基坑開挖與臨近地鐵隧道的相互影響

唐小雨，郝屹峰，范一丁，張毅磊

(蘇州科技大學 土木工程學院，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

隨著我國經濟的發展，城鎮化速度的加快，城市居民密度越來越大，地面上的交通已很難滿足人們的需求，這就促使了地鐵隧道的發展[1]。由于地鐵的出現，地鐵站周邊的土地迅速增值，促進了以地鐵站為中心的城市群發展起來，進而地鐵隧道附近出現了許多大而深的基坑工程[2]，這對地鐵的正常運營產生了許多不利影響，同時地鐵持續運行產生的振動荷載給臨近的基坑工程也帶來了一些安全隱患[3-5]。因此，本文對臨近蘇州軌道交通1號線的汽車西站基坑工程進行有限元分析，通過監測結果與模擬結果的對比分析，深入探究基坑開挖與地鐵隧道之間的相互作用，以期為以后的實際工程提供有價值的參考。

1 工程概況

江蘇省蘇州市汽車西站基坑開挖工程基坑近似矩形，基坑工程為地上2層，地下1～2層建筑，地下1層區東西向最長約340 m，南北最寬約90 m；地下2層區東西向最長約320 m，南北最寬約80 m。地下1層區基坑挖深為8.3 m，地下2層區基坑挖深為11.7 m。

基坑圍護結構外邊緣距離軌交1號線盾構區間最近約18.3 m。軌交1號線該區段盾構區間頂標高為-9.8 m，底標高為-16.8 m，直徑為6.2 m。東側東南角為已建軌交1號線蘇州樂園站6號出入口，該出入口前期采用SMW工法樁+鋼管內支撐圍護，該基坑與軌道1號線剖面關系如圖1所示。

圖1 基坑與軌道1號線剖面關系

2 數值模擬

2.1 建立有限元模型

對基坑與軌道交通1號線剖面進行二維有限元分析。以該實際工程為依托，建立二維有限元模型，基坑右側圍護結構與左側對稱，基坑長50 m，深11.7 m。根據圣維南原理，深基坑開挖的影響范圍是其深度的3～5倍[6]，為簡化計算模型，本文采用ABAQUS有限元分析軟件建立了尺寸為150 m×40 m的二維模型，模型左右邊界條件設置為約束x方向位移，下邊界條件設置為約束x和y方向位移，最終有限元模型如圖2所示。

圖2 基坑與軌道1號線有限元模型

2.2 計算參數的選取

根據實際工程的地勘報告，該基坑工程共有7層土體，各土層力學參數如表1所示。地下連續墻、攪拌樁以及隧道襯砌均為混凝土結構，在開挖過程中視為彈性材料，彈性模量為30 GPa，泊松比為0.3，密度為2 500 kg/m3。

表1 各土層力學參數

3 監測結果與模擬結果對比

3.1 地下連續墻水平位移的對比

根據實際基坑工程開挖步驟，選取3個關鍵工況的監測數據和模擬數據進行對比分析，分別為：①開挖第1層土地和設第1道支撐；②開挖第2層土體和設第2道支撐；③開挖至基坑底部。圖3～4分別表示地連墻水平位移在不同工況時監測數據和模擬數據的變化情況。

圖3 監測數據

圖4 模擬數據

從圖3～4中可以看出，隨著開挖深度的增加，地連墻的水平位移不斷增加，且監測曲線和模擬曲線均表現為弓形，說明設置的兩道支撐對地下連續墻的水平位移起到明顯的抑制作用。對比兩者曲線可以發現，在工況相同時，模擬所得的地連墻最大水平位移均大于監測值，且開挖結束后模擬所得的地連墻最大位移發生在深度約為13 m處，最大位移為12.21 mm，而監測值卻在約10 m處，最大位移為9.73 mm，分析模擬地連墻產生最大位移區域下移的原因可能是由于在實際基坑工程中，圍護結構右側設置了長為8.4 m，直徑為2.4 m的三頭水泥土攪拌樁，這與地連墻、地墻兩側攪拌樁形成了剛度較大的圍護結構，有效地限制了土體向坑內移動，而在模擬時，為簡化模型，未考慮三頭水泥土攪拌樁的影響，致使模擬的圍護結構剛度小于實際圍護結構剛度，最終使得模擬的地連墻產生最大位移的區域有所下移。在工況相同時，模擬數據均大于監測數據，這對實際基坑開挖工程具有一定的預測作用。

3.2 圍護結構后地表沉降對比

對地表沉降的研究，本文選取地鐵隧道側的地表為研究對象。圖5～6分別為圍護結構后地表沉降的監測數據和模擬數據。從圖5～6可以看出，監測與模擬所得的最大沉降均發生在距離基坑10 m～15 m處，但監測最大沉降為15.75 mm，而模擬最大沉降為6.84 mm，模擬所得的最大沉降明顯小于監測結果，可能是由于模擬中各土層均為均質土體，而實際工程中土體屬性較為復雜以及實際監測時儀表的架設、周邊車輛荷載的影響等，但是兩者曲線變化趨勢基本一致，均在距離基坑10～15 m處發生最大沉降且呈現為中間沉降大、兩邊沉降小的趨勢。

