既有盾构隧道上方基坑群开挖顺序优化研究

卫 军，徐国元，刘启清

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东 广州 510641；2.广东广珠城际轨道交通有限责任公司，广东广州 510335)

随着我国城市轨道交通的快速发展，在城市中心区的盾构隧道工程不可避免地会受到城市市政道路桥梁规划及建设的限制，其中城市桥梁跨越既有盾构隧道的情况时有发生。在既有盾构隧道上进行桥梁承台基坑群开挖卸荷必然会扰动周围土层，改变隧道位移场和应力场，然而盾构隧道的变形要求极其严格。目前已有不少学者对此类问题展开多方面的研究。吉茂杰等[1]通过研究分析实际工程，介绍了一种考虑时空效应、控制基坑变形的新型施工工艺及保护隧道的具体实施方法，即按照“加固土体，小块开挖，快速施工，信息管理”的指导方针，进而有效地控制基坑变形，确保其下地铁隧道的安全运行。王卫东等[2]通过对实际施工过程进行动态模拟，分析了基坑开挖卸荷对下卧地铁隧道的影响，提出了加固隧道周围土体以及充分利用基坑开挖过程中的时空效应等措施。王定军等[3]通过建立三维模型对基坑施工过程进行模拟，动态地分析了基坑开挖对地铁隧道衬砌内力及变形的影响，并提出了“分区、分时、分层、分块”开挖以及采取高压旋喷桩加固地基等施工对策。朱正峰等[4]研究了地基加固、分块开挖等施工方案，来控制基坑施工对下方地铁区间隧道结构变形的影响，指出基坑开挖过程遵循“分层、分步、对称、平衡、限时”的原则对控制地铁隧道变形的重要作用。

这些研究表明，基坑开挖会使下卧隧道产生隆起变形与不可忽视的自身变形，影响隧道的安全运行；特别是在软土地区，基坑开挖对下卧已建隧道的影响更加明显[5]，需要重点关注。因此在基坑群开挖的情况下，如何选择合理的开挖顺序，有效地控制开挖过程引起下卧盾构隧道的位移变形及地表沉降是至关重要的[6-7]。本文运用有限元软件MIDAS/GTS研究4种开挖顺序对下卧隧道的变形响应，分析基坑群开挖的空间效应对隧道隆起变形的影响[8-9]，确定最佳的开挖顺序，分析基坑群开挖对地表沉降的影响。

1 工程概况

珠海市海琴桥主要跨越人工内河，全长195 m，桥梁位于半径1 160 m的圆曲线上(见图1)，与广珠城轨(机场延长线)隧道DK9+090—DK9+285段完全共线，下部桩基与城轨隧道水平方向最小净距仅为5.1 m。桥梁共线段隧道采用C50混凝土管片衬砌的结构形式、盾构法施工。

图1 基坑群平面位置

该桥在人工内河范围内有6个主梁承台，每个承台基坑分别支护开挖，支护深度为8～9 m，支护形式采用“放坡卸载+拉森钢板桩+钢管内撑+坑底水泥土喷粉桩”。顶口放坡1∶2，高度为1.4 m；钢板桩围堰支护，长度为15 m；围堰内设置2层内支撑，标高分别为-1.5，-4.0 m；在内河河底范围采用格构状水泥土喷粉桩处理，平均实桩长8 m。基坑外至围堰内地基采用水泥搅拌桩处理，桩长为8.5 m，为钢板桩提供暗撑。

2 工程地质条件

现场地勘资料表明，桥址区地层由人工填土层、第四系全新统海陆相交互沉积层和基岩组成。人工填土层经过水泥搅拌桩处理形成复合地基；第四系土层呈西密东疏分布，各土层厚度分布不均；下伏基岩为燕山晚期花岗岩。岩土层从上到下依次为:①人工填土+水泥搅拌桩复合地基层，厚度为8.5 m；②淤泥层，厚度约17.7 m；③黏土层，厚度约23.9 m；④粗砂层，厚度约5.9 m；⑤砂质性黏土层，厚度约5 m；⑥全风化花岗岩，厚度约3.2 m；⑦强风化花岗岩，厚度约5.3 m；⑧中～微风化花岗岩。各层主要物理力学参数见表1。

