基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道的影響研究

張汝捷，張濤，胡東東

（1合肥市軌道交通集團有限公司，安徽 合肥 230000；2安徽省城建設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

隨著經濟社會的不斷發展，世界各國對于城市地下空間工程的建設不斷進入新的階段，如深基坑工程、地鐵隧道建設等。然而由于城市土地資源的有限性，地下空間的深基坑工程不可避免地會對周圍環境中的建（構）筑物，如地鐵隧道、市政管線等產生一定的不利影響，如何解決城市建設中的這一突出矛盾，是相關領域的專家學者以及工程師們需要重點考慮的問題。

國內外相關學者對于基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響進行了豐富的研究。宋曉鳳等以數值模擬計算為主要手段，對北京市某深基坑工程對臨近既有地鐵隧道的影響特征進行了詳細的分析；胡海英等以廣州市某深基坑工程為工程背景，采用了數值模擬分析和動態監測相結合的方法，分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響；魏綱通過收集國內14個基坑工程實例，從理論上分析了基坑開挖對工程下方既有地鐵隧道的影響機制。

本文以合肥市某深基坑工程以及臨近的既有地鐵隧道工程為例，通過動態監測基坑施工期間對臨近地鐵隧道的影響，并將匯總后的監測結果與數值模擬計算結果進行對比分析，研究深基坑開挖支護對地鐵隧道變形的影響規律，評估該深基坑工程施工期間臨近地鐵隧道的安全性。

1 工程概況

1.1 基坑工程及鄰近隧道概況

本基坑工程周邊均為市政道路，基坑開挖深度為5.85～10.35m，坑底位于粘土中，基坑南側采用1:0.85的放坡支護方案；西側采用排樁+斜撐支護方案；北側采用排樁+放坡支護方案；基坑東側開挖深度為7.35m，且距離用地紅線較近，采用排樁+斜撐支護方案，圍護樁為直徑0.9m、間距1.6m、長度12m 的鉆孔灌注樁，斜撐為長度10.2m的600mm×600mm的鋼格構斜撐，水平間距7.0～8.5m。

基坑東側臨近軌道交通1號線的已運營的區間隧道，隧道拱底埋深約10.7m，區間隧道為兩條單洞單線圓形隧道，均采用盾構法施工，隧道管片內凈空理論值為5.4m，隧道襯砌采用管片厚度300mm、環寬1.5m的C50預制裝配式鋼筋混凝土平板形單層襯砌。基坑邊線距1號線區間隧道邊線最近約23.4m，距離車站最近約42.1m，主要評估分析對象為區間隧道，基坑支護與區間隧道位置關系如圖1所示。

圖1 基坑支護與區間隧道位置關系斷面圖

1.2 工程地質條件

根據相關的巖土工程勘察報告，本基坑南側和東側典型工程地質剖面如圖2所示。擬建場地內地基巖土構成層序自上而下為：①層雜填土，主要以黏性土為主，層厚3.60～7.60m，層厚平均值為5.23m；②層黏土，該層在場地內普遍分布，層厚6.70～12.90m；③層粉質黏土，層厚9.10～11.50m；④層黏土，層底埋深23.00～26.10m。擬建場地地下水類型為上層滯水。上層滯水主要賦存于①層雜填土中，無自由穩定水面，主要補給來源為大氣降水。

圖2 典型工程地質剖面圖

2 數值模擬分析

2.1 建立三維有限元計算模型

為評估基坑施工對地鐵1號線區間隧道的影響，采用MIDAS/GTS建立三維數值計算模型進行分析。模型的南北長度為300m，東西寬度為200m，高度為40m。模型邊界條件為：底面采用固定約束；四個側面為垂直于側面的方向約束；上表面為自由面。土體破壞準則采用摩爾-庫倫模型，車站墻、板及地鐵D出入口墻板采用線彈性的板單元進行模擬；隧道采用板單元模擬；支撐及車站結構柱采用梁單元模擬。土層材料的物理力學參數如表1，車站結構及圍護結構材料參數如表2。

土層物理力學參數 表1

車站結構及圍護結構材料參數取值 表2

根據上述建模信息所建立的基坑支護結構，以及區間隧道、車站的三維模型如圖3和圖4所示。

圖3 車站、區間隧道及基坑工程位置關系圖

圖4 地鐵車站、區間隧道模型圖

2.2 計算工況

為分析基坑工程施工對地鐵區間隧道及車站的影響，按基坑施工各個步驟分析基坑工程施工對地鐵車站、區間隧道的影響。第一步：模擬地鐵結構施工，并將模型位移清零；第二步：基坑樁頂上部放坡施工；第三步：基坑工程圍護樁施工；第四步：基坑開挖至斜撐施工面，斜撐施工；第五步：基坑開挖到底。按照上述五個工況的具體要求，對三維模型進行開挖與支護模擬，得到圖5所示的三維有限元計算模型。

