大型基坑开挖对邻近隧道的影响分析

2022-11-01饶勤波俞建霖

地基处理 2022年5期

饶勤波，过锦，俞建霖

（1. 绿城乐居建设管理集团有限公司，浙江杭州 310012；2. 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心 / 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江杭州 310058）

0 引言

基坑开挖将引起坑外土体的附加位移，打破其应力平衡，导致土体应力重分布。在一些大型城市中，地铁运营里程的快速增长不可避免地出现大量基坑工程邻近地铁隧道施工[1-3]，引起邻近盾构隧道的附加变形及内力。严重时将引起隧道环缝张开，甚至渗水，影响地铁隧道的正常运营和安全，如何控制基坑开挖引起的隧道附加位移是工程上常常需要面对的问题。对于超大型基坑的开挖，由于基坑开挖面积更大，对周边环境的影响也更加显著，因此需要更加重视对邻近隧道的保护，控制基坑围护结构的变形以减小对邻近隧道的影响。

基坑开挖存在显著的空间效应[4-5]，俞建霖等[6-7]借助有限元软件建立三维数值模型分析了基坑开挖的空间效应，研究表明，基坑围护结构的变形不仅与基坑开挖深度有关，基坑长度及宽度对基坑的变形也存在较大影响。由此可见，基坑围护结构的变形与基坑开挖面积密切相关，从另一方面来说，控制基坑的面积可以有效控制围护结构的变形。众多研究表明，将基坑划分为多个小基坑，以及分层分块开挖等方式能有效地控制基坑变形。吴才德等[8]基于三维数值软件得出了隧道最大位移随邻近基坑开挖面积的增加呈非线性递增并且分隔墙与隧道垂直的分坑措施能更好的控制隧道变形的结论。相应规范[9]也根据隧道与基坑的相对距离及基坑开挖深度规定了基坑开挖面积的大小，以控制基坑开挖对邻近隧道的影响。基于此，本文介绍了杭州某邻近地铁隧道大型基坑工程的围护结构设计方案、分坑措施及土方分区开挖顺序，并取得了不错的控制效果，可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

杭州某大型基坑工程开挖面积约82 000 m2，基坑周长约1 160 m，其中靠近地铁隧道一侧基坑长约270 m，除基坑南侧一层地下室开挖深度为5.8 m外，其余地区开挖深度均为9.6 m。基坑北侧为市政道路，下卧地铁盾构隧道，与基坑最小水平净距约12.4 m；基坑东侧及南侧为待建道路，其中南侧道路外为现状空地；基坑西侧为先建01地块基坑，开挖深度与02地块基坑相当，待02地块基坑开挖时已完成土方开挖。邻近盾构隧道外径为6.2 m，隧道顶埋深约为10.8～16.5 m，距基坑底竖向净距约1.2～6.9 m。图1为基坑及周边环境示意图。

图1 基坑周边环境示意图Fig. 1 Schematic diagram of surrounding environment of foundation pit

2 工程地质条件

基坑地势较为平缓，主要土层分布从上到下依次为杂填土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土及粉质黏土，各土层主要物理力学性质指标见表1。场地内淤泥质粉质黏土较为深厚，最厚处达22.6 m，隧道所在位置典型地质剖面图见图2。场地地下水位埋深较浅，约为1.10～1.80 m，对基坑开挖影响较大。

表1 各土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of each soil layer

图2 典型地质剖面图Fig. 2 Typical geological profile

3 围护设计方案及施工优化

3.1 工程类比分析

为确定本工程围护体系的设计方案以控制邻近隧道的附加变形，调研了杭州市及周边地区一些类似的工程案例，见表2。隧道距离基坑小于1.0H（基坑开挖深度）的工程，针对地铁的保护方案一般采用地下连续墙+内支撑的支护体系，坑内被动区加固；隧道距离基坑1～2H的工程，则主要采取钻孔桩+内支撑支护体系。对于开挖面积较大的一些基坑，靠近隧道侧采用分坑的方式控制围护结构变形，并采用分区、分层开挖以进一步减小基坑开挖对隧道的影响。

表2 邻近地铁类似工程案例统计表Table 2 Statistics of similar projects in adjacent existing tunnels

