软土地区深基坑开挖对紧邻既有隧道的影响分析及控制措施

梁霄LIANG Xiao

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）

0 引言

随着社会经济、城市现代化建设的快速发展，城市核心区地下交通基础设施也不断完善，越来越多的深基坑工程邻近既有隧道开挖建设。现有研究多针对轨道交通区间盾构隧道，在区间隧道上方或侧方进行深基坑开挖，研究基坑开挖卸载对区间隧道的影响及控制措施等[1-3]，但针对既有道路隧道箱涵结构、深基坑紧贴既有隧道开挖的案例相对较少。

本文以上海地区一个紧贴既有道路隧道的设计坑工程为背景，采用修正Mohr-Coulomb 弹塑性模型、整体有限元方案对基坑开挖过程进行动态模拟，分析基坑开挖对既有隧道的影响。

1 工程概况

本文依托项目为新建路隧道唐山路匝道改建工程，对原唐山路匝道进行改造，匝道改造后平行于新建路隧道主线向北转向东余杭路并接地。（图1）

图1 改建匝道与新建路隧道主线相互关系平面图

图2 改建匝道与新建路隧道主线的相对关系剖面图

根据改建匝道的工程筹划，改建匝道分区2 开挖范围，改建匝道与既有新建路隧道主线平行，两者结构净距最小处仅1.65m，改建匝道基坑深度约11m。既有新建路隧道主线为单层多孔箱涵结构，其围护采用SMW 工法桩、且型钢已拔除，隧道主线结构为天然地基形式、结构下方无工程桩。

2 紧邻既有隧道深基坑变形控制设计

考虑两者之间距离近、空间狭小，如何控制开挖基坑的变形以及减小其引起的既有新建路隧道侧向位移、变形和沉降，确保改建匝道基坑和既有新建路隧道的安全至关重要。

2.1 基坑变形控制标准

根据上海市市政行业标准《城市桥梁、隧道安全保护区区域技术标准》[4]和相关管理单位的要求，本工程对既有新建路隧道结构产生的绝对沉降量及水平位移量均≤10mm。

2.2 基坑围护方案设计

2.2.1 围护设计选型 改建匝道分区2 的基坑深度约10～11m，根据上海地区多年来软土地下工程建设的实践经验，以及本工程的水文地质条件，可采用的围护型式有地下连续墙、钻孔灌注桩和SMW 工法桩。

在紧邻既有隧道的一侧采用成孔扰动小、成孔质量好、刚度大的钻孔咬合桩；在基坑的另一侧采用适应性好、更加经济的SMW 工法桩。

表1 围护结构选型对比表

2.2.2 支撑体系设计 为控制基坑变形对紧邻既有隧道的影响，结合基坑深度，竖向设置三道内支撑，其中首道撑为钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑。在主体结构回筑、拆撑过程中，设置1 道钢换撑控制支撑的竖向间距，以减小围护结构的变形。

为尽可能减小基坑开挖过程中围护结构的侧向变形，降低对既有隧道的影响，钢支撑采用轴力自动补偿系统。该系统可以实时对钢支撑轴力进行监测，并根据监测值及时自动补偿支撑轴力，可控制伺服钢支撑的轴力又同时保证围护结构的位移稳定，达到控制基坑支护系统变形的目的，对邻近周边敏感环境起到主动控制防护作用[5-6]。

2.2.3 坑内土体加固 为提高坑内被动区土体抗力，控制基坑变形，坑底采用裙边加固和抽条加固相结合的方式，其中抽条加固在紧邻既有新建路隧道范围进行加密。加固均采用三轴搅拌桩，水泥掺入量不小于20%。

综上，保护既有隧道的针对性措施为增大围护结构刚度（咬合桩增大桩径、工法桩型钢密插）、坑底裙边和抽条加固、钢支撑设置轴力自动补偿系统，围护结构设计断面如图3 所示。

图3 紧邻既有隧道范围的改建匝道基坑围护设计剖面图

图4 三维有限元模型

3 基坑开挖对既有隧道影响的三维数值模拟

为分析基坑施工对紧邻既有新建路隧道的影响，并验证上述基坑变形控制措施的效果，采用大型有限元分析软件Midas GTS 进行三维数值模型精细化模拟，以预测分析基坑开挖过程中的变形及对既有隧道的影响情况。

