臨近地鐵隧道深基坑工程安全評估分析

廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510034

隨著軌道交通的快速發展，城市也逐步向地下空間發展，越來越多的項目緊鄰既有地鐵運營線路開發。但基坑周邊環境越發復雜，如何在基坑支護設計過程中多條件、多因素地考慮基坑支護設計的影響也成為基坑支護結構設計的關鍵。傳統基坑支護設計采用斷面計算方式，較難滿足軟土區深基坑施工對臨近地鐵的基坑支護設計的整體計算分析。

文章主要結合臨近地鐵隧道某在建深基坑工程，通過建立基坑-既有隧道結構整體分析模型，結合現場信息化監測數據，調整巖土計算參數，通過模型計算成果預測基坑施工過程中對既有隧道結構的影響，以確保既有隧道結構安全。

1 工程概況

某在建項目基坑大致呈四邊形，長141.5m、寬85m，基坑開挖深度為13.7m。基坑北側緊鄰地鐵一側，基坑開挖邊線距離既有運營隧道結構邊線6.9～7.3m，采用800mm地下連續墻+兩道混凝土支撐的支護設計方案，其他側均采用旋挖灌注樁（1200mm@1400mm）+兩道混凝土支撐的支護方案，止水采用三軸攪拌樁，插入不透水層1m。緊鄰段區間隧道為雙跨現澆砼框架結構，兩跨單層，頂板、底板、側墻厚度均為600mm，中隔墻厚度為400mm，隧道底板埋深約 10.4～ 11.2m。

在建基坑工程開挖軟土地層有素填土、雜填土、淤泥、粉質黏土、淤泥質土、中砂、礫砂、全～中等風化泥質粉砂巖。緊鄰基坑北側既有隧道部分主要穿越的地層為淤泥層、淤泥質粉細砂層、海相砂層，基底主要處于淤泥層、淤泥質粉細砂層。原隧道施工已對基底采用φ500mm@1000mm×1000mm攪拌樁加固，樁底深入黏土層、粗砂層不小于1m，或穿透基巖面。

2 有限元計算模型

有限元模型計算范圍的選取主要結合在建基坑與既有地鐵隧道場地位置關系及大小，由于基坑呈東西向分布、形狀規則，且基坑長141.5m、寬85m、深13.7m，因此三維計算模型范圍取420m（長）×420m（寬）×40m（深）。其中，地下連續墻采用800mm厚的板單元，內支撐、腰梁及冠梁采用梁單元，土體采用三維實體單元。鑒于模擬分析的對象在尺度上存在較大差異，建立數值模型時需對旋挖灌注樁進行過密的網格劃分，從而使模型網格量過大。綜合模擬仿真度與計算可行性考慮，采用抗彎剛度等效的方法將灌注樁支護簡化為地連墻板單元支護，新建項目基坑與原地鐵結構及隧道三維有限元模型見圖1。地下連續墻、樁與混凝土撐采用C30混凝土，彈性模量E=30MPa，泊松比υ=0.2，容重γ=25kN/m3，根據場地地質勘查報告，取巖土參數取值。施工工況見表1。

圖1 新建項目基坑與原地鐵結構及隧道三維有限元模型

表1 施工工況表

為驗證所建立三維模型及土體參數取值的合理性與可對比性，對有限元計算結果數據與實際施工過程中的支護結構水平位移監測數據進行比較分析。在進行整體計算分析時，基坑現狀開挖深度已至8.4m，且在基坑施工期間持續對基坑自身進行觀測，并對既有地鐵結構進行監測，根據既有監測數據反算計算模型的參數取值，在此基礎上分析評估基坑下階段開挖產生的圍護結構及地鐵結構的變形量。

計算模型通過模擬分析現狀施工工況架設第二道支撐，主要根據既有圍護結構測斜數據及隧道結構既有監測位移變形量來優化調整計算模型。基于基坑現狀工況，既有地鐵隧道結構變形計算值能較好地反映既有隧道結構實際監測的位移變形。對既有地鐵結構影響分析結果進行整理統計，結果見圖2。由圖2可知，計算結果相近，水平位移趨勢都相同。因此，建立三維有限元計算分析能較好地模擬基坑開挖施工對既有地鐵結構的影響，進一步驗證所建計算模型的合理性。

圖2 在建項目基坑施工隧道結構的水平位移

3 數值計算與分析

針對上述相關參數建立三維有限元計算模型，考慮不同基坑開挖工況，各地層的計算參數取值主要依據相關工程地質勘察資料和工程數據反算分析確定。通過有限元設計軟件計算分析基坑施工各階段工況對既有隧道結構的變形影響。

通過建立基坑施工工況1～5計算分析模型，提取基坑施工過程中既有隧道結構水平位移變形曲線（見圖3）。

圖3 在建項目基坑施工全過程對隧道結構的水平位移

以上有限元計算分析結果顯示，基坑施工誘發隧道結構的最大水平側向位移為6.15mm，最大總位移為6.2mm，且此部分基坑由工況2施工至完成從4.85mm增加至6.2mm，新增變化量為1.35mm。深基坑施工過程中基坑圍護結構最大水平側向位移為25.9mm，最大總位移為26.1mm，滿足規范變形要求。

根據相關已有經驗可采用結構-荷載法建立運營結構受力計算模型，依照基坑開挖施工過程，得出隧道結構內力分布圖，再確定整個隧道結構的控制截面。同時，根據既有隧道結構的材料強度、結構尺寸及所配鋼筋，通過裂縫控制及強度控制，進而評估既有隧道結構的安全性。由上述有限元計算分析可知，既有隧道結構由基坑開挖引起的結構附加力及彎矩均較小，既有結構強度可滿足結構附加受力狀態及相關規范要求。基坑繼續開挖至基底對既有地鐵隧道結構位移及變形均在允許范圍內，故在建基坑在施工過程中對既有地鐵結構的影響能夠滿足相關規范要求。

4 結束語

文章通過有限元分析建立基坑-既有隧道結構整體分析模型，結合現場信息化監測數據，調整巖土計算參數，通過模型計算成果預測對既有隧道結構的影響進行分析，所對應計算參數取值及模型建立是合理可行的。基坑施工誘發隧道結構的最大總位移為6.2mm，深基坑施工過程中基坑圍護結構最大總位移為26.1mm，均滿足規范變形要求，并與后續監測數據基本一致，確保了既有隧道結構安全，可為類似緊鄰既有地鐵隧道的深基坑支護設計計算分析提供一定的參考。