隧道暗挖施工对近接基坑变形及稳定性影响刍探

文亚勇

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 保定 072750）

城市化进程加速使得大中型城市地铁发展突飞猛进，由此引发大量工程建设问题。现阶段可供建设使用的土地日益紧张，暗挖隧道施工必然对已施工完毕的基坑受力和变形产生不利影响。

对于城市基坑工程，变形控制通常起主导作用。基坑变形主要有三方面：围护结构变形、坑底隆起变形和坑外土体变形[1]。近年来，有学者利用理论分析、现场实测、数值计算等方法研究了暗挖隧道施工对道路、建（构）筑物等变形的影响[2]，重点分析了暗挖隧道与建（构）筑物间的水平间距、垂直埋深、盾构方式、衬砌注浆结构等影响因素[3-4]。研究表明，盾构施工扰动了土体使其失去了初始平衡状态，引起盾构隧道周边土体应力重分布，从而引起周围地层的沉降变形，随之引发周围建筑结构产生过大的变形而发生破坏。隧道盾构暗挖施工对已施工完成的地铁基坑影响研究需要进一步探明。

本文以某地铁线路南站厅站基坑为例，采用FLAC3D 有限差分软件建立分析模型，全过程模拟区间隧道盾构施工对既有基坑支护结构内力、基坑变形和稳定性等方面的影响，进一步了解地铁隧道施工与近接基坑的相互作用关系，旨在为类似基坑的设计和施工提供借鉴和指导。

1 工程概况

某地铁线路首期工程全线共设29 座车站，工程全长32 km，29.79 km 为地下线路。南站厅位于环市西路交叉口，环市西路上设有高架桥，西湾路左右设有两处匝道，场地附近建筑物林立，有师范学校附小（西北角）、羊城西湾大厦（东北角）、汇福酒店（东南角）、居住区及教研基地（东侧），交通位置如图1 所示。

图1 场地交通位置

经过该站点的区间隧道有三个隧道结构，左侧是已完成施工的南站厅站基坑，长249.2 m，宽73.5 m，最大挖深约13 m，主要采用钢筋混凝土支撑结合钢管支撑，还有部分施工段采用锚索支护。隧道左线与内部扶梯通道间有高架桥桩基，桩基直径1.20 m，底部标高-21.80 m。南站厅靠左线侧有防护墙，防护墙距离左线隧道结构外缘3.30 m。（结构间的相对位置与尺寸见图2，隧道结构断面见图3，支护参数见表1）

图2 基坑与隧道位置关系

图3 隧道结构断面

表1 支护结构参数

站址范围内为微丘台地貌，车站主体结构上覆土为素填土＜1＞、可塑残积土＜5-1＞；车站主体结构主要位于硬塑残积土＜5-2＞、红层强风化带＜7＞；下伏红层中等风化带＜8＞。强风化带及中风化带贮存基岩裂隙水，富水性稍好，透水性弱。地下水对混凝土结构无腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋有弱腐蚀性。（岩土体物理力学参数见表2）

2 建立分析模型

2.1 分析模型

据场地情况建立计算模型。模型中隧道上下左右边界范围分别为40、150、70和70 m。两侧边界水平向位移约束，模型底部固定，顶部自由。计算过程中岩土体及结构均采用实体单元，桩与岩土体之间加设接触面模拟两者摩擦效应。计算模型总单元数为24 715 个，总节点数为50 922 个。高架桥单根桩基顶部荷载为3 000 kN，人行桥桩基顶部荷载为500 kN。建立模型如图4 所示，图中1#～5#为基坑底部框架监测点。计算时岩土体采用M-C本构模型（参数见表2、3）。

图4 计算模型

表2 岩土体参数

2.2 暗挖施工过程模拟

该段隧道采用台阶法施工，计算中模拟了18 道施工步骤：①中洞上半断面右幅开挖及支护；②中洞下半断面右幅开挖及支护；③中洞上半断面左幅开挖及支护；④中洞下半断面左幅开挖及支护；⑤左洞上半部右幅开挖及支护；⑥左洞下半部右幅开挖及支护；⑦左洞上半部左幅开挖及支护；⑧左洞下半部左幅开挖及支护；⑨右洞上半部右幅开挖及支护；⑩右洞下半部右幅开挖及支护；⑪右洞上半部左幅开挖及支护；⑫右洞下半部左幅开挖及支护；⑬中洞临时支护拆除；⑭中洞部分二次衬砌；⑮拆除左洞部分临时支护；⑯施工左洞部分二次衬砌；⑰拆除右洞部分临时支护；⑱右洞二次衬砌施工。本次计算中，初期支护在完全稳定后才作二次衬砌，初期支护释放的围岩压力为100%。具体情况如图5 所示。

