地鐵安全保護區內高層建筑施工對隧道的影響計算及分析

張穎君 董先龍

摘 要 隨著地鐵周邊地塊的開發，越來越多的深基坑工程，高層建筑在地鐵安全保護區范圍內施工。本文結合具體工程實例，在工程設計階段針對地鐵安全保護的要求優化設計方案，并采用有限元法模擬基坑開挖到結構回筑全過程對周邊地鐵隧道的影響，并結合后期實測分析工程全周期施工對地鐵隧道的影響，具有重要的工程實際意義。

關鍵詞 地鐵隧道;位移;基坑;數值模擬

引言

隨著我國城市化進程的快速發展，地表空間利用逐步飽和，地下空間的開發利用和高層相結合逐漸成為城市發展的新方向。隨著城市建設用地的日趨緊張，伴隨著城市軌道交通的快速發展，越來越多的高層結構臨近地鐵隧道及車站[1]。基坑的開挖施工及上部結構的構筑破壞了原有的地層應力平衡，引起臨近的地鐵隧道及車站產生變形及應力變化。

為確保地鐵的正常運營，地鐵管理部門要求隧道的變形控制在一定的允許范圍內。根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T 202-2013）中對地鐵安全保護區范圍內工程施工對地鐵結構的影響提出了明確的要求[2]，地鐵結構設施沉降量及水平位移量要求小于20mm;隧道變形曲率半徑要求大于15000m。

本文結合緊鄰某市地鐵1號線區間隧道的地塊基坑工程的設計和實踐，針對臨近地鐵盾構區間隧道保護的要求，利用有限元計算的方法，對基坑設計方案進行優化，并將數值模擬預測值和實測地鐵區間隧道變形結果進行對比分析。

1工程概況

1.1 結構工程概況

該項目可建設用地面積約4639.8m2，規劃總建筑面積23125m2，其中地上20875m2，地下室2250m2，地塊內主要建筑物為科研樓，主樓樓高20層，裙房3層，地下室1層。主樓及裙樓基坑深度6.35m～5.65m，基礎形式為樁筏基礎，工程樁采用Φ700的鉆孔灌注樁，樁長43m。

1.2 工程地質概況

擬建場地屬長江中下游沖積平原，場地地形總體尚平坦，場地標高在3.82m～4.09m之間。本場地基坑下臥層為③-2層細沙夾粉砂層，該土層水量較大，且具有承壓型，開挖期間易造成基底隆起、涌沙等風險。巖土信息與主要物理力學參數如表1所示。

1.3 周邊隧道概況

該項目項目臨近地鐵1號線區間隧道，該區間為地下雙線盾構區間，隧道線間距13.2m～13.5m，隧道頂部覆土厚度14.872m。該項目地面結構外輪廓線與區間隧道右線隧道結構邊線水平投影距離為11.2m，地下室結構邊線距離隧道邊線水平投影距離為12.5m。

2針對地鐵保護調整方案

因該項目與區間隧道最近距離僅為12.5m，基底位于③-2層細沙夾粉砂層，滲透系數較大，且該段地鐵隧道已處在運營階段，針對地鐵保護對設計及施工方案做了如下調整：

（1）臨近地鐵側基坑圍護原方案采用放坡開挖，為避免基坑施工期間降水對地鐵隧道的影響，圍護結構調整為三軸攪拌樁內插PHC-600管樁的支護形式，并在基坑開挖區域外側增加三軸攪拌止水帷幕，該維護形式施工便捷，具有良好的止水效果，避免降水施工對地鐵隧道的影響;

（2）主體結構工程樁原方案為預制靜壓樁，該工法施工期間對周邊地層易產生較大的擠土效應及超孔隙水壓，對地鐵區間隧道存在安全隱患，經協商樁基方案調整為鉆孔灌注樁，該工法對地層擾動小，有利于周邊地鐵的運營安全。

3數值模擬計算

3.1 有限元模型

根據現場實際地層參數及調整后的基坑設計方案，建立三維有限元分析，計算采用修正M-C本構關系。修正M-C是在M-C本構基礎上改善的本構模型，能模擬應力增量隨應變逐漸減小的硬化現象，能更精確的模擬地基。土層參數如表1所示：

根據施工組織設計，計算工況為：

3.2 計算結果

（1）基坑開挖到底

由于基坑開挖卸載的作用，地鐵隧道臨近基坑位置存在向基坑方向變形的趨勢，最靠近基坑的右線最大隆起值為3.4mm，朝向基坑方向水平位移為5.54mm，左線距離基坑較遠，最大隆起值為1.71mm，水平位移為3.85mm。

（2）結構封頂

結構回筑其間周邊地層受科研樓自重荷載作用下發生固結沉降，帶動周邊隧道變形，結構封頂后右線隧道最大沉降量為9.61mm，左線最大沉降量為3.17mm，水平向變化則在結構回筑其間較為穩定，與基坑開挖其間隧道變形基本持平[3]。

