砂卵石地層基坑開挖對側方地鐵交叉隧道和車站的影響分析

胡瑞青,戴志仁,李儲軍,王天明

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043； 2.軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043； 3.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室,西安 710043)

1 概述

近年來，隨著城市軌道交通和城市建設的迅猛發展，地鐵建設掀起了大規模的建設高潮[1-3]，而地鐵沿線高密度、高強度的地產及物業開發，不可避免地產生大量近鄰既有地鐵結構的深基坑工程等外部作業形式[4-5]，由于基坑大范圍的開挖卸荷，必然造成坑周土體原有位移場和應力場的改變[6]，且考慮到工程地質環境的復雜性，基坑施工期間極易引起地鐵結構自身的開裂破損及滲漏水等病害現象[7-9]，因此，分析研究基坑開挖全過程對側方近鄰地鐵結構變形特征和受力變化情況就顯得尤為重要[4]。

針對基坑開挖卸荷對鄰近地鐵結構的影響，國內外大量學者進行了廣泛而深入的研究，并取得了豐富的研究成果。胡海英等[10]通過位移實測手段，指出基坑開挖對鄰近隧道的影響應結合具體力學傳遞路徑來確定是卸荷還是增荷；趙瑜[11]基于數值正交試驗方法，研究了基坑開挖深度、基坑與隧道距離等因素對地鐵隧道變形敏感性的影響程度及規律；杜林[12]運用數值分析和實測手段，研究了基坑爆破開挖對隧道的影響。趙志強等[13]利用縱、橫向等效剛度原則建立三維等效連續化模型，研究了基坑開挖期間隧道縱向變形規律，并利用解析法建立了縱向彎矩與管片接頭環縫張開量之間的關系。

目前基坑常采用錨索和地下連續墻、錨拉式排樁、內支撐式排樁及放坡網噴等支護結構形式，而關于斜撐和基底支擋樁支護方式的相關研究鮮有報道，且既有研究的分析對象多集中于單一均質的既有隧道，而對基坑開挖卸荷對側方地鐵交叉隧道及隧道與車站結合部等的變形特征和受力變化情況研究尚少。因此，本文基于有限元法，分析研究了砂卵石地層基坑開挖對側方既有地鐵隧道和車站的影響，重點分析了基坑支護結構及鄰近地鐵結構的變形特征及受力變化情況，為后續類似基坑工程優化設計和施工提供寶貴的參考和借鑒[14]。

2 工程概況

2.1 基坑工程概況

基坑場地位于成都一環路南四段外側，北側緊鄰既有的地鐵3號線、5號線，基坑開挖深度15.0 m，屬深基坑。基坑北側開挖邊線距地鐵3號線、5號線結構外邊線之間的水平投影凈距分別為13.0 m和5.7 m(5號線隧道拱頂在基坑開挖深度以下)，緊鄰北側地鐵區域無高層建筑，地表超載影響較小。

緊鄰基坑工程的地鐵3號線采用盾構法施工，影響段隧道覆土厚度約10.3 m，地鐵5號線采用類圓形斷面礦山法隧道近距下穿地鐵3號線，覆土厚度約20.3 m。擬建基坑與鄰近地鐵平面相對位置關系如圖1所示。

圖1 基坑與鄰近地鐵平面相對位置關系

2.2 基坑設計概況

根據不同的地質情況及周邊環境條件，基坑分為8個支護段，采用放坡網噴支護，錨拉樁、內支撐樁及雙排樁支護等支護方式，基坑圍護結構平面布置如圖2所示。

圖2 基坑圍護結構平面布置

(1)AB段采用放坡網噴混凝土支護，坡度1∶1，在中間4.0 m深度處設置2.5 m寬平臺，噴射混凝土C20，厚10 cm，鋼筋網φ8@250 mm×250 mm，并設置0.5 m長的鋼筋錨釘@1 500 mm×1 500 mm與鋼筋網連接。