3.2 围护体系设计方案

通过以上类似工程案例分析，由于基坑开挖面积较大，且隧道距离基坑较近，将基坑划分为3个小基坑，并对靠近隧道一侧的基坑作分坑处理，以控制基坑开挖对邻近隧道的影响，具体围护设计方案如下：整体采用Ф850@600 mm三轴水泥搅拌桩套打作止水帷幕，基坑北侧采用Ф1 000@1 200 mm钻孔灌注桩结合两道钢筋混凝土水平内支撑，并用高压旋喷桩作被动区加固；基坑东、西两侧及南侧二层地下室部分采用Ф800@1 000/1 100 mm钻孔灌注桩结合一道钢筋混凝土水平内支撑；基坑南侧一层地下室部分采用Ф 800 mm双排桩作支护，典型基坑剖面图见图3。

图3 典型基坑剖面图Fig. 3 Typical foundation pit profile

北侧基坑各分坑控制开挖面积在1 800～2 033 m2之间，北侧基坑各分坑分隔桩采用Ф800@1 200 mm通过硬分割的形式，增强基坑空间效应；其余基坑间采取Ф800@1 100 mm进行分割，并增加三轴搅拌桩进行止水，基坑分坑示意见图1。

邻近01地块基坑开挖深度约为9.6 m，主要采用SMW工法桩结合一道混凝土撑的支护体系，在靠近地铁隧道一侧采用Ф1 000@1 200 mm钻孔灌注桩，并在被动区进行坑底加固。

4 邻近隧道附加变形分析

4.1 有限元模拟分析

采用三维数值模拟软件Plaxis 3D对整个基坑开挖工况进行建模分析，模型尺寸为：540 m（平行于隧道方向）×420 m×40.6 m。图4为基坑与邻近隧道模型示意图。土体采用硬化土模型（HS模型），HS模型在基坑开挖、盾构隧道推进等工程的安全性预估分析中应用较为广泛[10]，主要包含以下土体参数：三轴排水剪切试验割线模量E50，固结试验的主加载切线模量Eoed，三轴固结排水卸载再加载试验的参考模量Eur。基于既有文献对HS参数的研究结果[11-12]，选用的土体基本参数见表3。围护墙及隧道采用不透水的板单元模拟，其中围护墙弹性模量为30 GPa，隧道弹性模量为34.5 GPa，由于隧道纵向上由螺栓连接组成，按系数0.8对隧道刚度进行折减[13]。选用梁单元模拟腰梁及支撑，弹性模量为30 GPa。结构单元尺寸根据实际工程设计尺寸选取，混凝土泊松比均设为0.2。

图4 基坑与邻近隧道模型Fig. 4 Model of foundation pit and adjacent tunnels

表3 HS模型中土体基本参数Table 3 Parameters of soil in HS model

数值模拟分析步骤如下：

（1）初始地应力平衡；

（2）地铁隧道激活；

（3）基坑围护墙施工（位移清零）；

（4）01地块开挖并逐步施工完成；

（5）02地块北侧及南侧基坑开挖到第一道支撑底；

（6）02地块北侧及南侧基坑浇筑第一道支撑，北侧基坑1、3、5分坑开挖到第二道支撑底；

（7）02地块北侧基坑1、3、5分坑浇筑第二道支撑并开挖到基坑底；

（8）02地块北侧基坑1、3、5分坑完成底板及楼板施工；

（9）02地块北侧基坑2、4分坑开挖到第二道支撑底；

（10）02地块北侧基坑2、4分坑浇筑第二道支撑并开挖到基坑底；

（11）02地块北侧基坑2、4分坑完成底板及楼板施工；

（12）南侧基坑开挖到基坑底，完成底板及楼板施工；

（13）南侧一层地下室开挖，完成楼板施工；

（14）完成中部基坑的施工。

表4为两个地块相继开挖各工况下隧道附加变形最大值。

表4 Plaxis 3D计算结果Table 4 Calculation results of Plaxis 3D

由图5～7可知，在02地块开挖前，由于01地块开挖引起的坑外土体位移较小，从而对隧道附加位移的影响也较小，隧道附加水平位移约为3.6 mm，竖向位移约为2.0 mm。隧道附加位移发生的位置与坑外土体附加位移场密切相关。

图5 01地块开挖到底周边土体水平位移Fig. 5 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation of block 01

由图8～10可知，02地块北侧基坑开挖在其外侧引起的土体附加位移场的分布有较为显著的空间效应，分坑开挖的措施有效地控制了坑外土体的附加位移，最大位移小于01地块开挖引起的土体附加位移。隧道最大变形没有较为显著的变化，但在02地块开挖范围内隧道变形有较为明显的变化，变形范围逐渐扩大。