选取距离既有新建路隧道最近且影响最大的分区2进行三维建模，对于既有新建路隧道，在模型中作一定的简化：即选取与改建匝道距离最近处的主线结构断面（单层双孔箱涵结构）作为标准断面进行建模。

3.1 三维有限元模型

考虑工程的影响范围、模型尺寸的边界效应以及基坑平面尺寸、开挖深度、地质条件、围护桩深度、既有隧道尺寸和埋深等，确定数值模型尺寸为210×140×50m（即x、y、z方向）。模型网格划分共得到88424 个单元、62298 个节点。

为方便建模，将钻孔咬合桩、SMW 工法桩按照刚度等效原则，等效为与之受力形式相近、一定厚度的地下连续墙[7]。

模型中土层采用3D 实体单元，围护结构、既有隧道结构均采用2D 板单元，顶圈梁、腰梁、混凝土支撑和钢支撑均采用1D 梁单元模拟。

基坑模型的边界条件：模型四周及底面均设置自动约束，即约束基坑四周和底部节点的平移自由度；模型顶部为自由面，不设置约束；单元设置自重荷载，基坑周边地表设置超载。

3.2 材料本构及计算参数

对于围护结构、混凝土支撑、钢支撑、顶圈梁和腰梁、既有隧道结构等的本构关系按照各向同性线弹性考虑，其计算参数如表2 所示。

表2 材料物理力学参数

修正摩尔-库仑本构模型（即HS 模型）是常用于基坑开挖数值分析的模型之一，适用于基坑开挖全过程中对周边敏感环境进行分析[8]，故模型中土层选用HS 本构模型，相关参数如表3 所示。

表3 土层本构模型计算参数

3.3 施工工况模拟

Midas GTS 有限元软件通过“激活与钝化”单元来模拟整个施工过程，具体施工工况定义如表4。

表4 施工工况定义

4 三维有限元计算结果分析

4.1 计算结果分析

在采取2.2 节中相关设计措施后，基坑开挖完成后围护结构水平向变形（向远离既有隧道侧为正）如图5。

图5 基坑开挖完成后围护结构水平变形

围护结构邻近既有隧道侧水平变形最大值为9.23mm，远离既有隧道侧水平变形最大值为-14.37mm，两者的差异是由于既有隧道（箱涵结构）替代了原有土层，基坑开挖后邻近既有隧道侧的水土压力相对偏小、基坑整体向既有隧道侧挤压。

基坑开挖完成后既有新建路隧道的变形（竖向变形向上为正、水平向变形向基坑侧为正）如图6 所示。

图6 基坑开挖完成后既有新建路隧道变形图

从图6 可以看到，基坑开挖完成后既有新建路隧道的最大竖向沉降为8.65mm，最大水平向变形为5.14mm，满足其变形控制保护要求，说明本文采取的相应保护性设计措施是合理有效的。

既有隧道中部且靠近基坑侧的竖向沉降相比其他区域较小、为3mm，主要是由于基坑开挖卸载后坑底隆起，尤其对于窄条基坑隆起现象更为明显[9]，故靠近基坑位置的竖向沉降反而偏小。既有隧道中部且靠近基坑侧的水平向位移最大，主要受基坑开挖后围护结构水平向变形的影响。

为探讨本文采取的主要既有隧道保护设计措施分别对控制既有隧道变形的作用贡献大小：措施①增大围护结构刚度、措施②坑底裙边和抽条加固、措施③钢支撑轴力自动补偿系统，对是否考虑该设计措施分别计算，得到的主要计算结果如下：围护结构水平变形（向基坑内为正）、既有隧道竖向沉降和水平变形。

从表5 可以看到，对围护结构水平变形、既有隧道水平变形控制作用较大的为措施②，措施③对两者水平变形的控制较为明显，措施①的作用相对较小；对既有隧道竖向沉降控制作用较大的亦为措施②、措施③的作用此致，但措施①的作用为负相关。