表1 各岩土层物理力学参数

桥址区的地下水分为2类:一类为赋存于第四系砂层中的孔隙潜水，其含水性好、透水性好；另一类为赋存于下伏基岩强～弱风化带中的裂隙水，赋存较小。场区地下水主要由降水及侧向河流补给。

3 三维模型的建立

3.1 模型分析内容

承台基坑群开挖对周围软土体来说是一个基坑卸载过程，随着开挖深度的增加卸载也逐渐加大，即产生一种空间效应，卸载会使周围软土体产生位移变形，进而使下卧盾构隧道结构产生回弹反力，诱发隧道上隆。同时也引起钢板桩在两侧水土压力的作用下产生水平位移和由此产生的钢板桩外侧土体的位移，造成不同程度的地表沉降。因此，本文主要通过数值计算分析基坑群开挖对下卧隧道结构及地表的影响，得出最佳的开挖顺序。

3.2 计算假定

由于岩土材料各项性质的复杂性，为了在一定精度范围内简化计算，建模和计算过程中作了以下假定[10-12]:①岩土体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，单元类型为混六面体单元；②各项材料均为均质、各向同性的连续介质；③结构体采用线弹性模型，单元类型为梁单元和板单元；④以地层、既有桥梁桩基、隧道和人工内河水的自重应力作为初始应力场；⑤不考虑土体与基坑围护结构的相对位移，接触设置界面单元，土体与围护结构节点位移耦合；⑥桥梁基桩与土之间设置相应的摩擦接触单元，桩底设置桩端单元。

3.3 建立模型

根据已有相关文献，结合工程实际，当基坑外平面几何尺寸取基坑开挖深度的3～5倍以上，竖直向取2～4倍以上时，边界效应对结构的影响已经很小[10]，因此土体计算模型的几何尺寸在x，y，z分别为265，140，90 m，整个模型共16 671个单元，94 608个节点。整体有限元模型和桥梁承台、桩基及盾构隧道有限元模型如图2所示。采用位移约束条件。地表面为自由面，模型四周约束法向水平方向位移，底面约束(x，y，z)3个方向位移，桥梁基桩约束竖向扭转。

图2 有限元模型

模型计算时，对于单个基坑采用分层开挖，逐层支护的方法，具体开挖施工模拟的施工步依次为:①初始渗流分析；②场地初始应力分析；③施作桥梁桩基础；④施作城轨盾构隧道结构；⑤施作基坑钢板桩围护结构；⑥基坑降水至开挖面下 1 m；⑦基坑开挖至-2.1 m，第1道支撑体系施工；⑧基坑开挖至-6.1 m，第2道支撑体系施工，浇筑坑底垫层；⑨施作承台，回填基坑并拆除支撑体系。

3.4 施工方案设置

本项目共有6个基坑，在对称、分层、高效的开挖原则下，优化基坑群开挖顺序，主要采用4种方案来模拟基坑施工过程中不同开挖顺序，如图3所示。

方案1。2组顺序式开挖，即在开挖过程中6个基坑分 2 组(0＃，2＃，4＃基坑为 A 组，1＃，3＃，5＃基坑为 B组)，由A组到B组的顺序依次施工。

图3 基坑群开挖方案示意

方案2。3组由两侧向中间开挖，即在开挖过程中6 个基坑分3 组(0＃，5＃基坑为 A 组，1＃，4＃基坑为 B 组，2＃，3＃基坑为C组)，由A组到B组再到C组的顺序依次施工。

