非對稱基坑開挖對鄰近地鐵隧道變形性分析

傅志斌， 涂序超， 徐有娜

(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院， 廣西 桂林 541004； 2.建設綜合勘察研究設計院有限公司， 北京 100007)

基坑開挖會改變原有土體的應力場和應變場，開挖卸荷會使周邊土體發生應力重分布，導致周邊地鐵車站及隧道變形并產生附加應力[1-3]，進而影響地鐵的正常運作和安全[4,5]。因此，基坑開挖和降水對周邊地鐵隧道變形的影響成為當下的焦點。許四法等[6]研究了TRD施工對臨近地鐵隧道的影響，TRD施工對鄰近隧道存在擠土問題，隧道呈現水平收縮和側向變形的模式；徐國元等[7]基于Mindlin經典解，在考慮基坑底殘余應力和圍護樁效應的影響下，得出了基坑開挖對于隧道處附加應力的計算公式；陳仁朋等[8]得出基坑開挖卸荷引起隧道周邊地層水平向土壓力以及隧道沉降等響應規律；曹前[9]對基坑開挖卸荷下的隧道結構變形和管片內力進行數值模擬，提出了合理分倉開挖寬度的施工措施。

本文結合沈陽金廊深基坑工程，利用MIDAS/GTS數值模擬軟件模擬，分析基坑開挖施工引起的地鐵車站和隧道區間水平位移和沉降情況，以及基坑降水對隧道的沉降影響，驗證了工程施工的合理性和安全性，為類似工程建設起到一定的參考作用。

1 工程概況

1.1 基坑與地鐵隧道的相對位置

基坑工程位于沈陽市沈河區，鄰近地鐵2號線，基坑開挖深度為20.25～23.55 m?；訃o結構外邊緣距離地鐵車站主體結構最小水平距離21.7 m，鄰近基坑側地鐵隧道埋深約為22.2 m，位于新建基坑底以下約1.9 m。地鐵2號線出入口結構外邊緣與新建基坑圍護樁外邊緣最小水平距離9.4 m，鄰近基坑附近出入口底板最大埋深約為7.0 m，位于新建基坑底以上約13.0 m，如圖1所示。

圖1 基坑與隧道位置示意圖

1.2 基坑支護結構布局

根據地面標高、基底標高、周邊環境、工程地質及水文地質條件不同，設計分為15個支護剖面，鄰近地鐵隧道區間及出入口側主要涉及P-Q、N-O、O-A剖面。P-Q支護剖面：基坑西南角，地面標高42.90 m，基底標高21.65 m，采用護坡樁+內支撐支護，護坡樁Φ1 000@1 400。N-O支護剖面：基坑西側，地面標高42.90 m，基底標高22.25 m，采用雙排樁+四道錨索支護，雙排護坡樁Φ1 200@1 600，排樁間距3 000 mm。O-A支護剖面：基坑西側，地面標高42.90 m，基底標高19.35 m，采用雙排樁+四道錨索支護，雙排護坡樁Φ1 200@1 600，排樁間距3 000 mm。

2 數值模擬

2.1 三維有限元模型的建立

考慮相對位置及開挖影響范圍，利用MIDAS/GTS有限元軟件建立分析模型，為消除邊界效應，大小選取330 m(X) × 120 m(Y) × 60 m(Z)，如圖2所示。

圖2 基坑三維有限元模型

2.2 模型參數的選取

綜合考慮地鐵2號線車站附屬結構、區間結構與基坑的相對位置關系以及基坑開挖影響范圍經驗值，建立三維計算模型，模型中周圍土體采用實體單元模擬，圍護樁之間連梁及內支撐采用梁單元模擬，不同土層采用不同材料模擬，地層模型采用大變形理論。邊界條件除頂面為自由邊界外，其他面均為法向約束。地鐵2號線車站附屬結構、區間結構采用殼單元模擬,基坑圍護樁按剛度等效采用地下連續墻模擬，地下連續墻厚度h按等剛度轉換公式進行計算：

(1)

(2)

式中：D為圍護樁的直徑，m；t為樁間凈距離，m；h為樁體等效剛度即等效地連墻的厚度，m。

通過計算可得出等效地連墻厚度h約為0.9 m。根據地質勘查報告，依照地層特性對相近土層參數取加權平均值，并根據數值模擬經驗值確定。計算模型中選取的參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

2.3 基坑開挖步序

基坑開挖分為地下連續墻施工、土體開挖、基坑底施加建筑荷載幾個階段。首先地下連續墻施工，然后分塊開挖至第二、第三、第四、第五鋼支撐梁墊層底，依次施做錨索和內支撐，最后開挖至基底，施加上部建筑荷載。

