基坑工程對臨近既有地鐵隧道安全性影響分析

楊軍， 陳炎， 程晏， 趙華偉

（1.北京市地鐵運營有限公司技術創新研究院分公司，北京 100044；2.地鐵運營安全保障技術北京市重點實驗室，北京 100044）

0 引言

隨著我國現代化建設進程加快，尤其是在“十二五”與“十三五”期間，國家GDP總量快速增長，許多城市人口總量不斷攀升，社會對基礎設施的需求也越來越高。近年來，城市基礎設施也不斷更新，建設規模有很大程度的提高。以地鐵、輕軌為主要建設制式軌道交通線網發展速度極快，如今在東部沿海經濟發達的地區，許多城市交付運營的線路里程已達上百公里，形成的較大線網規模，加上正在建設的線路，其規模甚至已接近發達國家水平，在不久的將來有趕超的趨勢。由于城市軌道交通，尤其是運量較大的地鐵，線網往往敷設在人口集中的中心城區，在近些年城市化進程加快的過程中，緊張的城市土地資源與日益增長的建設用地需求形成了相當矛盾，以至于“拆舊建新”成了目前大多數城市解決用地緊張，推動城市更新的主要方式。對于中心城區的建設項目，尤其是地下空間開發建設項目，其場地則越來越多與臨近的已建成地鐵項目發生沖突，這樣的空間沖突成為了當前城市建設中不可避免的現象，也使得許多建設項目將進入地鐵保護區范圍開展施工活動。所以，對地鐵車站及區間隧道結構的保護工作及相關研究也亟待推進，需形成集設計、施工、監測、監測以及安全評價為一體的綜合性協助工作機制。新建項目在開展建設工作前重點需求一種工程實施方案，既能對既有地鐵結構形成有效保護措施，又能在建設項目經濟投資上可行。文中以某城市地下空間開發項目為工程實施案例，將其臨近軌道交通盾構區間隧道的建設活動為研究依托，借助現代計算機技術，將有限元數值分析作為本案例的研究手段，旨在對基坑開挖和結構回筑各個施工步序引起的周邊土體變形，從而可能對臨近地鐵區間結構的安全性影響進行分析，取得各施工階段的基坑圍護結構及地鐵結構的變形位移結果及相關發展變化規律，總結該擬建項目基坑工程開挖時所采取的針對性保護措施，以及方案實施對土體變形的控制效果，以評判該工程項目建設過程中地鐵區間隧道安全性，希望為后續類似工程提供一定的參考經驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

項目位于某市一道路交叉口的西南側，建設主樓主體結構為地上29層，地下2層，周邊配套裙房地上5層，主樓建筑總高度97m。地下空間基坑圍護結構及內支撐支護體系采用圍護樁+三軸攪拌樁止水帷幕+預應力裝配式內支撐的體系，與地鐵相鄰側采用1000@1300mm 鉆孔樁+850@600mm 三軸攪拌樁，樁底插到隧道底板以下1.3m。基坑北側與某市地鐵盾構區間隧道相鄰，該地鐵區間隧道結構外邊線距基坑開挖圍護結構外輪廓水平凈距離為5.6～7.4m，基坑在長度方向約450m與該地鐵區間平行。既有地鐵區間采用土壓平衡盾構法施工方法建成，所有區間結構為標準裝配式盾構管片，最終將以單層襯砌運營。管片成型外徑6.2m，內徑5.5m，管片結構厚度0.35m，環寬1.2m，錯縫拼裝。左右兩線盾構隧道中心線間距為12m，臨近基坑一側盾構隧道平面曲線半徑為450m，線路縱向為坡度為-3.3‰（向下）過度到4.701‰（向上），線路最低點設置有聯絡通道兼做排水泵站，盾構隧道在場地內主要穿越的土層為黏土、全風化頁巖、中風化石灰巖，隧道頂部埋深為17.5～19.5m，如圖1所示。

圖1 工程總平面圖

文中研究基坑工程對臨近地鐵隧道安全性影響，主要是借助有限元計算軟件對擬建項目地下空間開挖基坑、隧道及場地地質環境的建立計算模型，通過對模擬計算的數據結果進行整理分析，并結合以往研究和工程項目經驗，旨在判斷基坑支護結構及施工中擬采取的地鐵隧道保護措施，是否安全可行。

1.2 地質概況

場地范圍內豎向工程地質土層情況分布主要有：黏土、全風化頁巖、中風化石灰巖，盾構隧道結構頂部埋置深度范圍17.5～19.5m見圖2。

圖2 地質縱剖面圖

1.3 隧道變形控制指標

（1） 根據設計施工步序及施工組織設計中各項安排，案例中基坑工程土方開挖和內部結構回筑施工期間，臨近地鐵盾構區間隧道已完成掘進施工和管片拼裝，但尚未完成鋪軌及調線調坡工作，未進入運營階段。結合相關監測技術規范和地鐵結構安全保護技術規范等相關技術標準要求，初步擬定文中區間隧道變形控制指標［1］。

