基坑開挖對下臥地鐵區間隧道的影響分析

【摘要】本文依托蘭州地鐵1號線五里鋪站附屬物業開發工程項目，采用有限元建模分析了基坑施工對其下臥地鐵區間隧道變形及內力的影響，對設計的合理性進行了評估并對后續的工程設計提出了建議。

【關鍵詞】基坑；地鐵區間；數值分析

引言

隨著我國城市的快速發展及土地資源的緊張。地下空間的開發和利用成為解決土地資源緊張的重要突破口并進入了快車道，但一些地下空間開發不得不面臨在已開發工程的上方或下方進行再次開發，這就給地下工程從業人員帶來一個新的挑戰。

本文依托蘭州市地鐵1號線五里鋪站附屬物業開發工程，模擬分析基坑開挖過程對其下臥地鐵區間變形及內力的影響，以評估設計的合理性并對后續的工程設計及施工提供技術支撐，保證基坑施工期間地鐵隧道的安全。

1、工程概況

五里鋪附屬物業開發工程以五里鋪地鐵站為界，分為東西兩段。分別沿東崗西路、東崗東路敷設于道路下方，其中西段長約540m，東端長約746m，本工程擬采用明挖半幅鋪蓋法施工，基坑深約9.5m，基坑下方為已修建地鐵盤旋路～五里鋪～東部市場盾構區間。區間結構頂距基坑底最小距離4.5m，盾構區間為外徑6.2m，壁厚0.35m的圓形結構，具體相對位置如圖1所示。

2、地質概況

根據地勘揭露，擬建場地地貌單元屬黃河一級階地。場地內地形較為平坦。擬建場地地層自上而下依次有素填土、黃土狀土、卵石、強風化砂巖等組成。該場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石。潛水位埋深約8m。各層物理力學指標詳見下表：

3、計算模型

3.1計算參數

計算模型中各地層的計算參數選取見表1.基坑采用Φ800mm鉆孔灌注樁，間距1800mm，圍護樁及鋼筋混凝土橫撐、縱向連系梁、冠梁、臨時立柱均采用C30混凝土，地鐵隧道盾構管片采用C50混凝土。基坑施工期間地面超載按20kPa考慮。

3.2模型建立

根據設計方案，采用FLAC3D軟件建立三維數值計算模型，模型以地鐵區間隧道軸線方向為y軸，垂直隧道軸線為x軸，豎直方向為z軸，模型在y軸方向上長50m，在x軸方向上長42m，z軸方向上長31m。地層、基坑圍護結構及區間隧道管片均采用實體單元模擬。計算假定地鐵隧道、基坑、土體之間符合變形協調原則，隧道結構、基坑圍護結構、地層巖土體為均質各向同性材料。圍巖在開挖過程中考慮其塑性變形，采用Mohr-Coulomb準則，基坑圍護結構及區間隧道管片僅考慮其彈性工作，采用線彈性本構關系。

3.3計算工況

基坑采用豎向及縱向分段開挖的施工方案，豎向分兩段開挖，縱向每段開挖10m，基坑開挖完成共7個工況。

4、計算結果及分析

4.1初始狀態及基坑開挖完成狀態模擬結果

4.2各工況計算結果及分析

針對各個工況中的盾構管片的變形及管片的受力狀態，本文選取距離開挖起始端15m處盾構管片進行結果提取及分析，結果見表2.

根據結果顯示，以本文選取的管片分析點位基礎，隨著基坑開挖，盾構管片變形及內力均產生較大變化，變形及內力變化速率最大發生于其正上方土體開挖時段，其相鄰區段開挖對其影響也較大，而錯開一區段后的基坑開挖對其影響較小，基坑開挖完成時最大豎向變形為4.01mm，最大水平變形0.95mm，最大壓應力為2.27MPa，最大拉應力為1.37MPa。依據《城市軌道交通工程監測技術規范》（GB50911-2013）對既有隧道結構變形控制要求（具體見表3），本工程基坑施工對區間影響能夠滿足區間隧道變形控制要求。

5、結論及建議

5.1本工程基坑底板與區間隧道拱頂的凈距為4.5m時，基坑開挖引起的區間隧道結構隆起變形和水平變形均滿足變形控制要求；

5.2基坑開挖引起的區間隧道結構最大拉應力為1.37MPa，最大壓應力為2.27MPa。基坑開挖引起的區間隧道結構受力滿足混凝土強度要求。

5.3基坑施工對區間結構的影響具有明顯的三維特征，因此基坑開挖時須分段開挖，減少基坑開挖對其下臥區間的疊加影響。

5.4根據計算結果，區間結構的隆起值接近報警值，為了保證施工過程中區間隧道的安全，建議在基坑開挖過程中對地鐵區間隧道采取輔助保護措施，比如注漿加固區間隧道上方土體。

5.5基坑施工過程中盾構管片的拉應力增加較大，還應對既有區間隧道結構進行結構-荷載模型計算，對結構承載能力進行復核。

參考文獻：

[1]]城市軌道交通工程監測技術規范（GB 50911-2013）.

[2]陳郁.基坑開挖卸荷引起下臥隧道隆起的研究分析.同濟大學碩士論文，2002.

[3]劉國彬，黃院雄，侯學淵.基坑工程下已運行地鐵區間隧道上抬變形的控制研究與實踐.巖石力學與工程學報.2001，20（2）.