基坑工程影響下的鄰近地鐵隧道結構安全評估方法與應用

鐘顏開

(廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510308)

1 引 言

隨著城市建設的快速發展，交通擁堵問題顯得日益嚴重，此時發展地下軌道交通網絡成為解決該問題的一劑良方。在大量運營地鐵線路為人們出行帶來便利的同時，地鐵隧道結構的安全不容忽視[1]。特別是鄰近運營地鐵線路的基坑工程，基坑施工會導致地鐵周圍應力場和變形場發生變化，引起隧道管片結構附加應力和位移，若超過管片的允許值，基坑工程就會影響地鐵的正常使用和安全[2]。近些年來由基坑施工而導致的鄰近地鐵隧道結構安全事故時有發生，帶了巨大財產損失和人員傷亡，產生了不良的社會影響[3]。在此情況下，基坑開挖施工對鄰近運營地鐵隧道結構的影響和安全控制措施顯得愈發重要，定性并定量地評估和預測基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道結構的影響具有重要意義[4，5]。通過對鄰近運營隧道的基坑施工可能對隧道產生的影響進行預先評估，能夠提前指導基坑工程的施工方案，并為編制地鐵隧道結構安全監測方案，建立安全預警處理流程提供參考。

2 工程概況

某基坑位于廣州市白云區，西側近鄰地鐵某運營線路，北側紅線外側為足球場邊坡，邊坡現狀高度約 7.5 m。本項目設地下車庫三層，結構采用框架剪力墻型式，基礎形式為樁基礎，基坑開挖深度為 13.40 m～22.10 m，基坑周長約 460 m，場地±0.000相當于絕對標高 15.500 m。由于基坑西側距離地下室邊線約 6 m為用地紅線，紅線外 11.5 m分布有地鐵，為減少對地鐵線路的影響，支護結構擬采用 1 m厚地下連續墻+2道內支撐 +3.25 m寬坑外格構式三軸攪拌樁。其中攪拌樁與地鐵結構距離為 13.25 m，連續墻邊線與地鐵結構距離為 16.5 m，地下室邊線與地鐵結構距離為 17.5 m，連續墻進入微風化層不小于 3 m。基坑支護結構使用年限自支護結構完工之日起計為1年。

由擬建基坑工程與地鐵線路的相對關系，根據《城市軌道交通隧道結構安全保護技術規范》[6]中對外部作業影響等級劃分和外部作業的工程影響分區的規定，本項目外部作業影響等級為三級。而根據廣東省標準《城市軌道交通既有結構保護技術規范》規定，由于評估段區間存在道床開裂、剝離、隧道漏水、結構變形過大等病害，因此本工程的外部作業屬于重大影響外部作業。故有必要在實際開挖之前模擬該項目在基坑開挖及主體結構施工等工況下對地鐵結構的影響，分析地鐵隧道的受力及變形狀態在各階段下的變化過程，進而評估該項目的實施對地鐵既有隧道結構的影響程度。

3 地鐵隧道結構安全評估

在通過三維數值模擬對地鐵隧道結構安全狀況進行預評估之前，需收集該基坑項目與地鐵隧道的平面及空間相對位置關系及各自的斷面尺寸信息；收集相應的工程地質和水文地質資料，確定各土層的物理力學參數，為模擬分析時所需的地層參數取值提供依據。

根據地鐵區間隧道巖土工程勘察結果，自上而下土層為：填土層、砂層(呈透鏡體狀分布)、淤泥質土層(呈透鏡體狀分布)、粉質黏土層(沖積-洪積層)、粉質黏土層(坡積層)、粉質黏土層(殘積層)、中風化石灰巖、微風化石灰巖，地鐵隧道洞身主要通過坡積土層。區間隧道所在土層為粉質黏土層，土性為粉質黏土、黏土，褐紅色、灰褐色、花斑色等色，稍濕，硬塑狀，黏性一般。其主要物理力學性質指標如表1所示。

區間隧道所在土層主要物理力學性質 表1

該基坑鄰近區域地鐵隧道結構三個代表性監測點的豎向變形監測結果如圖1所示，由圖可以看出，該隧道變形主要發生隧道建設期至2014年(期間附近有其他基坑開挖施工)，由2014年～2016年的監測結果可知，隧道變形已趨于穩定。

圖1 基坑鄰近區域地鐵隧道代表性監測點的豎向變形量

根據以上收集的工程地質信息，結合基坑設計、施工方案及地鐵隧道結構，使用MIDAS GTS/NX軟件[7]建立三維整體模型如圖2所示。模擬基坑開挖全過程重點分析擬建基坑對地鐵隧道結構的位移影響，對隧道結構變形縫的影響以及施工導致地下水下降帶來的影響，進而評估鄰近地鐵隧道結構的安全狀態。共分為16個施工工況，計算分析前4個工況為模擬地鐵施工，主要為獲取地鐵結構初始內力，具體如表2示。

