新建基坑對近臨地鐵區間結構的安全影響分析

張萬龍

（中鐵上海設計院集團有限公司城建設計院，上海200070）

新建基坑對近臨地鐵區間結構的安全影響分析

張萬龍

（中鐵上海設計院集團有限公司城建設計院，上海200070）

隨著城市高層建筑的施工，基坑開挖必然引起周圍土層的移動，從而引起周邊既有結構的不均勻沉降，對既有結構的正常使用造成嚴重影響。現以某城市商業大廈基坑開挖對近臨地鐵區間結構影響為工程背景，結合大型ANSYS有限元數值分析模擬，主要內容包括：（1）不考慮土釘、考慮土釘兩種工況下土體位移及襯砌位移分析；（2）不考慮或考慮土釘兩種工況下土體應力、襯砌應力分析及地鐵區間結構安全性分析。結果表明：在最不利情況（不考慮土釘支護）下，基坑開挖后，原有地鐵區間結構安全性滿足要求。

新建基坑；地鐵；區間結構；安全分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.023

1 引言

隨著城市地鐵的快速發展，極大地帶動了地鐵沿線商業大廈、居民住宅的建設，然而隨著其基坑的開挖直接影響了既有地鐵盾構區間的結構變形，從而對隧道結構安全和地鐵列車正常運營產生嚴重威脅[1]。目前國內外一些學者已就基坑開挖對臨近隧道管線影響的這一工程問題進行了研究[2～4]，很大程度上對相應工程提出了許多指導借鑒的理論實際支撐。現以某城市商業大廈基坑開挖為工程背景，采用ANSYS大型有限元軟件模擬基坑開挖對近臨地鐵盾構區間結構的安全影響分析。商業大廈基坑長65m，開挖最大寬度30m，開挖深度18.5m，圍護樁長23m。基坑右側距離盾構隧道左側15m。

2 計算模型及參數的確定

2.1 計算模型

基坑開挖在水平方向的影響范圍為基坑開挖邊界外3～5倍開挖深度，而豎向的影響范圍則為基坑底部向下2～4倍開挖深度。為減少邊界效應對計算結果的影響，二維計算模型左側取至基坑外20m，右側邊界距右側區間隧道20m，距基坑右側支護樁55m(三倍基坑深度)，模型X方向為140m，下側邊界考慮到基坑開挖的影響范圍，取基坑底以下55m(3倍基坑深度)，模型Y方向為73.4m。結構模型示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型

模型中土層用2D實體Plane42單元，連續墻（基坑維護結構按抗彎剛度等效原理換算成連續墻）和既有區間隧道管片選Beam3單元模擬，錨索和土釘均用Link1單元進行模擬，土釘抗拉屈服強度為310MPa，土釘共設十排，第一排為地面下2m，其余豎向間隔為1.5m，按照設計圖紙圍護樁上設冠梁和腰梁各一道為兩道錨索的錨固點，錨索預應力分別為489kN和494kN，計算選取D-P模型。

地鐵區間隧道采用盾構法施工循環進尺1.5m（一節管片寬度），地鐵區間隧道在支護是圍巖應力釋放率選取25%；基坑開挖方式采用分層開挖，第一層深度為2m，以下每層開挖深度為1.5m。