（2） 根據以往工程經驗，地鐵既有結構變形控指標應注重考慮與工程相關的多方面因素綜合確定，比如所研究的隧道所處線路位置、地質情況、區間結構形式、建設或使用年限等，并結合擬建工程與臨近區間的相對空間位置關系，以及現狀工程情況、限界空間測量結果、隧道使用指標要求等［2］。綜合上述各方面因素，確定滿足文中案例隧道結構將來使用需求及安全性的變形主控指標值見表1，另外，依據相關規范和類似工程經驗，地鐵結構的變形速率亦可作為安全性判斷的重要指標，地鐵結構在臨近工程施工活動影響下的平均變形速率控制值一般≤0.06mm/d［3］。

表1 地鐵結構安全性主控指標

2 三維模型有限元數值計算分析

2.1 擬建工程基坑與既有地鐵隧道結構空間位置關系

擬建工程場地周邊環境較為復雜，除臨近地鐵隧道結構外，還涉及其他建（構）筑物及地下市政管線需要保護。基坑圍護結構及內部支撐結構體系采用圍護樁+三軸攪拌樁止水帷幕+預應力裝配式內支撐的體系，與地鐵相鄰側采用采用1000@1300mm 鉆孔樁+850@600mm 三軸攪拌樁，樁底插到隧道底板以下1.3m。

內支撐豎向設置兩道，在基坑西南側角部兩道撐均采用鋼筋混凝土平面桁架支撐體系，其余支撐均采用鋼桁架體系支撐及角撐。地面標高為-0.9m，第一層支撐中心標高為-3.5m，第二道支撐中心標高為-8.5m，坑底標高為-13.4m。

地下水處理方案為，對開挖深度范圍內的潛水采用管井降水并結合明排，地下水應降至開挖面以下0.50～1.00m，并設置明溝排水。對局部灰巖分布位置的巖溶承壓水設置基巖水減壓井，將巖溶水位降至坑底下不少于0.5m。

圖3 基坑工程結構平面布置

圖4 基坑與臨近地鐵豎向剖面關系

2.2 計算軟件和模型的確定

文中模擬數值計算分析，采用MIDAS大型數值分析系列軟件中的GTS板塊，作為行業內較為成熟的大型巖土工程及隧道結構三維數值技術分析軟件，其相應建模原理能夠很好的模擬地下工程中各結構與相鄰土層地質單位之間的相互作用效應，將施工過程中加載和卸載引起的地層應力狀態較為準確的進行模擬還原。近幾年，MIDAS/GTS已經大量的成功應用于地下工程的設計和研究中，并經過實際工作的實踐檢驗，具有很好的模擬和分析效果。

為了充分考慮模型在軟件計算分析中的精度和計算效率，參考以往工程研究經驗和軟件說明的建議，模型的水平和豎向建模范圍和邊界宜取基坑深度的3～5倍，以此距離作為計算模型的最外邊界到基坑開挖邊線距離。根據上述建模原則，文中案例模型的尺寸：長×寬×高=675m×330m×55m。模型最終生成結構和土層單元節點91463 個，實體單元和結構單元共221951個。根據地質勘察資料，將土體豎向自上而下分成7層，土層建模采用六面體單元即混合網格模擬，本構模型采用土層修正M-C模型，等效簡化后的圍護結構和盾構管片擬選用結構板殼單元（shell element），基坑內支撐和立柱支撐體系梁單元（beam element）進行模擬。

基坑圍護結構中的混凝土鉆孔灌注樁和支撐體系中的預應力裝配式魚腹梁，可依據結構抗彎剛度等效原則進行簡化為墻體，以板殼單元模擬。建模過程中需要將魚腹梁抗彎剛度E1I1轉換為圍護結構抗彎剛度E2I2。首先利用已知的魚腹梁的截面尺寸，可以求出其對應的慣性矩I1，再代入鋼材的彈性模量，可求出魚腹梁的抗彎剛度；再代入已知的圍護結構的彈性模量E2，將兩者參數按抗彎剛度等效的原則，代入公式可以求出圍護墻模型的慣性矩I2=（E1I1）/E2，最后再代入公式I2=（bh3）/l2，隨即，可求出折算后的圍護墻體（shell element）的厚度h［4］。格構柱和平面桁架組成的支撐體系，可依照軸向剛度等效原則，將其簡化為實腹式桿件結構在計算中進行模擬。

2.3 施工步序模擬

文中案例在計算分析中嚴格按照設計文件和施工現場進度實施計劃，進行模擬基坑開挖及內部主體結構施作的步序，具體見圖6流程示意圖。

圖5 計算模型

圖6 施工模擬步序簡化示意圖

2.4 三維有限元數值計算結果分析

基坑土層開挖和內支撐架設主要分為豎向3 層，第1 步基坑開挖深度3.6m，隨即施做第一道內支撐，第2步基坑開挖深度5m，隨即施做第二道內支撐，第3步開挖深度3.9m，即開挖至基坑底部，基坑坑底最終相對標高-12.5m。基坑內部設置兩道支撐。通過整理結算結果，形成了基坑圍護結構和既有區間隧道結構的變形云圖。