圖5 監測數據

圖6 模擬數據

綜上所述，雖然地連墻水平位移和地表沉降的監測數據與模擬數據存在偏差，但是兩者數據的變化趨勢基本一致，這說明本文建立的模型和材料參數的選取較為合理，能夠較為準確的反映地下連續墻以及圍護結構后地表在基坑開挖過程中的變形規律。

4 基坑開挖與臨近地鐵隧道的相互影響

4.1 基坑開挖對地鐵隧道變形的影響

圖7為模擬所得各工況地鐵隧道位移值，圖8～9為放大變形系數后的地鐵隧道變形圖，其主要為研究基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，以確保地鐵的正常運營。

圖8 左側隧道變形

圖9 右側隧道變形

從圖7可以看出，隧道的變形隨著基坑開挖深度的增加而增加，且隧道的水平、豎向位移及徑向收斂絕對值均未超過10 mm，均在預警值范圍內，進一步表明了本文模擬的合理性。從隧道各點的水平及豎向位移數據可以得出，兩個隧道在基坑開挖過程中逐漸向坑內移動且逐漸下沉；無論是左側隧道還是右側隧道，水平位移均大于豎向位移，說明位于基坑側方隧道的變形以橫向變形為主；距離基坑較近的右側隧道各點數據在開挖過程中均大于左側隧道。從圖8～9可以看出，右側隧道的變形已呈現為斜向“鴨蛋狀”，而左側隧道變形遠遠小于右側隧道，這充分證明地鐵隧道離基坑越近，越易受到基坑開挖的影響，因此，需對地鐵隧道周邊環境進行合理規劃，避免在地鐵隧道附近進行基坑工程，同時對臨近地鐵隧道的基坑工程的變形進行嚴格控制，以防止對地鐵隧道產生不利影響。

4.2 地鐵隧道對基坑開挖的影響

為研究地鐵隧道對基坑開挖的影響，將基坑有隧道側的地連墻水平位移與無隧道側的地連墻水平位移進行對比。圖10～11分別為基坑兩側的地連墻變形。

圖10 有隧道側地連墻變形

圖11 無隧道側地連墻變形

從圖10～11中可以看出，兩側的地下連續墻變形均呈拋物線狀，且均向基坑內側移動。最大位移均發生在深度為12 m左右處，最大位移均在15 mm以內，均在控制范圍內。兩側地連墻水平位移無顯著差別，在圍護結構頂部位置有細微差距，有地鐵隧道側的地連墻頂部有向坑外移動的趨勢，由對比結果可得，地鐵隧道對基坑開挖的影響是較小的。但為保證地鐵的安全運營，仍需嚴格控制有地鐵隧道側的基坑變形。

4.3 地鐵荷載對地連墻沉降的影響

參考前人研究成果[7]，列車荷載可以用一個激振力函數來模擬，具體表達式如下：

F(t)=A0+A1sinω1t+A2sinω2t+A3sinω3t

(1)

Ai=M0αiωi2

(2)

(3)

式中，A0為列車靜載；A1，A2，A3為振動荷載；M0為列車簧下質量；αi為正矢值；ωi為振動圓頻率；v為列車運營速度；L為振動波長。

蘇州軌道1號線各參數別為M0=750 Kg,A0=80 kN,ν=80 km/h,L1=10 m,α1=3.5 mm,L2=2 m,α2=0.4 mm,L3=0.5 m,α3=0.08 mm[8]。由上述公式計算得到如圖12所示的列車振動荷載時程曲線。

圖12 列車振動時程變化曲線

圖13為列車振動荷載下的地連墻頂部沉降。從圖13中可以看出，地連墻頂部沉降量隨著地鐵振動荷載的波動而上下波動，沉降量波動范圍在6.02～6.61 mm，而未施加地鐵振動荷載沉降量為6.4 mm，說明地鐵振動荷載會使地下連續墻產生上下浮動的變化趨勢，且最大沉降量有所增加，表明地鐵振動荷載在一定范圍內不利于基坑圍護結構變形的控制。

圖13 地鐵振動荷載下的地連墻沉降

5 結 論

1)模擬所得的地連墻最大位移發生在深度13 m處，最大位移為12.21 mm,而實際工程卻發生在深度10 m處，最大位移為9.73 mm；監測與模擬所得的地表最大沉降均發生在距離基坑10～15 m處，但監測最大沉降為15.75 mm，而模擬最大沉降為6.84 mm。雖然監測數據與模擬數據存在偏差，但是模擬曲線與監測曲線變化趨勢，表明本文建立的模型較為合理。

2)地鐵隧道的變形隨著開挖深度的增加而不斷加大；地鐵隧道在開挖過程中呈現出逐漸向基底移動且逐漸下沉的趨勢；地鐵隧道離基坑越近，越易受到基坑開挖的影響，而地鐵隧道的存在幾乎對基坑開挖沒有影響，但仍需嚴格控制有地鐵隧道側的基坑變形。因此，需合理規劃地鐵隧道周邊建筑以及嚴格控制臨近地鐵隧道的基坑工程的變形，以保證地鐵隧道的安全運營。

3)圍護結構豎向變形會受到地鐵振動荷載的影響而產生上下波動的趨勢，同時會使地連墻的沉降量增大，這加大了對圍護結構變形控制的難度。

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