圖5 基坑支護模型圖

2.3 數值計算結果分析

根據以上計算結果可知，基坑工程開挖對地鐵1號線區間隧道、車站結構影響較小，基坑施工引起的區間隧道位移如圖6所示，計算結果顯示基坑施工引起的車站和區間隧道位移值均小于軌道結構變形控制標準5.0mm。

圖6 區間隧道位移云圖

在工況2—工況5計算結果中提取區間隧道沿縱向分布的位移數據，根據變形特點，采取多項式函數y=ax+bx+cx+d對上述數據進行擬合分析，根據曲率半徑計算公式求得隧道變形的最小曲率半徑。經計算，工況2～工況5隧道變形的最小曲率半徑分別為：2.37x10、2.02x10、1.98x10、1.73x10，上述數值均大于控制值1.50x10。

數值模擬結果表明，理論上基坑施工對車站、區間隧道的影響均處于安全范圍。

3 施工期車站及地鐵隧道監測分析

3.1 監測方案

本工程外部作業影響等級為三級，地鐵保護監測范圍向工程臨近區域兩段外擴20～40m，因此本項目地鐵監測范圍長度取150m。監測項目包括車站結構水平和豎向位移監測；區間隧道水平位移及收斂監測、區間道床豎向位移監測；管縫、裂縫觀測；軌道幾何形態監測；隧道結構表觀巡查等。監測方式主要采用人工監測。監測頻率包括：①基坑開挖前將全部監測點布設完成并測定初始值；②基坑開挖使用過程中監測頻次為2次/1周；③基坑監測項目出現預警時對地鐵內部監測項目進行加密監測；④當監測項目達到橙色預警時，進行自動化監測。

3.2 監測實施

根據不同監測項目的要求，采用不同的監測方法對各項目實施監測。采用精密水準測量方法監測道床豎向位移，在地鐵1號線的左右線各選4個點作為基準點，在125m長度的區間內每隔20m布置一個斷面，并在車站與盾構區間接縫處布設一對差異沉降點。道床水平位移監測采用二等導線測量方法，基準點布置同豎向位移監測，監測點布置與豎向位移監測點在同一平面內，并在左右線各布置一個用于實時校對修正的臨時工作基點。在隧道兩側腰線上布設一條通過隧道圓心的水平基線，通過量測水平基線的長度監測隧道水平收斂，水平收斂監測斷面與對應水平位移監測點所在斷面重合。采用游標卡尺對隧道結構的變形縫和裂縫的張開量進行監測。使用軌距尺進行軌道靜態幾何形為監測，軌道幾何形為監測斷面與對應的道床垂直位移監測點所在斷面重合。隧道斷面監測點布置圖為圖7，地鐵保護監測布點圖為圖8。

圖7 隧道斷面監測點布置圖

圖8 地鐵保護監測布點圖

3.3 監測結果分析

根據監測方案的總體要求，以及監測實施的具體要求，在基坑開挖與支護的施工期間，對萬達城車站以及區間地鐵隧道進行了全程的監測，并且對監測結果進行了詳細匯總。道床沉降累計變化最大點為 ZHC02（-2.84mm），水平位移累計變化最大點為 ZHC02（-2.70mm）；收斂累計變化最大點為ZHSL09（-2.70mm），垂直位移基準網累計變化最大點為ZJZ04（-2.83mm），軌距累計變化最大點為ZGJ01（2.89mm），各項監測數據變形速率和累積量均未超過預警值，數據正常。監測結果表明，基坑施工期間，對臨近的車站、區間隧道的影響均處于安全范圍。

4 結論

對于臨近地鐵區間隧道和車站的深基坑工程施工的影響，首先采用三維數值模擬分析的方法進行研究。在基坑施工期間，采用動態監測的方法，對區間隧道結構的主要指標進行監測。根據兩種方法所得到的結果，對深基坑施工時，所臨近的區間隧道安全性進行評估，得到以下結論：

監測結果匯總表 表3

①深基坑的施工對臨近地鐵區間隧道的影響總體表現為道床的下沉、隧洞結構的徑向收斂、區間隧道水平方向的位移和軌距的變化；

②數值計算結果與監測結果的量值均在標準要求的安全范圍內，工程實際中數值模擬計算分析可以指導支護設計及施工，工程施工過程中實施信息化管理能夠起到提前預警，根據監測結果實時調整施工計劃，將軌道交通結構附加變形控制在安全可控范圍。