近接城市地鐵隧道的深基坑支護結構設計研究

李星宇

中鐵十九局集團第五工程有限公司 遼寧 大連 116199

在緊鄰地下結構的深基坑施工時，近接的地下結構會對其相鄰土體起到一定的穩固作用，導致傳統理論公式計算的基坑支護結構設計相對保守，因此從考慮地下結構的存在入手來優化此類型的地下基坑結構設計，對提升地下結構建設的經濟合理性具有重要意義。

巫茂寅[1]以某基坑工程為研究對象，基于軟件模擬優化設計，分析變形及沉降規律，證明模擬設計值與監測值之間存在富余，進而進行優化設計，在保證安全的前提下降低了造價；陳哲[2]通過數值模擬，分析了鄰近地下結構基坑工程的土壓力受地下結構的影響機理，將模擬結果與實際監測和理論計算作對比，說明了地下結構對其周圍土體的穩固作用，并驗算了優化方案的基坑結構設計；匡俊安[3]進一步以土壓力模型為研究對象，對基坑支護過程中外部地下結構對基坑支護的影響進行研究，呈現了支護結構的位移場及應力場，結合規范與工程實踐，為深基坑支護提供了更合理的支護方案。

本文基于上述研究，進一步研究近接地鐵隧道對基坑支護結構的影響。

1 工程概況與試驗設計

1.1 工程概況

廈門市建興大廈基坑支護工程鄰近地鐵蓮花路口站，基坑支護設計使用年限24個月，安全等級為一級，重要性系數為1.1。基坑支護長度約700 m，開挖深度為22 m±1.5 m。基坑段落某側附近存在一城市地鐵隧道，其拱頂埋深約為16 m，隧道結構外徑6.0 m。擬建建筑地下室支護結構邊緣距離地鐵隧道襯砌結構距離最近處為5.0 m。根據相關規范及施工要求，由基坑開挖引起的軌道垂直及水平位移均不得超過3 mm。在運用傳統的朗肯土壓力計算沿深度方向的主動土壓力時，由于忽略了附近地鐵隧道的支護結構對該基坑區段支護的穩固作用，致使基坑設計較為保守。為在保證工程安全性的前提下，提升類似工程的經濟效益，擬對此類工程進行進一步的優化設計。

1.2 試驗設計

1）因基坑較好的深層地層情況與較深的嵌固深度，故發生繞底位移的可能性較小；據相關研究，繞頂端發生位移與平移位移時土的壓力線重合度較大，且后者更加偏于保守，綜合考慮基坑剛性擋土墻最有可能發生的位移形式，最終選擇剛性擋土墻的位移模式為平移位移。

2）將擋土墻及地鐵隧道視為剛性結構；墻后土體為不考慮滲流施工影響的砂性土，且服從摩爾-庫侖強度準則。

3）支護結構與地鐵隧道采用FLAC軟件的zone實體單元模擬，支護厚度為2 m，利用null空單元模擬開挖過程。

4）底部為未分化基巖，施加完全約束，豎向約束左邊界，完全約束右邊界；對土體深度1 m范圍內的點施加指令產生水平向左速度，以達到支護結構的水平位移。

2 試驗結果分析

2.1 地鐵隧道對支護土壓力影響分析

數值模型分析數據如圖1所示，圖中空白對照組為根據經典公式計算的土壓力。可以看出，朗肯土壓力理論計算值比模擬分析中的2種情況的支護土壓力更大。因此，用理論公式計算基坑支護結構設計的方案偏于保守。在數值模擬分析中，模擬該工程近接間距d為5 m的地鐵隧道情況下，其沿深度方向上的支護土壓力較不考慮地鐵隧道情況下更小。因此，近接的地鐵隧道對基坑支護確實能起到穩固的積極作用。在0～10 m的計算深度內，3種情況的支護土壓力較為接近，可以不考慮地鐵隧道對支護結構設計的影響。隨著計算深度的增加，地鐵隧道組的支護土壓力較同深度下的其他2組減小較多，這種影響在12～22 m范圍內最為顯著，最多可造成支護土壓力減小40%～50%的幅度；而隨著深度繼續增加，地鐵隧道對支護土壓力的影響作用逐步減弱，當深度超過25 m后，3條土壓力曲線趨于集中，此時地鐵隧道對支護結構的影響可忽略。

