臨近地鐵區間隧道的深基坑開挖數值模擬分析

劉興舟 劉海智

(1.佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東 佛山 528000； 2.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310000)

臨近地鐵區間隧道的深基坑開挖數值模擬分析

劉興舟1劉海智2

(1.佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東 佛山 528000； 2.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310000)

針對深基坑開挖對臨近地鐵盾構區間隧道的影響，以佛山保利達廣場項目為工程背景，采用有限元數值模擬分析基坑開挖及回筑階段地層位移及隧道變形，并在基坑開挖過程中采取專項保護措施和進行詳盡的基坑及地鐵隧道監測。結果表明，基坑及地鐵隧道均在安全可控范圍內。

基坑，地鐵，隧道，數值模擬，有限元

隨著城市建設的快速發展及地下空間開發進程的加快，越來越多的建筑物基坑工程上跨既有地鐵區間隧道或處于地鐵運營安全保護范圍內，基坑開挖過程中引起既有地鐵隧道的變形、內力變化、上浮、管片開裂、位移等[1-3]。而地鐵運營過程中對軌道平整度要求極高，需嚴格控制既有地鐵隧道結構變形。因此，準確評價深基坑開挖對地鐵隧道的影響和選擇合理的深基坑圍護方案及施工工藝對確保基坑自身及地鐵隧道的安全具有非常重要的工程意義。以往佛山地區軌道交通線路較少，深基坑工程周邊環境條件較好，設計和施工深基坑時對周邊環境影響考慮較少，但隨著城市地下空間快速開發，深基坑開挖緊鄰地鐵隧道的工程現象越來越頻繁，現在深基坑設計不僅要考慮基坑自身的安全問題，更需關注深基坑開挖對周邊建(構)筑物的影響，需將深基坑工程和周邊環境作為一個整體考慮[4-6]。本文以佛山保利達廣場項目基坑開挖對既有地鐵隧道的影響為工程背景，采用有限元數值模擬分析基坑開挖及回筑階段地層位移及隧道變形，以期為今后類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

保利達廣場項目位于佛山市通匯橋路和工運路交匯處，通匯橋以北，工運路以西。本項目緊鄰廣佛線二期新城東站—東平站區間隧道，該區間隧道為地下雙線盾構區間，雙線隧道線間距為12 m～16 m，隧道管片直徑為6.2 m，軌面埋深為24.37 m～12.55 m。本項目地下室基坑深10.1 m，基礎型式均采用樁筏基礎，地下室外墻與地鐵廣佛線二期右線隧道結構外輪廓的最近距離為14.5 m，基坑圍護采用φ850@1 000的鉆孔灌注樁+φ850@600的三軸攪拌樁止水帷幕形式，圍護樁外緣與廣佛線二期右線隧道結構外輪廓的最近距離為12.3 m。

2 地鐵隧道變形控制標準

根據以往工程經驗，并參照《城市軌道交通既有結構保護技術規范》[7],對地鐵安全保護區內的建筑施工項目提出了明確的要求如下：1)地鐵結構設施隧道水平位移、豎向位移最大不超過15 mm；2)收斂變形不大于15 mm；3)地鐵結構日沉降量和水平位移量不大于0.5 mm。

對于隧道安全控制要求，參照廣東省《城市軌道交通既有結構保護技術規程》及其他地區類似經驗，對隧道變形提出如下控制要求：1)隧道水平位移、豎向位移最大不超過15 mm；2)道床脫空量不大于5 mm；3)水平：相鄰兩根鋼軌高程差不大于4 mm；4)高低：10 m弦長軌面高程差不大于4 mm；5)軌距：相鄰兩根軌道軌距變化范圍+6 mm～-4 mm；6)扭曲變形：小于1/2 500。

由于保利達廣場項目施工時，廣佛線二期新城東站—東平站區間處于試運營階段，參照地鐵軌道變形控制標準及《城市軌道交通既有結構保護技術規范》[7]有關隧道結構變形標準的要求，綜合考慮地鐵運營安全，隧道沉降、隆起值按±10 mm控制。

3 工程相互影響分析

保利達廣場項目建筑結構緊鄰廣佛線二期新城東站—東平站區間隧道，項目工程施工對地鐵區間隧道影響較大，故需對該施工過程中的影響進行分析，并根據分析結果采取相應的工程措施以控制項目施工對地鐵區間隧道的影響。

3.1 理論基礎

HSS塑性模型[8]包含兩種硬化類型，即壓縮硬化和剪切硬化。壓縮硬化用于模擬固結儀加載和各向同性加載中主壓縮帶來的不可逆塑性應變。剪切硬化用于模擬主偏量加載帶來的不可逆應變。且本模型屈服面在主應力空間中不固定，而由塑性應變的產生而膨脹。HSS模型[8]不僅能反映土體材料在小應變情況下剪切強化，而且在主偏量加載下，土體的剛度下降，同時產生不可逆的塑性應變。

標準排水三軸試驗中豎向應變ε1和偏應力q之間為雙曲線關系，如式(1)所示。

(1)

其中，E50為主加載下與圍壓相關的剛度模量；qa為抗剪強度的漸進值。

(2)

極限偏應力qf和式(1)中的量qa定義如下：

(3)

qf可根據Mohr-Coulomb破壞準則[9]中強度參數進行取值。當qf=q時，破壞準則得到滿足，類似于Mohr-Coulomb模型發生完全塑性屈服。其中破壞比Rf為qf和qa之間的比值。卸載和再加載的應力路徑用另外一個應力相關的剛度模量：

(4)

