海晏北路站～福慶北路站區間隧道變形分析

胡增輝

（寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司，浙江 寧波）

引言

隨著城市化飛速發展, 為緩解地面交通的巨大壓力,地鐵線路在我國大中城市中分布越來越密集，周邊環境越來越復雜。周邊基坑開挖勢必會對地鐵隧道造成一定影響[1]，Liang R 等[2]學者提出一種兩階段分析方法，預測鄰近地鐵隧道的基坑開挖變形對隧道的影響，李益斌等[3]學者根據蘇州特有軟土地區基坑開挖實際變形監測數據，分析其對周邊環境的影響；高廣運、李宇升、Shi J 等[4-6]學者通過數值計算方法，研究了深基坑施工對鄰近地鐵隧道區間的影響；鄭加柱等[7]學者構建了顧及基坑開挖深度的動態變形分析模型；針對在基坑開挖卸荷的過程中，合理的預測基坑其對隧道變形影響,以便合理利用有效的手段進行保護，在實際工程中有較大的實踐意義。

本文以寧波東部新城基坑為研究對象，其邊界與軌道交通一號線海晏北路站～福慶北路站區間（以下簡稱“海～福區間”）的隧道相鄰，基坑開挖前，該地鐵區間還未運營，在開挖時間段，監測數據顯示臨近的地鐵隧道，即海～福區間隧道，隧道壁表面逐漸有滲水現象出現，有大概四百多環管片貫通縫，出現重大險情[8-9]，因此，對隧道病害進行分析十分必要。本文采用有限元[10-11]分析方法，以隧道變形與基坑開挖之間的聯系進行建模分析，獲得隧道變形與基坑開挖之間的聯系，基于此，為進一步對隧道進行更好的維護提供參考和依據。

1 工程背景

1.1 已建隧道工程概況

本文以寧波市軌道交通一號線海晏北路站～福慶北路站區間（以下簡稱“海～福區間”）附近基坑開挖為研究對象。晏北路站在2011 年5 月主體結構完成頂板澆筑，海～福區間在2011 年11 月完成盾構貫通；海晏北路站～福慶北路站區間起止里程為：右線K17+356.021 ～K18+102.477 （總長約0.7KM），在K17+867.000 處設一聯絡通道兼泵站。區間隧道斷面為單洞單線圓形隧道，外徑6.2 m，兩線凈間距3 m。海～福區間隧道縱坡最大坡度為25‰，頂部埋深為8.77～15.9 m，最小平面曲線半徑為600 m。區間隧道采用盾構法施工。區間土質情況如表1 所示。

表1 隧道區間土質情況

1.2 隧道監測數據分析

監測單位對海～福區間隧道進行變形監測，以2011 年的數據為基礎數據，進行了3 月30 日、3 月26日、3 月30 日的監測，數據如圖1 所示。

圖1 隧道區間變形情況

由圖中可以看出，隨著時間的增長，隧道位移值呈現逐漸增長的趨勢，且變化量較大，至30 日時，累計變化量達到46.7 mm，變形情況需要引起高度重視；從沉降數據來看，數值變化明顯，累計變化量在30 日時也達到了23.7 mm，沉降現象明顯；從隧道的橫向收斂和豎向收斂來看，隧道的變形情況也是較為嚴重的，至30 日，分別達到24 mm及23 mm 的累積值。因此，從監測數據可知，隧道存在明顯的變形，對其進行變形分析是十分必要的。

1.3 相鄰基坑情況介紹

該基坑臨近海晏北路站至福慶北路地鐵站，距離區間段北部大概11 m的位置，寧波東部新城C1-6、C1-7 地塊，施工日期為2012 年1 月初；涉及地塊形狀為矩形，有兩層地下車庫，位于寧穿路以北，海晏路以東，河清路以西，南邊存在大斜邊，其總開挖面積約為24 800 m2。基坑的結構形式為排樁加兩道內支撐，設計深度在11.4～12.0 m。

