1、基坑开挖方式对盾构隧道的变形影响研究摘 要：利用 Midas-GTS，对基坑开挖方式对隧道变形影响进行数值模拟分析。结果表明，基坑分块开挖能减小隧道的最大竖向位移，在底板浇筑前，能缩短隧道最大变形的暴露时间。 关键词：开挖方式；盾构隧道；数值模拟 1 建立数值模型 1.1 工程背景 （1）待开挖的基坑：本基坑的尺寸为 15m15m10m；沿基坑深度方向设 2 道内支撑，深度分别为 3m、6m（离基坑底部分别为 7m、4m） ，支撑采用钢支撑，支撑尺寸为直径 =800mm、厚度 t=14mm，相邻的支撑相隔 6m；围护结构选用挖孔支护桩，围护结构的尺寸为直径=1200mm，埋深 12m（深入基坑
2、底 2m） ，相邻的搅拌桩桩相隔1.6m。 （2）下方地铁盾构隧道：隧道的外径为 6m，衬砌结构厚度为0.3m，内径为 5.4m。 （3）基坑与地铁盾构隧道的相对位置：盾构隧道位于待开挖基坑的正下方，隧道拱顶至基坑底部 6m，至地面 16m。总体待研究的模型截面示意图如图 1 所示。 1.2 模型的材料参数 根据工程实测数据，本模型选定的土层是浅岩区的土层，由杂填土、粉质粘土、全风化岩、强风化岩、中风化岩等构成1。围护结构选用挖孔支护桩（=1200mm） ，内支撑选用钢支撑（=800，t=14）形式，隧道的衬砌为混凝土 C50（t=300mm）的盾构管片，基坑底板为钢筋混凝土C40（t=600
3、mm） 。本模型的土体参数及各结构参数具体如表 12。 1.3 模型的计算范围 本模型模拟的是整个基坑开挖的过程，根据工程经验3，土体对于基坑的影响范围，水平影响范围是基坑开挖深度的 3 倍，竖直影响范围是基坑开挖深度的 2.5 倍。本模型的基坑深 10m，为了能充分包裹全部的影响区域，本模型的截面水平宽度取 100m，深度取 50m，形成一个100m80m 的矩形区域。 1.4 模型的变形控制标准 根据相关规定，运营地铁隧道在受到外界各种加卸载活动的干扰，产生的影响必须符合以下三点4：地铁隧道的竖向绝对沉降量为 20mm，水平位移量为 20mm；地铁隧道最大的上浮位移量为 15mm；相对弯曲
4、为1/1500。 1.5 基坑开挖步骤 本模型在进行有限元模拟分析时，对具体的施工过程利用 MIDAS/GTS里面的施工阶段，简化为下面几个步骤进行模拟： （1）在基坑两侧设置挖空支护桩；（2）开挖第一层土层（第一层土体厚度 4m，开挖至离地面深 4m） ；（3）设置第一道内支撑（在离地面深 3m 处架设第一道钢支撑） ；（4）开挖第二层土层（第二层土体厚度3m，开挖至离地面深 7m） ；（5）设置第二道内支撑（在第一道支撑下深3m 处架设第二道钢支撑，离地面深 6m） ；（6）开挖第三层土层（第三层土体厚度 3m，开挖至离地面深 10m 至基坑坑底） ；（7）浇筑基坑底板，基坑开挖完成。 2
5、 数值模拟分析结果 2.1 全断面开挖 通过 MIDAS/GTS 对各施工模拟计算，得出在开挖方式为全断面开挖时，各施工阶段的水平位移和竖向位移最大值如下表 2。 从表 2 数据可以看出，施工阶段（1）至施工阶段（6） ，隧道最大的水平位移变化是呈增加趋势，最大值出现在基坑开挖至基坑底部时。在施工阶段（3） 、 （5） 、 （7） ，水平位移比上施工阶段略微减少，原因是在支护条件下，钢支撑、基坑底板等对对土体产生了约束作用，从而减少了隧道的水平位移。 施工阶段（1）至施工阶段（7） ，隧道底部的竖向位移变化是呈增加趋势，最大值出现在基坑开挖至基坑底部（阶段（6） ）时。在施工阶段（3） 、 （
6、5） 、 （7） ，水平位移比上施工阶段略微减少，原因是在支护条件下，钢支撑、基坑底板等对对土体产生了约束作用，减少了基坑下方土体的隆起量，从而减少了隧道的竖向位移。由于挖孔支护桩的重度比土体的重度大，而隧道上方的土体并未被扰动，所以在架设挖孔支护桩阶段，隧道顶部产生的竖向位移是竖直向下的。在基坑开挖阶段，由于基坑开挖造成原土层应力的释放，产生土体回弹，这时隧道顶部产生的竖向位移是竖直向上的。 2.2 分块分区开挖 在实际的基坑工程中，基坑开挖是采用分块分区的形式开挖的，根据上节的分析数据，下卧隧道的最大位移出现在基坑开挖的第六个阶段，即开挖至基坑底部。现将该开挖阶段采取分块开挖的方式，将开挖
7、土体平均分为 5 块，每块 3m，从基坑中心向基坑两边对称的进行 3 步开挖，见图 2。第一步是对区域 3 进行开挖，第二步是对区域 2、4 进行开挖，第三步是对区域 1、5 进行开挖。 通过数值分析，现将各开挖区域阶段的隧道最大水平位移、竖向位移提取，并与上节的模型进行比较，见表 3。 从表 3 看出，基坑分块开挖对隧道的最大水平位移影响不大。但通过分块开挖，在基坑底板浇筑前，可以使隧道最大位移暴露的时间缩短；通过分块开挖，使隧道的最大竖向位移值减小，并且能在基坑底板浇筑前，减小隧道最大竖向位移的暴露时间。 4 结束语 通过 MIDAS/GTS 的数值模拟分析，可以得出基坑开挖方式对既有下卧隧道有较大影响，在实际工程中，必须通过科学的统筹，对基坑进行合理的分块分区，从而对下卧隧道产生的影响降至最少，保证既有隧道的安全。 参考文献 1毛朝辉，刘国彬.基坑开挖引起下方隧道变形的数值模拟J.地下工程与隧道，2005（4）：24-27. 2汪彬彬.基坑开挖对下方盾构隧道变形的影响D.华南理工大学，2010，5. 3关宝树.隧道工程设计要点集M.北京：人民交通出版社，2003. 4基坑工程手册编辑委员会.基坑工程手册M.北京：中国建筑工业出版社，2009：1070-1071.