图6 01地块开挖到底隧道水平变形Fig. 6 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom of the block 01

图7 01地块开挖到底隧道竖向变形Fig. 7 Vertical deformation of the tunnel when excavated to the bottom of the block 01

图8 02地块北侧开挖到底周边土体水平位移Fig. 8 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation on the north side of Lot 02

图9 02地块北侧开挖到底隧道水平变形Fig. 9 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the north side of block 02

图10 02地块北侧开挖到底隧道竖向变形Fig. 10 Vertical deformation of the tunnel when excavated on the north side of block 02

由图11～13可知，02地块南侧基坑开挖在东西两侧产生了较大的坑外土体位移，但对北侧坑外土体位移影响相对较小。南侧基坑东西两侧围护长度小于北侧基坑围护的长度，由于北侧基坑采取分坑施工的方式，将较长的基坑边分割为几个较短的基坑边，使得北侧基坑坑外土体水平位移控制效果要优于南侧基坑，基坑北侧坑外土体水平位移最大值约为南侧基坑水平位移最大值的1/3，这说明对基坑进行分坑施工能较好地控制基坑开挖对周边环境的影响。隧道最大水平变形及竖向变形均未发生明显变化。

图11 02地块南侧开挖到底周边土体水平位移Fig. 11 Horizontal displacement of surrounding soil after excavation on the south side of block 02

图12 02地块南侧开挖到底隧道水平变形Fig. 12 Horizontal deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the south side of block 02

图13 02地块南侧开挖到底隧道竖向变形Fig. 13 Vertical deformation of the tunnel when excavated to the bottom on the south side of block 02

由图14～16可知，02地块中部基坑开挖完成后02地块开挖范围内隧道变形进一步增加，隧道最大竖向变形发生位置向02地块北侧中部位置转移。中部基坑的开挖引起了02地块范围内隧道附加变形较大的增长。

图14 02地块中部开挖到底周边土体水平位移Fig. 14 Horizontal displacement of the surrounding soil after the middle of block 02 fully excavated

图15 02地块中部开挖到底隧道水平变形Fig. 15 Horizontal deformation of the tunnel when the middle of block 02 fully excavated

图16 02地块中部开挖到底隧道竖向变形Fig. 16 Vertical deformation of the tunnel when the middle of block 02 fully excavated

从基坑各开挖工况对邻近隧道附加变形的影响中可以分析得出，即使基坑开挖面积较大，但是较远处土体开挖对隧道的影响较小，可着重加强较近处围护结构的刚度以减小基坑开挖对周边环境的影响；通过将长基坑分割为几个较小的基坑以减小基坑边长度的方式可以更好地控制围护结构的变形，减小基坑开挖的环境影响。

4.2 实测数据分析

为及时发现问题，有效控制隧道变形，在基坑开挖过程中对隧道附加位移进行了实时监测，监测点位布设见图17。图18～19为02地块开挖期间基坑北侧中部附近5个连续的监测点位监测到的隧道附加变形随时间变化的曲线图。

图18 实测隧道水平位移曲线Fig. 18 Measured horizontal displacement of tunnel

图19 实测隧道竖向位移曲线Fig. 19 Measured vertical displacement of tunnel

由图18～19可见，北侧分坑开挖完成后，隧道附加变形较小，数值计算结果也表明北侧基坑施工完成后，隧道未发生显著的变形，较好地控制了基坑开挖对周边环境的影响。南侧基坑开挖完成后并未对隧道的水平变形产生较大的影响，在整个开挖过程中隧道变形较为稳定，这与有限元分析结果一致，而竖向变形在南侧基坑开挖初期沉降增大，随后由沉降逐渐转变成隆起，这可能是由于新建隧道因其内部土体的开挖卸荷使得隧道逐渐产生隆起变形，但有限元分析中未考虑到这一点，使得两者最终计算结果存在略微差异。中部基坑的开挖进一步增加了隧道的附加变形，数值计算结果同样体现了这一点，由于中部基坑开挖引起的隧道水平变形增加最大值约0.4 mm，沉降增加最大值约为0.6 mm。隧道水平变形最大值为1.9 mm，沉降最大值为1.7 mm，与数值模拟计算的结果较为一致，验证了数值分析模型的合理性。