隧道暗挖施工對近接基坑變形及穩(wěn)定性影響芻探

文亞勇

（中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 保定 072750）

城市化進(jìn)程加速使得大中型城市地鐵發(fā)展突飛猛進(jìn)，由此引發(fā)大量工程建設(shè)問題。現(xiàn)階段可供建設(shè)使用的土地日益緊張，暗挖隧道施工必然對已施工完畢的基坑受力和變形產(chǎn)生不利影響。

對于城市基坑工程，變形控制通常起主導(dǎo)作用。基坑變形主要有三方面：圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底隆起變形和坑外土體變形[1]。近年來，有學(xué)者利用理論分析、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值計(jì)算等方法研究了暗挖隧道施工對道路、建（構(gòu)）筑物等變形的影響[2]，重點(diǎn)分析了暗挖隧道與建（構(gòu)）筑物間的水平間距、垂直埋深、盾構(gòu)方式、襯砌注漿結(jié)構(gòu)等影響因素[3-4]。研究表明，盾構(gòu)施工擾動(dòng)了土體使其失去了初始平衡狀態(tài)，引起盾構(gòu)隧道周邊土體應(yīng)力重分布，從而引起周圍地層的沉降變形，隨之引發(fā)周圍建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形而發(fā)生破壞。隧道盾構(gòu)暗挖施工對已施工完成的地鐵基坑影響研究需要進(jìn)一步探明。

本文以某地鐵線路南站廳站基坑為例，采用FLAC3D 有限差分軟件建立分析模型，全過程模擬區(qū)間隧道盾構(gòu)施工對既有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑變形和穩(wěn)定性等方面的影響，進(jìn)一步了解地鐵隧道施工與近接基坑的相互作用關(guān)系，旨在為類似基坑的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和指導(dǎo)。

1 工程概況

某地鐵線路首期工程全線共設(shè)29 座車站，工程全長32 km，29.79 km 為地下線路。南站廳位于環(huán)市西路交叉口，環(huán)市西路上設(shè)有高架橋，西灣路左右設(shè)有兩處匝道，場地附近建筑物林立，有師范學(xué)校附?。ㄎ鞅苯牵?、羊城西灣大廈（東北角）、匯福酒店（東南角）、居住區(qū)及教研基地（東側(cè)），交通位置如圖1 所示。

圖1 場地交通位置

經(jīng)過該站點(diǎn)的區(qū)間隧道有三個(gè)隧道結(jié)構(gòu)，左側(cè)是已完成施工的南站廳站基坑，長249.2 m，寬73.5 m，最大挖深約13 m，主要采用鋼筋混凝土支撐結(jié)合鋼管支撐，還有部分施工段采用錨索支護(hù)。隧道左線與內(nèi)部扶梯通道間有高架橋樁基，樁基直徑1.20 m，底部標(biāo)高-21.80 m。南站廳靠左線側(cè)有防護(hù)墻，防護(hù)墻距離左線隧道結(jié)構(gòu)外緣3.30 m。（結(jié)構(gòu)間的相對位置與尺寸見圖2，隧道結(jié)構(gòu)斷面見圖3，支護(hù)參數(shù)見表1）

圖2 基坑與隧道位置關(guān)系

圖3 隧道結(jié)構(gòu)斷面

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

站址范圍內(nèi)為微丘臺(tái)地貌，車站主體結(jié)構(gòu)上覆土為素填土＜1＞、可塑殘積土＜5-1＞；車站主體結(jié)構(gòu)主要位于硬塑殘積土＜5-2＞、紅層強(qiáng)風(fēng)化帶＜7＞；下伏紅層中等風(fēng)化帶＜8＞。強(qiáng)風(fēng)化帶及中風(fēng)化帶貯存基巖裂隙水，富水性稍好，透水性弱。地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有弱腐蝕性。（巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表2）

