基坑工程對既有城市軌道交通結構安全的影響及對策

劉 亞

（中鐵上海設計院集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著城市的快速發展，不可避免會在城市軌道交通沿線及周邊進行工程建設，必然會存在深基坑開挖工程，帶來原有地層應力場的改變[1-2]，影響城市軌道交通的正常運營。針對深基坑開挖工程對城市軌道交通的影響，現階段已有許多針對臨近既有隧道工程的沉降預測[3-4]、沉降因素[5]和保護措施[6-7]的研究。臨近深基坑工程引起的既有城市軌道結構位移，包括相對沉降及相對水平位移，進而導致軌道結構產生較大的附加內力，對地鐵的運行使用造成一定的損害。因此，為了控制深基坑開挖對既有城市軌道交通結構的損害，本文將結合實際案例，對城市軌道交通結構的不均勻變形、影響范圍、附加內力、保護措施等進行研究。

1 工程概況

項目位于徐州市永嘉新城中心東南側。此地塊東側為漢風路，北側為普陀路，南側為昆侖大道，此地塊平面整體呈三角形。沿昆侖大道走向的徐州市軌道交通2號線大龍湖站~市政府站區間隧道緊鄰地塊基坑南側，已建地鐵2號線市政府站緊鄰地塊東南角，6號線盾構井緊鄰地塊東南角。徐州軌道交通2號線大龍湖站~市政府站區間隧道位于地塊基坑的南側，盾構區間隧道已施工完成，區間左線隧道距離地下室外邊線最小凈距約19.5m。地鐵2號線市政府站臨近該地塊東南，附屬結構距離地塊地下室外邊線最近凈距約17.5m，附屬結構暫未施工。地鐵2號線市政府站為與6號線進行換乘的換乘車站，車站為地下兩層島式車站，車站主體基坑采用明挖順作法施工，車站基底位于2-5-3砂質粉土層，基坑圍護結構采用直徑800mm地下連續墻+內支撐體系。

該項目基坑支護方案如下：南側臨近已建車站及區間隧道基坑采用直徑900@1200鉆孔灌注樁+兩道混凝土支撐體系。區間左線隧道距離地下室外邊線最小凈距約19.5m，附屬結構距離地塊地下室外邊線最近凈距約17.5m，其平面位置關系如圖1所示。

圖1 平面位置關系

2 控制標準及保護措施設計

2.1 控制標準

基坑開挖會對周邊土體產生卸載作用，進而導致基底土體發生回彈變形、兩側土體發生側向變形，導致臨近的城市軌道交通結構發生相對變形[8-9]。既有軌道交通結構控制變形的標準可分為兩大類：既有隧道結構的控制變形標準，既有軌道結構的控制變形標準。既有城市軌道交通的控制變形標準，是指在承載力滿足要求的情況下，主要對既有結構變形的影響進行考慮。在該項目中，地鐵結構控制標準如下：

（1）既有城市軌道結構（隧道、車站）的絕對沉降量及水平位移量≤5mm（其中包含加載及卸載的最終位移量）；

（2）既有隧道結構的曲率半徑R≥15000m；

（3）既有隧道結構的相對彎曲≤1/250;