3 計算結果分析

3.1 基坑開挖步驟

地鐵車站出入口結構水平最大位移值為3.33 mm，位于出入口靠近地面處，方向趨向基坑，發生于基坑開挖至基底階段；豎向最大位移值為3.29 mm，位于近接基坑處既有出入口結構側墻，方向為上浮，發生于基坑開挖至基底階段。出入口扶梯位置上下端差異位移值為0.8 mm。出入口結構最大位移云圖如圖3所示。

(a)水平位移云圖 (b)豎向位移云圖

3.2 隧道區間結構及地下連續墻結構水平位移分析

基坑模擬施工階段，地鐵區間結構水平最大位移值為3.44 mm，位于鄰近基坑側既有區間結構，方向為趨向基坑；擬建工程整個施工期間引起的區間結構變形趨勢為先上浮后沉降，最大上浮3.62 mm，發生在基坑開挖到基底階段。施加建筑荷載階段，區間結構最大沉降2.23 mm。根據模擬結果，選取特殊點的變形趨勢反映施工期間各個模擬階段結構的變形趨勢，地鐵隧道區間結構的最大位移如圖4所示。

圖4 隧道區間結構最大水平與豎向位移圖

地鐵側圍護結構處監測點水平位移如圖5所示，地連墻支護結構在基坑開挖完成之后，地鐵結構側地下連續墻最大水平位移為6.84 mm，發生在基坑開挖到基底，方向為趨向基坑開挖側，圍護樁現場實測水平位移最大值為6.43 mm。地下連續墻最大水平位移云圖如圖6所示，各監測點的水平位移趨勢相同，水平位移值沿深度方向逐漸減小，同一深度處越靠近圍護結構中心處水平位移值越大，越靠近圍護結構兩端其對水平位移的約束力越強，水平位移值越小。

圖5 圍護樁深層水平位移實測值圖 圖6 地下連續墻最大水平位移云圖

3.3 基坑降水對地鐵隧道的影響

計算場地地面標高42.90 m，2019年地下水位標高按最不利情況取值33.73 m。由于工程場地實際水文地質條件復雜，需考慮場地滲流場的分布、土層特性、場地各部位應力變化等多種因素影響。參照相關技術規范，根據地層模型模擬地鐵結構深度土層在水位變化情況下降水引起的有效應力作用，計算不同部位土層的沉降變形，如圖7所示。

圖7 地鐵隧道結構豎向位移云圖

按最不利情況考慮，降水引起地鐵車站出入口結構沉降值為0.8 mm，隧道區間結構沉降值為0.6 mm，施工期內降水引起有效應力增加導致的地層固結沉降不大，地鐵結構會產生長期緩和而均勻的沉降，且地鐵結構施工時已進行過降水施工，不會對地鐵結構造成破壞性影響。

4 實測數據對比分析

以隧道拱頂作為監測點，間距10 m在地鐵側區間內選擇5個斷面在地鐵側區間內布置監測點，隧道區間沉降監測點布置圖如圖8所示，現場實測與沉降模擬對比圖如圖9所示。從圖9可以看出，數值模擬值與實測值變形趨勢基本吻合，豎向位移變形趨勢為先上浮后沉降，模擬計算值為3.62 mm，實測值為2.65 mm。隨基坑開挖地鐵隧道區間結構上浮，在基坑開挖到基底時，地鐵隧道上浮量達到最大，隨后基礎筏板施工和上部荷載施加，沉降值發生陡降后趨于穩定。表明結構底板的澆筑和上部荷載的施加可以有效抵抗坑底的隆起變形。

圖8 隧道區間沉降監測點布置圖 圖9 隧道區間沉降模擬與實測值對比圖

5 結 語

(1)基坑開挖深度與鄰近地鐵埋深相近時，在基坑開挖卸荷的作用下，隧道區間結構整體上浮，越靠近基坑中心，變形幅度越大，但整體豎向和水平向位移不大。建筑荷載施加后，隧道區間結構隨之發生沉降。隧道區間結構整體趨勢表現為先上浮后沉降。

(2)基坑開挖施工對車站出入口位移影響不明顯，基坑開挖卸荷會造成車站出入口整體下沉和偏向基坑方向側移，出入口扶梯位置上下端差異變形值為0.8 mm。計算結果滿足安全性要求，支護方案可行。

(3)基坑降水對周邊的地鐵隧道變形影響較小，所引起地鐵車站出入口結構沉降值為0.8 mm，隧道區間結構沉降值為0.6 mm，施工期內降水引起有效應力增加而導致的地層沉降不大。