李际平，李玉兴，张恩重，杨伟伟，张昌友

(山东省地矿工程勘察院，山东济南 250014)

0 引言

随着城市地下空间的开发利用，深大基坑工程往往与地下隧道工程在空间上存在复杂的临近关系，基坑工程施工对临近既有隧道的影响已经成为近几年地下空间开发利用的重要研究课题。 对于紧邻既有隧道的深大基坑来说，基坑土体的开挖会改变原始地应力状态，从而导致基坑周围土体应力场和变形场发生变化，临近基坑的隧道结构在附加应力的作用下会发生一定的变形，影响隧道的使用和安全。 学者们对基坑与隧道在施工过程中的相互作用关系做了大量的研究。 孙雅珍[1]利用数值分析得到基坑平面开挖形状会影响隧道位移变化趋势及地表沉降量。 谢晓冬等[2]和高广运等[3]通过采用数值分析研究了基坑开挖对邻近隧道的影响，得出基坑开挖深度与隧道位移的相关关系。 何连昇等[4]研究基坑开挖与临近既有隧道的相互影响，得出隧道侧墙水平位移与隔离桩和隧道之间的距离呈正相关。 章润红等[5]研究得出隧道附加位移与隧道中心距支护结构水平距离呈负相关。 岳云鹏等[6]针对基坑分块开挖的数量和长度分别进行了数值计算和现场实测，认为横向分块的开挖效果优于纵向分块。 魏焕卫等[7]通过模型试验分析了水平间距及盾构隧道埋深两个因素对既有基坑的影响和埋入式隔离桩体系对既有隧道的保护作用。 邢崴崴[8]和魏刚等[9]通过模拟基坑开挖对在建地铁车站的变形影响，得出车站各位移的影响规律，提出隧道位移的预测经验公式。 梁爱武等[10]、左殿军等[11]及陈辉[12]通过研究分析深基坑工程近距离开挖时对临近隧道产生的影响，得出深基坑开挖时隧道的位移与基坑开挖深度呈正相关。 徐志兵等[13]和李宇升等[14]通过研究基坑开挖对邻近隧道的作用，总结并提出隧道变形控制的相关措施。 郑刚等[15]利用土体小应变刚度特性有限元法，得出基坑开挖过程中不同支护结构体系的变形模式和最大水平位移下邻近既有隧道变形影响区域。 裴行凯[16]和张壮等[17]利用三维有限元模型研究基坑开挖对地铁隧道纵向衬砌断面应力和弯矩分布规律，土岩复合地层深基坑变形时空效应的特征与规律。 张兵兵等[18]研究基坑开挖对临近既有地铁隧道结构的影响，并采用FLAC3D进行大型三维数值模拟研究。卜康正等[19]研究基坑明挖卸荷时复合地基中桩侧摩阻力对下卧地铁隧道竖向变形的影响，推导复合地基中桩的侧摩阻力作用下地铁隧道的总竖向附加应力。 上述研究内容主要围绕新建基坑对既有运营隧道的影响分析，而对初期支护结构的隧道在临近基坑开挖下的研究较少。 故以济南中央商务区(Central Business District，CBD)在建初支隧道旁侧临近基坑工程为研究对象，采用二维有限元数值模拟，分析基坑开挖对临近初支隧道的变形影响。

1 工程概况

工程背景为济南CBD 中信泰富商业楼超高层项目，拟建物主要包括T1 主塔楼，其高度为300 m，地下4 层，开挖深度为21 m；T2 主塔楼，其高度为100 m，地下4 层，开挖深度为20～21 m，而裙房高度为 25 m，地下 4 层，开挖深度为 17 ～20 m。 拟建项目基坑总面积约为22 000 m2、其周长为530 m，基坑南侧为在建地铁隧道区间，自西向东逐渐靠近，其顶部埋深约为13 m、隧道高度为7.414 m，采用矿山法施工，基坑底边线距离上行隧道最近处仅为5.6 m。根据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[20]对外部作业影响等级进行划分见表1和2。

表1 接近程度判定标准表

表2 外部作业影响等级表

基坑与地铁隧道的净距仅有5.6 m，隧道毛洞跨度为6.8 m，按照外部作业影响等级划分原则，该基坑工程为特级外部作业，因此在建隧道的安全和监测工作至关重要。

暗挖隧道采用初支先行，贯通后现浇二衬的施工方式。 基坑开挖与隧道施工工期存在交叠，基坑开挖至基底时，隧道已完成初期支护，二次衬砌未施工，此时隧道支护结构相对薄弱，基坑支护形式显得尤为关键，经过多种支护方案对比，同时结合基坑周边场地使用要求和地质条件，最终确定基坑采用支护桩＋预应力锚索支护方案，支护桩桩径为1 m，桩间距1.5 m，预应力锚索共设置3 道，锚索长度均为21 m，锚固段长度自上而下分别为12、13、14 m，其水平间距为1.5 m、竖向间距为3 m、倾角为10°，钻孔直径为150 mm。 基坑与隧道平面位置如图1 所示，基坑桩锚支护剖面如图2 所示。

