臨近地鐵隧道深基坑開挖的影響分析

彭 晨

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

1 工程背景

新疆教育出版社信息樓基坑緊鄰地鐵1號線新疆大學站至二道橋站區間隧道，且在施工之前地鐵隧道已經建成，基坑開挖及降水施工對地鐵區間隧道的結構強度及變形的影響是不可避免的。因此，為了盡量降低基坑開挖對臨近地鐵隧道附加變形和受力的影響，對基坑方案進行評估，并且提出防護措施是十分必要的。烏魯木齊地鐵1號線是新疆維吾爾自治區的第一條地鐵線，本次分析評估將為今后本地區類似工程提供借鑒。

2 工程概況

2.1 新疆大學站至二道橋站區間概況

新疆大學站至二道橋站區間為盾構區間，里程范圍YDK1+455.931～YDK2+463.382，區間線路長度1 007.451 m，線路中心線距離15.2 m～20.5 m，隧道內徑為5 500 mm，管片厚度為350 mm,軌面設計標高-17.51 m～-19.28 m，隧道結構底板埋深約18.7 m～20.47 m。區間主要穿越角礫層、中風化泥巖層、中風化砂巖層。

2.2 新疆教育出版社信息樓基坑概況

擬建工程總建筑面積11 000 m2，地下建筑面積1 800 m2，地下1層，地面上13層，高度為56 m，寬度為14.9 m，長度為55.3 m，結構形式為混凝土框架剪力墻，基礎類型為閥板基礎。新疆教育出版社信息樓工程基坑深度9.0 m～11.5 m，圍護結構采用直徑800 mm，間距1 600 mm鉆孔灌注樁，圍護樁樁頂位于地面以下2 m，圍護樁嵌固深度4 m，采用C30混凝土。設置1道～2道錨索，錨索長度均為10 m，其中錨固段5 m，自由段5 m。

地鐵隧道已施工完成，新疆教育出版社信息樓基坑開挖遲于臨近地鐵隧道施工?；娱_挖范圍內，地鐵隧道埋深為12.6 m～13.5 m，距離基坑邊緣最近距離為11.07 m。圖1為新疆教育出版社信息樓基坑與地鐵隧道平面關系圖。

3 計算模型說明

3.1 工程影響分析

基坑開挖對臨近隧道區間影響的分析方法主要有三類：1)經驗法；2)整體數值分析法；3)位移控制有限元法。其中，整體數值分析法是把基坑開挖施工過程和臨近建(構)筑物作為一個相互作用的整體來分析，可以用來分析基坑開挖各階段臨近建(構)筑物的反映性狀，通常借助于大型商業有限元軟件，采用整體數值分析方法進行分析計算，其能夠比較合理地模擬基坑開挖復雜的施工過程，以及基坑開挖引起周圍土體介質的位移特性和隧道與基坑的相互作用。

通過新疆教育出版社信息樓基坑工程圍護樁施工、基坑開挖打設錨索施工階段數值模擬分析，根據分析結果判定基坑開挖對已施工完成的地鐵隧道結構的影響，包括對地鐵隧道結構內力、位移的影響等，并對新疆教育出版社信息樓基坑工程施工提出合理化建議，確保已施工地鐵隧道的結構安全。

3.2 有限元分析

本文采用Midas Gts NX軟件進行計算分析，盾構隧道施工、基坑開挖及支護施工工序共13步:第1步：計算初始水壓力；第2步：計算初始應力場；第3步：第一次位移清零；第4步：盾構隧道施工；第5步：第二次位移清零；第6步：第一次降水施工；第7步：基坑放坡段開挖及圍護樁施工；第8步：第二次降水施工；第9步：基坑第二層開挖及錨索施工；第10步：第三次降水施工；第12步：基坑第三層開挖及錨索施工；第12步：第四次降水施工；第13步：開挖至基坑底。

3.3 計算模型及參數選用

在計算模型范圍內，多個地層分界線為曲線，考慮到建模的難度和在用數值模擬計算過程中，土層分界過多會影響計算結果的分析。因此，在模擬的過程中，地層分界線曲線處地層進行直線化簡化。簡化后的土層能很合理地反映在整個模型中地層的分布情況。本計算模擬新疆教育出版社信息樓11.5 m深基坑開挖，打設2道錨索對已施工地鐵隧道的影響，采用二維模型計算，按照長寬160 m×60 m建立模型。盾構管片、圍護樁采用一維梁單元模擬，錨索采用一維植入式桁架單元模擬，地層采用修正摩爾庫侖彈塑性本構模型。地面超載取20 kPa。表1為土層參數表，表2為各類支護結構材料參數表。

表1 土層參數表

表2 支護結構材料參數表

4 計算結果分析

4.1 基坑開挖對已施工地鐵隧道的變形影響及內力分析

地鐵隧道外徑6.2 m，埋深12.6 m，距離基坑邊緣11.07 m，采用殼單元模擬地鐵隧道。初始應力場計算采用K0系數計算確定，同時考慮了臨近保護地鐵隧道對初始應力場的影響，初始應力場及基坑變形云圖如圖2～圖5所示。

4.2 計算結果

從計算分析可知，地鐵隧道的變形及內力隨基坑開挖深度的增加而增大，且最大變形及內力發生在開挖至基底的工況，引起的地鐵隧道左線區間地層水平方向位移為1.98 mm，豎向位移3.84 mm；引起的地鐵隧道右線區間地層水平方向位移為1.41 mm，豎向位移1.45 mm?；娱_挖施工引起的地鐵隧道管片彎矩、剪力、軸力變化量分別為彎矩變化28 kN·m，剪力變化25 kN，軸力變化17 kN。

4.3 地鐵隧道的變形控制標準

因城市軌道交通的結構安全控制指標與結構類型、地層等有關，控制標準應按具體工程條件具體分析。本次控制標準主要參考國內北京、上海、廣州等城市軌道交通結構保護技術標準、規定并結合相關規范，擬建基坑鄰近地鐵隧道結構水平、豎向位移控制值不大于10 mm，預警值不大于5 mm。

5 結論及建議

根據有限元模擬計算，按照目前的設計，基坑開挖引起地鐵隧道的豎向及水平位移均在控制值范圍之內，隧道內力變化滿足隧道管片承載力的要求。為了嚴格控制基坑的變形，保證地鐵隧道的安全，并對臨近基坑開挖、圍護結構施工提出如下建議：

1)基坑錨索端部位于隧道輪廓周圍3 m范圍之外，錨索施工過程中務必保證錨索端部不侵入隧道輪廓周圍3 m范圍；

2)建議基坑開挖到錨索施工位置時，應及時施作錨索結構，減少靠近地鐵隧道一側基坑土體暴露時間，從而降低基坑開挖對地鐵隧道結構的影響；

3)基坑施工過程中在地鐵區間隧道兩側10 m范圍的場地內材料、渣土堆載高度不超過1 m，樁基成孔過程中應采取措施確保不塌孔，加強施工中現場施工管理，及時高效的向相關單位傳遞相關監測數據；

4)對基坑施工區域范圍內地鐵區間隧道管片、軌道進行監測，對周邊建構筑物和路面按要求布置監測點，監測地面變形情況，加強施工中現場施工管理，及時高效的向相關單位傳遞相關監測數據，并應在基坑施工時，對基坑附近區間結構加強現場巡查；

5)合理布置施工現場，不得將軌道交通隧道結構邊線外5 m范圍內的地面作為運輸車道或材料堆場，確保軌道交通結構及結構外5 m施工附加荷載不大于20 kPa。