深基坑近接施工對地鐵盾構區間隧道影響數值分析

甄文戰　王春波

摘? 要：以成都地區深基坑近接地鐵盾構區間隧道施工為依托，采用數值分析方法，考慮樁-土-隧道結構的相互作用，建立了三維有限元計算分析模型，分析了基坑開挖對既有地鐵盾構區間隧道影響;分析結果表明：隨著基坑開挖，引起臨近區間側基坑周邊地層及圍護樁變形增加，且呈現出臨既有線基坑邊中部大，向兩側逐漸減少的趨勢，充分反應了基坑的空間三維特性;同時，盾構隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于臨近區間基坑邊中部;隧道結構最大彎矩較初始狀態增幅約30%，剪力較初始狀態增幅約18%，但其數值均在盾構區間隧道的承受范圍內，計算結果為后續類似工程提供了借鑒作用。

關鍵詞：深基坑;盾構區間隧道;近接施工;數值分析

中圖分類號：TU431??????????????? 文獻標識碼：A

1 引言

近年來，隨著我國城市化進程的快速發展，一方面越來越多的高層、超高層建筑不斷修建，其地下空間的開發逐步向超深、超大規模方向發展;另一方面由于城市軌道交通線網的加密、建筑場地條件限制等因素，出現了大量近接既有地鐵線新建深基坑工程，且距離越來越近;這勢必引起新建深基坑由基坑開挖卸載引起周圍土體變形并影響周邊地鐵設施的安全及正常使用。因此近接既有地鐵線深基坑工程已遠遠超出了基坑工程本身，不僅要確保基坑自身安全，而且要保證周邊既有線的安全及正常使用。除此外，深基坑工程對既有線影響變形分析又涉及到復雜的樁-土-結構相互作用的問題。目前，鑒于其復雜性，評價深基坑施工對周邊環境的影響，無疑數值分析方法成為一種首選的強有力工具。

王航^[1]通過對蘇州地層臨近既有區間施工開挖工況進行了計算分析，總結了其基坑及隧道的變形特性;宋海濱等^[2]針對臨近既有線基坑工程采用不同加固方式，對比分析了基坑變形特點，給出了合理的加固建議。

針對目前成都砂卵石地層特點，并考慮到該深基坑自身的特點：即基坑開挖深度大，開挖深度約31m，較區間隧道低8.2m;水平距離近，距離基坑約10m等;綜合考慮基坑自身風險及環境風險均較大等因素，以該項目深基坑近接地鐵盾構區間隧道施工為依托，采用數值分析方法，考慮樁-土-隧道結構的相互共同作用，建立三維計算分析模型，具有一定的現實意義。

2? 工程概況

2.1? 項目簡介

擬建項目基坑深度約31.0m，設6層地下室。基坑北側鄰近既有區間隧道，基坑邊線距離地鐵左線區間隧道最小水平凈距約10m。其中涉及區間隧道采用盾構法施工，對應線路縱坡為8‰，隧道采用300mm厚預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環為內直徑5.4m、外直徑6.0m。

2.2? 基坑與地鐵隧道關系

擬建項目基坑東西向寬約138m（臨近地鐵區間范圍基坑寬約78m），南北向基坑長度約120m，基坑開挖深度約31m;其中基坑圍護樁距離2號線盾構區間右線最小水平凈距10m，盾構區間軌面埋深約21.5m。基坑與地鐵盾構隧道的位置關系如圖1～2所示。

臨近地鐵盾構區間隧道圍護樁（IJ范圍）采用直徑1500@2000mm旋挖樁，樁長約40.0m，豎向設置5道混凝土支撐+臨時立柱內支撐體系，臨時立柱采用鋼構立柱，鋼構立柱在基底以下為鋼筋混凝土灌注樁（樁徑1.2m），基坑底以上為鋼構柱外包C30混凝土。

3? 數值分析模型

3.1? 數值模型簡介

地鐵2號線區間隧道與項目基坑工程近似呈空間平行分布，采用大型巖土工程數值計算分析軟件Midas GTS NX，建立全基坑三維模型。模型x方向即區間隧道縱向取350m，模型y方向即區間隧道橫斷面方向取300m，基坑兩側均外擴約1倍的基坑開挖寬度;模型豎向（z方向）按實際地質情況取60m，隧道埋深約16.6m，模型底部距基坑坑底29m。模型中盾構隧道襯砌用板單元模擬，基坑工程圍護樁、立柱樁、內支撐、冠梁、砼腰梁采用梁單元模擬，錨索采用桁架單元模擬，其余單元用實體單元模擬，如圖3～4所示。

