基坑施工對近距地鐵隧道安全性的影響

翁承顯，劉東雙

1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121

2.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045

隨著城市建設發展，地鐵已成為解決城市交通擁堵的重要途徑。為方便出行并充分利用城市土地，許多新建工程選擇在地鐵沿線，新建基坑的開挖會對周圍土體產生影響，引起鄰近既有地鐵隧道產生變形和沉降，嚴重者甚至發生開裂破壞。因此，研究鄰近基坑開挖對既有地鐵隧道結構的變形影響具有重要意義。

國內外學者系統的研究了基坑開挖對既有地鐵隧道變形影響這一課題，研究方法包括理論分析、數值模擬和監測分析等方法。文獻[1]基于Winkler 模型和Vesic 模量，通過兩階段分析提出了一種簡化分析方法，用以預測相鄰開挖引起的盾構隧道響應；文獻[2]采用監測分析方法，研究了三角形基坑開挖施工各階段隧道的變形，闡述了由基坑開挖引起的既有隧道變形的機理；文獻[3]基于土的粘彈性本構，并考慮土體與隧道耦合作用，采用半解析法分析了由卸荷導致的隧道變形彈性位移；文獻[4-7]通過三維數值模擬對基坑開挖全過程進行了動態模擬，研究了對鄰域常規地鐵隧道的影響文獻[8]通過臺北新規和三起隧道事故，分析了基坑開挖引起的隧道響應；文獻[9]將隧道視為彈性地下連續梁，并引入彈性半空間層狀模型，推導了隧道與周圍土體相互作用的耦合平衡方程。雖然上述文獻重點研究了基坑開挖對既有隧道的影響，但關于在砂質泥巖等軟巖中的研究也鮮有報道。因此，本文以重慶軌道交通三號線觀音橋至紅旗河溝區間的某基坑工程為例，通過三維數值分析的方法，研究了近距離基坑開挖對地鐵隧道的位移影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

項目主體結構位于軌道三號線觀音橋～紅旗河溝單洞單線區間西側，基坑東側邊坡走向基本與軌道線路平行。擬建項目地下室外墻至軌道結構左線區間結構距離為25.30 m～26.08 m，如圖1 所示。

圖1 項目與軌道交通結構平面關系圖Fig.1 Plane relation between the project and rail structural

圖2 項目與軌道交通結構剖面關系圖Fig.2 Section relation between the project and rail structure

從圖2 項目與軌道交通結構剖面關系圖剖面關系中可以看出，基坑開挖底面標高基本與隧道結構頂齊平。擬建建筑結構地下室外墻條形基礎至左線區間隧道水平距離約26.68 m，樁基至左線區間隧道的水平距離約34.98 m；圍護樁至區間結構的水平距離約24.93 m。為增加支護錨桿軌道結構的距離，將設計時將最上兩排錨桿的入射角調整為10°，支護錨桿與至區間隧道錨桿最小距離約13.2 m。擬建場地地表大多為殘坡積粉質粘土所掩蓋，局部分布有少量人工填土。經地表地質調查和鉆孔揭露，場地分布的地層為第四系全新統及侏羅系中統沙廟組地層。現依地層的新老順序，由上至下對各地層如下：（1）人工填土(Q4ml)；（2）粉質粘土(Q4el+dl)；（3）砂質泥巖(J2s)；（4）砂巖(J2s)。場地內巖層強風化帶厚度一般0.80～1.3 m，局部大于2 m，其巖體破碎，巖質軟，質量等級為V。

2 區間結構三維數值模擬變形分析

由于二維數值模型很難真實反映擬建項目與軌道交通結構的空間關系，無法基坑邊坡的三維空間效應，需要采用三維數值模型對軌道交通結構變形進行更精確的計算。為簡化模型，得到更規則的網格，三維計算中采用連續墻體模擬圍護樁、擋土墻，但墻體參數按剛度等效原則輸入參數。這種處理方法僅在基坑開挖邊界處一定范圍內（約3.0 倍樁徑范圍內）所得位移略有失真，但不影響軌道區間隧道變形計算數值。

2.1 模型尺寸與施工步序

為了確保三維模型計算精度并盡量減少收斂時間，本次計算對模型范圍作出了一定的限定。基坑外側土層邊界距離基坑開挖邊界約60 m，約為基坑開挖深度的3 倍，確保消除邊界條件的影響；垂直方向上從地表以下取70 m，底部邊界距離基坑開挖底面約50 m，約為基坑開挖深度的2 倍。模型如下圖所示。

圖3 三維實體網格模型Fig.3 Three-dimensional mesh model

圖4 軌道交通結構實體模型Fig.4 Entity model of rail structure

計算分析步序如下：⑴自重應力場平衡，位移清零；⑵軌道三號線單洞單線左線隧道開挖計算；⑶軌道三號線單洞單線左線隧道施作二襯；⑷軌道三號線單洞單線右線隧道開挖計算；⑸軌道三號線單洞單線右線隧道施作二襯；⑹位移場清零；⑺布置基坑圍護樁；⑻基坑開挖完成計算；⑼施加基礎荷載計算。

