基坑開挖對下臥地鐵隧道變形影響分析

余建河 杜明禮

(1.陜西宏基建筑勘察設(shè)計工程有限公司，陜西 西安 710065； 2.江蘇中匯巖土工程有限公司，江蘇 徐州 221004)

0 引言

臨近地鐵周邊進行工程活動對地鐵正常運營是一個風險，其工程項目一般較大，實施周期長，技術(shù)要求高，實施難度大，場地條件復(fù)雜等，臨近地鐵項目的實施，不僅需要控制工程自身風險，更重要的是控制對地鐵正常運營可能存在的風險。地鐵項目由于其建造金額大、科技含量高、工程復(fù)雜、涉及學(xué)科廣，地鐵周邊工程項目建造時風險大，一旦發(fā)生事故將造成嚴重的經(jīng)濟損失及社會影響，因此對地鐵周邊工程項目建設(shè)過程引起地鐵變形影響進行分析研究非常必要。為做好地鐵運營服務(wù)工作，分析評估周邊各個項目施工引起的地鐵變形情況，采取有效措施消除影響地鐵運營安全的各個危險源可能帶來的不安全因素，從而為地鐵安全運營提供有力保障。

以深圳景田某橫跨地鐵隧道上方的基坑工程為例，通過三維有限元分析，對基坑開挖引起的下臥地鐵隧道變形的影響進行分析研究，為優(yōu)化設(shè)計和施工提供有益的參考。

1 工程概況

1.1 項目情況

擬建項目位于深圳市福田區(qū)景田，主要建(構(gòu))筑物為多層建筑，共4層，總高22.5 m。項目基坑周長175 m，面積約1 720 m2，基坑深度約為8.2 m～8.7 m。地鐵二號線香梅北—景田區(qū)間隧道在基坑正下方穿過。

本基坑臨近地鐵、建筑和市政道路管線，均需直立開挖。基坑采用樁錨支護，局部采用角撐+排樁的支護形式。旋挖樁直徑為1.0 m或1.2 m，樁間采用雙管旋噴樁止水，止水樁及支護樁之間搭接0.2 m。樁頂設(shè)一道冠梁。基坑共設(shè)一道錨索，并設(shè)置錨索腰梁。基坑采用分層分區(qū)開挖，基坑開挖完第一層后設(shè)一道錨索，并設(shè)置錨索腰梁。基坑第二層按分區(qū)開挖，采用坡率1∶1的放坡措施，坡面掛網(wǎng)噴混凝土，基坑分區(qū)開挖，先開挖1區(qū)，再分別依次工序開挖2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，每個開挖分區(qū)長度約為5 m，如圖1所示。

1.2 地質(zhì)概況

①層人工填土：黃褐、褐紅等色，主要成分為黏性土，不均勻夾混凝土、粗砂及鋼筋等建筑垃圾；呈稍濕、松散～稍密狀態(tài)，堆積年限超過10年，已基本完成固結(jié)。

②層含黏土礫砂：灰白；呈飽和、松散～稍密狀態(tài)，主要成分為石英質(zhì)砂、夾卵石，顆粒呈礫狀，分選性差，級配較好。

③層含砂粉質(zhì)黏土：紅褐、紫褐等色，呈硬塑～堅硬狀態(tài)，由下伏基巖殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)全部破壞。

④層全風化花崗片麻巖：褐紅、褐灰等色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，主要礦物成分為長石、石英、云母，屬極軟巖，巖體極破碎，巖石基本質(zhì)量等級屬Ⅴ級。

⑤層碎塊狀強風化花崗片麻巖：褐紅、灰等色，原巖結(jié)構(gòu)大部分已被破壞，風化強烈，裂隙發(fā)育，巖芯呈碎塊、塊狀，手掰可折斷，屬軟巖，巖體破碎，巖石基本質(zhì)量等級屬Ⅴ級。