3.2? 模型計算參數

根據該項目巖土工程詳細勘察報告，各層巖土層物理力學參數見表1。

3.3? 模型計算參數

本文重點分析項目基坑工程開挖對地鐵盾構區間隧道結構產生的影響，為了達到數值模擬與實際工況相一致，根據現場施工組織及基坑開挖步序要求，數值模擬計算開挖步序詳見表2。其中初始工況需進行位移清零及建立初始應力場。

4? 數值計算結果分析

4.1? 基坑周邊地層變形分析

圖5為基坑對應不同工況下沿Y方向（即沿區間隧道橫向）位移云圖，由于篇幅所限，僅給出了工況2、工況圖9（開挖至隧道底）及工況11（基坑見底）下的變形云圖。由圖可知隨著基坑開挖深度的增加，地層沿Y向變形值也逐漸增大;當基坑開挖完成時，最大變形值為7.4mm（臨近區間側最大值約6mm），且最大值發生在該側基坑邊中部，這也充分反應出了基坑的三維空間效應，與實際監測變形數值變形規律一致。

4.2? 圍護樁變形分析

圖6為圍護樁對應不同工況下沿Y方向（即沿區間隧道橫向）位移云圖，如前所述，由于篇幅所限，僅給出了三種工況下的圍護樁變形圖;由圖可知，圍護樁變形規律與基坑周邊土體變化規律基本一致，即臨近該側基坑邊中部變形值最大，變形值約6mm。

4.3? 區間隧道水平位移分析

圖7為盾構區間隧道沿隧道橫向位移云圖，由該圖可知，隨著基坑的開挖，隧道的水平變形趨于不均勻，可知此時對隧道的受力更為不利，最大變形位于臨既有線側基坑邊中部，最大值約2.05mm;圖8為不同工況下隧道水平變形曲線，由該圖可知，隨著基坑的開挖，隧道變形主要出現在工況8之后，即隧道范圍及以下土體開挖階段，因此應重視對應范圍內土體開挖步序及支撐架設情況，避免隧道產生較大的變形。

4.4? 區間隧道內力分析

圖9為基坑見底后隧道彎矩云圖，由圖可知，基坑開挖完成后對應的最大彎矩為105KN.m，根據既有管片及配筋，經核算滿足受力要求;圖10為不同工況下彎矩變化曲線圖，由圖可知，隨著基坑的開挖，隧道彎矩內力也逐步增大，增幅約30%。

圖11為基坑見底后隧道剪力云圖，由圖可知，基坑開挖完成后對應的最大剪力為120.9KN，根據既有管片及配筋，經核算滿足受力要求;圖12為不同工況下剪力變化曲線圖，由圖可知，隨著基坑的開挖，隧道剪力也逐步增大，增幅約18%。

6 結語

本文通過上述三維有限元數值模擬結果的分析，得出以下結論：

1）隨著基坑開挖，引起臨近區間側基坑周邊地層及圍護樁變形增加，向坑內的變形約6mm，且呈現出該側基坑邊中部大，向兩側逐漸減少的趨勢，充分反應了基坑的空間三維特性。

2）盾構隧道的變形隨著基坑的開挖不斷增加，隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于臨近區間側基坑中部;同時最大隧道拱頂沉降0.59mm，拱底隆起0.37mm，水平向的變形量均大于豎向的變形量。

3）盾構隧道的內力隨著基坑的開挖不斷增加，隧道結構最大彎矩為105.1KN.m，較初始狀態增幅約30%，剪力為120.9KN，較初始狀態增幅約18%，其數值均在盾構隧道的承受范圍內。

參考文獻

[1] 王航. 建筑基坑近接施工對地鐵盾構區間隧道影響分析[J].中國標準化， 2017， 第6期： 238-240.

[2] 宋海濱， 李剛柱，? 殷劉帥. 深基坑對緊鄰地鐵盾構區間隧道變形的影響性分析[J].鐵道標準設計， 2013 （03）： 97-101.