深基坑降水對鄰近地鐵結構變形影響

吳 楠 邢冬冬

(1.昆山市軌道交通投資發展有限公司，江蘇昆山 215332; 2.南京工業大學交通學院，江蘇南京 210009)

軟土地區運營地鐵結構在周圍工程活動以及自身滲漏等條件影響下會產生較明顯的沉降和變形，給地鐵結構的使用功能和安全性能帶來不利影響。上海地鐵1號線自1995年4月通車運營以來，局部最大沉降已達30 cm［1］。近年來，關于開挖、堆載等工程活動對鄰近既有地鐵結構的影響及控制措施，已有較多的文獻報道［2］。相比之下，關于降水對鄰近地鐵結構變形影響的研究還較少。然而，在地下水位較高的地區進行基坑開挖，需要采取降水措施保證基坑穩定，大面積的降水將引起周圍地面沉降，并導致鄰近建(構)筑物(如地鐵結構等)產生變形。事實上，由降水引起地面沉降的范圍比由開挖、堆載等引起地面沉降的影響范圍更大。對于降水對周圍環境的影響，一些學者從現場試驗到理論分析做了研究［3］，而關于對其周圍已有地鐵隧道的影響研究依然較少。本文結合某深基坑降水對鄰近地鐵結構變形影響的現場監測和數值仿真試驗，對這一問題進行了探討。

1 工程概況

本工程基坑西側臨近某地鐵區間隧道，支護結構內邊線距地鐵隧道最近約為73.3 m，區間隧道結構底相對標高約為-16.3 m。基坑施工過程中，在基坑邊線對應隧道區間左右線及車站主體-2層里程范圍內，每20 m布設1個沉降監測點(Z1～Z12，Y1～Y12)。其平面位置及監測點布置如圖1所示。

圖1 監測點及平面位置示意圖

2 計算模型及參數

2.1 計算模型和邊界

采用二維數值計算模型對上述工程實例進行模擬分析，根據對稱性，取基坑的一半進行計算。計算寬度取值要大于降水影響半徑，根據抽水試驗，本項目的降水影響半徑為250 m?？紤]到基坑的地下水降深為13.2 m，基坑止水帷幕長度為26 m，對于計算深度的取值，根據計算經驗，取50 m，如圖2所示。

數值計算時考慮位移邊界條件和滲流邊界條件。考慮對稱性，在位移邊界方面，mn為水平約束，np為固定約束，pl為水平約束。在滲流邊界方面，mn和np不透水，距離止水帷幕為250 m的邊界則為常水頭邊界。

圖2 有限元計算區域（單位：m）

2.2 計算參數

根據現場工程水文地質條件，該場地為典型的二元結構地層:上層為淤泥質粉質黏土和粉質黏土不透水層，下層為由粉細砂、中粗砂組成的透水層。具體土體參數見表1。

表1 物理力學參數表

3 計算結果及分析

表2列出了基坑降水后區間隧道結構變形的計算值和實測值，兩者基本上比較接近。然而，計算值略大于實測值，主要是由于計算過程中未考慮地層降水后彈性模量增加從而使變形減小的影響，因此預測結果是偏于安全的。

表2 基坑降水后區間隧道結構的變形 mm

本文以工程實例中的區間隧道結構為例，探討基坑與隧道之間的距離、基坑止水帷幕的深度兩個主要因素對基坑降水引起地鐵結構變形的影響規律。

3.1 基坑與隧道之間距離的影響

圖3給出了隧道與基坑距離分別為10 m，20 m，30 m，50 m，70 m時的豎向、水平變形值，與工程實例進行比較。

圖3 隧道和基坑的間距對隧道變形的影響

從圖3中可以看出，隧道距離基坑50 m范圍內，距離基坑越近，隧道變形越大，尤其是在30 m范圍之內最為顯著。當隧道與基坑的間距大于50 m后，隧道變形與基坑距離之間的變化關系不是十分顯著。

3.2 止水帷幕深度的影響

圖4探討了改變基坑止水帷幕的深度對隧道變形的影響。

圖4 基坑止水帷幕深度對隧道變形的影響

從圖4中可以看出，隨著基坑止水帷幕深度增加，隧道變形線性減小。因此，較深的止水帷幕可以有效的減小降水引起的周圍環境的沉降，因而可根據對周圍環境的控制要求，在考慮技術經濟的條件下，選取適當的止水帷幕深度。本工程在降水過程中，采用深度為26 m的止水帷幕，起到了很好的隔水作用。

4 結語

本文通過現場監測，對某具體工程實例進行了分析，并結合有限元數值計算，探討了基坑降水條件下，基坑與隧道的間距、基坑止水帷幕深度兩個主要參數對隧道結構變形的影響規律，并與實測數據進行了對比。研究表明:隧道距離基坑50 m范圍內，距離基坑越近，隧道變形越大，尤其是在30 m范圍之內最為顯著，因此今后應重點做好此范圍內地鐵隧道的保護;此外，隨著基坑止水帷幕深度增加，隧道變形線性減小，因此可根據對隧道變形的控制要求，在考慮技術經濟的條件下，選取適當的基坑止水帷幕深度。上述結論為今后城市基坑工程設計和隧道安全保護提供了有益的借鑒和參考。

［1］王如路.上海軟土地鐵隧道變形影響因素及變形特征分析［J］.地下工程與隧道，2009(1):1-6.

［2］李桂華，黃 騰，席廣永，等.軟土地鐵隧道運營期沉降監控研究綜述［J］.河海大學學報(自然科學版)，2011，39(3):277-283.

［3］葉為民，趙少陽.二元結構土層分布區工程降水誘發地面沉降變形研究［J］.中南大學學報，2012，43(11):4446-4450.