近接地鐵受超深基坑開挖變形影響因素分析

摘要：超深基坑開挖常導致基坑周邊土體應力重分布，從而引起周圍地層的移動和變形，使其近接既有地鐵發生安全隱患。以某內支撐支護結構體系超深基坑為例，采用有限元軟件建立分析模型，從支護結構本身討論樁徑和支撐道數等有關參數的變化對鄰近地鐵的影響規律。研究結果表明：地鐵結構隨著基坑的開挖將出現一定程度的上抬，且距基坑邊越近上抬現象越明顯。地鐵隨著埋深的增加，其豎向位移逐漸減小。樁徑對鄰近地鐵的影響較大，樁徑越小，地鐵豎向位移越大。支撐道數越少，地鐵豎向位移越大。

關鍵詞：近接地鐵;超深基坑;開挖變形;影響因素

0" "引言

超深基坑開挖與支護是一個頗具新意的綜合性巖土工程熱點難題。目前，我國已經進入了一個深基坑高速建設時期，在建筑群林立、地下隧道與管線縱橫交錯的復雜城市環境中進行深基坑施工，必然會對周邊已有建（構）筑物的受力和變形產生不利影響。

對于在城市中建設的基坑工程，變形控制通常是重中之重。基坑的變形主要三個方面，圍護結構變形、坑底隆起變形和坑外土體變形[1]。一些學者利用理論分析[2]、現場實測[3]、數值計算[4]等方法研究了基坑開挖對臨近構筑物的影響[5-6]。綜合分析了構筑物與基坑之間的距離、埋深等因素對構筑物的影響規律[7]。研究結果表明，基坑開挖打破了土體的初始平衡狀態，引起基坑周邊土體應力重分布，從而引起周圍地層的移動和變形，導致地面不均勻沉降。在不均勻沉降作用下，地鐵結構隨之發生變形。

總體而言，結構內部的附加應力是導致地鐵結構損壞的根本原因，而引起結構產生附加應力的直接原因是基坑開挖而產生的土體變形。支護結構又對控制基坑變形起著至關重要的作用，本文以某近接地鐵基坑為例，采用有限元軟件建立分析模型，從支護結構本身討論樁徑和支撐道數等有關參數變化對鄰近地鐵的影響規律。

1" "工程工況

1.1" "工程地質特征

某項目由3棟超高層建筑、1棟高層建筑及商業裙樓組成，共設有5層地下室，基坑開挖深度為27m。場地周邊西側有多棟居民樓和南側、北側有市政交通道路，其中居民樓為6～7層，基礎為淺基礎，距本基坑最近距離為10m。基坑開挖深度影響范圍內主要影響構筑物為基坑東側的已建地鐵1號線，距本基坑18.3m，埋深-14.6～-15.4m。

地下室底板位于第四系中下更新統冰水沉積層，主要為緩傾裂隙較發育的可塑-硬塑黏土（典型的成都膨脹土），局部含粒徑5～10cm卵石，黏土自由膨脹率范圍40%～78%，具弱、中等膨脹潛勢，地基脹縮等級為Ⅱ級。

1.2" "基坑支護方案

基坑安全等級一級，基坑周邊均布荷載10kPa，考慮到土方挖運車輛荷載，附加荷載20kPa，建筑物荷載每層15kPa。基坑采用排樁進行支護，場地東側存在已建地鐵1號線。地鐵1號線西線中心距本基坑距離18m，埋深約-15m，不存在錨索施工條件，且地鐵變形要求嚴格，因此東側北段采用排樁+水平角撐支護，東側南段采用排樁+水平支撐，撐于地下室主體結構之上，坑壁預留土臺反壓，施作支撐后逐層挖除土臺。

基坑南側存在擬建地鐵3號線，地鐵3號線北線中心距本基坑距離約6m，埋深約-23m，利用地鐵自身結構及錨索+排樁支護體系，結構穩定，不另行支護。南側與地鐵3#線車站之間約25m寬度范圍（深度13.8m）為共建區，與地鐵基坑連通，共建區與場地之間基坑采用錨拉排樁支護。

支撐頂標高如下：第一道支撐為-5.05m，第二道支撐為-9.65m，第三道支撐為-14.25m，第四道支撐為-19.25m，第五道支撐為-23.15m。南側每層支撐梁之間設置鋼筋混凝土板。

2" "數值分析模型建立

2.1" "模擬方案

從支護結構本身，討論樁徑和支撐道數等有關參數的變化對鄰近地鐵的影響規律，以及地鐵隧道與基坑的空間位置差異，對道路變形所產生的影響。具體方案如下：地鐵距基坑5m、10m、15m、20m、25m;地鐵埋深為10m、15m、20m、25m;樁徑為0.6m、0.8m、1.0m、1.2m、1.4m;內支撐分別為4道和3道。

2.2" "模型建立

基坑開挖對周圍土層的影響范圍，一般為3～5倍開挖深度，因此取計算模型尺寸為196m×30m×108m。模型上表面為自由邊界，底面固定，四周約束其法向位移。模型共劃分17955個單元，20752個節點。

