基坑開挖施工對既有地鐵區間隧道的影響分析

摘要：基坑開挖施工對既有地鐵區間隧道的影響日漸普遍，需要專門對其進行研究分析。依托成都飯店基坑開挖緊鄰地鐵6號線玉雙路—牛王廟站區間隧道項目，首先進行有效風險分析辨識，并最終根據風險分級評估標準進行風險等級的確定；通過MIDAS GTS有限元軟件進行數值模擬分析。結果表明：基坑開挖后，現場未施工的第三和第四道錨索采取調整錨索傾角為5°和長度增長到21 m和25 m保護措施，數值模擬已建成盾構隧道的位移比第三和第四道錨索調整水平錨索的位移小。根據計算結果提出相應的保護措施，能確保既有地鐵盾構區間的安全。

關鍵詞：基坑開挖； 地鐵區間隧道； 數值模擬； 保護措施

中國分類號：U452.2+6A

［定稿日期］2022-07-21

［作者簡介］劉海彎（1989—），女，碩士，講師，從事公路隧道設計及科研工作。

0 引言

隨著現代大型基礎工程建設的發展，高層和超高層建筑日益增多，新建基坑毗鄰既有地鐵區間隧道的工程也越來越多。基坑開挖引起一定范圍內土體應力場改變，土體中地應力重新分布，地層變形向周圍傳遞，影響基坑周圍的盾構隧道受力變形，嚴重時會引起地鐵管片開裂和接頭縫張開甚至破壞［1］。隨著計算機的發展，數值分析方法是研究不同施工環境和施工技術下基坑與隧道近接施工過程中相互影響較為常見的方法之一［2-4］。鄭剛等［5］采用單一土層假定，同時忽略不同土體之間的相互作用，通過建立三維有限元數值模型分析了基坑圍護結構的不同變形模式對臨近既有隧道的變形影響。伍尚勇、鮑嘯成、馬啟昂等［6-8］采用數值模擬對基坑開挖對近接既有隧道附加內力和附加變形的影響進行了深入分析。

本項目中的成都飯店高層建筑緊鄰地鐵6號線盾構區間，通過數值模擬研究成都飯店基坑開挖施工對地鐵已建盾構隧道的影響，并針對計算結果提出相應的保護措施。

1 工程概況

擬建項目位于成都市錦江區一環路與水碾河路交匯處東北側，由2棟高層和1棟裙房組成，設4層地下室，基坑深度為20.6 m和23 m 2種深度，基坑支護采用樁錨支護結構（4道預應力錨索支撐），設計樁徑1.4 m，樁間距2～2.5 m，樁上錨索長17～22.5 m。成都飯店項目基坑支護樁已全部施工完成，AB段的其余樁（位于基坑馬道地段）已施工了1～3道錨索，未施工預應力錨索支撐的間隔樁長度約74.8 m。成都飯店項目基坑現狀開挖深度約20 m。

地鐵6號線盾構區間與成都飯店基坑的關系：邊線基本平行，平行長度約158.3 m，成都飯店基坑圍護樁外邊線距離地鐵6號線玉雙路—牛王廟站盾構區間隧道外邊線水平距離為13.2～15.1 m，基坑基底與盾構隧道管片拱頂豎向凈距為0～2.7 m，基坑第四道預應力錨索與盾構隧道管片拱頂豎向凈距為2.4～3.4 m。

根據地鐵保護方案專家評審意見，AB段位于馬道地段，其錨索后于地鐵隧道施工，考慮對已建成地鐵盾構隧道的保護措施，對AB段后期擬施工的錨索進行設計調整，第三和第四道錨索主要調整錨索傾角為5°和長度增長到21 m和25 m，現場施工見圖1。

2 工程重難點分析

（1）項目基坑位于地鐵6號線盾構區間一側13.2 m，且一直處于停工和長期暴露狀態，目前開挖基坑深度20 m，屬重要設施，且位于6號線盾構區間顯著影響區，接近程度為不接近。

（2）基坑停工約3年和長期暴露狀態，超過基坑支護使用年限2年期限，預應力錨索支撐的預應力松弛，發生蠕變，支撐作用減小，第四道預應力錨索支撐距離6號線盾構管片僅2.43 m，基坑預應力錨索支撐位于盾構區間強烈影響區，接近程度為接近。

（3）既有基坑開挖至最大深度23 m，并且AB段基坑土方開挖施工，基坑圍護樁外邊線距離6號線已建成盾構區間隧道外邊線水平距離為13.2～15.1 m，既有地鐵6號線盾構區間屬重要設施，且位于成都飯店基坑開挖強烈影響區，接近程度為非常接近。

（4）項目基礎為筏板基礎，基底標高與6號線盾構隧道管片拱頂基本一致，離6號線盾構隧道管片最小距離15.3 m（結構輪廓間距離），既有地鐵6號線盾構區間屬于重要設施，并且位于成都飯店高層塔樓豎向和水平荷載傳遞一般影響區，接近程度為接近。

3 數值計算分析

3.1 計算模型建立

采用Midas GTS NX對成都飯店AB段基坑開挖施工過程進行模擬。考慮到邊界效應［9］，建立150 m×80 m（長×寬）的二維模型進行模擬。土體及基坑混凝土支護采用實體單元模擬，盾構管片采用板單元模擬，物理力學參數參照表1，約束模型左、右、下3個面。計算模型見圖2。