2 建立分析模型

2.1 分析模型

據(jù)場地情況建立計(jì)算模型。模型中隧道上下左右邊界范圍分別為40、150、70和70 m。兩側(cè)邊界水平向位移約束，模型底部固定，頂部自由。計(jì)算過程中巖土體及結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，樁與巖土體之間加設(shè)接觸面模擬兩者摩擦效應(yīng)。計(jì)算模型總單元數(shù)為24 715 個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)為50 922 個(gè)。高架橋單根樁基頂部荷載為3 000 kN，人行橋樁基頂部荷載為500 kN。建立模型如圖4 所示，圖中1#～5#為基坑底部框架監(jiān)測點(diǎn)。計(jì)算時(shí)巖土體采用M-C本構(gòu)模型（參數(shù)見表2、3）。

圖4 計(jì)算模型

表2 巖土體參數(shù)

2.2 暗挖施工過程模擬

該段隧道采用臺(tái)階法施工，計(jì)算中模擬了18 道施工步驟：①中洞上半斷面右幅開挖及支護(hù)；②中洞下半斷面右幅開挖及支護(hù)；③中洞上半斷面左幅開挖及支護(hù)；④中洞下半斷面左幅開挖及支護(hù)；⑤左洞上半部右幅開挖及支護(hù)；⑥左洞下半部右幅開挖及支護(hù)；⑦左洞上半部左幅開挖及支護(hù)；⑧左洞下半部左幅開挖及支護(hù)；⑨右洞上半部右幅開挖及支護(hù)；⑩右洞下半部右幅開挖及支護(hù)；?右洞上半部左幅開挖及支護(hù)；?右洞下半部左幅開挖及支護(hù)；?中洞臨時(shí)支護(hù)拆除；?中洞部分二次襯砌；?拆除左洞部分臨時(shí)支護(hù)；?施工左洞部分二次襯砌；?拆除右洞部分臨時(shí)支護(hù)；?右洞二次襯砌施工。本次計(jì)算中，初期支護(hù)在完全穩(wěn)定后才作二次襯砌，初期支護(hù)釋放的圍巖壓力為100%。具體情況如圖5 所示。

圖5 暗挖隧道施工過程模擬

表3 結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

3 暗挖施工對既有基坑影響分析

分析隧道暗挖施工過程中隧道圍巖位移、基坑位移、基坑框架內(nèi)力、基坑安全系數(shù)等，以綜合判定暗挖施工對既有基坑穩(wěn)定性影響。分析中監(jiān)測節(jié)點(diǎn)見圖4。

3.1 隧道圍巖位移

隧道圍巖位移計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7 所示。由圖6 可見：圍巖變形較大處在隧道拱頂，最大變形值為30 mm，變形影響深度較深。由于靠近隧道一側(cè)的防護(hù)樁基伸到仰拱部位，有效抑止了隧道施工對基坑的影響，同時(shí)也保護(hù)了隧道上方的人行樁基。總的來說，位移變化大的位置圍巖應(yīng)力松弛現(xiàn)象越明顯，兩者關(guān)系呈現(xiàn)顯著一致性。

圖6 隧道圍巖位移場

圖7 隧道圍巖塑性區(qū)

圖7 為隧道圍巖塑性屈服區(qū)模型結(jié)果。由于隧道圍巖的強(qiáng)度和力學(xué)性能較差，在施工中，圍巖不可避免出現(xiàn)屈服帶。隧道周邊圍巖的塑性區(qū)隨施工的推進(jìn)逐漸向外擴(kuò)展，其波及范圍較大，最大擴(kuò)展深度為12 m，且以隧道中點(diǎn)為基點(diǎn)，呈梅花型分布，但塑性區(qū)擴(kuò)展尚未波及地表；基坑周邊圍巖幾乎未出現(xiàn)屈服帶，說明隧道施工對基坑影響較小，靠近隧道一側(cè)的防護(hù)樁能有效保護(hù)基坑不受隧道影響；人行樁基底端圍巖已屈服，圍巖的承載能力降低，為了保證人行樁基和隧道左洞的施工安全，隧道左洞洞內(nèi)加固范圍應(yīng)擴(kuò)大；高架橋樁基周邊圍巖在隧道施工中基本沒有出現(xiàn)屈服帶，表明施工中隧道穿越地區(qū)周圍建構(gòu)筑物和地表的變形在安全范圍內(nèi)。

