某基坑開挖對地鐵隧道變形的影響分析

鄭志均，鄭江敏

（1.杭州市城建設計研究院有限公司，浙江 杭州310018；2.江山市經濟開發區管委會，浙江 江山324100）

0 引言

隨著我國城市地下空間開發力度加大，緊鄰地鐵隧道的深基坑工程日益增多。基坑開挖必然會對影響范圍內既有地鐵隧道造成一定的不良影響。基坑工程設計和施工過程中，如何保證基坑周邊環境及在支護結構安全的前提下兼顧經濟性，成為一個亟待解決的難題。對基坑附近地鐵隧道、管線等的保護成為設計與施工的主導控制因素，以使基坑工程施工對隧道變形等影響控制在允許范圍內[1-2]。

針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道位移的影響，王衛東[3]等充分考慮隧道周圍土體加固并利用時空效應開挖土方等因素，采用數值模型分析基坑開挖對隧道位移的影響。張玉成[4]等通過廣州海珠廣場基坑開挖卸荷對下方地鐵隧道影響的數值分析，基坑開挖對開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，進而使隧道產生位移，其體現為豎向上抬。蔣洪勝[5]認為基坑開挖使得支護連續墻后土層產生新的位移場，但因隧道本身的大剛度會產生抵抗作用，使得隧道的橫向變形增大。艾鴻濤[6]等基于上海某工程采用FLAC3D 軟件建立有限差分數值模型，模擬分析了基坑支護結構以及鄰近地鐵隧道的變形規律。王強[7]應用三維有限元對地鐵隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行彈塑性分析，并與工程實測數據進行了對比，其結果表明有限元方法可以較好地模擬基坑工程開挖問題。

本文根據地鐵隧道附近的基坑工程，采用Plaxis 巖土有限元軟件建立模型，模擬基坑工程的實際施工工況，分析基坑開挖施工對已建地鐵盾構隧道變形的影響，并與監測結果進行了對比。

1 工程概況

1.1 地鐵隧道與基坑相對位置

該工程基坑南側挖深3.7 m 區域圍護樁中心線距某地鐵A 站—B 站區間隧道最近距離為8.64 m；該基坑北側挖深9.05 m 的圍護樁中心線距地鐵左線、右線A 站—B 站區間隧道最近距離為17.60 m，地鐵隧道標高為-14.590～20.790 m，地鐵盾構隧道已完成但尚未通車。隧道為盾構圓形隧道，外徑6.2 m，壁厚350 mm，襯砌材料為C50 高強混凝土。根據地鐵隧道線路平面圖及隧道線路縱斷面圖，該隧道頂絕對標高約-9.21 m 及-7.41 m（相對標高為-15.30 m 及-14.50 m），隧道底絕對標高約-15.41 m及-13.62 m（相對標高為-21.50 m 及-20.70 m），隧道中心設計埋深約18.4 m 及17.6 m。基坑距離隧道左線結構外邊線外側最近處約8.64 m，距離隧道右線結構外邊線外側最近處約21.94 m。地鐵隧道與基坑相對位置如圖1 所示。

1.2 基坑開挖施工的主要工況

根據基坑實際情況，并綜合考慮地區經驗后，采用分區開挖，先開挖基坑的深坑部分，待深坑開挖施工完畢后，方開挖基坑的淺坑部分。其工況簡述如下：

工況1：圍護樁及樁基施工（該工況前已計算初始地應力）。

工況2：基坑深坑開挖至深度-3.55 m 處，并施工內支撐（-3.05 m）。

工況3：基坑深坑開挖至坑底-8.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況4：基坑深坑換撐（-4.65 m 處）。

工況5：基坑深坑內支撐拆除。

工況6：基坑淺坑開挖至-1.3 m 處，并施工內支撐（-0.8 m）。

工況7：基坑淺坑開挖至-3.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況8：基坑淺坑內支撐拆除。

圖1 地鐵隧道與基坑相對位置關系（單位：mm）

2 有限元數值分析

該基坑的平面大致呈矩形，且與基坑東北側地鐵隧道基本呈平行布置，屬于比較典型的平面應變問題，因此應采用平面應變模型分析基坑開挖對地鐵盾構區間的影響。此次計算采用巖土有限元數值模擬軟件Plaxis 進行二維平面有限元模型計算分析。該基坑東西向開挖寬度10～18 m，樁墻深度12.9～34.6 m，坑外土體計算范圍取不小于3 倍的基坑挖深，并考慮到地鐵隧道與基坑的相對位置關系，取計算模型尺寸為寬150 m、深50 m。在幾何模型底部施加完全約束，兩側豎向邊界施加滑動約束。坑外常水位取地表下1.5 m，結合土方開挖工況，調整水位深度，坑內采用深井降至開挖面以下0.5 m。

