基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道結構的影響研究

白洋

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430073）

1 引言

近年來，隨著我國城市化建設進程的加快，越來越多的城市軌道交通規(guī)劃進入未建成區(qū)，由軌道交通建設來帶動周邊地塊的開發(fā)已成為城市發(fā)展的一種主流選擇。由于地鐵車站主要設置于客流集中的區(qū)域，地鐵站位置的選擇導致地鐵線路沿線規(guī)劃待開發(fā)的地塊越來越多，使得在地鐵保護區(qū)范圍內進行基坑開挖成為一種常態(tài)。針對上述發(fā)展現狀，有必要對地鐵周邊地塊基坑施工對既有地鐵結構的影響規(guī)律進行研究，并總結既有地鐵保護工程的經驗。

目前，國內外對基坑施工引起的周邊建（構）筑物變形的研究方法主要有數值模擬法、理論解析法等。姜兆華等將隧道視為彈性地基梁結構，計算基坑開挖過程中卸載導致的土體附加應力，然后在地鐵隧道上施加附加應力，建立隧道結構縱向變形方程，推導出計算隧道變形及內力的計算公式[1]。魏綱等考慮基坑坑底和側壁的開挖卸荷應力以及坑底圍護結構的遮攔效應，采用Mindlin位移解公式，推導出了基坑開挖引起的鄰近隧道變形大小的計算公式[2]。

鄭剛等采用二維有限元數值分析方法，采用 Mohr-Coulomb 理想彈塑性模型，運用 ABAQUS 軟件分析了各種工況下隧道的水平位移、豎向位移特征，認為基坑開挖土體后產生的剪切應力改變了土體原始應力方向，處于基坑中心以外的土體及隧道會向基坑中心旋轉偏移[3]。李平等采用三維有限程序FLAC 3D 對基坑開挖的過程進行數值模擬，并通過現場實測數據與模擬計算結果的對比分析，研究了地鐵隧道的變形規(guī)律及其影響因素[4]。曹順等采用Midas GTS 有限元軟件分析了基坑開挖過程中影響下穿隧道變形的原因和控制隧道變形的施工措施，發(fā)現下穿隧道的縱向隆起曲線呈正態(tài)分布[5]。黃宏偉等通過三維有限元軟件PLAXIS-GiD，研究各種工況下基坑開挖對臨近隧道的影響，發(fā)現基坑開挖對下臥隧道的影響范圍約為6 倍基坑寬度[6]。周建昆等采用三維有限元模型計算，發(fā)現基坑開挖過程引起隧道縱向位移，基坑底板的及時施工能有效控制下臥隧道的隆起和側向位移[7]。

論文以既有地鐵隧道周邊地塊開發(fā)案例為基礎，通過有限元數值模擬，對周邊地塊基坑開挖施工對臨近地鐵隧道的影響進行分析，得出變形結果并總結變形規(guī)律。

2 工程概況

福州市世茂帝封江A 地塊項目基坑支護采用SMW工法樁方案且不放坡（φ 850mm@600mm 三軸攪拌樁內插HN700mm×300mm 型鋼），基坑底標高為2.25m，基坑深度約4.70m。采用三軸攪拌樁做止水帷幕，樁徑為φ850mm@600mm，樁長為21m 且進入淤泥層不小于3m，型鋼長15m。

福州地鐵5 號線當埔路站～歡樂谷站區(qū)間斜穿世茂帝封江A 地塊項目東北角，區(qū)間隧道與該基坑止水帷幕平面凈距約為5.55～8.58m，該段隧道埋深12.78～13.37m。位置關系如圖1 所示。

圖1 A 地塊地上結構平面位置關系圖

3 工程地質

當埔路站～歡樂谷站區(qū)間下穿世茂帝封江項目A 地塊的線路長度約98m，覆土厚度約12.78～13.37m。下穿段主要地層為耕植土、雜填土、中細砂、淤泥夾砂、粉質黏土、強風化凝灰?guī)r（砂土狀）、強風化凝灰?guī)r（碎塊狀）、中風化凝灰?guī)r。區(qū)間隧道在該范圍主要穿越的地層為中細砂和淤泥夾砂。

4 三維有限元計算模擬

4.1 基坑方案及臨近地鐵隧道關系

本工程基坑場地位于區(qū)間隧道西側，基坑開挖計算深度4.70m，基坑邊線周長約590m，基坑面積約20 000m2，為不規(guī)則多邊形。

靠近地鐵側基坑A-1 剖面支護形式：基坑支護采用SMW 工法樁方案且不放坡（φ 850mm@600mm 三軸攪拌樁內插HN700mm×300mm 型鋼），基坑底標高為2.25m。采用三軸攪拌樁做止水帷幕，樁徑為φ850mm@600mm，樁長為21m 且進入淤泥層不小于3m，型鋼長15m。基坑在此段離地鐵最近，區(qū)間隧道與該剖面段止水帷幕平面凈距約為5.55～8.58m，該段隧道埋深12.78～13.37m。

4.2 計算模型

本次模型數值模擬采用MIDAS GTS-NX 有限元分析軟件，根據世茂帝封江A 地塊與軌道交通5 號線的空間位置關系建立模型。模型尺寸為340m（沿5 號線區(qū)間縱向方向）×510m（沿5 號線區(qū)間橫向方向）×50m（土層厚度），模型節(jié)點141 088 個，單元249 070 個。計算模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型網格劃分

4.3 分析計算結果

根據計算結果，靠近地鐵隧道的圍護結構水平位移最大值為2.21mm，位移朝向坑內。地鐵隧道管片變形最大處位于基坑支護結構水平位移最大處，最大變形值為2.36mm，變形方向朝向基坑。隧道斜上方的基坑開挖產生的剪切應力改變了土體原始應力方向，導致隧道結構產生上浮和傾斜的趨勢。靠近基坑處的隧道變形最大，遠離基坑處的隧道變形較小。

5 結語

根據工程施工對隧道影響的有限元三維模擬分析，得出以下結論：

1）本文基坑所開挖引起地鐵隧道的最大附加變形量為2.36mm，小于規(guī)范規(guī)定的變形限值10mm，即地鐵隧道處于安全狀態(tài)。

2）基坑開挖過程中卸載產生的剪切應力將改變土體原有應力方向，使地鐵隧道結構產生上浮和傾斜的趨勢，在基坑設計及施工過程中應采取考慮措施減小這種趨勢，并加強基坑圍護結構，基坑靠近隧道一側的土體宜最后開挖。隧道不均勻上浮可能產生管片破壞，必要時應采取隧道內加固措施。

3）數值模擬作為工程安全分析的常用方法，可以在一定程度上反映工程情況。具體項目應根據客觀事實，進行地鐵保護評估分析，制定行之有效的保護措施。