2.2 參數的確定

根據相關設計規范及地質勘察報告資料，模型中地層物理力學參數可見表1，支護參數見表2。

表1 標準斷面地層的主要物理力學指標

表2 支護參數

3 計算結果分析

3.1 位移結果分析

3.1.1 不考慮土釘工況下的計算結果

不考慮土釘情況下土體位移情況如圖2、圖3所示。

圖2 基坑開挖完成后土體水平位移（m）

圖3 基坑開挖完成后土體豎直位移（m）

從圖中我們可以看到基坑開挖完成后周圍土體最大水平位移發生在基坑邊墻中部最大值為3.6cm，基坑坑底隆起15cm。

地鐵區間隧道襯砌處的位移如圖4～7所示。

圖4 基坑開挖前襯砌水平位移（m）

圖5 基坑開挖前襯砌豎直位移（m）

圖6 基坑開挖完成后襯砌水平位移（m）

圖7 基坑開挖完成后襯砌豎直位移（m）

根據計算結果，在基坑開挖前地鐵區間隧道邊墻水平收斂5mm，拱頂沉降13.5mm，仰拱隆起18.5mm。

基坑開挖完成后左側隧道（近臨基坑）左側邊墻向基坑方向移動了14mm，右側邊墻向基坑側移動了13.4mm，由于基坑開挖使左側隧道(近臨基坑側)水平收斂外擴0.6mm；右側隧道（遠離基坑側）左側邊墻向基坑方向水平平移8.7mm，右側邊墻向基坑方向水平平移8.0mm，由于基坑開挖使右側隧道（遠離基坑）水平收斂外擴0.7mm。

基坑開挖完成后左側隧道(近臨基坑)拱頂沉降從13.5mm減少為6mm，仰拱隆起從18.5mm增長到26mm，左側隧道(近臨基坑)整體上移7.5mm；右側隧道(遠離基坑)拱頂沉降從13.5mm增加到21.5mm，仰拱隆起從18.5mm減少到10.5mm，右側隧道（遠離基坑）整體下沉8mm。

3.1.2 考慮土釘工況下的計算結果

基坑開挖完成后周圍土體位移如圖8、圖9所示。

圖8 基坑開挖完成后土體水平位移（m）

圖9 基坑開挖完成后土體豎直位移（m）

根據計算結果，在考慮土釘的情況下基坑開挖完成后周圍土體水平位移發生在基坑中間部位，最大位移值為3.2cm，比不考慮土釘的情況下降低了4mm，基坑底部隆起13cm比不考慮土釘的情況下減少了2cm。

襯砌結構位移情況如圖10～圖13所示。

圖10 基坑開挖前襯砌水平位移（m）

圖11 基坑開挖前襯砌豎直位移（m）

圖12 基坑開挖完成后襯砌水平位移（m）

圖13 基坑開挖完成后襯砌豎直位移（m）

如圖在基坑施工前襯砌位移情況與不考慮土釘情況下位移相同，在基坑開挖前地鐵區間隧道邊墻水平收斂5mm，拱頂沉降13.5mm，仰拱隆起18.5mm。

對比基坑開挖完成后與基坑開挖前地鐵隧道襯砌位移云圖可知，在考慮土釘情況下左側隧道(近臨基坑)左側邊墻向基坑方向移動了10mm，右側邊墻向基坑側移動了10.3mm，由于基坑開挖左側隧道(近臨基坑)水平收斂增加0.3mm；右側隧道(遠離基坑)左側邊墻向基坑方向水平平移6.4mm，右側邊墻向基坑方向水平平移6.4mm，水平收斂基本無變化。

基坑開挖完成后左側隧道(近臨基坑)拱頂沉降從13.5mm減少為8mm，仰拱隆起從18.5mm增長到24mm，左側隧道(近臨基坑)整體上移5.5mm，比不考慮土釘情況下減少2mm；右側隧道(遠離基坑)拱頂沉降從13.5mm增加到22mm，仰拱隆起從18.5mm減少到10mm，右側隧道(遠離基坑)整體下沉10mm，比不考慮土釘情況下增加了2mm。