通過整理數據，分析得到圖7～圖10結果。圖7顯示基坑圍護結構在水平面內基坑中部向基坑內側變形最大，基坑兩側由于角部空間效應較好，變形也較小。另外，根據文中圖7分析結果，可知，隨著基坑施工進度推進，土層開挖的深度加深，基坑圍護結構的附加水平位移數值也隨之增大，當基坑開挖完成，施工至坑底設計標高后，在結構底板施工前，圍護結構附加水平方向位移將達到整個施工過程總的最大值，工程案例最大值為14.4mm，根據圖中結果顯示，該最大變形出現的位置在坑底附近。圖8、圖9 區間結構在豎向及水平向變形云圖，其結果顯示的區間結構變形所在最不利區域，與圖5所示相符合，印證了前期預估的判斷。根據圖9 所示結果可知，文中案例中地鐵盾構區間垂直Z方向變形呈向上的隆起趨勢，最大變形位置值為5.2mm，水平Y 方向變形呈現出向基坑內側移動，最大值移位置為2.3mm。造成上述位移趨勢的原因主要是由于盾構區間隧道所處場地存在臨近基坑開挖施工活動，且基坑位置位于盾構區間斜上方，土層開挖引起了地層缺失，對區間隧道造成了一定卸載效應，在不均衡的地應力作用下，區間結構在最不利區域產生了較為明顯的向上浮和向側移的位移趨勢［4］。圖10給出的地面沉降曲線呈現湯勺樁，反應出基坑開挖施工引起的基坑邊坡臨近地表沉降曲線與以往工程實施經驗和研究規律相符合［5］。

圖7 圍護結構水平位移云圖（Y方向）

圖8 隧道結構水平位移云圖（Y方向）

圖9 隧道結構豎向位移云圖（Z方向）

圖10 基坑邊坡后地表沉降曲線

分析圖11 和圖12 可得結論，基坑工程施工活動引起臨近地鐵隧道變形情況，在最不利區域的結構變形位移數值最大；而遠離最不利區域的位置，施工引起盾構區間隧道附加水平和豎向位移呈現出隨著距離增大變形位移越來越小的趨勢。上述圖中呈現的結構位移變形數值和趨勢都在地鐵結構相關保護規范所規定的控制指標允許值范圍內，由此可得結論，文中所研究案例設計的基坑施工對臨近區間隧道造成變形在可控范圍內，不會影響地鐵區間隧道安全。通過查閱和分析資料，本案例涉及基坑圍護結構的變形趨勢和數值均滿足相關規范對變形控制值的要求［7，8］。

圖11 基坑開挖對區間隧道附加水平位移（Y向）

圖12 基坑開挖對區間隧道附加豎向位移（Z向）

3 結語

文中通過對擬建工程案例模擬計算，并對技術結果進行整理分析，與相關規范要求和以往工程實例及研究經驗結論相對比，得出如下幾點結論：

（1） 文中所分析研究的實際工程案例，其涉及的大型地下空間基坑開挖整個實施過程，施工活動造成區間隧道在水平方向上產生2.3mm 的最大附加位移值，另外在垂直方向上產生了5.3mm的最大附加位移值，兩個方向的附加位移值均在10mm范圍內，因此可判定其影響均能控制在可接受的范圍內。

（2） 通過分析計算結果，可知文中所研究的地鐵盾構區間在豎向和水平向變形值，均在前文所述地鐵結構安全性主控指標表格所給出控制值內。所以可以判定，在文中所述案例施工期間，其所采取的支護和加強措施能夠保證臨近地鐵隧道處于安全狀態。

（3） 大型地下工程施工時，其基坑開挖所形成的地層缺失，會造成明顯的卸載效應，從而引起邊坡背后土體發生變形，隨著變形傳遞，會進一步導致周邊臨近建（構）筑物及地下管線變形，包括文中所述地鐵區間結構產生的較為明顯的向上浮和側移的位移趨勢。所以在前期設計、基坑施工組織、監測布點等均需要重點關注此項風險，把其列為施工安全風險控制要點。除了對隧道結構本身采取加強措施，還需對變形影響的源頭采取措施，即基坑本身的支護結構采取適當的加強。在實際工程應用中，成功的工程經驗和研究結果顯示，有針對性的對基坑圍護和支撐體系整體剛度采取加強措施，如采用混凝土桁架內支撐體系，減小基坑支護體系本身變形，以及在基坑與地鐵區間隧道之間設置雙排樁，形成變形隔離裝置，增加變形隔離效益，均能有效保證變形控制指標在控制值范圍內。