基坑開挖對臨近既有地鐵隧道影響分析

高劍波GAO Jian-bo

（中國水利水電第七工程局有限公司，成都 611730）

1 工程概況

1.1 基坑工程基本情況

重慶軌道交通4 號線西延伸項目，車站與既有5 號線、遠期23 號線換乘。車站為地下兩層島式站。項目周圍環境復雜，西側毗鄰既有地鐵隧道，最小距離為15.2m。西側為A、B、C 三個附屬結構。其中，A 基坑開挖深度6～8.5m，采用懸臂樁、灌注樁+錨索、土釘墻等支護方案。B 基坑開挖深度9.2～15.8m，采用復合土釘墻、灌注樁+錨索等支護方案，C 基坑開挖深度5.4～10.7m，采用土釘墻、灌注樁+錨索等支護方案。

1.2 既有地鐵隧道基本情況

地鐵隧道區間線路全長1.2km，采用盾構法施工，設計為雙洞雙線，埋深為9.2～11.4m。地質勘察結果顯示，隧道主要穿越粉質黏土層。地鐵隧道上方是城市道路，斷面寬度為42m，由機動車道、非機動車道、人行道組成。

2 基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響等級評價

依據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202-2013，以下簡稱《規范》）[1]，根據基坑與隧道結構的位置關系及基坑支護方案，評價基坑開挖對地鐵隧道的影響等級。

2.1 A 基坑

A 基坑距離地鐵隧道的距離為15.2m，開挖深度在6～8.5m。其中，灌注樁+錨索支護節段長度h 為7.9m，間距15.2m 處于1.0h～2.0h 之間，隧道結構位于一般影響區（C）內。盾構施工時，盾構機外徑D 為6.4m，間距15.2m 處于2D～3D 之間，屬于較接近程度。綜合分析后，A 基坑開挖對地鐵隧道結構的影響等級為三級。

2.2 B 基坑

B 基坑距離地鐵隧道的距離為16.6m，開挖深度在9.2～15.8m。其中，灌注樁+錨索支護節段長度h 為17.8m，間距16.6m 處于0.7h～1.0h 之間，隧道結構位于顯著影響區（B）內。盾構施工時，間距16.6m 處于2D～3D 之間，屬于較接近程度。綜合分析后，B 基坑開挖對地鐵隧道結構的影響等級為二級。

2.3 C 基坑

C 基坑距離地鐵隧道的距離為16.1m，開挖深度在5.4～10.7m。其中，土釘墻支護節段長度h 為8.4m，間距16.1m 處于1.0h～2.0h 之間，隧道結構位于一般影響區（C）內。盾構施工時，間距16.1m 處于2D～3D 之間，屬于較接近程度。綜合分析后，C 基坑開挖對地鐵隧道結構的影響等級為三級。

根據A、B、C 基坑的評定結果，綜合判定基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響等級為二級。

3 基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響模擬分析

3.1 建立模型

利用CAD 建立基坑和地鐵隧道工程模型，利用ABAQUS 軟件進行網格劃分，將數據圖像導入FLAC 3D，共有29335 個網格、44500 個節點。

①巖土采用實體單位進行模擬，其中x、y、z 分別代表模型的寬度、長度、深度方向。地層自上而下依次是雜填土、粉質黏土、碎石和全風化閃長巖，參數見表1。

表1 工程模型的地層參數信息

②灌注樁采用pile 單元進行模擬，密度為2500kg/m3，截面積為0.785m2，彈性模量為20GPa，泊松比為0.2，極慣性矩為0.098m4。

③錨索采用Cable 單元進行模擬，根據設計值確定錨固長度、角度等指標，截面積為280mm2，彈性模量為200 GPa，內摩擦角為25°，錨索抗拉強度為1800MPa。

④土釘采用Cable 單元進行模擬，設計值確定長度、角度等指標，截面積為380mm2，彈性模量為200GPa，內摩擦角為25°，土釘全長錨固。

⑤腰梁采用Beam 單元進行模擬，截面積為60cm2，彈性模量為200GPa，極慣性矩為0.0004m4。

⑥管片采用Shell 單元進行模擬，厚度為20cm，半徑為3.2m，密度為2500kg/m3，彈性模量為7GPa，泊松比為0.25。

3.2 基坑開挖施工方案

根據基坑開挖作業流程，考慮到對地鐵隧道結構的影響，模型計算時將施工分為兩個階段：第一階段建立地應力場，建立區間隧道結構；第二階段完成基坑的開挖與支護，此時第一階段造成的變形清零[2]。為了進一步分析開挖工序對地鐵隧道結構的影響，設計兩種開挖施工方案：

