從圖中可以看出，在距離基坑2倍開挖深度之內坑外地表為主要沉降影響區(qū)。坑外最大沉降位置位于距基坑0.5倍開挖深度位置，最大沉降量為17.7 mm，符合規(guī)范要求。

圖7 鄰近隧道側土體沉降曲線

3.3 鄰近隧道側圍護結構變形分析

由于右側灌注樁為主要圍護結構，因此只對右側圍護結構進行分析。圖8所示為基坑施工引起圍護結構產生的水平位移和彎矩。基坑的首道支撐設置在地表下2 m處，因此灌注樁的上段位移較小，最大位移出現在距離地表深度8 m的位置，在這個位置，灌注樁朝基坑方向偏移25.8 mm，且在深度為5 m處受到的彎矩最大。圍護結構的最大水平位移和彎矩滿足規(guī)范要求。

受施工方法、工程地質條件、內支撐深度和間距等因素的影響，圍護結構將產生各種變形，圍護結構變形大致可分為凹凸、復合、踢腳、懸臂4種不同的模式，本基坑圍護結構為復合式。根據鄭剛等[20]的研究，可根據圍護結構不同變形模式劃分坑外的隧道變形影響區(qū)。

根據圍護結構變形模式和最大變形量，可將坑外的隧道變形控制區(qū)劃分為主要影響區(qū)(Ⅰ)、次要影響區(qū)(Ⅱ)、一般影響區(qū)(Ⅲ)和微弱影響區(qū)(Ⅳ)，如圖9所示。根據本工程中隧道所在的位置，判斷隧道位于一般影響區(qū)(Ⅲ)，預估最終的變形控制值應為5～10 mm。由于本基坑施工前對坑外鄰近隧道側的土體進行了加固處理，且在施工期間采取各種措施避免擾動坑外鄰近隧道側的土體，對隧道的控制效果較好，因此最終隧道的位移應與預估控制值存在差異。

Ⅰ—主要影響區(qū)；Ⅱ—次要影響區(qū)；Ⅲ—一般影響區(qū)；Ⅳ—微弱影響區(qū)。圖9 基坑外不同位置隧道的位移影響區(qū)劃分

3.4 隧道變形和附加應力分析

3.4.1 隧道變形分析

由于基坑開挖對右線隧道影響最大，因此本文中只對右線隧道進行分析,分別取隧道上、下、左、右4個測點位置(1#、2#、3#、4#)，圖10所示為基坑施工過程中這4個位置處產生的總位移、水平位移和豎向位移。從圖中可以看出，1#、3#測點位置處產生的總位移最大，2#、4#測點位置處產生的位移比較小。由于基坑開挖時鄰側土體回彈變形，隧道整體向左下方偏移，因此隧道斷面整體呈橢圓形，如圖11所示。

(a)總位移

1#、2#、3#、4#—應力和位移監(jiān)測點。圖11 基坑開挖前、后的隧道變形示意圖

從圖10(a)中可以看出，第2次基坑開挖對隧道的變形影響最大，其中1#、3#測點位置處變形最大，2#、4#測點位置處變形較小，隧道斷面變?yōu)闄E圓形。從圖10(b)中可以看出，隧道1#、3#測點位置向基坑方向偏移了約1.4 mm，基坑施工全過程中隧道向基坑最大水平位移約為2.3 mm。從圖10(c)中可以看出，在第2次基坑開挖期間，隧道先向上偏移，隨后向下偏移，一直到工況5土體回填結束，而基坑在第3次開挖期間隧道又產生向上的偏移。在基坑施工過程中，隧道向深度方向最大位移約為1.3 mm。

在基坑施工期間，對隧道左、右線進行位移監(jiān)測，在每個斷面上對上、下、左、右4個位置進行監(jiān)測，表3所示為b-b斷面位置不同方向的隧道位移的監(jiān)測值和計算值。從表中可以看出，豎向位移和橫向位移的監(jiān)測值和計算值基本吻合，且都符合規(guī)范的要求，說明通過建立模型計算基坑施工導致的隧道位移是可靠的。

表3 不同方向的隧道位移監(jiān)測值和計算值

3.4.2 隧道附加應力分析

圖12所示為根據模型計算出的不同階段隧道襯砌管片的彎矩和軸力，其中橫坐標為計算階段，只取每個階段最終的數據進行分析。從圖中可以看出，第2次開挖時管片受到的軸力和彎矩增加幅度最大，當第2道混凝土支撐構筑完成之后再次開挖，對隧道管片的影響大幅度減小。管片的最大軸力約為680 kN，最大彎矩約58 kN·m，根據配筋復核結果，證明了隧道襯砌管片能夠滿足強度要求。