方案3。3组由中间向两侧式开挖。改变方案2的开挖顺序，即由C组到B组再到A组的顺序依次施工。

方案4。3组对称间隔式开挖。改变方案2的开挖顺序，即由B组到C组再到A组的顺序依次施工。

4 计算结果分析

4.1 隧道竖向位移分析

考虑左右线隧道位置的对称性，计算结果的相似性，观测点均设置在基坑正下方的右线隧道管片上，如图2(b)所示。4种不同基坑开挖方案下隧道结构竖向位移随施工步的影响曲线见图4。

图4 各方案隧道结构竖向位移

由图4可知:方案1中，6个基坑分2组交错开挖时，引起隧道结构最大竖向位移为9.69 mm，出现在1＃基坑正下方。由于1＃基坑呈十字形，开挖面积较其他基坑大，且沿隧道方向开挖宽度大。说明基坑群中面积较大的基坑开挖对下卧隧道的影响较明显，施工中需要重点关注。方案2，3，4中，6个基坑分为3组对称开挖时，隧道结构的竖向位移曲线趋势一致，其中方案4(对称间隔式开挖)在1＃基坑正下方出现的隧道结构最大竖向位移最小，为6.82 mm，比方案1中减少了2.87 mm。这是由于1＃和4＃基坑间距大，相互影响小。当承台施作后，其他基坑开挖对其影响不大。相比方案 2、方案 3，0＃或 2＃基坑先开挖时，会引起相邻的 1＃基坑周围土体的松动，造成位移场变化，由此当1＃基坑开挖时，引起的隧道结构最大竖向位移必然加大。说明基坑群中面积较大的基坑应当第1步开挖，重点做好支护措施。

以1＃基坑为例，进一步比较4种方案下隧道竖向位移受基坑开挖深度的影响，可以得出:采取任意一种开挖顺序，隧道结构的竖向位移随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大，且承台施作后，竖向位移明显减少。说明盾构隧道上方基坑施工对盾构隧道结构的最大影响在基坑开挖至基坑底部时。

4.2 周围地层沉降位移分析

为了保证后续桥梁上部结构满堂支架法的安全施工，必须对基坑开挖过程中地表沉降进行严格控制。在数值计算过程中，对地表沉降进行数据提取并绘制施工过程中地表最大沉降曲线，见图5。

图5 施工过程中地表最大沉降曲线

由图5可知:地表沉降随基坑开挖深度的增加逐渐变大，在承台施作后，沉降又稍微变小。这是因为施作承台后等效在基坑底部施加竖向荷载，引起基坑周围土体应力场发生变化，导致沉降减小。4种方案中，方案4在每个施工步产生的沉降基本都较小，造成的地表最大沉降为7.27 mm。

与此同时，在地表相邻两基坑的中间位置及两端基坑的外侧对称位置设观测点，从左至右共7个观测点，得到地表不同位置的沉降曲线，见图6。

由图6可知:4种施工方案中均在2＃观测点(0＃和1＃基坑中间处地表)处造成的地表沉降最大，0＃和5＃基坑外侧的地表沉降随距离变远而逐渐减小。这是由于0＃和1＃基坑之间距离较近，开挖过程中对中间土体影响最大。方案4在地表不同位置产生的沉降均最小，说明基坑群中对称间隔开挖可以适当减少地表沉降。

图6 地表不同位置沉降曲线

5 结语

1)通过数值计算分析，盾构隧道竖向位移的最小值为6.82 mm，地表沉降的最小值为7.27 mm，对应方案4分3组对称间隔式开挖。4种施工方案中的盾构隧道竖向位移均满足轨道交通控制要求。从更好地保护盾构隧道安全方面考虑，方案4为最优施工方案。

2)基坑群中面积较大的基坑其开挖影响较大，而方案4中第1步先开挖面积较大的基坑并重点做好支护措施，再依次开挖其他基坑，可以有效减少盾构隧道的竖向位移，保证隧道安全运营。

3)在基坑群施工过程中，基坑开挖完立即施作垫层再适时浇筑承台，既可以减少地表沉降，又能有效控制盾构隧道的竖向位移。