大型基坑施工對臨近運營地鐵影響分析

樂師軍

摘 要：某市地鐵運營指揮中心大型基坑臨近運營地鐵車站及區間，其施工會對臨近的運營地鐵車站及區間產生一定的影響，特別是超近距離的基坑施工，必須對其安全性進行分析。文章運用數值模擬分析對大型基坑施工對臨近運營地鐵安全性進行評估，并針對近接地鐵施工存在的風險提出相應防護措施，以期為本地區類似工程提供解決方案。

關鍵詞：地鐵;大型基坑;臨近地鐵;施工安全

中圖分類號：U459.3

1 工程概述

某市地鐵運營控制中心由主塔、主塔裙房和三層地下室構成。裙房3層，高度約23 m，主塔樓地面以上共34層，高度約150m。控制中心基坑面積約9 302m2，主塔位置基坑深度約18.0 m，裙房基坑深度約16.5m。控制中心基坑工程緊鄰地鐵2號線，基坑圍護結構距火車北站站附屬結構2號風亭最近凈距0.57 m，距3號出入口最近凈距3.45 m，距火車北站站—穿心鼓樓站區間隧道結構外邊最近凈距5.4 m。基坑施工工法為明挖法，圍護結構為800 mm連續墻+3道混凝土支撐（圖1）。基坑開挖施工對地鐵車站和區間盾構隧道的安全會產生不利影響且風險大。目前，火車北站站和火車北站站—穿心鼓樓站區間盾構隧道均已載客運營，為保證既有地鐵設施的結構和運營安全，必須對緊鄰地鐵側深基坑開挖施工對地鐵設施影響進行評估。

根據區域地質資料、鉆探揭示，基坑場地土層按工程特性及成因可劃分為，第四系全新統人工填土層（Q4ml）人工填土、第四系全新統沖洪積層（Q4al+pl）黏土（粉質黏土）、第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）圓礫土（局部夾有黏性土、粉土、粉細砂、中砂、礫砂）、第四系上更新統沖洪積層（Q3al+pl）粉質黏土與粉土互層（局部夾有粉細砂、中砂、礫砂）。場地內地下水埋深5～7.1 m，地下水水位標高1 885.53～1 887.49 m，地下水類型為上層滯水、第四系潛水兩大類。

2 基坑設計

控制中心基坑面積約9 302m2，主塔位置基坑開挖深度約18.0 m，裙房基坑開挖深度約16.5 m，基坑周長約為453.9 m。基坑設計如下。

（1）基坑劃分成大小2個基坑，分2期實施，中間采用連續墻封堵分隔。大基坑為地下三層，小基坑靠近地鐵區間隧道，為地下一層（二期，小基坑），局部地下3層（一期，大基坑）。先施工距離隧道較遠的大基坑，待地下室結構完成后，再施做小基坑。

（2）根據基坑變形控制保護等級為一級，以及周邊環境、地質條件和工程造價，基坑圍護結構選用800mm連續墻加內支撐。大基坑范圍為3道混凝土支撐，第1道支撐在冠梁上，其余支撐在混凝土圍檁上。小基坑地下一層部分為1道混凝土支撐，地下三層部分為第1道混凝土支撐，第2、3道支撐為鋼支撐。

（3）在基坑西側靠近地鐵一側施做跟蹤注漿，在基坑東側和南側靠近建筑物一側施做跟蹤注漿，根據監測結果，判斷是否采取加強注漿加固措施。

（4）在基坑西北角設連接通道與地鐵車站連接，連接通道基坑圍護結構與火車北站站附屬圍護結構之間采用800 mm旋噴樁止水，旋噴樁深入連接通道基坑底以下3 m。

基坑與地鐵區間位置關系見圖2。

3 基坑施工安全性分析

本文采用大型有限元程序ANSYS軟件對基坑施工安全性進行分析，分析土體的位移場分布情況和結構內力變化大小，評價基坑開挖對地鐵2號線區間隧道和車站的影響。

3.1 巖體彈塑性破壞準則

理論分析與實際經驗均表明，目前有限元分析中能較好地模擬巖體力學特性的土體彈塑性破壞準則是德魯克-普拉格準則（Druker-Prager，以下稱D-P準則），一方面它克服了摩爾-庫侖準則在角點處導數不連續的問題，另一方面也很容易與摩爾-庫侖準則結合起來確定計算參數。因此，計算中土體彈塑性破壞準則采用的是D-P準則。

