基坑開挖對臨近運營地鐵區間影響的數值分析

□文/高書豹 牛俊濤 彭顯曉

基坑開挖時，由于開挖擾動、地層損失和固結沉降等因素會引起地層移動和變形，導致賦存于地層中的既有地鐵區間隧道結構隨之發生移動和變形，進而引起地鐵區間受力的變化，與區間結構相關連的重要結構物也將發生移動和變形[1]。因此，準確預測和計算既有地鐵區間的變形是選擇其周邊后建工程地下圍護結構及施工工序的關鍵。

1 工程概述

1.1 基坑概況

某地塊建筑設計標高0.000m，相當大沽標高2.900 m，現狀場地標高為大沽標高1.600m，含4棟多層住宅、4棟高層住宅及整體一層地下車庫。基坑東西方向開挖寬度約175m，南北方向開挖寬度約150m，開挖面積約 22800m2，開挖深度 4.95～6.05m，見圖 1。

圖1 基坑平面

1）基坑南側及基坑東北角處，場地開闊且場外無需保護設置，采取放坡形式，坡頂設止水帷幕。

2）基坑西側及北側地下車庫位置，挖深4.95m（西側）及5.15m（北側），場外距離6層住宅最近約11m，采用雙排樁，前排密排，后排稀排。雙排樁間打設單排攪拌樁做止水帷幕。

3）基坑西側及北側地下車庫位置，挖深6.05m，西側場外距離6層住宅最近約11m，采用密排雙排樁，北側距場外建筑物距離＞20m，采用前密后稀雙排樁。雙排樁間打設單排攪拌樁做止水帷幕。

4）基坑東側，挖深6.05m，采用雙排樁φ600mm@1000mm，圍護結構距地鐵隧道最近處為10.3m，見圖2。雙排樁間打設單排攪拌樁φ700mm@900mm做止水帷幕。

圖2 基坑與地鐵區間隧道相對位置關系

1.2 鄰近運營地鐵區間概況

運營地鐵區間全長約678m，隧道管片外徑6.2m、內徑5.5m，管片寬度1.2m，襯砌環縱縫之間均采用彎螺栓連接，其中每個環縫采用16根M30螺栓，每環縱縫采用12根M30螺栓，隧道頂埋深約9.998～13.614m。

1.3 水文地質情況

基坑涉及深度范圍內各土層土性指標見表1。

表1 基坑涉及深度各土層土性指標

測得場地地下潛水水位：初見水位2.00～3.00m，相當于標高-0.50～-0.89m；靜止水位1.50～2.30m，相當于標高0.10～-0.06m。表層地下水屬潛水類型，主要由大氣降水補給，以蒸發形式排泄，水位隨季節有所變化。一般變幅在0.50～1.00m/a左右。根據室內滲透試驗結果，各層土的滲透系數及滲透性為不透水或弱透水。

2 數值模型建立與加載

2.1 模型建立

計算采用MIDAS-GTSNX有限元計算軟件建立三維實體模型。基坑模型范圍垂直地鐵隧道方向（南北向）取340m，平行于地鐵區間盾構隧道方向取280m，深度取80m。在有限元建模時，車站站邊墻、頂板、中板、底板均采用板單元模擬，土體部分選用四節點三維實體單元模擬，地應力場按自重應力場考慮。基坑開挖模型共劃分226721個單元[2]，見圖3。

在基坑開挖期間考慮土層及結構的自重荷載；計算水位取自地面。基坑地面超載取20kPa。

圖3 有限元模型

2.2 施工過程模擬

2.2.1 初始地應力平衡

首先建立初始自重應力場。在實際工程中，由于天然土層在土體自重和周圍建筑物荷載作用下已經固結沉降完畢，在此基礎上進行基坑開挖，需要將已經固結沉降完成的原狀土作為后續開挖步的初始狀態。因此，在利用有限元模擬基坑開挖過程時，若要達到天然土層的初始狀態，必須平衡初始地應力，使得在土體模型中只存在初始應力場而不出現初始位移。模型中第一階段為土體開挖的初始階段，計算出土體在自重作用下的位移場和應力場，通過Midas/GTS的位移清零功能消除已經完成的沉降位移并構造初始應力場。

