基坑分区开挖对隧道的影响

沈银斌，陈贺欣，吴迎雷

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230051；2.北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038；3.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

新的地下交通结构在建设过程中因基坑开挖可能会对邻近既有地铁结构产生影响，严重情况下会威胁地铁结构的正常使用，因此必须分析基坑开挖对隧道的影响。张娇等[1]，张治国等[2]，郭鹏飞等[3]ZHU[4]，褚峰等[5]，朱峰[6]，沈雯等[7]分别从不同角度分析基坑分区开挖对隧道的影响。本文通过数值模拟方法，分析采用不同的基坑开挖方式对临近地铁隧道的影响。

1 工程概况

怀宁路下穿天鹅湖隧道位于合肥市政务区核心区域，起自南二环以南，自桐文路交口降坡，下穿天鹅湖路及天鹅湖湖体，在距离祁门路80米处斜上穿接地，终于怀宁路与祁门路交口，隧道全长685 m,其中暗埋段447 m，敞开段238 m。怀宁路总体呈南北走向，向北可达北二环路，向南接经开区。上跨呈东西走向的地铁3号线祁门路站～大剧院站区间，该穿湖公路隧道为双向6车道的三跨矩形钢筋混凝土箱型结构。

该基坑工程涉及3号线祁门路站～大剧院站区间，沿穿湖隧道走向延伸。此次涉轨段基坑长80 m，宽32.1 m，见图2所示。

图1 工程项目位置平面图

图2 基坑平面及分区图（单位：m）

场地土层主要涉及①填土层②粉质黏土层③强风化泥质砂岩④中风化泥质砂岩。地下水类型为上层滞水和潜水。分别分布于填土层与砂岩上部与粉质黏土交界处。

2 基坑分区开挖及围护方案

本次研究的是天鹅湖隧道上跨合肥轨道交通3号线祁门路站～大剧院站区间隧道的部分，里程桩号为K0+340～K0+420，该段公路隧道纵坡坡率4.55%，结构形式主要为两种，K0+340～K0+371.5范围为敞口型U型槽，K0+371.5～K0+420为暗埋段双跨单层箱型结构，结构底板埋深 6.93～11.28 m，该隧道采用明挖顺作法施工。

由于祁大地铁区间与基坑的竖向投影净距为6.2 m，根据有关轨道交通严格控制区和影响控制区范围的规定，该工程影响为强烈影响区，外部作业影响等级为特级。

3 基坑施工的数值模拟

3.1 修正摩尔-库伦本构及材料参数

本文使用MIDAS GTS NX软件对基坑施工过程进行三维建模分析。土体采用修正摩尔库伦本构（Modified-Mohr-Coulomb）模型[8-9]，该本构是对摩尔库伦（Mohr-Coulomb）模型的改进，解决了地面隆起变形和坑道底部土体隆起偏大的情况，能够较合理地描述地层的变化问题。模型通过分别定义加载弹性模量和卸载弹性模量，来优化因开挖（移除荷载）导致的地面隆起现象。

在地勘报告提供的参数基础上，结合合肥地区的经验值，以及数值模拟结果与基坑开挖的实际监测数据的对比，进行反分析获得土体计算参数，见表1所列。

土体物理力学参数表 表1

图3 基坑围护纵断图

因盾构隧道错缝拼装，管片之间采用螺栓连接，模型中需考虑因接头存在引起的整体圆环刚度减弱，通过对横向刚度有效率进行折减来等效。取横向刚度有效率为0.8，衬砌隧道直径6 m，管片厚度0.3 m,采用C50混凝土，弹性模量3.45×104MPa。

3.2 有限元模型及工况设置

本模型尺寸为160 m×93.3 m×40 m，共有293009个网格单元，土层采用四面体网格，三维网格划分详见图4。

图4 三维模型划分示意图

本模型主要模拟了3个施工方案。对比分析不同的基坑开挖方式对地铁隧道的影响。具体方案见表2所列。

图5 区间与隧道的相对位置图

施工模拟初步方案 表2

方案2分区方式为是1区（Ⅰ），2区（Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ），3区（Ⅵ）。

3.3 结构安全控制标准

在满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》的基础上，充分考虑后续存在的其他外部作业可能对该段区间结构的影响，对本工程基坑开挖制定了该范围结构安全位移控制标准。

结构安全控制值 表3

4 模拟结果分析

4.1 整体大基坑分层开挖

监测点沿地铁结构的走向分布，从西向东依次排序，从西向东视图见图6所示。

图6 地铁区间监测点分布图

由图7和图8数据结果可以看出，采用大基坑开挖产生的竖向位移和横向位移都比较大，沿区间走向呈正态分布。最大值未发生在监测点位置，模拟结果得到左线竖向位移最大值16.84mm，右线竖向位移最大值17.44mm，均已超过目标控制值（11.5 mm）。竖向位移最终值右线8.95 mm，左线7.42 mm（均超过预警值6.9 mm）；产生的水平位移左线最大值3.37 mm（已超出预警值3 mm），右线最大值-2.81 mm。区间结构两侧产生径向收敛变形,越靠近基坑，收敛变形越大。

图7 沿地铁区间走向各监测点位置竖向位移曲线

图8 沿地铁区间走向各监测点位置水平位移曲线

4.2 分区开挖（3基坑）

与方案1数据结果对比，变形规律相似；竖向位移减小，但最大值依旧超出目标控制值（11.5 mm），竖向位移最大值降低了22.5%，减少了3.92 mm，左线左侧和右线右侧的水平位移增大，但幅度不大，左线右侧和右线左侧水平位移值减小。

图9 沿地铁区间走向各监测点位置竖向位移曲线

图10 沿地铁区间走向各监测点位置水平位移曲线

4.3 分区开挖（6基坑）

采用（6基坑）开挖方式，区间结构的位移变形显著降低，箱型隧道结构的及时修筑及回填，很大程度上及时抑制了地铁结构的位移变形。

图11 沿地铁区间走向各监测点位置竖向位移曲线

图12 沿地铁区间走向各监测点位置水平位移曲线

区间左线竖向位移最大值7.56 mm，右线竖向位移最大值8.90mm（均已超出预警值6.9mm）。左线最终值7.10mm，右线 7.18mm。与方案 1 对比，竖向位移最大值降低了49.0%，减少了8.54 mm，水平位移处于安全范围，减少了1.67 mm。因此，对比3种基坑开挖方式结果，方案3是最佳的基坑开挖方式。

5 结论

通过数值模拟分析基坑的不同开挖方式对下卧既有隧道结构的影响。并得到以下结论：

①基坑分区开挖，以及隧道结构的及时修筑和回填，能够有效限制地铁隧道结构的隆起变形；

②与大基坑开挖后再修筑隧道结构方案相比，采用3基坑分区开挖，边回筑公路隧道结构竖向位移降低22.5%，采用6基坑分区分层开挖，及时修筑隧道结构和回填，竖向隆起变形降低了49.0%，能够很大程度降低因基坑开挖竖向卸荷造成的隆起变形，也是深大基坑更加合理的开挖方式。