深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道變形影響及隔離樁控制效果分析

潘紅寶，傅志峰 ，羅鑫

（1.湖北鐵投開發集團有限公司，湖北 武漢 430000；2.中誠錦建(湖北)工程技術有限公司，湖北 武漢 430000；3.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074）

0 前言

隨著城市人口規模不斷擴大，地鐵便捷準時、不占用地面空間及污染少等優點成為緩解城市交通壓力的重要措施被大力推廣。地鐵作為連接商業區、居民區及工業區的重要交通網絡，其跨度大，分布廣。然而，城市建設中地下商業街、地下綜合管廊、地鐵隧道及深基坑等地下空間開發利用存在時間和空間上的差異，在既有地鐵隧道旁開挖深基坑已成常態。因此，研究深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的變形影響已成為工程中的重要問題。

目前，許多學者針對深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的變形影響已開展大量研究，陳輝[1]以鄭州某臨近地鐵隧道的超大深基坑為例，結合監測數據，研究分析順逆結合超大深基坑對稱開挖對既有運營地鐵區間隧道的影響，發現分區跳倉施工可以減少基坑開挖對既有隧道的影響；李長安[2]運用數值軟件研究了基坑開挖對鄰近地鐵盾構隧道變形以及內力的影響，發現基坑開挖使隧道結構的水平位移和彎矩增大，軸力減??；劉探梅、陳穎等[3-4]提出了一種基坑開挖影響下下臥地鐵隧道的變形控制技術和施工方案；岳云鵬等[5]建立三維有限元模型研究了基坑開挖及降水對下臥既有地鐵隧道的影響，總結了基坑降水深度、降水速度、分塊開挖對下臥地鐵隧道的影響規律；鄭剛等[6-7]基于實測資料采用土體小應變剛度本構，運用數值計算方法分析了新建基坑施工對坑外既有隧道的變形影響，劃分了坑外變形影響區；張強等[8]研究了基坑開挖影響下注漿對下臥既有地鐵隧道豎向變形的影響，并結合既有地鐵隧道豎向變形控制標準，計算出了合理的注漿范圍；陳曉丹等[9]基于監測數據研究了巖溶強發育地區基坑施工對鄰近地鐵結構影響，并提出了沉降發生后的工程控制措施和處理方案；劉天正、胡瑞青等[10-11]研究了砂卵石地層基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道的影響，得到了砂卵石地層中地鐵隧道的變形趨勢?？梢?基坑開挖對鄰近既有地鐵隧道變形影響機理十分復雜,鄰近地鐵隧道的變形隨隧道位置、距基坑距離等因素，尤其是賦存地層條件變化而變化。目前，鮮有針對武漢長江一級階地地質條件下的影響研究，因此，開展相關研究對于完善鄰近開挖基坑地鐵隧道變形影響機理以及為類似工程提供參考具有重要意義。

本文依托武漢某超大深基坑近接既有地鐵隧道開挖工程，采用有限差分軟件FLAC3D建立三維模型，分析了有無隔離樁兩種工況下，深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道變形影響及隔離樁對隧道的變形控制效果，并將現場監測數據與數值模擬結果對比分析，以期為類似工程提供理論指導和設計參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

武漢某超大深基坑工程位于兩條主干道交匯處，周邊交通繁忙，其開挖施工范圍侵入武漢地鐵8號線區間隧道安全保護區?；娱_挖深度10m，周長564m，開口面積16390㎡，重要性等級為Ⅰ級?；訃o結構采用樁撐冠梁聯合支護形式，支護樁樁頂設置冠梁（1300×900mm），采 用 鉆 孔 灌 注 樁（1000@1400mm）+一道內支撐（800×900mm）+攪拌樁止水帷幕，靠近地鐵隧道側為三軸止水帷幕（850@600mm），其余為高壓旋噴樁止水帷幕（700@1400mm）。武漢地鐵8號線區間隧道埋深約10.5～18.6m，線間距為13～14m，隧道管片外徑6.2m，襯砌厚度0.35m，采用C50高強度防水混凝土預制，隧道結構與基坑圍護結構最小水平凈距為11.6m。為了防止基坑開挖施工影響地鐵8號線區間隧道的運營安全，提前于8號線右線隧道與基坑支護結構之間施工一排隔離樁。隔離樁采用1000mm@1300mm密排鉆孔灌注樁，沿地鐵8號線區間右線隧道結構外側約9m處布置，縱向布置長度約為170m，隔離樁有效樁長為地面以下2m至地鐵隧道底板下不小于3m?；优c地鐵8號線平面位置關系示意圖如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵8號線平面位置關系示意圖

