長距離基坑大面積開挖對下方地鐵隧道的影響分析

高 大，劉 陽，李賢東

(沈陽市市政工程設計研究院有限公司 沈陽市 110016)

0 引言

地鐵隧道上方基坑開挖將導致隧道上方大面積卸荷，土體卸荷對下方地鐵隧道主要產生以下兩個方面的影響：

(1)土體卸荷將導致基坑底部土層產生回彈變形。

(2)基坑兩側土體向基坑內發生位移，引起圍護結構的水平變形，進而導致地鐵隧道發生變形[1-5]。

為研究長距離基坑大面積開挖對下方地鐵隧道的變形影響，結合沈陽長青街快速路南延工程，采用MIDAS-GTS-NX有限元軟件對沈陽地鐵十號線理張區間隧道上方快速路南延工程框構橋基坑開挖施工過程進行三維數值模擬，對地鐵隧道的位移變化規律進行分析。

1 工程背景

1.1 工程概況

理張區間盾構外徑為6m，內徑為5.4m；襯砌管片寬度為1.2m，厚度為0.3m。線間距為15m；區間隧道埋深為16.8m。框構橋基坑深4.5m，基坑底部距離區間隧道頂部約為12.4m。二者的相對位置關系詳見圖1、圖2。

圖1 平面位置關系圖

圖2 豎向位置關系圖

1.2 工程地質

根據長青街快速路南延工程(遠航中路-三環)勘察報告提供的數據，該地區土層自上到下分別為：雜填土、粉質粘土、礫砂，注漿加固區全部位于粉質粘土層內，區間隧道主要位于礫砂層內(圖3)。

圖3 地質剖面圖

2 有限元模型

2.1 模型建立

Midas GTS NX是一款通用巖土有限元分析軟件。在開發階段通過幾千種例題的計算，將其計算結果與理論值、及其他程序的計算結果進行了比較、驗證，并在大量的工程項目上得到了運用。因此，使用Midas GTS NX軟件進行得到的結果是可信的。

采用Midas GTS NX進行三維數值模擬，見圖4。土層本構模型為修正莫爾庫倫準則。區間隧道管片、圍護樁和框構橋結構均采用板單元模擬，土層采用實體單元模擬。模型大小為(長×寬×高)294m×98m×40m，共102100個節點，137194個單元。模型的約束條件為：除地表為自由表面外，其他均為法向約束。

圖4 三維有限元計算模型

2.2 材料參數

土層物理力學參數見表1，結構物理力學參數見表2。

表1 土層物理力學參數

表2 結構物理力學參數

2.3 施工模擬

工況1：初始地應力分析，位移清零。

工況2：施作基坑鉆孔灌注樁。

工況3：進行基坑內第一層土方開挖，開挖3m。

工況4：進行基坑內第二層土方開挖，開挖至基坑底部。

工況5：模擬框架結構施工。

3 結果分析

3.1 基坑開挖對地鐵隧道的影響

圖5為各工況下地鐵隧道的隆起最大值，可以看到地鐵隧道的豎向隆起最大值出現在工況4，即開挖至基坑最低點且未施工框構橋結構前。圖6為該工況下的地鐵隧道豎向位移云圖。可以看到最大隆起值約為7.5mm，已超過6mm的控制值要求。結構施工完成后，隧道隆起值約為4.5mm。因此，需對地鐵隧道采取保護措施以滿足隧道的變形控制值要求。

圖5 沉降曲線

圖6 沉降云圖

3.2 基坑底部加固對地鐵隧道的影響

為確保地鐵隧道運行安全，采取在基坑底部注漿加固的處理措施，加固深度4m，如圖2、圖3所示。

注漿加固的模擬在2.3節的工況2中進行模擬。圖7為各工況下地鐵隧道的隆起最大值，可以看到地鐵隧道的豎向隆起最大值出現在工況4，即開挖至基坑最低點且未施工框構橋結構前。圖8為該工況下的地鐵隧道豎向位移云圖。可以看到注漿加固后地鐵隧道的最大隆起值約為5.7mm，與不加固相比，隆起值下降了約為1.8mm，小于6mm的控制值要求。結構施工完成后，隧道隆起值約為2.8mm。可見，采取基坑底部注漿加固可以有效地限值下方地鐵隧道的隆起，對控制地鐵隧道豎向位移可以起到較好的作用。

圖7 沉降曲線

圖8 沉降云圖

由圖6和圖8地鐵隧道沉降云圖可以看到，隧道的最大隆起值均發生在隧道左線(即上方隧道)。從圖1、圖2可以看到，隧道左線位于基坑正下方，而隧道右線位于基坑邊緣。因此，隧道左線產生較大隆起。

3.3 加固區厚度對地鐵隧道隆起的影響

為研究基坑底部加固區厚度對地鐵隧道隆起值的影響，對加固3m工況進行數值模擬分析。圖9為不同加固厚度下，地鐵隧道隆起值曲線。從圖中可以看到，隨著加固區厚度的增加，地鐵隧道的最大隆起值呈降低的趨勢。但是加固區3m時不滿足6mm的地鐵隧道控制值要求。因此，在滿足地鐵隧道與加固區之間最小距離要求的前提下，增大基坑底部加固區厚度可有效控制隧道隆起。

圖9 沉降云圖

4 結論

以沈陽長青街快速路南延工程框構橋與沈陽地鐵十號線理張區間隧道長距離并行基坑為例，采用MIDAS-GTS-NX有限元軟件框構橋基坑開挖施工過程進行三維數值模擬，對地鐵隧道的位移變化規律進行分析。主要得出結論如下：

(1)隨著加固區厚度的增加，地鐵隧道的隆起值呈降低趨勢，在滿足地鐵隧道與加固區最小距離要求的前提下，增大基坑底部加固區厚度可以作為控制隧道隆起的有效措施。未采取加固措施時，隧道隆起值約為7.5mm，超過6mm的極限控制值要求。在基坑底部4m厚度土體進行加固后，隆起值減小至約為5.7mm，滿足隧道的隆起控制值要求。

(2)基坑開挖至最底部時，地鐵隧道向上發生最大隆起。即基坑卸載率對基坑底回彈和隧道隆起有較大的影響。為進一步控制隧道隆起，施工時可采取分層、分段、分時開挖，并及時施工地鐵隧道上方框構橋結構。