(a)彎矩

4 坑外不同位置隧道變形規(guī)律分析

采用模擬計算方法，分別設置隧道與基坑的距離L(5、10、15、20 m)和隧道的埋深H(5、10、15、20 m)，研究基坑外不同位置隧道的變形規(guī)律。

圖13所示為基坑外不同位置隧道的水平、豎向位移。從圖中可以看出，不同位置隧道的變形主要集中在第2次基坑開挖期間，在L=10 m、H=5 m位置的隧道最大水平位移為18.85 mm，在L=5 m、H=5 m位置的隧道豎向位移最大，為23.02 mm?；踊靥钇陂g隧道基本保持穩(wěn)定，說明基坑回填對鄰近隧道的影響較小。在第3次基坑開挖期間，坑外不同位置的隧道均出現小幅上浮，而水平方向的位移基本保持穩(wěn)定，說明第2道內支撐和第2排灌注樁對隧道的保護有顯著效果。

基坑外不同位置隧道的最終水平、豎向位移如圖14所示。從圖14(a)中可以看出，坑外不同位置的隧道在基坑開挖期間均向基坑方向偏移，除L=5 m、H=5 m位置外，其他位置隧道距離基坑越近處偏移量越大，深度越大處偏移量越小，這與基坑開挖周圍土體卸荷回彈有關，且L=5 m、H=5 m位置離2道內支撐較近，受到的保護較好，也說明對于距離隧道較近的基坑，應重點考慮施工對隧道的影響。從圖14(b)中可以看出，在L=5 m、H=20 m位置的隧道表現為上浮，除此之外其他位置的隧道最終豎向位移表現為沉降，這是由于基坑開挖導致坑底土體回彈，各位置土體均向坑底偏移，而坑底以下土體向基坑方向偏移，即表現為上浮，因此不同位置隧道的位移方向也會存在差異。在H=5 m和H=10 m位置的隧道，深度越大、距離基坑越遠處的豎向沉降越小；而在H=15 m、H=20 m位置隧道，坑底回彈的因素導致距離基坑越遠、深度越大處的豎向位移越大。

5 結論

本文中以合肥大學城地下空間東廣場工程鄰近既有隧道的深基坑開挖項目為背景，通過現場實測和數值模擬手段，研究了基坑開挖對周邊土體以及鄰近隧道的影響，得到如下結論：

1)三維土壓力實測結果和模擬計算基本吻合，說明考慮小應變特性的硬化模型可以很好地反映土體應力和變形情況，且模型參數準確、可靠。

2)基坑開挖期間，坑外土體在水平、豎向均表現為卸荷作用，且豎向應力在各階段中均大于水平應力。在第2次基坑開挖期間，坑外土體卸荷量最大，且距離基坑越遠受擾動程度越小，同一距離時，深度為15 m位置土體比深度為7.5 m位置土體受到的擾動大。

3)距離基坑2倍開挖深度之內的坑外地表為主要沉降影響區(qū)。坑外最大沉降位置位于距基坑0.5倍開挖深度位置，最大沉降量為17.7 mm。圍護樁的最大水平位移出現在距離地表深度為8 m的位置，朝基坑方向最大偏移量為25.8 mm，圍護樁在距底面深度為5 m處受到的彎矩最大(140 kN·m)，變形均滿足規(guī)范要求。

4)隧道的上部和左部點的變形最大，隧道最大水平位移約為2.3 mm，隧道向深度方向最大位移約為1.3 mm，與實測結果基本吻合，變形量符合規(guī)范的要求。襯砌管片的最大軸力約為680 kN，最大彎矩約為58 kN·m，根據配筋復核結果，證明隧道襯砌管片能夠滿足強度要求。

5)坑外不同位置的隧道在基坑開挖期間均向基坑方向偏移，除L=5 m、H=5 m位置外，其他位置隧道距離基坑越近處偏移量越大，深度越大處偏移量越?。辉贚=5 m、H=20 m位置的隧道表現為上浮，這是由于基坑開挖導致坑底土體回彈，各位置土體均向坑底偏移，因此不同位置隧道的位移方向也會存在差異。