(2)BB′段為地鐵5號線附屬用房施工范圍，支護樁嵌固深度4.5 m，樁徑1.2 m，樁間距2.2 m。

(3)B′C段采用錨拉式排樁支護，支護樁嵌固深度5.5 m，樁徑1.2 m，樁間距2.6 m，樁上打設3排錨索，錨索傾角15°，錨索長度13.0、12.5、12.5 m，錨索末端距地鐵軌道中心線間距大于15 m，滿足外部作業錨索與地鐵隧道結構外邊線凈距控制管理值要求。

(4)CD段采用排樁加斜支撐支護，支護樁嵌固深度6.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上-8 m處設1排φ609 mm×16 mm鋼管內支撐，鋼管支撐軸向施加預應力140 kN，斜支撐水平間距5.4 m，基底支擋樁4根，斜撐架設采用開槽留土臺方式架設支撐，施工步序如圖3所示。

(5)DE段采用排樁加內支撐支護，支護樁嵌固深度7.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁頂冠梁設置1排φ609 mm×16 mm鋼管內支撐，鋼管支撐施加軸向預應力282 kN，內支撐水平間距4.0 m，轉角處設置300 mm厚拉梁板。

(6)EF段采用錨拉樁支護，支護樁嵌固深度5.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上設3排錨索，錨索長度17.0、15.0、14.0 m，錨索傾角15°。

(7)FG段采用雙排樁加錨索支護，錨索傾角15°，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，前后排距2.5 m。

(8)GH段采用錨拉樁支護，支護樁嵌固深度5.0 m，樁徑1.2 m，樁間距2.7 m，樁上設3排錨索，錨索長度17.0、15.0、14.0 m，錨索傾角15°。

圖3 斜撐架設步序

3 安全控制標準

3.1 建筑基坑安全控制指標

明挖法基坑支護結構監測項目控制值應根據工程地質條件、基坑設計參數、工程監測等級及當地工程經驗等確定，考慮到成都砂卵石地層基坑工程經驗相對欠缺，結合《建筑基坑支護技術規程》和《城市軌道交通工程監測技術規范》，制定了成都砂卵石地層基坑錨拉式(或支撐式)排樁的安全控制標準，如表1所示。

表1 明挖法基坑支護結構安全控制標準

注：H為基坑設計深度。

3.2 城市軌道交通結構安全控制指標

城市軌道交通結構安全控制標準的制定和風險管控措施的有效執行是確保地鐵工程風險可控與周邊環境安全的關鍵，結合《城市軌道交通結構安全保護技術規范》《地鐵設計規范》及《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》等相關規范要求，從嚴制定了成都砂卵石地層既有地鐵結構的安全控制指標值，如表2所示。

表2 城市軌道交通結構安全控制標準

4 基坑開挖對地鐵結構影響數值分析

4.1 模型建立

運用巖土與隧道三維有限元分析軟件MIDAS GTS，結合基坑規模(平面尺寸和挖深)且考慮計算模型邊界效應的影響，模型基本尺寸為125 m×80 m×40 m(x×y×z)，由圣維南原理知，模型邊界滿足與地鐵隧道凈距大于3倍洞徑要求。車站梁柱、基坑排樁、冠梁、斜撐及斜撐支擋樁均采用1D梁單元模擬，隧道襯砌、車站與附屬結構板墻以及基坑側壁噴混凝土、坑底墊層均采用2D板單元模擬，土體采用3D實體單元模擬，錨索采用植入式桁架模擬，模型四周及底面采用固定邊界條件，頂面采用自由變形邊界條件，整體有限元模型和基坑與側方地鐵結構的空間相對位置關系如圖4、圖5所示。

圖4 整體有限元計算模型

圖5 基坑與側方地鐵結構空間相對位置關系

4.2 計算參數

隧道襯砌、車站梁板柱及基坑支護結構均采用線彈性本構模型，土體采用修正摩爾-庫倫本構模型，土層和結構基本物理力學參數如表3所示。

表3 土層和結構基本物理力學參數

注：考慮到螺栓接頭對管片整體剛度的折減，圓環抗彎剛度有效率取0.7[15]。

4.3 施工步序模擬

地鐵結構施工及基坑開挖對周邊環境的影響可采用應力釋放的方法來模擬[16]，每個開挖步采用有限元程序提供的“激活”與“鈍化”功能進行處理，模擬過程主要分為兩個計算步，第一步，殺死開挖的土體單元，并對開挖輪廓線上的地層進行應力釋放；第二步，完成剩余應力的釋放，并施作地鐵支護結構或基坑圍護結構。施工模擬主要流程為：計算初始地應力場→隧道開挖及襯砌支護結構施作→車站主體及附屬結構開挖及襯砌結構施作→基坑土體開挖(自上至下分層分塊對稱開挖，每層開挖深度分別為4.5、3.0、3.0、4.5 m)→基坑支護結構施作。