1.2 工程地質與水文地質概況

擬建場地所處地貌單元為長江一級階地全新統沖積平原與三級階地剝蝕堆積龍崗過渡區交匯處，其中東南側屬三級階地，西北側屬長江一級階地。根據鉆探結果，擬建場地內巖土體物理力學數如表1所示。工程場地內上覆土層為近代人工填土層（Qml）、第四系全新統河流沖積土層（局部為湖積淤泥質土）、砂層（Q4al）以及下更新統礫卵石，下部基巖為石炭系泥質砂巖及志留系泥巖?；优c地鐵8號線賦存地質條件剖面圖如圖2所示，從上到下依次為雜填土、淤泥質粘土、粉質粘土、黏土、卵石、粉質黏土、強風化泥質粉砂巖以及中風化泥質粉砂巖。

巖土層物理力學性質 表1

圖2 基坑與地鐵8號線賦存地質條件剖面圖

擬建場地地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于上部人工填土中，受大氣降水及地表水入滲補給，水量貧乏，水位埋深1.1m～3.6m；孔隙承壓水主要賦存于卵礫石層中，含水層厚度一般為0.6～5.6m，水位埋深15.5～18.4m；基巖裂隙水主要賦存于泥質粉砂巖中，受上部含水層入滲以及側向滲流補給，水量貧乏，連通性差。工程場地內地下水對基坑施工影響較小。

2 數值模型建立與材料參數選擇

2.1 數值模型建立

本文采用有限差分軟件FLAC3D分別模擬無隔離樁與有隔離樁兩個工況，對超大深基坑開挖施工對旁側既有地鐵隧道變形影響以及隔離樁的控制效果進行動態模擬分析。

由于工程場地內地下水對基坑施工影響較小，因此數值模擬計算不考慮地下水的滲流作用，只考慮地下水對巖土層物理力學參數的影響?；娱_挖施工采用盆式開挖，從基坑中部2區向四周1、3、4區土體開挖，每層土方開挖2m，數值模擬具體步驟如下：

①在重力作用下，初始地應力平衡；

②隧道施工、位移及速度清零；

③施做支護樁及冠梁、位移及速度清零；

④基坑開挖至-2m，并施做內支撐；

⑤基坑按2、1、3、4區順序開挖至-4m；

⑥基坑按2、1、3、4區順序開挖至-6m；

⑦基坑按2、1、3、4區順序開挖至-8m；

⑧基坑按2、1、3、4區順序開挖至-10m。

為減小邊界效應同時考慮計算耗時，根據深基坑與旁側既有地鐵隧道的位置關系，最終選擇三維有限元模型尺寸：x方向（橫向）280m，y方向（縱向）260m，z方向（深度）50m，共約87萬個單元，約57萬個節點。模型左右邊界距基坑支護結構約5倍基坑開挖深度，模型豎向取5倍基坑開挖深度。因此，可認為模型處于半無限體空間中，模型表面取自由邊界，四周取法向約束，底部取為固定約束。三維有限元模型如圖3所示。

圖3 三維有限元模型

2.2 模型材料參數選擇

本文假定土體為各向同性的彈塑性體，土體采用摩爾庫倫（Mohr-Cou?lomb）本構模型，采用六面體實體單元模擬，巖土體的數值計算參數根據勘察報告取值，詳細參數如表1所示?；訃o結構冠梁假定為各向同性的彈性體，采用彈性本構（Elastic Model），采用六面體實體單元模擬；圍護樁和支撐分別采用FLAC3D自帶的Pile和Beam單元模擬。基坑圍護結構數值計算參數如表2所示。