2.2.2 基坑開挖過程模擬

計算模擬時，土體開挖和結構施作通過激活和鈍化單元實現，每個開挖步內荷載通過開挖邊界荷載釋放系數分配。

3 數值模擬結果及分析

3.1 基坑整體變形

基坑開挖后，由于土體卸載，基坑圍護結構向內側收斂變形，基坑底部隆起，最大隆起量約1.56cm，見圖4。

圖4 基坑開挖變形特征

3.2 地鐵區間隧道變形

基坑開挖后，土體卸載，周圍土體發生變形，導致鄰近的地鐵區間隧道發生變形。分析區間隧道整體位移的規律，見圖5。

圖5 地鐵區間變形特征（開挖至底部）

地鐵區間隧道總體位移變化規律：基坑開挖后，隨著應力釋放，土體卸載回彈，基坑底部土體隆起，鄰近區間隧道受到基坑隆起的影響，也產生了變形。通過分析可知，豎直方向隧道產生最大位移約4.15mm（豎直向上隆起），水平方向隧道最大位移2.7mm（隧道向基坑內側移動）。

3.3 數值分析結論

就基坑開挖施工對運營地鐵區間影響，采取三維有限元計算，通過對土體變形、結構變形的分析得出以下結論：

1）由于基坑工程開挖面積較大，大面積開挖產生的卸荷效應顯著，坑外土體產生趨向坑內移動的趨勢，在土體變形傳遞效應的影響下地鐵區間產生一定位移；

2）受基坑開挖的影響，盾構隧道豎向最大位移為4.15mm（豎直向上），水平方向隧道最大位移2.7mm（偏向基坑側），盾構隧道豎向及水平向位移滿足安全變形控制（沉降10mm、水平位移5mm、差異沉降4mm/10m）的要求。

4 基坑施工控制及保護措施建議

1）基坑施工前，應根據自身工程特點及周邊情況，合理安排施工步序，采取有效措施保證施工工期，降低基坑施工對地鐵工程的影響。基坑工程應精心施工，嚴格控制基坑圍護結構施工質量，確保基坑安全、有效控制基坑變形。

2）基坑應采取跳倉施工措施。為有效控制地鐵區間單側卸載造成差異變形過大，同時控制坑底隆起影響，在基坑開挖過程中，盡量遵循“留核心土開挖、早開挖早封閉、由遠及近開挖”的原則，基坑鄰近地鐵側采用后退式開挖方式。

3）施工期間，嚴格遵循“按需降水”原則，縮短降水深度、降水周期，避免長時間維持低水位。

4）基坑開挖至基底后，應迅速施作墊層及鋼筋混凝土底板，減少基坑暴露時間，控制基坑開挖對既有地鐵區間結構的影響。在保證施工質量的前提下，盡量加快施工進度，減小影響時間。

5）嚴格控制施工期間地面超載，基坑地面超載不得超過20kPa。

6）制定專項監控量測方案并經地鐵權屬單位或運營單位的認可，做到信息化施工[3～4]。根據風險評估結果制定相應的控制標準，設定相應的預警值、報警值、警戒值。要求監測停止時間不得早于基坑工程完工（施工至±0標高）以后3月且各項監測數據趨于穩定。

7）施工單位應根據工程風險制定專項施工方案、專項應急預案并結合工程特點制定有效的內部管理流程。一旦發現事故跡象，應立即啟動應急處理流程，及時通知各有關單位并立即采取搶險措施，控制事故進一步發展。

8）基坑工程施工期間，加強對既有區間結構的巡查；施工結束后，應對區間進行全面的檢查并對薄弱部位進行修復，確保地鐵結構正常使用。□■

[1]張治國，張孟喜，王衛東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J].巖土力學，2011，32（7）：2085-2092.

[2]裴行凱，倪小東.深基坑開挖對臨近既有地鐵隧道的影響分析與對策[J].水利與建筑工程學報，2013，11(3)：45-48.

[3]肖同剛.基坑開挖施工監控對臨近地鐵隧道影響分析[J].地下空間與工程學報，2011，7(5)：1013-1017.

[4]王春輝.地下工程臨近既有地鐵施工安全性影響評價研究[D].北京：北京交通大學，2011.