图1 基坑与隧道平面位置图/m

图2 基坑支护剖面图/m

基坑主要特征包括:规模超大超深；南侧存在在建地铁隧道区间，基坑与地铁隧道之间的距离仅有5.6 m；基坑开挖期间隧道为初支完成而未进行二次衬砌阶段，隧道的支撑体系相对薄弱；支护体系采用桩锚支护形式对旁侧在建地铁隧道进行保护。

2 二维有限元分析模拟

2.1 有限元模型的建立

MIDAS-GTS/NX 软件是一种用于岩土工程的有限元分析软件，故采用该软件对工程进行二维有限元分析。 由于基坑开挖对隧道的影响十分复杂，考虑到基坑纵向与隧道的走向基本一致，其纵向延伸长度远远大于横向，将其简化为平面应变问题加以考虑，并建立二维数值模型进行分析。

基坑横断面长度为100 m、开挖深度为21.9 m、支护桩桩长为27.9 m，基坑旁侧在建上行隧道净间距为5.6 m，双线地铁隧道直径均为6.4 m、隧道中心间距为20.2 m，为了消除边界效应对模拟结果的干扰，故整个横断面模型的水平、垂直方向长度分别取220、60 m，模型采用修正摩尔库伦本构模型(修正M-C)，土体采用实体单元模拟，支护桩采用植入式梁单元模拟，锚索采用植入式桁架模拟，隧道初支采用梁单元模拟。 模型两侧及底部均设置固定约束。隧道初期支护中喷砼采用厚度为320 mm的C25 早强混凝土，钢拱架采用 HW250×250×9×4，按截面等效原理换算，即初期支护混凝土的EI(E 为弹性模量、I 为截面惯性矩、EI 为抗弯刚度)和钢拱架的EI之和等于初期支护梁截面的EI，而初期支护梁截面的I 已知，由此可计算出初期支护的弹性模量E。勘察深度内，未见地下水。

选取基坑某典型地质作为分析对象，其相应的模型计算参数见表3。

表3 模型材料计算参数表

续表3

新建基坑与旁侧临近在建隧道的二维有限元模型如图3 所示。

图3 新建基坑与在建地铁隧道的二维数值模型图

2.2 基本假定及模拟方法

采用MIDAS-GTS/NX 有限元软件进行模拟分析，主要包括以下基本假定:

(1) 假设计算范围内的土层为均质水平层且土体为各向同性连续的弹塑性材料。

(2) 不考虑地下水渗透效应和时间的影响。

(3) 支护桩与土体采用变形协调计算的方法。

基坑开挖模拟采用有限元软件中的“激活”和“钝化”功能，通过分层“钝化”网格组来模拟基坑的分层开挖，土体开挖面定为锚索设计标高下0.5 m处，每次开挖深度2 m，数值模拟的具体过程见表4。

表4 模拟施工步骤表

2.3 分析观测指标

基坑施工过程中对隧道上行线竖向位移及水平位移进行监测，主要以隧道初支和支护桩的变形为观测目标，隧道初支变形观测点如图4 所示，编号1～4、5～8 分别代表上行隧道、下行隧道初支顶板、底板和两边侧墙变形观测点，A 代表临近基坑支护桩顶部变形观测点，计算分析过程中主要观测桩体的水平位移。

图4 变形观测点示意图/mm

3 计算结果分析

3.1 隧道横截面变形分析

支护桩及初支隧道横截面上各关键位置点的水平位移云图如图5、6 所示，初支隧道横截面上各关键位置点的水平位移变化曲线如图7、8 所示。

图5 支护桩及隧道水平位移云图/mm

隧道各观测点水平位移如图7、8 所示，正值代表右移，而负值代表左移。 隧道各顶点的水平位移各不相同，隧道初支结构发生了相应的变形。 在开挖深度至＜16.7 m 时，隧道初支各观测点水平位移曲线较为平缓，其中上行隧道临近基坑处侧墙最大水平位移为1.42 mm(观测点1)，下行隧道同位置侧墙最大水平位移仅为0.86 mm；继续开挖至基底，隧道初支水平位移增幅较大，曲线呈陡升趋势，上行隧道临近基坑处侧墙最大水平位移为4.21 mm，下行隧道同位置侧墙最大水平位移仅为1.35 mm，这是由于开挖至16.7 m 时与上行隧道初支顶板埋深处于同水平位置，隧道侧墙受到的影响较小，当基坑继续开挖至基底21 m 时，与上行隧道底板埋深处于同水平位置，支护桩此时受力可近似为“一端铰支一端固结”的简支梁，在铰支处及固结位置的水平位移较小，而在中间位置侧向刚度薄弱，基坑开挖导致隧道初支结构的左侧土压力减小而引起隧道水平位移急剧增大。 下行隧道距离基坑开挖面较远，受基坑开挖影响较小。