2.2 區間結構變形分析

軌道區間結構的橫向位移與豎向位移變化云圖見表1。

表1 基坑開挖過程軌道區間結構變形云圖Table 1 Cloud diagram of track interval structure deformation during excavation of foundation pit

基坑開挖過程中，軌道區間結構的變形逐漸增大，但絕對變形值一直維持在低水平。基坑開挖完成后，左線區間的最大橫向位移為2.39 mm，最大豎向位移為+0.45 mm，底板最大橫向位移為1.71 mm，最大豎向位移為+0.3 mm；右線區間的最大橫向位移為1.36 mm，最大豎向位移為-0.30 mm，底板最大橫向位移為1.08 mm，最大豎向位移為-0.14 mm。

基礎荷載加載后，區間結構無論是橫向位移還是豎向位移，均有一個反向趨勢。因為實際基礎加載是一個緩慢過程，區間結構位移變化也將是一個緩慢過程。基礎加載完成后：①左線區間的最大橫向位移為1.26 mm，最大豎向位移為+0.57 mm，底板最大橫向位移為0.64 mm，最大豎向位移為+0.43 mm；②右線區間的最大橫向位移為0.82 mm，最大豎向位移為+0.21 mm，底板最大橫向位移為0.23 mm，最大豎向位移為+0.18 mm。

圖5 結構最大橫向變形曲線Fig.5 Maximum transverse deformation curves of structures

圖5 及圖6 分別為軌道區間結構最大橫向位移與最大豎向位移在項目施工過程中變化曲線。從圖中可以看出：（1）隨著基坑開挖深度加大，軌道區間結構的橫向變形逐漸加大；擬建建筑上部結構完成加載后，橫向變形有所減小，左線區間最終橫向變形約1.3 mm，右線區間最終橫向變形約0.9 mm；

（2）基坑開挖過程中，軌道區間的最大豎向變形一直維持在較低水平，最大值不超過1.0 mm；擬建建筑上部結構完成加載后，豎向變形略有增大，左線區間最終豎向變形約0.55 mm，右線區間最終橫向變形約0.2 mm。

圖7 結構底板最大橫向變形Fig.7 Maximum transverse deformation of structural floor

圖8 結構底板最大豎向變形Fig.8 Maximum vertical deformation of structural floor

圖7，圖8 分別為軌道區間結構底板最大橫向位移與最大豎向位移在項目施工過程中變化曲線。從圖中可以看出：

（1）隨著基坑開挖深度加大，軌道區間結構底板的橫向變形逐漸加大；擬建建筑上部結構完成加載后，橫向變形有所減小，左線區間底板最終橫向變形約0.70 mm，右線區間底板最終橫向變形約0.23 mm；

（2）基坑開挖過程中，軌道區間底板的最大豎向變形一直維持在較低水平，最大值不超過1.0 mm；擬建建筑上部結構完成加載后，豎向變形略有增大，左線區間底板最終豎向變形約0.42 mm，右線區間底板最終豎向變形約0.18 mm。

區間隧道結構的最大隆起量為0.45 mm，邊界兩端地鐵結構豎向位移趨近于0，模型長度約220 m，取區間隧道變形影響范圍長度為220 m，可由下式計算隧道變形曲率半徑：

式中：L為隧道變形影響范圍長度；Δδv為隧道結構相對豎向位移最大值。計算所得隧道變形曲率半徑約為1.086×109m。

區間隧道結構的最大橫向變形量為2.17 mm，邊界兩端地鐵結構豎向位移趨近于0.52，模型長度約220 m，取區間隧道變形影響范圍長度為220 m，計算隧道相對變形曲率：

式中：L為隧道變形影響范圍長度；Δδh為隧道結構相對橫向位移最大值。計算所得隧道變形曲率約為1/(8×106)m-1。

3 軌道結構截面安全與裂縫寬度驗算

按《鐵路隧道規范》，塌落拱高度計算如下：寬度影響系數：ω=1+i(B-5)=1+0.1×(5.6-5)=1.06；

塌落拱高度：ha=0.45×2s-1ω=0.45×24-1×1.06=3.82 m；

項目基坑開挖后，隧道結構最小埋深h1=28.4＞2.5ha=9.54 m。因此，項目實施后，隧道結構應按深埋設計受力狀態，作用在隧道結構上的荷載不會發生變化，截面安全系數與裂縫寬度與原設計一致，滿足規范要求。

4 結論

通過數值模擬分析擬建項目對軌道交通三號線區間觀音橋～紅旗河溝區間結構的影響進行評估，分析結果表明：

（1）項目建設及運營引起區間結構的最大橫向位移不大于3.45 mm，最大豎向位移不大于1.3 mm；區間隧道的變形曲率半徑為1.086×109m，相對變形曲率半徑為1/(8×106)，不影響軌道交通結構的安全；

（2）項目建設及運營引起區間結構底板的最大橫向位移不大于3.0 mm，最大豎向位移不大于1.2 mm；不影響軌道交通的正常運營；

（3）項目建設及運營期間，軌道區間結構的深、淺埋狀態沒有發生變化，隧道結構應按深埋設計受力狀態，作用在隧道結構上的荷載不會發生變化，截面安全系數與裂縫寬度與原設計一致，滿足規范要求；因此，擬建項目的建設與運營不影響軌道交通結構安全與正常運營。