通過上面分析可知計算模型中考慮土釘與不考慮土釘情況下對地鐵區間隧道襯砌位移影響不大。

3.2 隧道結構應力及隧道結構安全性分析

3.2.1 不考慮土釘情況下的應力結果

不考慮土釘情況下地鐵區間隧道主應力情況如圖14～圖17所示。

圖14 基坑施工前隧道襯砌第一主應力（Pa）

圖15 基坑施工前隧道襯砌第三主應力（Pa）

圖16 基坑完成后隧道襯砌第一主應力（Pa）

圖17 基坑完成后隧道襯砌第三主應力（Pa）

基坑施工前地鐵隧道第一主應力發生在拱頂位置，其值為7.31MPa，第三主應力發生在跨中位置其值為10.8MPa。

在基坑開挖完成后第一主應力發生在拱部位置（略有偏轉），其值為9.36MPa，第三主應力同樣發生在跨中位置（略有偏轉），其值增大到12.7MPa。

3.2.2 考慮土釘情況下的應力結果

不考慮土釘情況下地鐵區間隧道主應力情況如圖18～圖21所示。

圖18 基坑施工前隧道襯砌第一主應力（Pa）

圖19 基坑施工前隧道襯砌第三主應力（Pa）

圖20 基坑完成后隧道襯砌第一主應力（Pa）

圖21 基坑完成后隧道襯砌第三主應力（Pa）

在考慮土釘支護情況，基坑施工前地鐵區間隧道第一主應力與第三主應力分布情況與不考慮土釘情況下相同最大值分別為7.31MPa與10.8MPa。

在基坑開挖完成后第一主應力、第三主應力最大值位置與無土釘工況相同，其值為8.94MPa和12.4MPa，比不加土釘支護情況下分別減少了0.42MPa和0.3MPa。

3.2.3 隧道結構安全性分析

根據上面分析可知基坑開挖完成后在加土釘與不加土釘兩種情況下位移差別不大，根據應力結果分析可知基坑開挖完成后不加土釘情況下第一主應力與第三主應力均比加土釘情況下略有增加，現在對不加土釘情況下襯砌安全性進行檢算。結構計算內力如圖22所示。

圖22 結構計算內力

根據圖22可知襯砌受力最大部位近臨基坑隧道左側邊墻處，彎矩為154.47kN·m，軸力為571.1kN。此處安全系數也是最小的為3.42。根據相關設計規范，鋼筋混凝土結構的安全系數不得小于2.0。計算結果表明，襯砌結構各截面安全。滿足結構強度要求，襯砌結構安全。

根據相關規范可知，裂縫寬度允許值為0.2mm，由計算結果可知裂縫寬度最大值為0.16mm，滿足規范要求。

4 結論

1)在圍護結構設計參數情況下，由于基坑開挖左側隧道(近基坑側)整體向基坑方向平移約10mm，整體抬升5.5mm；右側隧道(遠基坑側)整體向基坑方向平移約6.4mm，整體下沉10mm。

2)設計圍護參數下，基坑開挖后臨近基坑側隧道第一、三主應力分別比基坑開挖前增加1.63MPa和1.6MPa。

3)對最不利情況（不考慮土釘支護）下隧道結構安全系數與裂縫寬度了進行檢算，結果表明基坑開挖后隧道結構安全性滿足要求。

【1】葛世平，廖少明，陳立生，等.地鐵隧道建設與運營對地面房屋的沉降影響與對策[J].巖石力學與工程學報，2008,27（3）：550-556.

【2】唐孟雄，趙錫宏.深基坑周圍地表任意點移動變形計算及應用[J].同濟大學學報（自然科學版），1996，24(3)：238-244.

【3】李鏡培，丁士君.近臨建筑荷載對地下管線的影響分析[J].同濟大學學報(自然科學版)，2004，32(12)：1553-1557.

【4】王衛東，吳江斌，翁其平.基坑開挖卸載對地鐵區間隧道影響的數值模擬［J］.巖土力學，2004，25（增刊2）：251-255.

Analysis on the Safety Influence of the New Foundation Pit on the Near Metro Section Structure

ZHANG Wan-long
(Urban Construction Design Institute,China Railway Shanghai Design Institute Group Co.Ltd.,Shanghai200070,China)

With the construction of urban high-rise buildings,foundation pit excavation inevitably led to the movement of surrounding soil,which caused the uneven settlement of existing structure of surrounding,and then caused serious impact on the normal use of the existing structure.The ANSYS finite element is used to analyze the numerical simulation in the paper,with a project as the background,mainly including:(1)the analysis of soil displacement and lining displacement;(2)the analysis of the soil stress,lining stress and the security of railway section structure,and both of the concept is considered with soil nailing and without soil nailing.Result shows that the safety of the original metro section structure meets the requirements when the foundation pit is starting to be excavated in the worst case(without soil nailing).

new built foundation pit;railway;section structure;safety analysis

TU94+2

A

1007-9467（2016）08-0044-04

2016-07-26

張萬龍(1982～)，男，黑龍江雙鴨山人，工程師，從事城市軌道交通結構設計研究。