隧道横截面上各关键位置点的竖向位移如图9、10 所示，正值代表沉降、负值代表隆起。 基坑开挖过程中上行隧道近基坑侧侧墙及底板位移表现为隆起，而顶板及远基坑侧侧墙位移表现为沉降，其中图7 显示，在基坑开挖深度＜16.7 m 时，各观测点位移变化曲线较平缓，近基坑侧侧墙及底板隆起位移为0.82 mm，远基坑侧侧墙及顶板沉降位移较小仅为0.12 mm，当继续开挖至基底时，近基坑侧侧墙及底板隆起位移迅速降低至0.27 mm，远基坑侧侧墙及顶板沉降位移急剧增大，曲线愈来愈陡峭，其中顶板沉降位移达到1.37 mm。

图6 支护桩及隧道竖向位移云图/mm

图7 上行隧道各观测点水平位移图

图8 下行隧道各观测点水平位移图

图9 上行隧道各观测点竖向位移图

综上可知，上行隧道的整体变化趋势为:基坑开 挖至16.7 m 时，隧道左下侧隆起、右上侧沉降、开挖至基底21 m 处时，隧道左下侧沉降0.2 mm、右上侧沉降1.4 mm，基坑开挖以水平方向的应力释放为主，初支隧道的竖向变形较小。

图10 下行隧道各观测点竖向位移图

3.2 隧道横断面与支护桩水平位移的对比分析

开挖过程中支护桩与隧道的水平位移对比曲线如图11 所示。

图11 隧道及支护桩水平位移对比曲线图

当开挖深度＜16.7 m 时，支护桩桩顶水平位移随开挖深度增加而增大，位移增长速率较为稳定，隧道各观测点位移较小，曲线较平缓；说明支护桩对隧道水平位移起到了抑制作用，当开挖深度＞16.7 m时，桩顶位移突然增大，曲线陡峭，位移增长速率变大，隧道各观测点位移曲线出现一定幅度增长，隧道与桩顶位移的曲线走势一致，即桩顶位移变化速率增大的地方，相同位置处的隧道变化速率也随之增大，开挖至21 m 时，桩顶和隧道水平位移均达到最大值，此时桩顶位移涨幅50%，隧道侧墙及顶板位移涨幅96%，说明开挖侧土压力的减小对隧道水平位移起主导作用。

3.3 应变分析

图12～14 为基坑开挖深度21 m 时上行隧道的应力云图，隧道初期支护阶段， 拱顶、拱腰及仰拱产生弯矩，其中初支弯矩最大发生在拱腰处，弯矩为96.3 kN·m，此时的初支最大正应力为281 MPa，出现在隧道拱腰位置，经复核，基坑开挖后，初支截面内力能满足设计要求。

图12 上行隧道初支截面弯矩图/(kN·m)

图13 上行隧道初支截面轴力图/kN

图14 上行隧道初支截面剪力图/kN

3.4 隧道收敛和安全性分析

初支隧道结构水平收敛、竖向收敛值如图15所示。

图15 隧道水平收敛值与竖向收敛值对比图

由图15 可知，上行隧道水平最大收敛值为2.13 mm、竖向最大收敛值为1.78 mm，上行隧道初支水平收敛值、竖向收敛值均在基坑开挖深度＞16.7 m时出现大幅度增加，其中开挖深度＞16.7 m 时水平收敛值急剧增大，开挖至基底时水平收敛值为竖向收敛值的1.5 倍，这说明基坑开挖过程中，隧道水平收敛较为敏感；距离基坑较远的下行隧道初支水平收敛值及竖向收敛值变化相对平缓，受基坑开挖的影响较小。 通过对隧道初支各观测点收敛值分析，基坑开挖引起的隧道初支结构水平收敛值、竖向收敛值均满足CJJ/T 202—2013[20]中10 mm 的控制要求。

4 结论

运用有限元软件MIDASGTS/NX 建立临近初支隧道某基坑开挖的二维计算模型，分析了基坑开挖对邻近在建初支隧道的影响，主要得出以下结论:

(1) 隧道整体变形趋势:基坑开挖至16.7 m时，隧道左下侧隆起，右上侧沉降；开挖至基底21 m时，隧道左下侧沉降0.2 mm、右上侧沉降1.4 mm，基坑开挖以水平方向的应力释放为主，初支隧道的竖向变形较小。

(2) 随开挖深度增加，隧道水平位移变化趋势:前期受支护桩的阻断抑制作用位移变化较小，后期受开挖侧土压力减小导致位移逐渐增大。

(3) 基坑开挖过程中，上行隧道水平位移远远大于下行隧道水平位移，隧道径向收敛以水平收敛为主，水平收敛值是竖向收敛值的1.5 倍，因下行隧道距离基坑开挖面较远，当开挖深度与隧道埋深同一水平位置，基坑开挖对下行隧道的变形影响较小。