大規模深基坑分區階次卸載對地鐵隧道的影響*

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

0 引言

隨著上海經濟建設的不斷發展，運營中的地鐵隧道周邊地帶的開發利用需求極大。相對于一般的施工環境，隧道周邊區域由于距離地鐵較近，在開發時必須考慮地鐵運營的安全，尤其是大型深基坑的施工，在土體卸載過程中如何確保隧道變形滿足運營要求是其施工最大難點。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某大規模深基坑工程位于上海市中心，基坑挖深約14 m，長約190 m，寬60 m，由于運營中的地鐵隧道位于工程正下方，基坑被分為南北2 個小基坑，2 個基坑距離地鐵水平距離均為8 m左右，基坑之間通過8 m寬的車行通道連接（圖1）。此外，在基坑南側緊鄰另一條隧道，最近間距為7 m左右。

由于地塊周圍環境條件嚴峻，為滿足2 條隧道正常運營要求，擬采用“分區順做法”的總體方案：將北邊基坑分為S1-A區、S1-B區先后分別實施，將南部基坑分為S2-A區、S2-B區先后分別實施，具體分區如圖2所示。

1.2 計算評判指標

圖1 基坑與隧道關系示意

圖2 基坑分區開挖示意

據《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》，由于深基坑、高樓樁基、降水、堆載等各種荷載和加載的建筑活動對地鐵工程設施的綜合影響限度，必須符合地鐵結構設施絕對沉降量≤20 mm。（包括各種加載和卸載的最終位移量）。隧道變形曲線的曲率半徑R≥15 000 m。

2 基坑開挖數值模型[1-6]

2.1 有限元模型建立

采用通用有限元分析軟件MARC進行基坑開挖的全過程模擬。

2.1.1 有限元材料模型

采用8 節點的實體單元模擬土體，采用殼單元來模擬地下連續墻和既有隧道，采用梁單元模擬支撐。數值分析中采用Mohr-Coulumb本構模型對場地土體進行模擬，土體參數根據工程地質勘查報告取值。

2.1.2 有限元幾何模型

結合有限元模擬經驗，一般基坑開挖影響寬度約為開挖深度的3～5 倍，影響深度約為2～4 倍，故確定影響范圍為由基坑邊向外延伸100 m，土體深度方向延伸70 m。

2.1.3 有限元邊界條件

本模型采用標準邊界形式，即計算模型底部節點限制其水平向和豎向位移為零，四周限制水平面（x、z方向）位移為零，上表面為自由面。

2.2 計算工況

對比計算地下連續墻圍護深度分別為51 m和40 m條件下，基坑施工對既有隧道結構的影響。

根據實際工程開挖步驟，本次模擬分初始地應力場計算，分層開挖S1-A、S2-A區域基坑，分層開挖S1-B、S2-B區域基坑，開挖S1-B、S2-B之間的聯絡通道4 步進行，圖3為初始地應力場。

圖3 初始地應力場位移

3 計算結果分析

3.1 方案一

3.1.1 基坑整體變形分析

采用方案一，在消除初位移影響（1.8 cm）后，基坑周邊最大沉降1.5 cm，基坑底部隆起7.2 cm（圖4）。

3.1.2 隧道變形結果分析

相比較于基坑南側隧道，基坑下方隧道受2 個基坑共同影響，隧道自身離基坑也更近，限于篇幅，這里僅分析基坑下方隧道變形。

圖4 基坑及周邊豎向位移（未去除1.8 cm初始位移影響）

采用方案一，處于基坑連通道下方的隧道呈現隆起狀態，最大豎向位移為17 mm。

3.2 方案二

3.2.1 基坑整體變形分析

采用方案二，在消除初位移影響（1.1 cm）后，基坑周邊最大沉降2.3 cm，基坑底部隆起 8.9 cm（圖5）。

3.2.2 隧道變形分析

圖5 基坑及周邊豎向位移（未去除1.1 cm初始位移影響）

采用方案二，基坑下方隧道隆起量較原先方案更大，最大隆起量為2 cm左右。

4 結語

依據《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》，對于原設計方案設計的51 m地下連續墻埋深（3 倍基坑深度），基坑開挖施工對既有地鐵區間隧道和車站的影響均在控制標準以內，若改為40 m地下連續墻埋深（2.4 倍基坑深度），隧道變形則剛達到控制標準要求（表1）。本次數值模擬結果顯示，若隧道等建（構）筑物離基坑 10 m以內距離，要滿足其擾動要求，地下連續墻設計長度達到基坑開挖深度的2.5 倍比較合適。

表1 基坑開挖對周邊影響匯總表