為解決土體在實際小應變情況下的土體剛度增大問題，HSS引入土體在小應變情況下的剪切剛度G0，G0為土體在小應變r時的剪切模量，r為土體小應變對應的應變范圍。

3.2 有限元計算分析

廣佛線二期新城東站—東平站區間隧道在保利達廣場項目影響范圍內的軌面埋深為17.1 m～20.5 m，隧道內徑2.75 m，外徑3.1 m，管片厚0.35 m。

選取鄰近地鐵側典型剖面建立有限元模型，有限元軟件采用PLAXIS。建筑物框架結構、隧道管片、圍護樁均采用板單元進行模擬，截面積、慣性矩等幾何參數采用相應的材料特性進行計算并按每延米折算。圍護樁和土體之間的相互作用通過設置界面單元來考慮。

地面荷載均以20 kPa超載形式考慮，建筑物荷載按每層15 kPa取值。地勘參數見表1。

表1 土層參數

表2 有限元計算工況

本文有限元計算按照地鐵隧道先施工，保利達廣場項目后施工的原則，因此只反映保利達廣場項目施工對地鐵隧道的影響。本次計算選取本項目基坑的最不利工況，計算工況詳見表2，計算模型詳見圖1。

根據上述計算分析，保利達廣場項目的整個施工過程引起廣佛線二期新城東站—東平站區間盾構隧道結構的最大總位移為6.23 mm，最大水平位移為3.43 mm，最大豎向位移為-5.54 mm，最大彎矩為106.17 kN·m，初始彎矩為74.4 kN·m，經核算，滿足地鐵結構變形控制要求及受力要求，具體計算結果詳見表3。

表3 有限元計算分析結果

4 結語

1)通過對保利達廣場項目建(構)筑物與廣佛線二期新城東站—東平站盾構區間隧道有限元數值模擬分析可知，在靠近地鐵側所采用的基坑支護形式能夠有效的控制基坑變形。該項目實施過程及竣工后對地鐵建設、運營的不利影響整體均為可控。2)保利達廣場項目實施過程中，應全程采取針對地鐵保護的安全監測措施，并根據監測結果制定相應的應急預案，確保地鐵安全運營。3)保利達廣場項目的基坑需在止水帷幕封閉并達到設計強度后才能開挖。開挖應分區進行并需自西向東分層、分段實施，每層厚度應小于2 m，以更有效的控制基坑變形；基坑開挖完成后應及時封底。4)基坑支撐拆除時應嚴格控制拆除方式并選用合適的機械及參數，施工引起地鐵區間隧道振動的峰值速度不得大于20 mm/s，以減小對地鐵隧道的不利影響。基坑東側禁止施工車輛行駛，禁止大范圍堆載，且總荷載(含動荷載)不得超過20 kPa。5)保利達廣場項目基坑開挖時，必須及時做好基坑降水及排水，不得采用坑外降水的方式，以減小周邊地層水位大幅變化對地鐵隧道造成的不利影響，但坑外需根據相關規范的要求布置水位觀測井，實時監測坑外水位變化。6)保利達廣場項目在施工期間，應對廣佛線二期新城東站—東平站區間進行跟蹤監測，監測范圍為基坑對應隧道段及基坑前后各延伸30 m；監測周期為土建施工開始至施工后隧道變形趨于穩定；監測頻率由建筑物風險等級確定，并依據數據穩定性情況進行調整。

[1] 孫 鈞.城市地下工程活動的環境土工學問題(下)[J].地下工程與隧道,2000(1):2-7.

[2] Michael Long.Database for Retaining Wall and Ground Movements due to Deep Excavations[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2001(127):203-224.

[3] Villy A,Kontogianni,Stathis C,etc.. Induced deformation during tunnel excavation:Evidence from geodetic monitoring[J].Engineering Geology,2005(79):115-126.

[4] 張玉成,楊光華,鐘志輝,等.軟土基坑設計若干關鍵問題探討及基坑設計實例應用分析[J].巖土力學與工程學報,2012,31(11):2234-2243.

[5] 張玉成,楊光華,胡海英,等.軟土深基坑圍堰及基礎施工對既有下穿管線的影響及保護措施研究[J].巖土工程學報,2012,34(S2):364-370.

[6] 張玉成,楊光華,胡海英,等.格柵式連續墻在沉管隧道護岸工程支護中的應用[J].巖土工程學報,2012,34(S2):440-446.

[7] DBJ/T 15—120—2017，城市軌道交通既有結構保護技術規范[S].

[8] Benz T.Small-Strain Stiffness of Soils and Its Numerical Consequences [M].Univ.Stuttgart,Inst.f.Geotechnik,2007.

[9] Goodman R E.Introduction to Rock Mechanics(2nd ed).New York:John Wiley & Sons,1989:80-84.

Analysis on numerical simulation of deep foundation pit excavation adjacent subway section tunnel

Liu Xingzhou1Liu Haizhi2

(1.FoshanRailwayInvestmentandConstructionGroupLimitedCompany,Foshan528000,China;2.ZhejiangTransportationPlanningandDesignInstitute,Hangzhou310000,China)

According to the influence of deep foundation pit excavation adjacent subway shield section tunnel, taking the Foshan Baoli Plaza project as the engineering background, using the finite element numerical simulation analysis on the strata displacement and tunnel deformation of foundation pit excavation and construction phase, and took special protection measures and made detailed foundation pit and subway tunnel monitoring in excavation process, the results showed that both the foundation pit and subway tunnel within safe and controllable range.

foundation pit, subway, tunnel, numerical simulation, finite element

1009-6825(2017)21-0160-03

2017-05-15

劉興舟(1986- )，男，工程師； 劉海智(1986- )，男，工程師

U455

A