深大基坑開挖卸荷對地鐵隧道的影響分析★

劉 賀 顧煒澄 曹海青

(1.江蘇城鄉建設職業學院，江蘇 常州 213000; 2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

0 引言

地鐵作為解決城市交通擁擠的重要交通工具，近年來在各大城市發展十分迅猛[1]。成型的地鐵隧道多深埋于地下，整體呈“線型”結構，由預應力管片拼接而成，抗變形能力較差，受周圍巖土體應力環境影響較大[2,3]。基坑的開挖必然引起周圍地層的移動，造成基坑周圍巖土體應力重分布，導致地鐵隧道隆起變形[4]。若地鐵隧道位于含水層時，較大的變形可能會引發隧道滲水漏泥或局部破壞，對隧道結構安全和列車正常運營產生嚴重威脅[5,6]。

為研究深基坑開挖對地鐵隧道的影響，本文采用三維有限差分軟件FLAC3D模擬基坑開挖全過程中，研究不同開挖階段對地鐵隧道的影響；針對基坑開挖時的坑外降水方案，模擬坑外降水對地鐵隧道的影響。針對模擬結果對整個基坑施工的安全性進行評估分析[7-9]，給日后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

南京某建筑工程基坑東側與運營中的地鐵2號線元通站一奧體東站區間隧道相接，最小凈距約56 m，平行該區間方向基坑長度約177 m。南側與運營中的地鐵10號線元通站一奧體中心站區間隧道相鄰，最小凈距約103 m，平行該區間方向基坑長度約200 m。基坑與地鐵隧道位置關系詳見圖1。

基坑總面積為44 847 m2，基坑總延長約835 m，基坑開挖深度為17.50 m。圍護結構采用地下連續墻(圍護樁)+內支撐的體系，與地鐵相鄰側及臨近楠溪江西街側采用1 000 mm厚地下連續墻，另外一側采用φ 1 100@1 300鉆孔樁加φ 850@600高壓旋噴樁。內支撐采用4層鋼筋混凝土，對撐、角撐、邊析架體系支撐。第一層支撐標高-2.00 m，第二層支撐標高-7.00 m，第三層支撐標高-11.60 m，第三層支撐標高-15.60 m。

基坑內對開挖深度范圍內的潛水、第一承壓水采用聯合疏干井進行疏干降水，對第二承壓水采用獨立的降壓井疏干降水。

1.2 工程地質情況

根據現場勘查報告可知，擬建場地內自上而下分布土層為：①-1雜填土、①-2素填土、②-1淤泥質粉質黏土、②-2粉質黏土、③-1粉細砂、③-2粉細砂、④中粗砂混卵礫石、⑤-1強風化泥巖。其中土體的物理力學參數詳見表1。

表1 土層物理力學參數表

根據地下水的賦存、埋藏條件，本場地的地下水類型主要為孔隙潛水，承壓水次之，基巖裂隙水更少。潛水含水層由①層人工填土、②-1和②-2層新近沉積的黏性土構成；弱承壓含水層組由下部的③-1，③-2層粉細砂及④層中粗砂混卵礫石構成。

2 三維有限元數值模擬

為了研究基坑開挖對盾構隧道的影響，選用三維有限差分計算軟件FLAC3D進行模擬仿真。充分考慮工程模擬精度與效率，模型尺寸為480 m×550 m×70 m，模型節點116 613個，實體單元數104 224個。計算分析采用M-C模型，地下車站結構、隧道襯砌以及基坑內支撐和立柱采用結構殼單元(Shell element)、襯砌單元(Liner element)以及梁單元(Beam element)模擬。四周邊界約束水平位移底部全約束，立柱底端約束豎向轉動：模型考慮土體及結構自重荷載，地面超載20 kPa。模型施工圖如圖2所示。

3 安全評估分析

3.1 基坑開挖的影響分析

基坑分步開挖，第一層開挖深度0.95 m，二層開挖深度6.65 m，三層開挖深度10.55 m，四層開挖深度14.05 m至基坑底部，基底標高為15.1 m。坑內設置三道內支撐。各層開挖產生的地下結構總位移計算結果如圖3所示。

由圖3可知，地鐵隧道位移值隨著基坑開挖逐漸增大?；娱_挖后地鐵2號線靠近基坑盾構隧道的最大位移值為3.42 mm，遠基坑盾構隧道的最大位移值為2.25 mm；地鐵10號線最大位移1.81 mm，所以距基坑越近隧道變形越大?；娱_挖結束后的隧道結構特征位移如表2所示，從表2中可以看出，2號線近基坑隧道位移量較大，遠基坑一側由于隧道的遮攔作用，位移較??；10號線由于距離基坑較遠，整個開挖過程中，隧道位移較小，較為安全。整個開挖過程中，位移量均未超過控制值，臨近地鐵隧道位移變化不大。

表2 基坑開挖完成后地鐵隧道結構位移特征值 mm

3.2 坑外降水影響分析

考慮到實際施工時如果地連墻的質量存在缺陷，在施工過程中存在漏水，則基坑開挖時必須采取措施降低坑外水位，這必然也會對地鐵盾構隧道造成影響。為了研究降低水位的影響，在做地基加固的情況下開挖至設計標高后再降低地下水位至不同標高處，采集地鐵盾構隧道的位移信息。計算所得水位降低至不同標高處(地下2 m，6 m，9 m，14 m)的地鐵盾構隧道的位移情況如圖4所示。

從圖4中可以看出，隧道位移隨坑外水位的下降變化較為明顯，地下水從1 m降低到2 m位置后，2號線地鐵隧道最大位移值為6.22 mm，已接近預警，當水位繼續下降，地鐵隧道豎向位移變化明顯。因此必須采取措施保證止水帷幕效果，減小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保證地鐵結構安全。

4 結論與建議

1)基坑開挖過程中，基坑圍護結構最大水平位移為31.36 mm；地表最大沉降量為5.56 mm；地鐵2號線兩條隧道的總位移分別為3.40 mm和1.78 mm；10號線兩條隧道的總位移分別為1.81 mm和1.81 mm；各數據均在控制范圍內，可說明該基坑開挖過程中，地鐵隧道結構和基坑結構安全。2)從2號線隧道位移情況和10號線對比可知，距離基坑較近的隧道位移變化越大，之后工程應盡量控制基坑與隧道結構的距離，保證基坑安全。3)2號線臨近基坑側隧道和遠基坑側隧道位移差異較大，說明位移地下的隧道結構，由于其自身剛度的影響，會對土體的變形起到一定的遮攔作用，因此之后工程中，應重點關注近基坑側地鐵隧道結構，做好加固處理。4)從坑外降水對地鐵隧道結構影響的模擬計算中可以看出：隧道位移隨坑外水位的下降變化較為明顯，地下水從1 m降低到2 m位置后，2號線地鐵隧道最大位移值為6.22 mm，已接近預警，當水位繼續下降，地鐵隧道豎向位移變化明顯。因此必須采取措施保證止水帷幕效果，減小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保證地鐵結構安全。