①方案1：先對A 基坑開挖支護，再對B、C 基坑開挖支護，工藝流程：灌注樁和懸臂樁支護→開挖A 基坑第1層土，錨索、腰梁施工→開挖A 基坑第2 層土，錨索、腰梁施工→灌注樁支護→開挖B 基坑第1 層土，錨索、腰梁施工→開挖B 基坑第2 層土，錨索、腰梁施工→開挖C 基坑第1 層土，錨索、腰梁施工→開挖C 基坑第2 層土，錨索、腰梁施工。

②方案2：先對B、C 基坑開挖支護，再對A 基坑開挖支護，工藝流程與方案1 相反，不再贅述。

3.3 結果分析

3.3.1 基坑受力變形

按照方案1 開挖作業，基坑周圍地層、基坑底部地層發生位移。模擬分析結果顯示，地應力平衡后，開挖支護作業期間，基坑周邊土體沉降，基坑底部土體隆起，坑壁最大位移、坑底最大隆起均位于B 基坑內，前者為11.5mm，后者為12.2mm，如圖1 所示。

圖1 基坑側向位移和豎向位移云圖

3.3.2 隧道地表沉降位移

基坑施工完成后，分別在基坑邊線中點對應的隧道結構上方地表設置測點A、B、C。結果顯示：①基坑開挖均導致隧道地表發生沉降和位移，其中A 基坑開挖對隧道結構沉降未造成影響，位移量最大為4mm；B 基坑開挖對隧道結構沉降、位移影響最大，分別是2mm、9mm；C 基坑開挖對隧道結構沉降、位移影響介于兩者之間。②采用不同開挖方案，隧道地表沉降和位移情況也不同，見表2。說明開挖工序對隧道地表變形具有一定影響，應結合現場條件和施工要求進行確定[3]。

表2 隧道結構上方測點的沉降值和位移值 單位：mm

3.3.3 隧道結構位移

按照方案1 開挖作業，分析隧道結構的豎向沉降和水平位移情況，在隧道模型頂部設置監測點，結果見表3。分析可知：①隧道結構的豎向沉降量較小，其中右線隧道距離基坑更近，既有沉降、也有隆起[4]。左線隧道以沉降為主。根據設計要求，最大沉降值＜20mm 的控制值，滿足《規范》中的沉降控制要求。②隧道結構的水平位移向基坑一側偏移，其中右線隧道的偏移值大于左線隧道。根據設計要求，最大位移值＜20mm 的控制值，滿足《規范》中的位移控制要求。③基坑開挖引起隧道結構的最大沉降和位移均位于B 基坑西側，此處應作為重點監測部位。

3.3.4 隧道結構受力

基坑開挖完成后，選取B 基坑灌注樁+錨索支護段分析隧道結構的受力情況。結果顯示：①從隧道頂部到底部，應力值先增大后減小；其中襯砌中部應力最大，隧道底部襯砌結構的應力最小[5]。②基坑開挖前、后，隧道襯砌的受力特征變化不明顯，開挖作業引起的附加荷載近似為0。基坑開挖后，隧道底部的應力減小，減小值為18kPa。③基坑開挖后，隧道剖面結構受到的圍巖壓力見表4，分析可知徑向接觸壓力較大，附加壓力較小，且＜20kPa 的控制值，滿足《規范》中的控制要求。

表4 基坑開挖后徑向接觸壓力及附加壓力值 單位：kPa

4 結語

綜上所述，基坑工程開挖作業期間，會對周邊土層及建筑物產生一定影響。本文結合實際案例，得出以下結論：

①基坑開挖過程中，坑壁最大位移、坑底最大隆起均位于B 基坑內。

②B 基坑開挖對隧道結構沉降、位移影響最大，但最大沉降值、最大位移值均＜20mm 的控制值，滿足《規范》中的沉降控制要求。

③基坑開挖對隧道結構的受力影響較小，滿足《規范》中的控制要求。