4.4 基坑支護結構變形和內力分析

4.4.1 圍護結構變形分析

基坑開挖至坑底時圍護結構總位移云圖如圖6所示，由圖6可知，內支撐樁支護段較錨拉樁支護段變形偏大，且內支撐樁支護段沿基坑深度方向的變形呈“駝峰狀”，圍護結構體系變形極值發生在基底斜撐支擋樁樁頂，變形極值為10.64 mm，故基坑支護結構側向變形量滿足安全控制標準值。

圖6 基坑開挖至坑底圍護結構總位移云圖

4.4.2 錨索及斜支撐內力分析

基坑開挖至坑底時預應力錨索及斜支撐的軸力極值如表4所示。由表4可知，錨索拉力極值為242.4 kN，小于錨索承載能力，由于基坑B′C段側土體位移場受地鐵隧道的阻隔，作用于圍護結構的側向土壓力相對較小，故B′C段錨索拉力值略小于EF段；斜支撐軸力亦小于鋼管內支撐設計值，且滿足穩定性要求。

表4 錨索及斜支撐軸力極值

4.5 既有地鐵結構變形和內力分析

為分析研究基坑開挖過程中支護結構和地鐵隧道的變形特征及受力變化，且考慮到擬建基坑形狀不規則，與側方立體交叉隧道走向不平行，故選取近基坑側隧道控制斷面進行分析研究，監測斷面間隔1倍洞徑等間距布置于隧道結構上，隧道監測斷面布置示意如圖7所示。

圖7 隧道監測斷面位置示意

4.5.1 隧道結構變形

由于基坑開挖卸荷，坑底土體發生隆起變形，基坑側壁圍護結構發生水平側移，引起坑周土體產生偏向基坑側的位移，進而導致隧道的上抬變形及水平側移，基坑開挖側方地鐵隧道整體變形如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知，地鐵隧道的整體變形趨勢表現為偏向基坑側，隧道的變形分布形態均呈“鴨蛋”狀，隧道總位移最值均發生在距基坑凈距最小的隧道監測斷面，由于上跨盾構隧道較下臥礦山法隧道卸載比較小且距基坑水平凈距較大，因此盾構隧道較礦山法隧道變形偏小，其中，盾構隧道和礦山法隧道變形最值分別位于隧道近基坑側拱腰和拱肩附近。

圖8 地鐵3號線監測截面位移(單位：mm)

圖9 地鐵5號線監測截面總位移(單位：mm)

基坑開挖側方鄰近地鐵隧道總位移極值如表5所示。由表5可知，盾構隧道和礦山法隧道的總位移極值分別為0.72 mm和1.70 mm，遠小于區間隧道位移安全控制指標值4 mm，即地鐵隧道的絕對變形和不均勻變形均滿足地鐵的正常運營要求。

表5 基坑開挖側方地鐵隧道監測斷面總位移極值

4.5.2 隧道結構內力

選取近基坑側地鐵隧道最大變形截面進行內力分析研究，基坑開挖前后盾構隧道和礦山法隧道內力分布如圖10、圖11所示，其中，軸力以壓力為正，彎矩以隧道襯砌內側受拉為正[17]。