（4）由于臨近地鐵工程施工及后期建成后的建筑物等引起的既有城市軌道交通結構外壁附加壓力≤20kPa。

（5）由于爆破、打樁等施工作業產生的震動對隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。

2.2 保護加強措施

（1）基坑開挖之前在基坑臨近地鐵一側施做隔離樁（采用φ9000@1200鉆孔灌注樁）；

（2）架設兩道混凝土支撐，加強支撐剛度，基坑圍護樁間設置止水旋噴樁，以確保止水效果，避免水土流失；

（3）分層開挖、及時架設支撐；

（4）分倉開挖，可提供可靠的局部約束，避免車站及區間結構的土體側壓力產生不平衡而無可靠約束；

（5）基坑開挖過程中加強對支護體系以及車站區間結構的變形監測；若發現監測值超限，應立即采取措施進行跟蹤處理；

（6）基坑周邊嚴禁堆載，對交通車輛采取適當的限制措施；

（7）開挖過程中如出現巖土體異常情況時，應立即停止開挖，并應立即查清原因。

3 數值分析

3.1 計算模型

本次評估中，選取專業化有限元軟件MIDAS GTS進行模擬計算，修正摩爾-庫侖模型為本構模型，由彈塑性模型和非線性彈性模型進行組合，修正摩爾-庫侖模型包含12個物理參數，其中剛度參數包含3個：切線線剛度E0ed、彈性模量E50及卸載彈性模量Eur；強度參數包含4 個：內摩擦角?、黏聚力c、KNC 和剪脹角ψ；除此以為還包含參考壓力、失效率、孔隙率應力、相關冪指數等。

為模擬臨近城市軌道交通深基坑開挖工程對既有軌道交通結構的影響，數值模擬中將既有城市軌道交通結構（包含地鐵車站及區間隧道）、基坑支護體系及基坑開挖進行了模擬及數值分析。為減小邊界對計算區域的影響效果，豎向范圍一般≥2H（H指基坑的豎向深度），區間隧道模型取地表以下40m，地鐵車站模型地表以下40m；水平范圍一般≥2H（H指基坑的豎向深度），取既有城市軌道交通結構（包含區間隧道和車站結構）模型水平向距離基坑邊為40m。

為更好地模擬該地塊深基坑開挖對既有城市軌道交通結構的影響，采用三維有限元進行數值模擬分析。三維數值分析中將地鐵區間隧道、地鐵車站、1號風亭、6號線盾構井、圍護結構、支撐體系及基坑開挖進行了模擬及數值分析。為減小邊界對計算區域的影響，計算深度取60m；水平向既有城市軌道交通或基坑邊線外側共3H，故沿地鐵隧道及車站縱向約為450m，沿基坑及地鐵橫斷面方向約為370m，計算模型如圖2所示，計算所用參數見表1。

表1 地層物理學參數

圖2 數值計算模型

3.2 計算工況

為了反映初始應力狀態及施工過程，本次計算共分6個施工步驟進行，見表2所示。

表2 工況分析

3.3 計算結果分析

本文通過二維、三維計算模型對該項目的變形進行有限元分析，開挖引起的三維變形云圖如圖3、圖4所示，計算結果見表3所示。

表3 計算結果

圖3 豎向位移云圖

圖4 水平位移云圖

當采用鉆孔灌注樁+對撐+角撐+邊桁架體系支護時，二維計算分析結果如下：深基坑開挖引起既有區間隧道的豎向最大位移為1.1mm，水平最大位移為2.3mm，深基坑開挖引起的車站附屬的豎向最大位移為1.8mm，水平最大位移為3.2mm，深基坑開挖引起的盾構井的豎向最大位移為0.2mm，水平最大位移為1.9mm；通過三維有限元分析進行驗證：深基坑開挖引起既有城市軌道交通（車站及區間隧道）的豎向最大位移為2.8mm，最大水平位移為3.6mm，均滿足控制位移5mm的要求。

4 結束語

綜上所述，地鐵周邊基坑開挖對臨近地鐵會產生一定的影響，須進行可靠的安全評估。借助MIDAS/GTS和GTS NX軟件對基坑工程對城市軌道交通結構的不均勻變形、影響范圍、附加內力等進行有限元模擬分析，建議采取如下應對措施：

（1）基坑開挖設計中應嚴格控制基坑本身的變形，加強基坑圍護結構和支撐的整體剛度，能有效控制地面變形，進而減小對臨近地鐵結構的影響。

（2）在基坑和臨近地鐵之間設置鉆孔灌注樁的保護方案，可以有效降低基坑開挖對臨近地鐵結構的影響。

（3）基坑開挖過程中應加強對地鐵結構的變形監測，增加監測頻率；若發現監測值超限，立即采取必要的跟蹤注漿處理。

（4）當基坑面積較大且形狀不規則，應進行基坑平面上分倉、跳段實施，能有效降低基坑開挖對地鐵區間及車站的不利影響。