淺談深基坑施工對臨近既有地鐵盾構隧道的影響研究

劉鵬

【摘要】在地鐵隧道周圍實施的深基坑施工勢必對基坑相鄰盾構區間隧道產生影響。為了能夠更準確的了解深基坑施工對地鐵盾構隧道的影響程度，本文以杭州地鐵1號線某盾構區間為背景，采用數值模擬方法，并考慮深基坑開挖的施工過程與各種加固措施，模擬了基坑施工對相鄰既有盾構區間的影響，探討深基坑開挖對緊鄰地鐵盾構隧道影響的控制措施，以期為類似工程提供一定的借鑒意義。

【關鍵詞】深基坑 既有盾構區間 三維數值分析

一、引言

隨著城市軌道交通網絡的迅速發展，較多的基坑工程會不可避免地在地鐵結構沿線進行施工，而基坑施工是一項很復雜的工程，它會引起周圍地層初始應力發生改變，進而導致緊鄰的地鐵結構受力和變形發生改變。【1】而地鐵車站和區間隧道結構是對變形要求極為嚴格的地下結構物。深基坑緊鄰既有地鐵盾構區間是一項難度較高的工程，為減少基坑施工對已成型的地鐵盾構隧道的影響，確保既有隧道的安全，本文以杭州某深基坑南側緊鄰已經建成的地鐵1號線盾構隧道作為背景，采用有限元軟件建立三維數值分析模型，對基坑施工的全過程進行動態模擬。研究深基坑工程施工對緊鄰地鐵盾構隧道的影響，探討深基坑開挖對緊鄰地鐵盾構隧道影響的控制措施，可為類似工程提供一定的借鑒意義。

二、工程概況

杭州某深基坑工程呈長條形，平面尺寸約為251×75m，基坑的開挖深度為12.56m，局部電梯井深坑來挖深度為15.06m。基坑南側為地鐵1號線已經建成但尚未運營的地鐵盾構隧道，基坑圍護結構內邊線距離盾構隧道管片外皮的距離為8.25m。，區間盾構線與基坑的位置關系詳見圖1，

場地地層的主要物理參數見表1所示。

三、有限元模擬分析

3.1 三維模型建立及內容

盾構隧道的變形要求極其嚴格，結構絕對最大位移不能超過20mm，變形曲線的曲率半徑不小于15000m，相對彎曲不大于1/2500。為保護地鐵盾構隧道的安全，選取深基坑、相鄰隧道、隧道周邊土體進行數值計算。深基坑寬72米，長248米，盾構區間隧道距離深基坑外邊4.18米，盾構隧道外徑為3.1米，兩盾構隧道中心間距為15米。

采用空間數值模型，土體采用彈塑性三維元模型，屈服準則為Mohr-Coulomb；基坑圍護墻、車站主體等采取板殼單元模型模擬，混凝土支撐、格構柱、盾構隧道等采取梁柱單元模型模擬，采用線彈性屈服準則【2】。模型底部施加橫向及豎向約束，兩側施加橫向約束，約束盡量符合真實受力情況。接地彈簧采用受壓彈簧。本計算模型地下水位取為地面下0.5m。本計算模型未考慮坑外降水作用。主要計算圍護結構的位移及內力、控制中心基坑開挖對相鄰盾構區間的影響即產生的附加彎矩及位移。【3】

3.2計算結果及分析

（1）基坑開挖變形

本基坑平面尺寸較大，混凝土支撐受溫度變形影響較大，基坑開挖采用增量法進行分析，開挖完成后基坑位移變形如圖3所示。

計算結果表明：考慮支撐溫度影響后圍護墻體最大位移值發生在基坑變形中，約為30毫米。可考慮適當采用坑外降水減少土體壓力以控制變形。

（2）基坑開挖圍護結構內力分析

基坑開挖使圍護結構地下連續墻產生內力，基坑較大，空間效應明顯，以下為計算兩個方向的彎矩值，如圖4、圖5所示：

從上述圖中可以看出在支撐處地下連續墻內的應力較大，存在應力集中的情況。空間模型與常規的平面計算模型不同，彎矩值在墻體橫向、豎向都各處不等，云圖狀分布。圍護墻正、負最大彎矩絕對值在900～2300KNm左右。平面計算模型中基坑變形較小，為22mm，彎矩較小，800～1900KN。平面模型中將間距7～8米的鋼筋混凝土支撐簡化成每米的支撐剛度進行計算，假設了地下連續墻在橫向的變形都相等，而實際上地下連續墻橫向變形不等，在有支撐處地下連續墻變形較小，在無支撐處變形較大。空間模型較真實地反映了圍護體系的工作受力情況。

由圖7可看出，在臨近地下連續墻處混凝土支撐軸力較大，最大標準值約3800KN。

（3）深基坑開挖對盾構區間的影響

由于相鄰隧道左線及右線與深基坑凈距較小，基坑開挖對盾構區間隧道存在較大影響。如圖8和圖9：

盾構隧道隨基坑開挖產生縱向變形，側壁最大位移約18mm。隧道收斂發生變化，約0.0185-0.015=0.0028m=2.8mm。

因此按照目前盾構隧道周圍土體未加固的情況下，深基坑開挖不能滿足地鐵運營要求。但尚可以滿足未運營隧道的要求：任意點的附加位移和沉降≤20mm。同時，基坑開挖對盾構隧道產生了附加彎矩，最大附加彎矩為52KNm。如圖10和圖11所示：

基坑開挖對隧道影響評估及建議：深基坑開挖對盾構隧道影響較大，應在基坑開挖時對盾構隧道進行監控量測，根據監控量測情況進行開挖施工。根據監測情況及隧道的現狀情況，建議根據監控量測情況，在位移較大的部位采用八點預應力支撐進行隧道內支撐。支撐系統采用圖12所示，支撐布置位置采取圖13所示。

支撐每5環設置一道，西側30環范圍內共設6環。東側15米范圍內，共設3道。根據監測情況有可能增加設置。同時建議對隧道進行二次注漿。隔一環注一環，對隧道進行保護。同時根據監測情況補充注漿措施。

四、結論

1、深基坑開挖對相鄰地鐵車站及區間產生一定的影響，應根據監測情況實時跟進，尤其對地鐵區間盾構隧道應進行重點保護，嚴格控制隧道變形及收斂值。臨近隧道處的基坑開挖變形控制為本工程的重點及難點。

2、地鐵運營時間對控制中心基坑施工起到控制作用。建議基坑趕在地鐵運營之前盡快施工。

3、建議適當增加坑外降水減少基坑變形。工期安排上提前施工盾構隧道兩側基坑，盡快施工完主體結構，縮短基坑暴露時間，盡量減少基坑變形。建議基坑開挖前即對盾構隧道進行洞內二次注漿

4、建議在平面計算模型的基礎上適當加大配筋量，考慮鋼筋混凝土支撐的空間影響。建議根據監控量測情況對盾構隧道內增設預應力內支撐。

參考文獻：

【1】包鶴立等.深基坑開挖對相鄰已建地鐵車站的影響分析.現代隧道技術.2007年增刊

【2】張明遠.基坑施工對鄰近地鐵隧道變形的影響研究. 巖土力學.2011.3

【3】戚科俊等.臨近地鐵隧道的深基坑開挖分析.巖石力學與工程學報.2005.10