地鐵平行于基坑開挖面布置，直徑為6.0m，管片厚30cm。采用C50混凝土，取彈性模量為3.45×104MPa，泊松比0.3，密度為2500kg/m3，采用實體單元模擬。內支撐采用混凝土支撐，用 beam 單元模擬。計算中管片采用彈性本構模型，土體采用摩爾庫倫本構模型，計算模型如圖1所示。

2.3" "模擬步驟

數值模擬工況應與實際施工步驟一致，具體過程如下：開挖至地面下1.4m，設置第一道支撐，進行平衡計算;開挖至地面下6.65m，設置第二道支撐，進行平衡計算;開挖至地面下13m，設置第三道支撐，進行平衡計算;開挖至地面下18.1m，設置第四道支撐，進行平衡計算;開挖至地面下27m，進行平衡計算。

3" "計算結果分析

為分析地鐵的變形特征，現分別以拱頂、拱底變形值作為研究對象，沿地鐵縱向方向每隔2m布置一個監測點。

3.1" "基坑開挖對不同位置地鐵變形特征的影響

基坑開挖對不同位置地鐵變形影響如圖2所示。由圖2可知，地鐵距基坑邊越近上抬現象越明顯。當距基坑邊5m時，地鐵最大豎向位移為6.3mm，發生在左拱腰上。當距基坑10m、15m、20m、25m時，最大豎向位移為4.7mm、3.7mm、2.9mm、2.2mm。

由此可知，當地鐵結構距離基坑邊10m以內時，地鐵的豎向位移大于地鐵結構的變形允許值，將導致地鐵結構發生損壞。因此在距離地鐵10m以內進行超深基坑施工時，必須加強支護，防止地鐵變形過大而破壞。

3.2" "基坑開挖對不同埋深處地鐵變形特征的影響

基坑開挖對不同埋深處地鐵變形特征的影響如圖3所示。由圖3可以看出，當地鐵埋深分別為10m、15m、20m、25m時，地鐵最大豎向位移為3.7mm、3.3mm、3.0mm、2.9mm，皆小于地鐵結構的變形允許值，不會導致地鐵結構損壞。當埋深為20m時，地鐵結構豎向位移顯著減少，此時地鐵結構完全處于泥巖中。因此，為保證地鐵結構的安全，應盡量選擇在地層狀況良好的土層中施工。

3.3" "樁徑對地鐵變形特性的影響

不同樁徑基坑開挖對地鐵變形影響如圖4所示。由圖4可以看出，樁徑對鄰近地鐵的影響較大，樁徑越小，地鐵豎向位移越大。當樁徑為0.6m、0.8m、1.0m時，地鐵最大豎向位移為4.7mm、4.4mm、4.0mm，大于地鐵結構的變形允許值，將導致地鐵結構發生損壞。當樁徑為1.2m、1.4m時，地鐵最大豎向位移小于地鐵結構的變形允許值，不會導致地鐵結構損壞。

3.4" "支撐道數對地鐵變形特性的影響

圖5為分別采用4道和3道內支撐的深基坑開挖時地鐵結構的變形曲線圖。由圖5可以看出，支撐道數越少，地鐵豎向位移越大。當有4道支撐時，地鐵最大豎向位移為3.7mm，小于地鐵結構的變形允許值，此時地鐵結構是安全的。當內支撐減少為3道時，最大位移值為4.1mm，大于變形允許值，地鐵處于不安全狀態。因此，在進行內支撐支護結構設計時，應根據具體條件合理設置支撐道數，避免基坑和鄰近建構筑物產生過大的變形而發生破壞。

4" "結論

本文以某內支撐支護結構體系超深基坑為例，采用有限元軟件研究了不同因素作用下深基坑開挖對鄰近地鐵變形特性的影響。得到以下結論：

地鐵結構隨著基坑的開挖將出現一定程度的上抬，且距基坑邊越近上抬現象越明顯。當地鐵結構距離基坑邊10m以內時，地鐵的豎向位移大于地鐵結構的變形允許值，將導致地鐵結構發生損壞，須加強支護，防止地鐵變形過大而破壞。

地鐵隨著埋深的增加，其豎向位移逐漸減小。為保證地鐵結構的安全，應盡量選擇在等地層狀況良好的土層中施工。

樁徑對鄰近地鐵的影響較大，樁徑越小，地鐵豎向位移越大。當樁徑小于1.2m時，地鐵結構的變形值大于變形允許值，將導致地鐵結構發生損壞，所以，樁徑選擇應綜合考慮安全和經濟等因素而確定。

支撐道數越少，地鐵豎向位移越大。當有4道支撐時，地鐵最大豎向位移，小于地鐵結構的變形允許值，地鐵結構處于安全狀態。當內支撐減少為3道時，最大位移值大于變形允許值，地鐵處于不安全狀態。因此，在進行內支撐支護結構設計時，應根據具體條件合理設置支撐道數，避免基坑和鄰近建構筑物產生過大的變形而發生破壞。

參考文獻

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