基坑开挖对邻近既有下穿顶管隧道的变形影响分析

王 涛,余建民

(华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450046)

随着我国经济社会的发展，各大城市的建设规模不断扩大，由此产生了大量的基坑工程。越来越多的基坑工程邻近或上跨既有的隧道，基坑开挖会造成周边环境影响，主要表现为会改变基坑周围土体的位移场和应力场，引起应力重分布[1]，从而在既有隧道上产生附加内力和变形，严重威胁隧道的安全，两者之间的冲突日益突出。因此，较为全面地评价基坑开挖条件下区间隧道的安全性具有重要的意义[2]。

顶管隧道由于有断面超大、超浅埋、净间距小、施工成本低等优点，近年来被广泛地用于城市交通人行地道、地下共同沟、轨道交通区间等位置。尤其是超大断面的矩形顶管隧道，地面沉降、结构变形和内力变化极难控制[3]。因此，附近深基坑开挖应做好变形机理研究和模拟分析来确保顶管隧道的安全使用。

本文结合郑州市某深基坑工程，采用FLAC3D软件模拟了基坑开挖、支护等施工过程；研究不同工况下的支护结构、周围土体和邻近下穿隧道的变形规律；研究了基坑开挖影响分区及相应的施工对策。 研究结果可为其他类似工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

拟建工程为郑州金成时代广场，主体建筑地上高40层，地下4层，地上建筑采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙体系，基础形式为筏板基础。基坑南侧为已建成住宅小区，基坑北侧距国内首条(郑州市中州大道)矩形顶管隧道仅为13.5 m。其余两侧为普通市政道路。本工程施工暂不考虑降水问题。该场地土层的基本物理参数见表1。

表1 土层基本物理参数表

基坑上部采用放坡开挖，放坡部分采用无砂混凝土小桩+土钉支护形式，基坑下部采用排桩预应力锚杆联合支护形式，如图1所示。

图1 基坑支护剖面图(尺寸标注的单位：mm)

支护排桩直径为1.5 m，桩长为21 m，嵌固深度为10.7 m，桩间距为1.5 m，桩身混凝土强度为C30，桩间喷护C20细石混凝土厚度0.06 m；采用5道锚索，锚索采用高压旋喷法成锚，自由段直径为0.2 m，锚固段直径为0.4 m，水平间距为1.5 m。

2 数值模拟计算

2.1 计算模型及计算参数

依据圣维南原理，计算边界一般选开挖尺寸的3倍～5倍比较合理[4]。计算模型为基坑北侧的桩锚支护部分，其他部分不作分析。基坑开挖深度为13.3 m，模型总尺寸为120 m(x)×20 m(y)×56 m(z)，网格节点数为38 786，网格单元数为34 000，如图2所示。

图2 计算模型

由于基坑周边有多种荷载的影响，因此在基坑周边各剖面布置26 kPa均布荷载。假定基坑模型侧向边界采用法向约束，模型底部采用固定约束、顶面自由[5]。土体的开挖过程用空模型Null来实现，土体本构模型采用摩尔-库仑本构模型，并且不考虑场地内地下水的影响。

对于围护结构的模拟，在FLAC3D软件中可以采用衬砌单元或实体单元进行替代。根据国内外相关学者研究发现上述两种方式计算结果并无太大差异。相比于衬砌单元，实体单元有着物理模型清晰和参数相对较少且容易确定的优点[6]，因此本工程采用实体单元进行围护结构的模拟。

由等效刚度原理可知，采用一维轴力杆弹性单元模拟土钉及预应力锚杆具有同等的精度，故在预应力锚杆模拟方面，可以采用FLAC3D自带的Cable 单元[4]。基坑开挖完成后的支护模型如图3所示。

图3 基坑支护模型

对于基坑的围护结构和顶管隧道的衬砌结构采用实体单元模拟，参数取值见表2。

表2 实体单元计算参数取值

利用FLAC3D自带的Cable单元模拟土钉和预应力锚杆，见表3和表4。

表3 土钉计算参数

表4 预应力锚杆计算参数

各种结构单元之间的连接形式采用FLAC3D中自带的Node-node连接，这种连接形式可以使各结构单元之间的力和位移进行相互传递，共同构成桩-锚支护结构[7]。

2.2 施工工况

本工程主要施工步骤见表5。

表5 基坑开挖模拟过程

3 结果分析

3.1 基外土体位移

随着基坑内土体的开挖卸荷，会使得基坑内原状土体的密实度逐渐减小、孔隙率不断增大，导致土体的抗剪强度不断衰减，引起土体内部应力重分布[4]。坑顶土体应力释放，除了产生水平位移外，还会向下沉降[8]。

由于坑内土体的开挖卸载，基坑底部有明显的隆起，最大隆起量约为23.5 mm，如图4所示；坑周土体沉降随着基坑开挖深度的增大而增大，其沉降值呈现出随着距坑边缘距离的增大而逐渐减小的趋势；开挖全部完成后，此时沉降达到最大值约6.89 mm，满足《建筑基坑工程监测技术规范》的要求。