圖10 基坑開挖前后盾構隧道內力分布

圖11 基坑開挖前后礦山法隧道內力分布

由圖10、圖11可知，地鐵隧道內力分布形態基本一致，軸力和彎矩分別呈“橢圓狀”和“花生狀”分布，基坑開挖至坑底工況較基坑未開挖工況隧道結構內力值較大，軸力和彎矩最值分別出現在隧道拱腰和拱頂(或拱底)附近，且隧道內力最值均位于近基坑側，隧道受力呈現出一定的偏壓狀態，同時，基坑開挖卸荷引起側方隧道內力分布形態發生一定的偏轉(偏向基坑側)，易造成隧道襯砌自身開裂破損和滲漏水等病害現象，從而影響地鐵的結構安全及正常運營。

基坑開挖卸荷前后地鐵隧道內力最值如表6所示。由表6可知，基坑開挖卸荷地鐵隧道的附加內力增大幅度均在15%以內，由于下臥礦山法隧道變形量較大，故礦山法隧道內力增大幅度較盾構隧道偏大。基坑開挖卸荷均使側方地鐵隧道產生附加內力，經驗算襯砌結構均滿足正常使用極限狀態和承載能力極限狀態，即滿足地鐵的結構安全及正常運營要求。

表6 基坑開挖前后地鐵隧道內力最值

4.5.3 車站及附屬結構變形

基坑開挖卸荷過程中，相較遠離車站端頭的側方地鐵隧道，因其襯砌結構相對均勻，使得地鐵隧道整體變形基本一致，隧道走向差異變形較小，對隧道結構危害較小，而地鐵隧道與車站、車站與附屬風亭等的結合部上，二者結構剛度相差較大，大范圍開挖卸荷使地鐵隧道與車站差異變形較大，使結合部極易產生結構性破壞，是基坑開挖期間側方鄰近地鐵結構的薄弱環節。

基坑開挖至坑底側方地鐵隧道與車站結合部及車站結構總位移云圖如圖12所示。

圖12 地鐵隧道與車站結合部及車站結構變形云圖

由圖12可知，近基坑側車站端頭及附屬風亭發生上浮現象，遠離基坑側車站結構發生下沉且變形較小，使車站發生一定程度的傾斜，在地鐵運營期間該沉降差在列車振動荷載的交替循環作用下，極易使地鐵結構產生更大的附加變形和附加內力，對地鐵的正常運營帶來安全隱患，因此，基坑大范圍開挖卸荷過程中側方鄰近車站應予以重點關注。

基坑開挖至坑底地鐵隧道與車站結合部及車站結構變形極值如表7所示。由表7可知，地鐵車站端頭及附屬風亭的變形以豎向隆起變形為主，且變形最值均小于上浮安全控制標準值。

表7 地鐵車站及附屬風亭變形極值 mm

5 結論與建議

本文基于有限元法分析研究了成都砂卵石地層基坑開挖對側方既有地鐵交叉隧道和車站的影響，主要結論如下。

(1)考慮到地鐵隧道周邊一定范圍內屬建設控制保護區，錨索(桿)等支護形式往往無實施條件，而斜撐加基底支擋樁的支護體系具有形式簡單，受力明確的特點，可為后續類似基坑工程優化設計和施工提供借鑒和參考，以確保地下結構施工及基坑周邊環境的安全。

(2)基坑大范圍開挖卸荷使側方地鐵交叉隧道內力增加，附加內力增大幅度均在15%以內，且隧道內力分布形態發生一定的偏轉(偏向基坑側)，呈現出偏壓狀態，易造成隧道襯砌開裂破損及滲漏水等病害現象，故實際工程中需加強動態監測，以免影響地鐵的結構安全及正常運營。

(3)地鐵隧道與車站、車站與附屬風亭等結合部，因二者結構剛度相差較大，基坑大范圍開挖卸荷使地鐵隧道與車站差異變形較大，易使結合部產生結構性破壞，是基坑開挖期間側方鄰近地鐵結構的薄弱環節，應予以重點關注。

(4)在基坑圍護結構設計時，應充分考慮錨索的工作環境條件(地層松散及列車振動荷載的影響)及斜撐后臂支撐點(基底支擋樁支點)的變形效應，建議對支撐點處地基進行地層加固并預留一定量的土臺反壓。

(5)近地鐵側基坑肥槽建議采用素混凝土回填密實，確保地層與地下室之間水平荷載的有效傳遞，待肥槽回填完畢后方可拆除斜撐。