深基坑开挖对既有隧道的影响研究

史贵才,施维成,代国忠

(常州工学院土木建筑工程学院，江苏 常州 213032)

2007年至今10余年间我国城市轨道交通呈现爆发式发展。多年来，针对地铁隧道建设，特别是盾构隧道的研究成果丰富[1-5]。地铁隧道建成后，在其临近区域开展城市地下空间开发利用涉及大量的深基坑开挖，可能会对隧道产生不利影响[6-10]。常州地铁1号线将于2019年9月底开通试运行，常州将迈入地铁时代，但是常州区域内典型地质条件下的深基坑开挖对既有地铁隧道的影响尚未见诸报导。本文依据常州典型土层分布，利用plaxis二维有限元软件模拟深基坑开挖过程，分析基坑开挖对既有地铁隧道的影响，为今后类似工程建设提供有益的参考。

1 工程概况

基坑开挖深度20 m，开挖宽度60 m。地层从上往下依次为黏土、粉质黏土、砂土、粉土、黏土、粉质黏土、黏土，地下水位埋深5 m。采用地下连续墙+内支撑的基坑支护形式，地下连续墙深40 m，设置5层内支撑，间距4 m。在离基坑15 m处有已建成的隧道，隧道埋深19 m，直径10 m。

2 几何模型

2.1 模型边界

由于基坑具有对称性，几何模型取基坑的一半考虑。模型边界取长150 m、高90 m的矩形。

2.2 网格图

有限元计算网格图如图1所示。

图1 有限元网格

2.3 材料模型及参数

材料模型采用小应变土体硬化模型，模型参数见表1。

2.4 计算工况

本文研究深基坑开挖对既有隧道的影响，分别计算5层开挖的影响，每1层支撑和开挖算1个工况，共5个工况。工况1为施工第一道支撑，并开挖至4 m深；工况2为施工第二道支撑，并开挖至8 m深；工况3为施工第三道支撑，并开挖至12 m深；工况4为施工第四道支撑，并开挖至16 m深；工况5为施工第五道支撑，并开挖至20 m深。

表1 小应变土体硬化模型参数

3 计算结果

3.1 水平位移

图2(a)分别画出了5种工况下的水平位移图。由图可见，随着基坑的开挖，最大水平位移不断增大，且最大水平位移发生在基坑开挖面以下、地下连续墙附近。

3.2 竖向位移

图2(b)分别画出了5种工况下的竖向位移图。由图可见，基坑外侧土体竖向位移为负，基坑内侧土体竖向位移为正，即基坑外侧土体发生沉降，基坑内侧土体发生上浮。从工况1到工况5，随着基坑的开挖，土体最大沉降点从地下连续墙逐渐向隧道上方移动。

3.3 基坑开挖引起的隧道变形

图3画出了A、B、C、D、E点在基坑开挖过程中的水平位移和竖向位移图。其中，A点为隧道上方的地面，B点为隧道顶，C点为隧道底，D为隧道离基坑较远一侧，E为隧道离基坑较近一侧，如图1所示。图3中的横坐标为有限元计算步数，其与5个工况的对应关系见表2。

(a)水平位移 (b)竖向位移图2 基坑开挖引起的水平位移图

(a)A点位移

(b)B点位移

(d)D点位移

(e)E点位移图3 基坑开挖引起的A、B、C、D、E点位移图

表2 工况的对应计算步数表

由图3(a)可见，随着基坑逐层开挖，A点的水平位移的增长幅度逐渐变小，而A点的竖向位移增长幅度没有明显减小，基坑挖到底时A点的竖向位移比水平位移大。

由图3(b)、(c)可见，隧道顶(B点)和隧道底(C点)的水平位移相差不大，而隧道底(C点)的竖向位移明显比隧道顶(B点)要小。

由图3(d)、(e)可见，隧道离基坑较远一侧(D点)和隧道离基坑较近一侧(E点)的竖向位移相差不大，而隧道离基坑较近一侧(E点)的水平位移明显比隧道离基坑较远一侧(D点)要大。

3.4 基坑开挖引起的地下连续墙深层水平位移

图4画出了5种工况地下连续墙的深层水平位移图。可见，从工况1到工况5，基坑逐层挖深，地下连续墙的深层水平位移逐渐变大。

图4 基坑开挖引起的地下连续墙深层水平位移图

表3列出了5种工况的坑底深、最大水平位移及其深度，不难看出，每个工况的地下连续墙最大水平位移都是发生在该工况坑底以下5～7 m处。

表3 5种工况地下连续墙的最大水平位移

4 结语

使用plaxis2D有限元软件模拟深基坑开挖对既有隧道的影响，得到以下结论：

1)随着基坑的开挖，最大水平位移在不断增大，且最大水平位移发生在基坑开挖面以下、地下连续墙附近；

2)深基坑开挖时，基坑外侧土体发生沉降，基坑内侧土体发生上浮；

3)随着基坑的开挖，土体最大沉降点从地下连续墙逐渐向隧道上方移动；

4)随着基坑的开挖，隧道上方地面的水平位移增长幅度逐渐变小，竖向位移增长幅度没有明显减小，基坑挖到底时竖向位移比水平位移大；

5)深基坑开挖引起的隧道顶和隧道底的水平位移相差不大，而隧道底的竖向位移比隧道顶小；

6)深基坑开挖引起的隧道较远一侧和较近一侧的竖向位移相差不大，而隧道离基坑较近一侧的水平位移比较远一侧大；

7)随着基坑的开挖，地下连续墙的深层水平位移逐渐变大，且最大水平位移发生在坑底以下5～7 m。