图4 开挖完成后基坑土体竖向位移云图

基坑的开挖与支护完成后，基坑土体最大侧移出现在了基坑底部坡脚处，最大侧移值达到17.64 mm，见图5。由图6可以直观看出基坑坑壁向基坑内位移，坑底有一定的回弹隆起变形。基坑变形矢量集中在中上部，呈楔形状，基坑底部有一定卸荷回弹量[9]。

图5 开挖完成后基坑土体水平位移云图

图6 基坑开挖土体位移矢量图

3.2 围护结构水平位移

基坑的围护体系排桩是在第一步开挖后进行施工的，故桩体的水平位移从第二步开挖开始分析。由图7可知：不同工况下，随着基坑开挖深度的增加，墙后土体的水平位移逐渐增大，最大水平位移出现在基坑底部约为17.6 mm。出现这种变形是由于基坑的开挖会破坏墙体前后土压力的平衡，并且随着墙后土层的不断变形，才可以重新获得新的平衡。对于基底以下的围护结构，在墙体前被动土压力的作用下，其变形不断减弱，水平位移逐渐降低[10]。

图7 支护结构水平位移图

3.3 基坑周围地表沉降变形

从相关文献和工程实践经验可知，基坑外土体沉降变形主要有三角形和凹槽形两种典型形状[11]。为了研究基坑开挖对周边地表沉降的变化影响，自基坑开挖边缘向外每隔5 m设置一个监测点，用来记录坑外地表的沉降值[12]。地面沉降如图8所示，为典型的凹槽形沉降曲线图。基坑开挖完成后，地表沉降值最大的位置大概位于基坑边缘外侧15 m的地方，最大沉降值达到6.8 mm，之后随离墙后距离的增加沉降值又逐渐减小，最后逐步趋于零。

图8 地面沉降图

3.4 顶管隧道变形

为了更加清晰的表示顶管隧道结构的水平和竖直位移，在每个结构断面分别选取(a、b、c、d)4 个点，如图9所示。

图9 各个隧道监测点布置图

顶管隧道位移确定方法如下[13]：

(1)

式中：xi为隧道第i个监测断面的水平位移;xci、xdi为i监测断面c、d处节点水平位移；zi为隧道第i个监测断面的竖向位移;zai、zbi为i监测断面a、b处节点竖直位移。

通过分析得出顶管隧道水平和竖向变形规律：

(1) 基坑开挖完成后顶管隧道结构的水平位移表现为“左大、右小”的变化趋势，即距离基坑越近水平位移越大。其中最大水平位移量为6.03 mm，最小水平位移量为0.29 mm。

(2) 左侧两隧道的竖向变形量明显大于右侧两隧道，最大沉降位移量为3.11 mm，各部分变形均满足顶管隧道结构的安全使用要求。

(3) 基坑开挖施工对顶管隧道的不均匀变形影响的水平位移要强于竖向位移，因而顶管隧道在水平方向更容易出现拉弯破坏。

3.5 基坑影响分区及施工对策

根据基坑施工对周围岩土体扰动和周边环境的影响程度，可将基坑工程划分为分为主要、次要和可能等三个工程影响分区[14]，见表6和图10。

表6 基坑影响分区表

当隧道位于影响区时需要采取施工对策才能保证既有隧道的结构安全和正常使用，可采取下列措施：

(1) 对基坑底部以下土体，可以根据现场具体情况采取满堂或局部旋喷桩加固措施。当既有隧道位于基坑侧边时，可主要对基坑被动区土体进行旋喷桩加固。对土体进行旋喷桩加固不仅能提高岩土体的密度，还能改善岩土体的抗剪强度指标，从而提高岩土体抵抗变形的能力[15]。

(2) 对顶管隧道周围土体采用注浆加固的方式，提高土体的抗剪切能力。进而提高隧道抵抗变形的能力。

(3) 对基坑与隧道之间部位采用隔断技术，主要是施作地下连续墙或者钢管桩墙等措施，但其成本较高。

图10 基坑影响分区图

4 结 语

本文通过FLAC3D有限差分软件对郑州市金成时代广场深基坑工程进行数值模拟，在采用桩锚支护结构的支护方案下，分析了基坑开挖的稳定性以及对邻近既有下穿隧道的变形影响，得到了以下几点结论：

(1) 验证了基坑采用桩锚支护结构的可行性，基坑支护结构的水平变形特征为“两端小、中间大”；地表沉降成抛物线形。符合基坑工程开挖的一般规律。

(2) 基坑开挖施工对顶管隧道的不均匀变形影响的水平位移要强于竖向位移，因而顶管隧道在水平方向更容易出现拉弯破坏。

(3) 采用对基坑被动区土体进行旋喷桩加固的措施，减弱其对顶管隧道的影响。