3.3 數值模擬計算小結

由數值模擬計算結果可知，隧道在基坑開挖其間有向上隆起的趨勢，后期結構回筑期間仍產生了較大的沉降變形，最大變形量為9.61mm，滿足地鐵安全運營的控制標準，調整后的基坑設計方案滿足地鐵安全保護要求。

4基坑工程實施與地鐵隧道安全監測

整個工程施工期間對臨近的地鐵隧道區間進行了安全保護監測，監測結果表明增加了止水帷幕后，地鐵隧道在地塊施工期間變形穩定，各項參數均在安全可控的范圍內[4]。

4.1 隧道沉降

從實測隧道沉降數據可以看出，基坑在土方開挖期間（72D～137D），隧道隨著土體卸載回彈的作用逐漸上浮，開挖到基底后上浮趨勢逐漸穩定，右線最大上浮量為2.5mm，左線最大上浮量為1.7mm，與數值模擬計算吻合較好。

后期結構回筑期間，隧道隨著上部結構荷載導致的土體沉降變形逐漸下沉，左線與科研樓距離為27.5m，受辦公樓影響較小，后期最大沉降量為-1.3mm;右線隧道與科研樓距離為13.8m，受辦公樓影響較大，后期最大沉降量為-2.3mm，考慮到監測周期僅為施工結束后3個月，場地以黏性土為主，工后沉降周期較長，預計后期隧道仍會產生4～8mm沉降變形。

從隧道軸線沉降數據來看，基坑開挖造成的土體回彈隆起范圍較廣，監測的200m范圍內均顯示隧道有不同程度的上浮隆起，各監測點數據較為穩定，隧道10m弦長及曲率半徑均滿足控制標準;后期科聞辦公樓施工后基底沉降影響造成臨近的右線隧道局部沉降-2.5mm，沉降監測數據散點擬合曲線方程為，根據曲率公式計算，曲率最小值348189.4m，大于控制值15000m，滿足軌道正常運營要求。

4.2 隧道水平變形

從實測隧道水平位移數據可以看出，圍護樁及工程樁施工期間監測數據在初始狀態上下波動，波動幅度較小，3天移動平均曲線較為穩定，隧道受圍護樁及工程樁施工影響較小。

基坑土方開挖期間，隧道隨著開挖施工逐漸向基坑方向位移，水平位移量與隧道到圍護之間的距離和圍護剛度相關，地下室施工完畢后水平位移趨勢逐漸穩定，基坑開挖期間水平位移最大值為2.7mm，有限元模擬計算隧道水平位移量5.54mm，計算結果偏于保守[5-6]。

后期結構回筑期間受塔樓荷載影響較小，后期隧道最大水平位移量為2.9mm，小于地鐵安全運營控制值20mm。

5結束語

（1）基坑開挖導致的土體回彈隆起影響區域廣，地層中隧道受基坑開挖卸載影響較大，大范圍基坑，尤其是開挖深度較深，卸載量大，距離地鐵隧道較近的基坑建議分坑施工。

（2）地面結構加載造成的地層沉降對隧道影響不應輕視，雖然隨著距離衰減明顯，但是對隧道10m弦長不均勻沉降及曲率影響較大，對已通車運營的軌道存在安全隱患，對臨近隧道的高層結構引起的地層沉降應加以計算分析，施工中應采取樁基后注漿等措施減少工后沉降。

（3）在工程前期利用有限元模擬計算工程施工對地鐵隧道的影響是有效的，采用合理的本構模型和計算參數對后期設計方案的調整和施工具有指導意義。

參考文獻

[1] 曾遠，李志高，王毅斌.基坑開挖對鄰近地鐵車站影響因素研究[J].地下空間，2005，（4）：642-645.

[2] 朱嬌，潘健.某基坑開挖對鄰近地下隧道影響的有限元分析[J].廣東土木與建筑，2007，（5）：28-32.

[3] 王秀麗，舒麗紅，何春保.某緊鄰地鐵深基坑支護設計及監測分析[J].鐵道建筑，2006，（2）：76-79.

[4] 高廣運，高盟，楊成斌，等.基坑施工對運營地鐵隧道的變形影響及控制研究[J].巖土工程學報，2010，32（3）：453-458.

[5] 魏綱.基坑開挖對下方既有盾構隧道影響的實測與分析[J].巖土力學，2013，34（5）：1421-1424.

[6] 李進軍，王衛東.緊鄰地鐵區間隧道深基坑工程的設計和實踐[J].鐵道工程學報，2011，（11）：104-110.

作者簡介

張穎君（1984-），男，江蘇無錫人;畢業院校：中國礦業大學，土木工程專業，學歷：碩士，職稱：工程師，現就職單位：無錫市軌道建設設計咨詢有限公司，研究方向：隧道及地下工程結構設計和技術管理。