江益辉 巫裕斌
（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京，100055）
【摘 要】拟建深圳市轨道交通10号线工程益田停车场出入线区间明挖隧道基坑上跨广深港高铁盾构隧道，为了研究基坑开挖卸荷对既有下穿高铁盾构隧道影响，为后续设计施工及盾构隧道保护提供参考依据，本文采用Midas有限元软件建立三维数值模型，计算和分析了基坑开挖引起的隧道附加变形和内力变化规律。通过研究发现，上部基坑开挖卸荷将会引起既有下穿隧道的隆起变形，同时也将引起隧道拱顶、底部和两边拱腰处四个位置出现剪切应力集中。
【关键词】基坑；盾构隧道；开挖卸荷；隆起变形；剪切应力
1、前言
随着城市现代化进程的加快，城市数量和规模迅速扩张。而土地资源的紧缺使得有限的土地资源需要充分利用，地下空间资源也得到了大规模的开发利用。随着地下空间资源的进一步开发，原有的地下建构筑物（例如地下室、地铁隧道、地下车站、地下管线等）附近出现了大量的基坑工程。由于基坑工程的开挖卸荷，必定对附近的地下建构筑物产生不良作用，影响其正常安全使用，甚至造成失稳破坏等重大工程事故。
本文采用Midas三维有限元软件模拟计算研究深圳市轨道交通10号线工程益田停车场出入线区间明挖隧道开挖对既有下穿广深港高铁盾构隧道的影响，计算和分析了基坑开挖引起的隧道附加变形和内力变化规律，为基坑开挖施工和盾构隧道保护提供参考。
2、工程概况
深圳市城市轨道交通10号线工程益田停车场出入线区间明挖隧道位于广深高速公路北侧绿化带内，起始于福田保税区一号隧道西侧，终点位于福田保税区二号隧道正下方。明挖隧道在TRDK1+011~TRDK1+050段上跨广深港高铁盾构隧道，广深港高铁盾构隧道外径为9600mm，管片厚度450mm，目前已施工完成。明挖隧道基坑与广深港高铁盾构隧道平面关系如图1所示。高铁盾构隧道拱顶距离出入线明挖基坑底的最近距离约为20m，地层从上到下依次为：素填土，淤泥，淤泥质黏性土，含有机质砂，卵石，全、强、中风化花岗岩，盾构隧道位于中风化花岗岩地层中。
3、有限元数值建模
采用Midas有限软件，建立三维模型，分析基坑开挖对广深港盾构隧道变形的影响。三维模型如图2所示。模型尺寸X×Y×Z=125×180×82，盾构隧道中心间距29m，外径4.8m；明挖区间基坑宽度14m，开挖深度18m，基坑底与盾构隧道拱顶距离为20m。图3所示为明挖基坑与隧道位置关系图，模型所用物理力学参数如表1所示。
在模型中，土体的破坏准则采用摩尔-库伦准则。管片厚度为450mm，地连墙厚度为1.2m，混凝土支撑截面尺寸1m×1m；管片、地连墙、支撑均采用弹性本构。模型顶面为自由边界，四个立面受水平方向约束，底面受竖直方向约束。
4、数值计算结果分析
施工阶段模拟分析中，先施做地连墙，随后开挖基坑土石方。基坑分四步开挖，每一步开挖后施做一道混凝土支撑，共设置三道混凝土支撑，如图4所示。
基坑最后一步开挖完毕后，盾构隧道整体总位移云图如图5所示，从图中可以看出，基坑开挖完毕后，隧道整体出现竖直向上的位移，且位于基坑正下方区域的部分位移最大，整体总位移沿着隧道轴向两边递减。基坑开挖卸荷后，下穿隧道会出现隆起变形现象。基坑每一步开挖后，隧道拱顶竖向位移沿隧道轴向变化曲线如图6所示，隧道底部竖向位移沿隧道轴向的变化曲线如图7所示。从图6和图7可以看出，基坑第一步开挖后，隧道拱顶和底部的竖向位移很小，基本为0；随着基坑的进一步开挖，隧道隆起值也越来越大，基坑最后一步开挖后，隧道拱顶最大隆起值为6.83mm，隧道底部最大隆起值为6.7mm，最大隆起值都在规定的允许值范围内。
盾构隧道最大剪切应力云图如图8（（a）为轴侧视图，（b）为前视图）所示。从图中可以看出，最大剪切应力分布在隧道拱顶、底部和两边拱腰处四个位置，且主要集中在隧道两边拱腰处。基坑施工过程中应密切监测隧道拱顶、底部及两侧拱腰处应力变化，根据变化情况及时调整施工方法，减小上部基坑开挖对隧道的影响。
5、结论及建议
（1）上部基坑开挖卸荷，隧道整体出现竖直向上的总位移，且位于基坑正下方区域内的隧道隆起值最大。由弹性力学原理可知，在相同外力作用情况下，受力体弯曲刚度越大，物体变形就越小，其相应的变形曲率就越小，变形影响范围也越小。从隧道运营安全和后期维护的角度来讲，增加盾构隧道刚度是相对有利的。
（2）在周围环境允许的条件下，上部基坑的底部离隧道的距离越远，对隧道的影响就越小。如条件限制，基坑底部距离隧道较近，应加强对下穿隧道的隆起值监测，尤其是隧道拱顶、底部和两边拱腰处四个位置处的剪切应力，防止盾构隧道由于上部基坑开挖卸荷引起的应力集中造成的剪切破坏，影响后续运营安全。
（3）施工过程中如果出现较大隆起变形，可采用地基加固、强化基坑支护结构等措施方法，减小基坑开挖方法引起的下穿隧道隆起变形。例如，对隧道周围土体进行注浆加固，设置基坑分隔墙、基坑堆载等措施都可以达到控制隧道变形隆起的效果。
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论文作者:江益辉,巫裕斌
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年4月总第209期
论文发表时间:2016/6/14
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