基坑地连槽开挖对邻近盾构隧道衬砌变形的影响分析

摘要：随着城市化的发展，地铁隧道与在施在建工程相邻的案例日益增多。本文采用ABAQUS数值分析软件分别从隧道单独盾构开挖和基坑地连槽与隧道同时开挖两种情况进行模拟分析研究，并将两种情况下得到的隧道顶部各测点的竖向、水平位移进行对比分析，从而分析得出基坑地连槽开挖对邻近盾构隧道变形的影响规律。结果表明：邻近盾构隧道的地连槽开挖施工对盾构隧道衬砌的变形有较明显的影响；地连槽开挖采用泥浆护壁施工能够有效的减小隧道衬砌的水平、竖向变形。对邻近盾构施工隧道的地连槽开挖要引起关注。

关键词：盾构隧道；地连槽开挖；模拟分析；水平位移；竖向位移

中图分类号：U45 文献标识码：A

引言

随着城市化的发展，地铁隧道与在施在建工程相邻的案例日益增多，隧道对变形的要求相当严格，绝对最大位移不能超过20mm，隧道变形曲率半径必须大于15000m，相对变形必须小于1/2500[1]。地铁隧道是城市交通的生命线工程，变形严重时将导致隧道衬砌开裂漏水，影响其正常使用[2]。同样，邻近盾构隧道的基坑地连槽开挖，不仅要保证基坑自身的安全，还要确保邻近盾构隧道的正常施工与安全。

目前在北京、上海、广东等地，许多学者针对于当地的某些实际工程进行了研究，如以北京地铁10号线光华路站西侧国贸三期变电站基坑开挖为背景[3]，研究基坑开挖对临近既有隧道变形与应力的影响，而针对于开挖基坑与盾构隧道同时施工的研究比较少。在全国一些大中城市，地铁网线逐渐密集，盾构隧道与开挖基坑相邻且同时施工的工程日益增多。本文以基坑地连槽开挖对邻近盾构隧道衬砌变形的影响为研究目的，采用ABAQUS数值分析

软件分别从隧道单独盾构开挖和基坑地连槽与隧道同时开挖两种情况进行模拟分析研究，并将两种情况下得到的隧道顶部各测点的竖向、水平位移进行对比分析，从而分析得到基坑地连槽开挖对邻近盾构隧道衬砌变形的影响规律。然后，通过改变开挖基坑地连槽与盾构隧道之间的距离，将每种间距下隧道顶部各测点的竖向、水平位移进行对比分析，从而得到基坑地连槽开挖对邻近盾构隧道衬砌变形的影响范围。本文通过研究得到了一些有益结论，以期对实际工程具有借鉴作用。

工程概况

本基坑开挖与隧道盾构工程位于天津市软土地区，开挖基坑采用地下连续墙围护结构，地连槽尺寸为10m×21m，深16m，宽0.5m，如图1所示采用分块开挖；盾构隧道位于地表以下埋深12m处，直径6m，衬砌厚0.35m，每环宽度1.5m，以盾构开挖20环（30m）为研究对象。开挖基坑与盾构隧道相对位置、隧道衬砌测点布置分别如图2、3所示。

模型建立

模型选取200 m×100 m×100 m的计算域，范围以1/2基坑地连槽为研究对象。土体采用D-P本构模型，实体单元模拟；用混凝土管代替隧道衬砌，隧道衬砌与土体之间进行后注浆处理。结构材料参数见表1,概化后的土层参数见表2。有限元模拟过程中，隧道单独盾构开挖和隧道盾构与基坑地连槽同时开挖施工的分析步分别见表3、表4。

表1混凝土结构参数

表2 土体物理力学性能指标

表3 隧道单独开挖分析步情况

表4 隧道与地连槽同时开挖分析步情况

3.1隧道竖向位移分析

得到以下结论：

（1）盾构机后方土体的盾构开挖对前方土体的竖向位移有影响，但影响程度非常小，可以忽略不计。盾构机后方衬砌各测点的竖向位移随盾构机的推进而逐渐增大，在盾构机开进方向约5环（7.5m）范围内竖向位移增长趋势陡峭，自该测点向前间距5环之后的土体盾构开挖对其影响逐渐趋于稳定。

（2）地连槽开挖对测点竖向位移影响的最大值发生在恰好盾构该土体期间；自该测点向前继续盾构大约7环（10.5m），地连槽开挖对该测点竖向位移的影响较小可以忽略不计。随着开挖基坑与盾构隧道间距的增大，地连槽开挖各分析步对1号测点竖向位移的影响逐渐减小，在间距约30m处时，竖向位移差最大值不足1mm，可以不考虑地连槽开挖对隧道竖向位移的影响，即地连槽开挖对隧道衬砌竖向位移的影响范围约为2倍基坑地连槽开挖深度。

3.2隧道水平位移分析

得到以下结论：

（1）当隧道单独开挖时，隧道顶部各测点水平位移十分小，接近于零，即隧道单独开挖在水平方向上几乎不发生位移。但是当附近存在基坑地连槽的开挖时，隧道各测点的水平位移发生了明显的变化，各测点产生靠近基坑方向的水平位移，分析原因可知，地连槽的开挖卸荷使土体产生向槽内侧的倾覆位移，从而导致一侧的盾构隧道随土体而发生水平位移。

（2）1、2、3号点距离开挖基坑较4、5号点近，水平位移受基坑地连槽开挖的影响较大。

（3）随着基坑与隧道间距的增大，地连槽开挖对隧道测点水平位移的影响逐渐减小，在间距约30m处时，水平位移差最大值不足1mm，可以不考虑地连槽开挖对隧道水平位移的影响，即地连槽开挖对隧道衬砌水平位移的影响范围约为2倍基坑地连槽开挖深度。

结语

邻近盾构隧道的地连槽开挖施工对盾构隧道衬砌的变形有较明显的影响，使隧道衬砌的水平、竖向变形增大。

地连槽开挖采用泥浆护壁施工，能够有效的减小隧道衬砌的水平、竖向变形。

地连槽开挖对隧道衬砌水平、竖向位移的影响范围约为2倍基坑地连槽开挖深度。

参考文献

[1]刘国彬，黄院雄，侯学渊. 基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J]. 岩石力学与工程学报，2001，20(2)：202-207.

[2]张治国，黄茂松，王卫东. 邻近开挖对既有软土隧道的影响[J]. 岩土力学，2009，5(5)：1373-1379.

[3]王路.基坑开挖对邻近既有隧道的影响分析[D].北京：北京交通大学.2009.

[4]师晓权. 基坑开挖对下卧隧道影响的研究[D]. 四川：西南交通大学，2005