3.2 巖土物理力學參數

計算分析時，土層的黏聚力和內摩擦角采用固結快剪值，土體本構模型采用D-P準則代替傳統摩爾-庫侖準則進行模擬。

根據經驗，有限元分析時，土的彈性模量E取土的壓縮模量Es的3～5倍。本分析對于黏性土，采用E = 5 Es進行計算。土層的泊松比υ采用如下取值范圍：碎石土0.15～0.20，砂土0.20～0.25，粉土0.23～0.31，粉質黏土0.25～0.35，黏土0.25～0.40。

3.3 圍護結構及支撐結構參數

3.3.1 圍護結構剛度

模型中鉆孔灌注樁采用梁單元進行模擬，根據樁的截面特性，抗彎剛度通過等效換算得到，等效公式為式（1）：

Ep Ip = Ec Ic? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式（1）中，Ep為實際彈性模量;Ec為模型中彈性模量;Ip為實際慣性矩;Ic為模型中的慣性矩。

圍護結構采用的是800 mm連續墻，C30混凝土，其彈性模量為30 GPa，其慣性矩Ic = b h3 / 12等效為矩形截面，寬度為1 m，高度為h。

3.3.2 水平支持剛度

由于水平支撐在縱向上具有一定的間距，屬于空間問題，轉換為二維平面問題時，需要對水平剛度進行剛度等效，等效公式采用等抗壓剛度式（2）：

E 'p Ap = E 'c Ac? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式（2）中， E 'p為水平支撐實際彈性模量; E 'c為模型中彈性模量;Ap為水平支撐面積實際;Ac為模型中的支撐面積。

水平支撐采用混凝土支撐，截面采用寬b = 0.7m，高h = 0.9m，面積Ap = 0.63m2，水平間距s = 6m，等效為b = 1m延米長度的支撐，每延米截面高度為105mm。

3.4 模擬計算分析

本次模擬選取不利斷面進行計算，計算區域側面邊界水平位移被約束，底面沿豎直方向位移被約束;計算區域內的土體和預留土體采用4節點的PLANE42實體單元來模擬，圍護結構連續墻、內支撐、格構柱、樁基礎、盾構襯砌、車站主體和附屬結構均采用BEAM3梁單元來模擬。考慮基坑開挖對既有運營區間的有效影響范圍，二維計算模型的計算區域取為96m×55.1 m（圖3）。

有限元模擬計算按3個工序進行，以模擬最終基坑開挖對隧道的影響，主要工序為：原始地形地貌下的應力位移場、盾構區間隧道開挖施工（后位移歸零）、基坑二期開挖等過程。

3.5 模擬計算結果分析

參考目前國內既有工程經驗，以及為進一步減少基坑開挖臨近工程影響，一般考慮“先深后淺”的原則進行施工，故本次模擬計算時也考慮按此分步開挖原則，先進行一期大基坑開挖分析，后進行二期小基坑開挖分析。

3.5.1 位移結果分析

（1）大基坑開挖至基底后引起左右線隧道豎向位移云圖見圖4，由圖4可知，左線隧道豎向位移收斂值為2.00 mm（對稱點收斂值-1.05 mm），右線隧道豎向位移收斂值為-3.49 mm（對稱點收斂值-2.88mm），模擬計算中出現的隧道最大豎向位移為-3.49 mm;左線隧道水平位移收斂值為3.49 mm（對稱點收斂值1.26mm），右線隧道水平位移收斂值為2.23mm（對稱點收斂值1.26 mm），模擬計算中出現的隧道最大水平位移為3.49mm。可見，大基坑開挖后左線最大直徑橢圓度變化量為2.00 -（-1.05）= 3.05 mm，右線最大直徑橢圓度變化量為2.23 - 1.26 = 0.97 mm;左右隧道最大豎向位移為-3.49 mm，最大水平位移為3.49 mm。

