基坑開挖深度對鄰近地鐵隧道變形影響

胡金勝

天津三建建筑工程有限公司 天津 300000

1 概述

隨著城市軌道交通的快速發展，基坑鄰近已運營地鐵隧道的工程案例越來越多。基坑卸荷及施工擾動影響會破壞土層原有的應力狀態，導致變形增長，繼而傳遞至鄰近地鐵隧道結構。地鐵隧道襯砌多為采用高強螺栓連接的預制混凝土管片，對變形又較為敏感。過大的變形會導致管片連接的張開、錯臺、軌道翹曲變形，影響地鐵列車的運行，嚴重甚至會因管片間變形張開量過大造成漏水漏沙隧道發生大變形和損壞，危害地鐵的運營安全[1]。

2 基坑開挖深度對鄰近地鐵隧道變形影響

2.1 基坑及地鐵隧道區間概況

某工程處于北京市通州區運河核心區，總用地面積28847m2，其中建設用地面積17815m2，擬建3棟寫字樓、1棟單身公寓，寫字樓地上23層，公寓地上24層，地下室均為3層。基坑大致呈矩形，長103．23m，寬42m。擬建場地地形較平坦，開挖深度16．76-17．76m，靠近地鐵隧道側的開挖深度較小，約16．76m。鄰近已運營的地鐵6號線二期工程通運門站—北運河站區間。隧道左線距離基坑較近，右線為遠側，左右線隧道水平相距13m。基坑側壁距離用地紅線4．0m，距離地鐵隧道管片19．5-21．0m。基坑與地鐵相對位置如圖1所示。

圖1 基坑與地鐵相對位置

2.2 鄰近地鐵側支護概況

此基坑支護為臨時支護結構，設計使用年限為1年，基坑側壁安全等級為一級，鄰近地鐵隧道的基坑側壁支護深度16．76m，采用“樁錨支護體系”。護坡樁長23．50m，樁徑800mm，樁間距1400mm，樁身混凝土為C25，樁身混凝土保護層厚50mm。樁間布置4道預應力錨桿，既有地鐵區間隧道采用盾構法施工，隧道底部埋深為13．8-15．3m，隧道的掘進設備采用直徑6280mm的土壓平衡盾構機，采用厚300mm的C50預制混凝土管片襯砌，地鐵側基坑樁錨支護結構如圖2所示。

2.3 土層力學參數

根據現場原位試驗與室內土工試驗成果的綜合分析。

3 數值模擬分析

3.1 計算模型基本假定

①假定計算模型初始應力只考慮土體自重，固結早已完成。②假定止水帷幕隔水效果良好，且地下水不作為此次研究問題的重點，故不考慮地下水的影響。③假定本基坑支護結構、6號線地鐵隧道結構及土體之間變形協調。④假定土體均質，為理想型彈塑性體，各土層水平分布，樁錨支護結構按照彈性材料考慮[2]。

圖2 地鐵側基坑支護

3.2 計算模型簡化

通過利用FLAC3D軟件模擬該基坑開挖對已運營6號線隧道的作用。考慮到本基坑工程量巨大，若建立完整的模型計算耗時又費力，并且研究重點是2-2剖面的樁錨支護結構側。最終確定模型尺寸為長70m，高35m，寬9m。隧道襯砌可采用實體單元模擬，取混凝土密度，彈性模量按照鋼筋混凝土進行相應提高。實體單元為開挖土體及周圍土體；結構單元為冠梁、圍梁、護坡樁、錨桿。模型共23180個節點，19737個單元。

3.3 模型材料參數

根據基坑工程實際情況及對北京地區土體的分析經驗，將數值模擬土體本構模型定為Mohr-Coulomb模型，基坑支護錨桿和護坡樁設計參數，其中錨桿直徑均取150mm。

3.4 施工工序模擬

①工況1在地面施作護坡樁及澆筑冠梁等。②工況2從地面向下開挖深度為2．8m，即為布置第1排預應力錨桿下0．5m處。③工況3從此時的坑底繼續開挖3．3m深至布置第2排預應力錨桿下0．5m處。④工況4從此時的坑底繼續開挖4．0m深至布置第3排預應力錨桿下0．5m處。⑤工況5從此時的坑底繼續開挖3．5m深至布置第4排預應力錨桿下0．5m處。⑥工況6從此時的坑底繼續開挖3．2m深至基坑底，同時澆筑基坑底板。

4 基坑工程安全評價方法

安全評價亦稱“風險評價”，采用系統科學的評價方法對潛在的危險進行預測和評價，為制定防災減災措施和工程管理提供指導作用。隨著大規模的地鐵車站建設，國民經濟不斷增長，也隨之帶來了成倍增長的工程風險。基坑工程的安全評價即從基坑工程的施工難度、周邊地質情況等方面進行綜合分析得出基坑安全等級的一種方法。

基坑安全評價方法有很多，例如可拓學理論、多層次模糊綜合評判法、事故樹分析理論等，近年來專家學者們對基坑工程的安全評價進行了大量研究，并結合工程案例進行研究，驗證了基坑安全評價方法的可靠度。可拓學理論可以從不同角度來分析，利用多個衡量因素來客觀評價事物的整體狀況。可拓學評價理論分別從可行性及優化性來評估對象，并充分挖掘數據本身的規律。本文將可拓學理論引入到基坑安全評價中來，綜合考慮樁體水平位移、地表沉降、基底隆起、支撐軸力和樁身彎矩五個因素后，采用組合賦權法得到基坑安全評價的指標權重，對基坑安全進行綜合評價，并結合有限元計算結果及監測數據進行對比，驗證了可拓評價方法在基坑安全評價上應用的準確性，給類似基坑工程的安全評價提供了寶貴的經驗[3]。

5 結語

總之，鄰近深基坑的地鐵隧道水平方向位移影響大于豎向位移。隧道橫斷面在豎向產生壓縮，橫向發生拉伸，呈橫橢圓形，隨著開挖工況，沿徑向指向基坑開挖位置，并產生一定角度的扭轉。該研究可為后續鄰近地鐵隧道的深基坑開挖提供參考。