表5 不同保护设计措施作用下计算结果对比表

考虑到基坑底灰色淤泥质黏土层，该层土压缩性高、强度低、土质差，围护结构的水平变形集中在坑底范围，同时既有隧道底板竖向标高与基坑底接近，故措施②对基坑围护结构和既有隧道水平向变形的控制作用大于措施③，措施②对既有隧道竖向沉降的作用更明显（通过控制基坑内坑底土隆起）；由于既有隧道紧邻基坑，基坑围护结构的施作相比原始状态为增加荷载，围护结构刚度越大相应荷载越大，故措施①导致既有隧道竖向沉降增大。

4.2 参数分析

为进一步分析本文采取的既有隧道保护设计措施对控制基坑围护结构变形、既有隧道变形的作用，采用单一因素控制法进行分析。

①针对基坑底加固，分别采用抽条加固、裙边加固、抽条+裙边加固和满堂加固的型式，基坑围护结构和既有隧道的变形如图7。

图7 不同坑底加固类型下围护结构和既有隧道变形量

从图7 中可以看到，整体呈现出坑底加固量越大、围护结构和既有隧道变形越小的趋势，裙边加固相比抽条加固对两者变形控制的作用更为明显。

对于裙边加固、裙边+抽条加固和满堂加固，对既有既有隧道竖向沉降的控制，三者的作用差异较小；对于水平向变形的控制，三者的作用大小基本呈线性增加。针对本工程，同时考虑经济因素，坑底采用裙边+抽条加固较为适宜。

②有限元模拟中钢支撑轴力自动补偿系统的加载主要通过施加一恒定力来模拟伺服轴力[1～3]，在不同伺服系统布置型式和轴力设定值作用下，基坑围护结构和既有隧道的变形如图8。

图8 不同伺服系统工况下围护结构和既有隧道变形图

从图8 中可以看出，围护结构水平向变形和既有隧道水平变形随着伺服系统数量或轴力设定值的增加而减小、随着伺服系统布置位置更靠近坑底而减小；伺服系统轴力和布置型式对远离隧道侧围护结构变形的控制作用更明显，分析原因是紧邻既有隧道刚度相比土体更大，伺服系统对邻近隧道侧围护结构以及既有隧道的水平变形的调节作用相对更弱。

伺服系统的轴力设定值和布置型式对既有隧道竖向沉降基本无影响。

③围护结构在模型中等效为地墙后，其刚度主要反映在墙厚中，不同墙厚对应的基坑围护结构和既有隧道的变形如图9。

图9 不同围护刚度下围护结构和既有隧道变形图

从图9 中可以看出，增大围护结构刚度对其自身水平变形的控制作用较大，对控制既有隧道水平变形的作用相对较小；增大围护结构刚度，导致既有隧道竖向沉降（尤其是邻近基坑侧）增加。

5 结论与讨论

基于本工程既有隧道和开挖基坑的相对关系的特点，通过三维有限元数值模拟基坑开挖过程对紧邻既有隧道的影响规律，主要结论如下。

①为控制改建匝道基坑开挖对紧邻既有隧道的影响，本文采取的保护设计措施经有限元分析验证是有效可行的；②紧邻既有隧道基坑开挖，基坑整体变形特征为向既有隧道侧挤压；既有隧道中部且邻近及肯侧的水平变形最大；受窄条基坑隆起的影响，既有隧道靠近基坑位置的竖向沉降更小；③坑底加固对控制基坑围护结构和既有隧道变形的作用最大、钢支撑轴力自动补偿系统的作用次之、增大围护结构刚度作用最小，且增大围护结构刚度不利于既有隧道沉降的控制；④裙边加固形式对基坑围护结构和既有隧道变形的控制作用优于抽条加固形式；钢支撑轴力系统的布置对水平向变形的控制更有效，对既有隧道竖向沉降基本无影响；单纯增大围护结构的刚度对控制既有隧道水平变形作用不明显，且不利于既有隧道沉降的控制。

如更有效的控制既有隧道竖向沉降，考虑通过隧道底板下方注浆加固的方式，施工过程中加强对既有隧道的监测，根据监测情况在隧道内部底板上钻孔注浆加固作为应急针对性措施。