具體位置如表2。

表2 基坑位置

基坑與隧道的相對位置關系如圖2、圖3 所示。

圖2 相對位置平面圖

圖3 剖面圖

2 數值模擬分析

針對臨近基坑與隧道變形產生這一問題，考慮到該基坑與臨近地鐵隧道之間的大概位置基本平行，可以將該問題看為平面應變問題[12-13]，本文采用有限元的方法，利用Mohr-Coulomb 模型[14-15]用于建模，模型基坑開挖深度為12 m，地鐵隧道內徑5.5 m，管片厚度為350 mm，埋深10 m，距離基坑邊緣為11 m。采用殼單元模擬地鐵隧道，用板單元模擬支護樁，錨桿模擬橫向內支撐。

基于雙參數模型，采用有限元方法，需要建立相應的假定，本文中涉及的基坑開挖的工期較短，基坑周邊為20 kN/m2的荷載，土的變化為彈塑性變化且分布均勻；總實驗以不排水條件進行分析；用板單元模擬地下連續墻，錨桿單元模擬橫向內支撐，土體采用15 節點三角形單元模擬，圍護結構與土體之間的相互作用采用界面單元模擬，模型底部約束水平和豎直方向位移，模型兩側邊界約束水平位移，頂部為自由邊界；另外，考慮到研究對象呈線性，實際長度較大，因此，本文將對其中的一個典型剖面進行分析。

如圖4、圖5 所示，模型建立采用plaxis 軟件進行建模分析，具體的，土體采用15 節點單元，在基坑內部開挖區域，隧道內部開挖區域，以及容易出現應力集中的支護樁邊界和隧道襯砌邊界采取網格加密。初始應力采用K0 系數計算確定[16-18]。

圖4 有限元模型圖

圖5 網格劃分模型圖

基于以上分析，獲得如圖6 所示的結果，可以看出：地鐵隧道的水平位移和豎向位移較為明顯，水平橫向位移方向往施工的基坑靠近，呈橫鴨蛋狀，整體變形表現傾向于基坑底部。

圖6 基坑開挖至坑底隧道與基坑變形圖

圖7 為隧道最終的變形情況，可以看到，隧道的總位移發生了較大的改變，水平位移和橫向位移的也很明顯。

圖7 隧道變形圖

圖8 是監測數據與模擬結果的對比，可以發現，基坑施工接近基坑底部時，隧道的最大附加水平位移值為53.2 mm，嚴重超過準許值10 mm[19-21]，隧道最大附加豎向位移為-28.4 mm，嚴重超標（-10mm），臨近基坑的施工會在一定程度上對海晏北路站-福慶北路站的隧道產生影響，使得隧道發生形變。

圖8 監測數據與模擬結果對比

總的來看，在基坑施工期間，隧道變形的速率會增大；當基坑有內支撐時，可以在一定程度上減小其變形速率。另外，由于實際施工中，基坑回填土方反壓及隧道內部會進行鋼結構加固，會在一定程度上抑制隧道的變形，加之計算過程中會存在一些誤差，因此本文的模擬數據和實際數據存在一定的不同，總體誤差控制在20%以內。

3 結論與建議

利用隧道實際監測數據，對本文的模擬結果進行分析，可以獲得以下結論：

（1）臨近基坑的施工對隧道會產生較大的影響，導致隧道發生橫向變形、豎向沉降等。

（2）基坑開挖時，采取回填土方反壓、隧道鋼支撐加固等措施，可以在一定程度上減輕隧道變形，但隧道依然會有變形現象產生。

因此，基于以上結論，為保障基坑開挖對隧道影響降到最低，本文提出以下建議：

（1）隧道周邊有施工開挖工程之前，應對新建工程對隧道的影響進行評估，設計合理的施工方案。

（2）在臨近隧道的基坑施工過程中，需要對隧道進行實時的病害監測，包括隧道變形、隧道滲漏水等。

（3）隧道附近需要進行施工時，需要對隧道進行加固，增加工程支撐措施等相應的穩定措施，將對隧道的影響降低。