（2）小基坑開挖至基底后引起左右線隧道豎向位移云圖見圖5，由圖5可知，左線隧道豎向位移收斂值為5.84 mm（對稱點收斂值2.98 mm），右線隧道豎向位移收斂值為2.40 mm（對稱點收斂值0.68 mm），模擬計算中出現的隧道最大豎向位移為5.84 mm;左線隧道水平位移收斂值為-1.22 mm（對稱點收斂值0.078 mm），右線隧道水平位移收斂值為0.077 mm（對稱點收斂值-0.079 mm），模擬計算中出現的隧道最大水平位移為-1.22 mm。可見，小基坑開挖后左線最大直徑橢圓度變化量為5.87 - 2.98 = 2.89 mm，右線最大直徑橢圓度變化量為2.4 - 0.68 = 1.72 mm;左右隧道最大豎向位移為5.84mm，最大水平位移為-1.22 mm。

3.5.2 內力結果分析

基坑開挖至基底隧道內力計算結果如下。

（1）大基坑開挖至基底后引起隧道盾構管片的最大軸力是689.6kN，隧道盾構管片的最大剪力是109.2kN，隧道盾構管片的最大彎矩是154.5kN · m。

（2）小基坑開挖至基底后引起隧道盾構管片的最大軸力是700.7 kN，隧道盾構管片的最大剪力是106.6kN，隧道盾構管片的最大彎矩是149.6 kN · m。

3.5.3 分析結果小結

（1）我國GB 50446-2017《盾構法隧道施工與驗收規范》規定了襯砌圓環直徑橢圓度允許偏差為±0.005D（D為隧道直徑）。由本文3.5.1節隧道最大橢圓度計算結果可知，左線隧道橢圓度為3.05mm<0.005×6200 = 31mm，右線隧道橢圓度為1.72mm<0.005×6200 = 31mm，滿足盾構隧道橢圓度規范要求。

（2）隧道最大豎向位移5.87 mm和最大水平位移3.49 mm均小于隧道結構安全預警值9 mm，滿足城市軌道交通結構安全控制值的要求。

（3）表1給出了基坑開挖前后隧道管片的最大內力，由表1可見，大小基坑分步開挖對管片結構受力有影響，但開挖前后管片內力變化不大，表明隧道結構安全，施工風險可控。

4 實際監測結果

本項目基坑實施全過程中對受影響的運營線進行了位移和沉降監測，監測結果表明，右線隧道結構最大豎向位移收斂值3.8mm，最大水平位移收斂值4.38mm;左線最大豎向位移收斂值3.1mm，最大水平位移收斂值4.62mm。由此可見，模擬計算結果與實際結果偏差約1mm，初步判斷主要是測量誤差或施工過程中自身圍護結構產生了位移和變形引起，總體來說模擬計算結果與實際沉降和變形都在規范允許范圍內，理論計算結果可作為基坑風險設計參考。

5 結論及建議

（1）在本地區實施毗鄰地鐵結構基坑工程，應重視類似工程經驗及教訓，采取有針對性的支護體系及工程措施，以確保在建工程及既有工程的安全。

（2）數值分析法作為當下安全評估常用手段，可以在一定程度反映工程變化情況，但需注意合理選用計算參數及不利截面。

（3）理論計算應注重與實際工程實施結果綜合分析，針對類似工程或工況總結經驗參數，使理論計算結果盡量貼合實際，更好地定性定量判斷工程風險。

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收稿日期 2019-09-02

責任編輯 朱開明

Analysis of influence of large foundation pit construction on the adjacent operation subway

Le Shijun

Abstract： When a large foundation pit of a metro operation command and traffic control center in a city is adjacent to the metro station and section， its construction has some impact on the adjacent metro station and section. Especially for the very close foundation pit construction， its safety must be analyzed. This paper uses numerical simulation analysis to evaluate the safety of large-scale foundation pit construction to the adjacent operation metro， and proposes corresponding protective measures for the risk of adjacent metro construction， providing solutions for similar projects in this area.

Keywords： subway， large foundation pit， adjacent to subway， construction safety