1.3 基坑與下臥地鐵隧道的關(guān)系

基坑在平面上呈矩形，空間橫跨地鐵軌道。基坑長邊與該地鐵2號線軌道走向一致，如圖2所示。

基坑場地范圍內(nèi)地鐵隧道頂埋深約17 m，基坑底與隧道頂高差最近約8 m，如圖3所示。

由于基坑底與地鐵隧道豎向距離較小，且基坑開挖可能引起地鐵隧道周邊圍巖卸載回彈，從而引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形。因此如何在基坑開挖過程以及項目實施完成后確保地鐵隧道的運營安全，是本項目需要重點考慮的問題。

2 數(shù)值計算與分析

利用Midas GTS NX有限元分析軟件，在合理的計算區(qū)域內(nèi)，采用合適的本構(gòu)模型建立三維有限元模型模擬本項目基坑開挖過程。

在實際過程中最不利情況是基坑開挖見底，因此按照最不利工況原則，根據(jù)本基坑與鄰近地鐵區(qū)間隧道的平面及立面關(guān)系以及基坑工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及施工特點，分析基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)和四道結(jié)構(gòu)的變形情況。

2.1 模型單元

有限元模型采用不同材料(不同彈性模量、泊松比、粘聚力及摩擦角)的三維實體單元模擬不同物理力學(xué)屬性的地層，采用板單元模擬支護結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)。以基坑外輪廓為基準，外擴3倍基坑開挖深度作為模型計算范圍，如圖4所示。

2.2 工況模擬

基坑開挖引起基底卸載回彈，基底的回彈會帶動下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起變形。基坑采用分層分區(qū)開挖，模擬計算按如下工況進行：1)施作基坑支護；2)開挖基坑第一層并施作錨索；3)開挖基坑第二層1區(qū)；4)開挖基坑第二層2區(qū)；5)開挖基坑第二層3區(qū)；6)開挖基坑第二層4區(qū)。

2.3 計算結(jié)果分析

通過數(shù)值計算得到隧道結(jié)構(gòu)最大隆起值與施工工況關(guān)系曲線如圖5所示。從圖5可以看出，隨著基坑逐步開挖卸載，下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)隆起變形逐漸增大。

下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)隆起變形最大值出現(xiàn)在工況6開挖基坑第二層4區(qū)，即基坑開挖見底，最大隆起值8.89 mm，隆起的最大位置出現(xiàn)在基坑中部對應(yīng)的隧道拱頂位置。地鐵隧道的變形情況在線路縱向上呈現(xiàn)出正態(tài)分布，隨著離基坑中心距離增加，隧道的隆起變形迅速減少，在離基坑中心線一定范圍外，地鐵隧道隆起變形值基本等于0，如圖6，圖7所示。

分析結(jié)果表明，當基坑開挖完成后，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形最大，隧道結(jié)構(gòu)最大隆起變形為8.89 mm。根據(jù)《城市軌道交通安全保護第三方檢測控制指標》有關(guān)規(guī)定：“城市軌道交通隧道結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量及水平位移量≤10 mm(包括各種加載和卸載的最終位移量)”，基坑工程開挖施工引起的地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平變形和豎向變形都滿足規(guī)定要求，基坑開挖過程中下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的。

3 結(jié)語

1)基坑開挖會對下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，土體卸載會造成地鐵隧道周圍土體隆起，基坑開挖過程應(yīng)密切關(guān)注基坑周邊位移和地鐵實測位移。

2)根據(jù)數(shù)值計算分析，基坑開挖卸載引起的下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形值小于地鐵安全保護區(qū)監(jiān)測控制指標要求，基坑開挖不會影響下臥地鐵隧道的正常運營。

3)基坑采用樁錨支護、角撐+排樁的支護形式，支護體系剛度較大，可有效控制基坑的變形，減少對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的擾動影響作用是比較明顯的。

4)基坑分層分區(qū)開挖對下臥地鐵隧道的隆起變形的抑制作用明顯。

5)地鐵結(jié)構(gòu)位移最大值發(fā)生在基坑開挖的最后工況，因此基坑支護施工時應(yīng)減少基底的暴露時間，盡早施作地下結(jié)構(gòu)并回填。