3.2 地層位移結果分析

根據GB 50911-2013《城市軌道交通工程監測技術規范》［10］中的監控量測要求，在基坑開挖施工與支護過程中對既有地鐵6號線區間隧道結構內力與位移進行監測。

由圖3可知，6號線盾構隧道建成后進行成都飯店AB段基坑分層分段盆式開挖，采用預留土體反壓AB段基坑，AB段盆式開挖預留土體深度為第四道支撐下面高度，預留土體為梯形，上邊寬10 m，下邊寬15 m的放坡開挖方式，開挖完成后基底隆起較大，達到了31.6 mm。建議其他段開挖至基底后，及時快速施工墊層和主體結構筏板基礎封底，并用主體結構筏板基礎支撐圍護結構間隔樁，降低深基坑失穩或者變形過大的風險。

3.3 圍護結構計算結果分析

由圖4、圖5可知，AB段基坑開挖對圍護結構間隔樁最大水平和豎向位移分別為6.3 mm和3.97 mm，錨索端部最大水平和豎向位移分別為4.15 mm和0.98 mm。同時錨索端部是受拉的，預應力損失較小。

巖土工程與地下工程劉海彎： 基坑開挖施工對既有地鐵區間隧道的影響分析

由圖6可知，AB段基坑開挖后，樁體最大軸力為1 619 kN；樁體最大彎矩為1 340 kN·m，滿足圍護樁配筋要求。

3.4 隧道結構計算結果分析

由圖7可知，AB段基坑開挖卸荷對使已建成的左線隧道管片兩側的最大水平位移為3.12 mm和2.23 mm；右線隧道管片兩側的最大水平位移為2.16 mm和0.31 mm；左線隧道管片拱頂和仰拱最大豎向位移為-0.23 mm和0.40 mm，右線隧道管片拱頂和仰拱最大豎向位移為-1.34 mm和0.71 mm。

由圖8可知，AB段基坑開挖后，隧道管片最大彎矩由94.8 kN·m增大到107.3 kN·m，隧道管片最大軸力由1 122 kN減小到1 077 kN，管片結構最大彎矩107.3 kN·m，對應截面軸力為475.9 kN，滿足盾構隧道A型管片配筋要求。

4 結論

以成都飯店基坑開挖緊鄰地鐵6號線玉雙路—牛王廟站區間隧道項目為工程依托，采用數值模擬研究了基坑開挖支護對既有隧道影響，可以得到主要結論：

（1）根據數值結果，已建成盾構隧道位移比第三、第四道錨索調整水平錨索的位移小。因此AB段現場未施工的第三、第四道錨索采取調整錨索傾角為5°和長度增長到21 m和25 m保護措施。

（2）靠近6號線已建成盾構隧道一側的AB段基坑采用分塊分段盆式開挖，預留土體反壓AB段基坑，AB段盆式開挖預留土體深度為第四道支撐下面高度，預留土體為梯形，上邊寬10 m，下邊寬15 m，其他段開挖至基底后，及時快速施工墊層和主體結構筏板基礎封底，并用主體結構筏板基礎支撐圍護結構間隔樁，降低深基坑失穩或者變形過大的風險。

（3）建議加強對成都飯店AB段基坑水平位移、豎向位移、水平位移測斜、基坑周邊地面沉降、預應力錨索軸力、已建6號線盾構隧道位移變形監測及現場巡視檢查。在AB段基坑再開挖施工期間，基坑位移和預應力錨索軸力及已建隧道管片位移監測頻率和現場巡視檢查次數加密，并作好深基坑變形過大或者失穩后的安全應急預案。

參考文獻

［1］ 鄭余朝，施博文，孫克國，等. 基坑近接既有地鐵盾構隧道施工影響分區方法［J］.西南交通大學學報，2017，52（5）：910-918.

［2］ 孫雅珍，李卿辰，岳青青，等. 基坑開挖對近接既有地鐵隧道的影響分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2020，36（6）：1055-1063.

［3］ 楊鵬.長距離并行基坑施工對臨近地鐵隧道的影響［J］.山東交通學院學報，2022，30（2）：54-62.

［4］ 趙維，梁亞華，江杰，等.基坑開挖引起下方縱向斜穿地鐵隧道的隆起變形分析［J］.科學技術與工程，2022，22（9）：3688-3695.

［5］ 鄭剛，王琦，鄧旭，等. 不同圍護結構變形模式對坑外既有隧道變形影響的對比分析［J］.巖土工程學報，2015，37（27）：1181-1194.

［6］ 伍尚勇，楊小平，劉庭金. 雙側深基坑施工對緊鄰地鐵隧道變形影響的分析［J］.巖石力學與工程學報，2012，31（S1）：3452-3458.

［7］ 鮑嘯成. 基坑開挖對臨近既有隧道變形的影響研究［D］.淮南：安徽理工大學，2019.

［8］ 馬啟昂. 深基坑開挖對鄰近地鐵隧道的影響分析［D］.長沙：長沙理工大學，2018.

［9］ 孫雅珍，李卿辰，岳青青，等.基坑開挖對近接既有地鐵隧道的影響分析［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2020，36（6）：1055-1063.

［10］ 城市軌道交通工程監測技術規范： GB 50911-2013［S］.