3.2 基坑位移

基坑位移計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。由圖可知：各控制點(diǎn)位移在整個(gè)施工過程中呈遞增趨勢，但變幅均較小，其最大位移僅為1.48 mm，出現(xiàn)在底板靠近隧道一側(cè)右邊緣。從位移的變化規(guī)律可看出，靠近隧道一側(cè)的防護(hù)樁能有效控制基坑位移，保護(hù)基坑不受隧道施工影響。

圖8 基坑位移隨暗挖施工變形曲線

3.3 基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力

基坑結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖9 所示。由圖9 （a）可知：底板控制點(diǎn)彎矩隨施工過程呈遞增趨勢，但變幅較小，1 號(hào)控制點(diǎn)彎矩在-5 kN.m 左右徘徊，2 號(hào)在-120 kN.m 左右徘徊，3 號(hào)在-100 kN.m 左右徘徊，4 號(hào)在-70 kN.m 左右徘徊，5 號(hào)控制點(diǎn)最大彎矩僅為-12 kN.m，說明隧道施工對基坑底板彎矩的影響較??；其中底板與樁基相接斷面彎矩最大，且為上緣受拉，其受力特性可看成以基坑底板樁基為支座30 m 長的連續(xù)梁。

由圖9（b）可知：底板控制點(diǎn)軸力隨施工呈遞增趨勢，但變幅較小，1 號(hào)控制點(diǎn)軸力在-80 kN左右徘徊，2 號(hào)在250 kN 左右徘徊，3 號(hào)在230 kN 左右徘徊，4 號(hào)在150 kN 左右徘徊，5 號(hào)控制點(diǎn)最大軸力僅為-36 kN，說明隧道施工對基坑底板軸力的影響較??；其中底板與樁基相接斷面軸力最大，且為拉力，其受力特性可看成以基坑底板樁基為支座30 m 長的連續(xù)梁。

圖9 基坑內(nèi)力隨暗挖施工變化曲線

總的來說，基坑受力最薄弱的部位為框架底板與樁基相交的轉(zhuǎn)角部位，需要在底板與樁基相交的轉(zhuǎn)角位置配置鋼筋，其鋼筋的具體布置可根據(jù)相交斷面的軸力、彎矩進(jìn)行。

3.4 安全系數(shù)

安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。由圖可知：在整個(gè)施工過程中底板控制點(diǎn)最小安全系數(shù)不小于1.4，小于規(guī)范要求，需在底板與樁基相交部位配置受拉鋼筋。

圖10 安全系數(shù)隨暗挖施工變化曲線

4 結(jié)論

本文以地鐵南站廳基坑及區(qū)間隧道為例，采用FLAC3D 有限差法模擬隧道暗挖全過程施工對既有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力、基坑變形和穩(wěn)定性等方面的影響，研究結(jié)果表明：

①隧道周邊圍巖的塑性區(qū)隨施工的推進(jìn)逐漸向外擴(kuò)展，以隧道中點(diǎn)為基點(diǎn)，呈梅花型分布，但塑性區(qū)擴(kuò)展尚未波及基坑周邊圍巖。②基坑位移、基坑底板內(nèi)力在整個(gè)施工中呈遞增趨勢，但變幅均較小，其最大位移出現(xiàn)在底板靠近隧道一側(cè)右邊緣，內(nèi)力最大在底板與樁基相接斷面處。③基坑安全系數(shù)在整個(gè)施工中均小于規(guī)范要求。④隧道施工對基坑影響較小，靠近隧道一側(cè)的防護(hù)樁能有效保護(hù)基坑不受隧道影響。