該工程中土體本構模型采用Hardening-Soil Small Strain 模型（簡稱HSS 模型），其參數見表1。

樁基、隧道、鉆孔灌注樁采用板單元模擬，支撐體系采用點對點錨桿單元模擬，材料按照線彈性來考慮。計算時的邊界條件為側向水平約束，頂面為自由面，底部為水平和豎向約束。地下水位為地下1.5 m。分析中選用15 節點高精度三角形單元進行網格劃分，樁墻與土之間設接觸面單元；分析時同時考慮了已施工完成的工程樁的作用。圖2為有限元模型及網格劃分圖。

表1 土層計算參數

圖2 有限元模型及網格劃分圖

圖3 基坑開挖至坑底工況下水平位移云圖（最大值6.907 mm）

圖3～圖6 分別為基坑開挖至坑底工況及拆除支撐工況時水平位移及豎向位移云圖。由圖可見，基坑開挖會引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動，并造成隧道的變形。靠近基坑的地鐵左線隧道的水平位移變化數值要遠大于右線隧道的，且左線隧道的水平位移增幅主要集中在靠近基坑的開挖范圍內，而右線隧道的水平位移在開挖范圍內無明顯相對波動和較大變化，顯然基坑開挖對距離較近的地鐵左線隧道的影響更為突出。

為了分析不同工況時的基坑圍護樁墻和地鐵隧道變形情況，根據計算結果，得到主要工況下基坑靠近地鐵的圍護樁墻及地鐵隧道位移情況，見表2。從表2 可看出，左右線隧道的水平位移在工況2[基坑深坑開挖至深度3.55 m 處，并施工內支撐（-3.05 m）]和工況3（基坑深坑開挖至坑底-8.7m處，并澆筑地下室底板）之間及拆除支撐時的工況6 時變形均有明顯增加；工況2 和工況3 之間及工況6 是工程的關鍵，需要進行針對性的加強管理和監控。這是因為當基坑工程鄰近地鐵隧道時，因基坑施工而在土體中引起的變化就會改變地鐵隧道周圍土體的應力分布，使得土體發生移動，改變隧道結構本身原有的應力應變狀態，從而造成地鐵隧道的變形，在基坑支護設計過程中要充分考慮這一問題。從表2 還可看出，基坑開挖造成基坑圍護體向坑內變形，在前期開挖階段變形較快，后期相對較慢，拆除支撐時的變形也較快。

圖4 基坑開挖至坑底工況下豎向沉降云圖（最大值8.619 mm）

圖5 基坑拆除支撐工況下水平位移云圖（最大值8.638 mm）

圖6 基坑拆除支撐工況下豎向沉降云圖（最大值6.908 mm）

表2 主要工況下基坑靠近地鐵的圍護樁墻及地鐵隧道位移情況

對比不同工況下的地鐵隧道變形情況，可得到地鐵隧道的最大變形值（見表3），其最大變形值滿足地鐵隧道變形允許值，這說明基坑工程支護滿足地鐵變形要求。

表3 地鐵隧道最大位移情況

3 監測結果分析

基坑開挖施工期間，委托了專業單位對地鐵隧道進行監測，并得到了地鐵隧道在不同工況下的變形數據，地鐵隧道的最大變形情況見表4。對比表4 監測值和表2 計算值可見，地鐵隧道的水平向沉降和豎向沉降的監測值與計算值相差較少，其監測值基本上稍微大于數值分析計算值，這說明采用有限元計算可有效分析其變形。同時監測結果也表明，基坑開挖對鄰近地鐵隧道會產生一定的影響，但影響可以采用合理的基坑支護結構和設計方法來進行控制，能有效減小基坑對周圍已有構筑物的影響，并使得工程的質量和安全得到保證。

4 結 語

采用Plaxis 有限元軟件分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響，并對其數值分析結果和監測結果進行了對比，可得到如下結論：

（1）基坑開挖會引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動，并造成隧道的變形；基坑開挖對距離較近的地鐵隧道的變形影響更為突出。

（2）基坑開挖造成基坑圍護體向坑內變形，在前期開挖階段及支撐拆除時變形較快，應重點進行加強管理和控制。

表4 主要工況下地鐵隧道最大變形

（3）通過對比地鐵隧道的水平向和豎向最大變形的實測值和計算值，證實了采用有限元方法可以較好地模擬基坑開挖對地鐵隧道的影響。