圖2 基坑與鄰近地鐵隧道結構的三維整體模型

模擬施工步驟 表2

3.1 對地鐵隧道結構的位移影響

對各工況下引起的地鐵隧道結構豎向位移進行計算，并獲取各工況下隧道結構豎向位移最大值如圖3所示。由圖3可知，隨著支護結構施工及基坑開挖，地鐵隧道結構在鄰近基坑側發生沉降，沉降量最大發生在開挖完電梯井時，沉降值為 0.480 mm，之后隧道結構的最大豎向位移值基本保持穩定。

圖3 各工況下地鐵隧道結構豎向位移值

通過對各工況導致的地鐵隧道結構水平位移進行計算并進行匯總，獲得各工況下該隧道結構水平位移最大值如圖4所示，由圖可知在基坑開挖至 -14.9 m后，隧道結構水平位移最大值趨于穩定。而隧道結構水平位移的最大值發生在工況16，即拆除支撐+回填至標高時，為 1.274 mm。

圖4 各工況下地鐵隧道結構水平位移值

3.2 對隧道結構變形縫的影響

地鐵線路影響區段為明挖法隧道，隧道結構按每 60 m設置一條變形縫，該基坑與隧道變形縫位置如圖5所示。基坑開挖有可能導致隧道結構在結構縫處產生錯開，引起滲漏、道床脫空等病害發生。

圖5 區間隧道變形縫與基坑相對位置關系圖

基坑開挖主要對位于基坑邊線中部的變形縫產生影響，因此主要對該變形縫錯開情況進行分析，圖6為變形縫左右兩側隧道結構在最危險的兩個工況(工況10與工況15)錯開情況的計算結果。從圖6可以看出，基坑完全開挖(工況10)時變形縫左右兩側隧道結構錯開量為 0.209 mm，而拆除支撐后(工況15)變形縫左右兩側隧道結構錯開量為 0.215 mm。

圖6 變形縫左右兩側隧道位移差異對比

3.3 隧道區域水位下降導致的影響

根據已有的地質勘查資料，場區內填土層下存在呈透鏡體狀分布的砂層與淤泥質土層，且場地內廣泛分布溶洞，可能發生由滲流引起的水位下降，導致土中有效應力增加、水壓力減小，從而改變隧道結構和土層受力狀態，導致隧道和下方土層變形，誘發變形縫張開，可能導致隧道結構漏水，影響地鐵正常運營。

故需分析在地鐵隧道區域內水位下降情況下，隧道結構的響應情況，確定隧道區域允許的水位下降值。地鐵隧道區域內水位下降對地鐵隧道影響數值分析，采用三維數值模擬分析的方法，對水位下降導致的地鐵隧道結構產生的附加位移進行計算，地鐵隧道區域水位下降考慮為 0.5 m～3 m，具體的計算結果如圖7所示。由圖表知，地下水位下降將引起地鐵區間隧道結構發生沉降，沉降量隨地下水位下降深度的增加而增大，基本呈線性關系。當地下水位下降 0.5 m時，隧道沉降量為 1.185 mm。

圖7 地下水下降導致地鐵結構的豎向位移值

根據以上三維數值模擬分析結果，基坑開挖導致地鐵隧道結構產生的最大豎直沉降量為 0.480 mm，最大水平位移 1.274 mm；隧道變形縫處最大錯開量為 0.215 mm。由此可知，基坑開挖在結構安全可靠的情況下，基坑開挖卸載引起的隧道下沉量較小。根據滲流數值模擬分析，當隧道上方水位下降達到 0.5 m時，隧道沉降量已達到 1.185 mm；目前鄰近基坑側的隧道最大沉降量 18.15 mm，為保證地鐵安全，應嚴格控制基坑外側的水位下降。根據水位計算分析結果及隧道結構病害區的既有變形量，臨近地鐵側的基坑周邊水位下降幅度應控制在 0.85 m以內。根據模擬評估結果，提出了基坑開挖期間的地鐵隧道區間監測建議如下：鄰近地鐵側的基坑邊線與地鐵結構縱向大致平行，基坑施工范圍在地鐵結構的投影長度約 95 m，基坑施工作業將對該區域的隧道結構產生直接的影響，結合基坑施工對隧道結構的影響范圍，隧道結構在該區域及其鄰近區域共 135 m范圍內屬于重點監測區域，建議采用自動化監測技術方案[8]。

4 結 論

基坑開挖前進行鄰近地鐵隧道結構的安全評估是實施全過程地鐵保護的重要步驟。在收集工程地質條件、施工工況、工程參數、地鐵歷史監測資料等數據的基礎上建立三維有限元模型進行地鐵隧道結構的變形模擬分析是一種行之有效的方法。根據所選案例模擬結果可知，基坑開挖卸載引起的隧道下沉量較小，而基坑開挖地下水下降導致的沉降量較大，故應嚴格控制基坑外側的水位下降。模擬分析得到的變形數據有助于優化基坑施工方案，為制定相應的地鐵隧道重點區域安全監測方案，建立地鐵安全運營保護措施提供建議。