图5 暗挖隧道施工过程模拟

表3 结构计算参数

3 暗挖施工对既有基坑影响分析

分析隧道暗挖施工过程中隧道围岩位移、基坑位移、基坑框架内力、基坑安全系数等，以综合判定暗挖施工对既有基坑稳定性影响。分析中监测节点见图4。

3.1 隧道围岩位移

隧道围岩位移计算结果如图6、图7 所示。由图6 可见：围岩变形较大处在隧道拱顶，最大变形值为30 mm，变形影响深度较深。由于靠近隧道一侧的防护桩基伸到仰拱部位，有效抑止了隧道施工对基坑的影响，同时也保护了隧道上方的人行桩基。总的来说，位移变化大的位置围岩应力松弛现象越明显，两者关系呈现显著一致性。

图6 隧道围岩位移场

图7 隧道围岩塑性区

图7 为隧道围岩塑性屈服区模型结果。由于隧道围岩的强度和力学性能较差，在施工中，围岩不可避免出现屈服带。隧道周边围岩的塑性区随施工的推进逐渐向外扩展，其波及范围较大，最大扩展深度为12 m，且以隧道中点为基点，呈梅花型分布，但塑性区扩展尚未波及地表；基坑周边围岩几乎未出现屈服带，说明隧道施工对基坑影响较小，靠近隧道一侧的防护桩能有效保护基坑不受隧道影响；人行桩基底端围岩已屈服，围岩的承载能力降低，为了保证人行桩基和隧道左洞的施工安全，隧道左洞洞内加固范围应扩大；高架桥桩基周边围岩在隧道施工中基本没有出现屈服带，表明施工中隧道穿越地区周围建构筑物和地表的变形在安全范围内。

3.2 基坑位移

基坑位移计算结果如图8 所示。由图可知：各控制点位移在整个施工过程中呈递增趋势，但变幅均较小，其最大位移仅为1.48 mm，出现在底板靠近隧道一侧右边缘。从位移的变化规律可看出，靠近隧道一侧的防护桩能有效控制基坑位移，保护基坑不受隧道施工影响。

图8 基坑位移随暗挖施工变形曲线

3.3 基坑结构内力

基坑结构内力计算结果如图9 所示。由图9 （a）可知：底板控制点弯矩随施工过程呈递增趋势，但变幅较小，1 号控制点弯矩在-5 kN.m 左右徘徊，2 号在-120 kN.m 左右徘徊，3 号在-100 kN.m 左右徘徊，4 号在-70 kN.m 左右徘徊，5 号控制点最大弯矩仅为-12 kN.m，说明隧道施工对基坑底板弯矩的影响较小；其中底板与桩基相接断面弯矩最大，且为上缘受拉，其受力特性可看成以基坑底板桩基为支座30 m 长的连续梁。

由图9（b）可知：底板控制点轴力随施工呈递增趋势，但变幅较小，1 号控制点轴力在-80 kN左右徘徊，2 号在250 kN 左右徘徊，3 号在230 kN 左右徘徊，4 号在150 kN 左右徘徊，5 号控制点最大轴力仅为-36 kN，说明隧道施工对基坑底板轴力的影响较小；其中底板与桩基相接断面轴力最大，且为拉力，其受力特性可看成以基坑底板桩基为支座30 m 长的连续梁。

图9 基坑内力随暗挖施工变化曲线

总的来说，基坑受力最薄弱的部位为框架底板与桩基相交的转角部位，需要在底板与桩基相交的转角位置配置钢筋，其钢筋的具体布置可根据相交断面的轴力、弯矩进行。

3.4 安全系数

安全系数计算结果如图10 所示。由图可知：在整个施工过程中底板控制点最小安全系数不小于1.4，小于规范要求，需在底板与桩基相交部位配置受拉钢筋。

图10 安全系数随暗挖施工变化曲线

4 结论

本文以地铁南站厅基坑及区间隧道为例，采用FLAC3D 有限差法模拟隧道暗挖全过程施工对既有基坑支护结构内力、基坑变形和稳定性等方面的影响，研究结果表明：

①隧道周边围岩的塑性区随施工的推进逐渐向外扩展，以隧道中点为基点，呈梅花型分布，但塑性区扩展尚未波及基坑周边围岩。②基坑位移、基坑底板内力在整个施工中呈递增趋势，但变幅均较小，其最大位移出现在底板靠近隧道一侧右边缘，内力最大在底板与桩基相接断面处。③基坑安全系数在整个施工中均小于规范要求。④隧道施工对基坑影响较小，靠近隧道一侧的防护桩能有效保护基坑不受隧道影响。