結構計算參數 表2

3 數值計算結果與監測數據分析

3.1 基坑開挖對地鐵8號線水平位移影響分析

基坑開挖完成后，有隔離樁和無隔離樁工況下地鐵8號線右線隧道水平位移曲線如圖4所示。從圖中可知，兩種工況下，基坑開挖完成后，右線隧道均向基坑方向發生變形；隧道的水平位移均隨著隧道走向先增大后減小，在約160m處達到最大值。無隔離樁工況下右線隧道水平位移曲線起伏較大，最小值約1.65mm，最大值約6.94mm；有隔離樁工況下右線隧道水平位移曲線較為平緩，最小值約為0.43mm，最大值約1.38mm，說明隔離樁可以有效隔離基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的影響。

圖4 地鐵8號線右線隧道水平位移曲線

基坑開挖完成后，地鐵8號線隧道水平位移云圖（有隔離樁）如圖5所示。從圖中可知，隧道的水平位移隨著隧道走向先增大后減小，在靠近基坑最近處，隧道水平位移達到最大，約1.36mm；靠近基坑側的右線隧道水平位移比左線隧道大，右線隧道水平位移隨隧道走向變化大，左線隧道水平位移基本不隨隧道走向變化，說明基坑開挖對地鐵8號線隧道右線影響較大，對左線隧道影響較小。

圖5 地鐵8號線隧道水平位移云圖

3.2 基坑開挖對地鐵8號線沉降影響分析

基坑開挖完成后，無隔離樁和有隔離樁兩種工況下地鐵8號線右線隧道豎向位移曲線如圖6所示。從圖6可知，基坑開挖完成后，兩種工況下右線隧道均發生沉降變形；隧道的豎向位移均隨著隧道走向先增大后減小，在約135m處達到最大值。無隔離樁工況下右線隧道豎向位移曲線起伏較大，最小值約6.55mm，最大值約8.98mm；有隔離樁工況下右線隧道豎向位移曲線較為平緩，最小值約為2.24mm，最大值約2.84mm；隔離樁使右線隧道豎向位移減小了約6.14mm，說明隔離樁可以有效隔離基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的影響。

圖6 地鐵8號線右線隧道豎向位移曲線

3.3 數值模擬結果與監測數據對比分析

基坑開挖完成后，右線隧道水平位移和豎向位移現場實測值和數值模擬結果對比圖如圖7、8所示。從圖中可知，基坑開挖完成后，數值模擬得到的右線隧道水平位移和豎向位移變形規律和現場實測基本一致。分析圖7、8中實測數據可知，基坑開挖完成后，右線隧道向基坑方向發生水平變形和沉降變形；隧道的水平位移和豎向位移均隨著隧道走向先增大后減小，水平位移在約155m處達到最大值，豎向位移在約120m處達到最大值；右線隧道水平位移和豎向曲線較為平緩，水平位移最大值約1.13mm，豎向位移最大值約1.07mm，均遠小于隧道位移控制標準5mm；說明隔離樁可以有效隔離基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的影響，保證既有地鐵隧道安全運營。

圖7 右線隧道水平位移實測值與模擬值對比圖

圖8 右線隧道豎向位移實測值與模擬值對比圖

4 結論

本文依托武漢某超大深基坑近接既有地鐵隧道開挖工程，通過有限差分軟件FLAC3D模擬了無隔離樁和有隔離樁兩種工況下深基坑開挖施工，分析了深基坑開挖對旁側既有地鐵隧道的變形影響和隔離樁對隧道的控制效果，對比分析了數值計算結果與監測數據，得出了以下結論：

①深基坑施工對旁側既有地鐵8號線安全運營具有較大的影響，無隔離樁工況下基坑開挖完成后隧道水平和豎向位移最大值分別為6.94mm和8.98mm，遠超過了規范允許的位移限制5mm；

②隔離樁對鄰近開挖基坑的既有地鐵隧道變形具有良好的控制效果，相比于無隔離樁工況，有隔離樁工況下基坑開挖完成后右線隧道水平位移和豎向位移分別減小了5.56mm、6.14mm；

③現場基坑開挖施工完成后，右線隧道的水平和豎向位移均隨著與基坑距離的較小而減小，其水平位移和豎向位移最大值分別為1.13mm和1.07mm。鄰近開挖基坑的既有地鐵隧道變形遠小于規范允許的控制標準5mm，可以保證既有地鐵隧道安全運營。