2.2 近接距離對土壓力系數影響分析

選取模擬分析中同一截面不同深度處的4個計算點，按深度由淺到深分別為1號點、2號點、3號點、4號點，對其土壓力系數受地鐵隧道與基坑支護結構近接距離的影響作用進行分析（圖2）。

圖1 地鐵隧道對支護土壓力的 影響分析

圖2 典型點的土壓力系數隨近接距離變化曲線

選取的典型點包括了大部分計算深度有代表性的點，其土壓力系數為0.2～0.6，對照組的朗肯土壓力系數為0.49，1號、2號、3號點（深度較淺且1號＜2號＜3號）的土壓力系數在近接距離較小時，隨近接距離的擴大而增大，當近接距離增至10 m以上時，土壓力系數變化趨勢趨于平緩；而4號點（深度較深）的土壓力系數隨近接距離的擴大而保持平緩，可見地鐵隧道的存在只能在一定深度范圍內對周圍的土壓力產生影響，進而影響支護結構設計。

2.3 近接距離對土壓力合力影響分析

通過模擬分析可知，地鐵隧道的存在對支護土壓力及土壓力系數在一定深度范圍內起到相當大的影響作用，可致支護土壓力及土壓力系數降低40%～50%。在對支護結構進行合理設計時，作用在支護結構上的土壓力合力是一個重要的指標。土壓力合力隨地鐵隧道與支護結構近接距離的變化規律如圖3所示。變化趨勢線表明：隨著近接距離的擴大，土壓力合力逐步上升，且隨著近接距離進一步的增大，土壓力合力向著無地鐵隧道的土壓力分布線逼近。

2.4 近接距離對支護土壓力影響分析

圖4為地鐵隧道與支護結構的近接距離變化對支護結構沿深度方向上的支護土壓力影響關系曲線。地鐵隧道與支護結構的近接距離即為兩者之間土體的寬度，當其近接距離d較小時，如d＝3 m及d＝5 m，地鐵隧道對支護結構在深度10～22 m范圍內的影響尤為顯著，在這個范圍內，土體的壓力相對無地鐵隧道存在時降低了30%～60%，隨著近接距離逐步增加，地鐵隧道對支護土壓力的折減影響作用逐漸減小；當d＝7 m及d＝9 m時，在10～22 m范圍內的支護土壓力相對空白組的折減程度僅為10%～20%；當近接距離繼續擴大時，該影響作用曲線與空白組趨于重合，地鐵隧道對支護土壓力的影響作用可忽略。

圖3 近接距離對土壓力合力的 影響分析

圖4 近接距離對支護土壓力的影響分析

3 結語

本文結合工程特點，按照相關工程規范對經典公式與本次數值模擬土壓力數據分別加以計算，根據計算結果可知：因為地鐵隧道的存在，在此次模型的計算結果下，設計支護結構的鉆孔與鋼絞線的工程量得到大幅節省，可達50%左右，與此同時，總工程成本可減少20%左右。由此可見，在近接城市地鐵隧道的基坑結構設計時，可考慮地鐵隧道的存在，以保證工程的經濟性。

[1] 巫茂寅.鄰近地鐵隧道深基抗圍護結構設計優化研究[D].蘭州:蘭 州交通大學,2017.

[2] 陳哲.臨近地下結構的深基坑支護土壓力計算研究與應用[D].長 沙:湖南大學,2014.

[3] 匡俊安.深基坑支護結構設計與數值模擬研究[D].武漢:湖北工業 大學,2016.