基坑開挖對鄰近地鐵結構基礎的影響研究

趙偉

（中交鐵道設計研究總院有限公司，北京 100032）

0 引言

時代的發展與進步使得基坑開挖工程的建設數量逐漸增多，而在基坑開挖的過程中需要對周邊因素予以充分考慮，進而保證基坑開挖工程建設的整體安全性與穩定性。以鄰近地鐵為例，受深基坑施工的影響可能造成周邊土層的移動與變形，此種變形將會逐漸傳遞到鄰近的地鐵隧道，增大原有結構受力平衡被打破的風險，致使隧道內的軌道結構產生諸如變形與位移等諸多不良變化。為此，需要基于現有成果展開對于基坑開挖以及結構施工過程中可能對地鐵隧道所造成的影響研究，基于數值分析模型對基坑與隧道水平凈距、基坑支護結構的影響進行深入分析，為基坑開挖工程的正常施工以及地鐵的運營安全提供保障條件。

1 工程概況

1.1 基坑與區間隧道

舉例工程位于某地鐵區間隧道的東側位置，擬建設的建筑主體為地下兩層與地上兩層，其頂板的覆土厚度設定為1.5m，底板的埋深深度設定為14.2m。設置的施工基坑與臨近的地鐵區間隧道距離為8m，設計的開挖輪廓尺寸為73m×149m。為保證基坑開挖過程中的臨近地鐵隧道的安全性，需要預先搭設基坑圍護結構，包括鉆孔灌注樁、雙排懸臂樁等[1]。地鐵隧道的施工方法為盾構法，埋深為18.55m，其襯砌結構采用的預制混凝土管片的厚度為300mm，環寬度為1.2m。

1.2 地質條件

舉例建設的場地的自然地面標高為46.71～48.26m，存在著覆蓋一定范圍的人工填土層結構，經測量厚度為1.3～4m，材料組成主要為粉土填土與卵石填土。人工堆積層下存在第四紀沖洪積沉積層，結構組成材料主要包括黏土、粉土以及卵石等。

2 建立數值分析模型

2.1 模型假定與簡化

展開針對基坑開挖的模擬計算的過程中，需要給出以下的基本假定：

一是保證土體為各向同性且均質的理想彈塑性體，將其進行簡化處理后其各層的主體以及地表分布的水平層具有勻質特點[2]；二是在計算模型時其初始應力的確定只需要對土體的自重進行考慮，無需對地下水可能造成的影響進行分析；三是假定地鐵的區間隧道與其對應的軌道結構將會產生協同變形；四是鋼軌與道床可進行變形協調[3]。明確基本假定后即可基于MIDAS/GTS 軟件構建三維數值計算模型。在這一過程中，需要將邊界效應最大限度地消除，聯系開挖區域與區間隧道之間的位置關系，需要確定模型沿垂直線路的長度為200m，沿隧道方向的長度為80m，沿地層深度的方向為50m，土體四周及底部采用法向約束，模型的上部為自由邊界。

由于鋼軌與模型尺寸的比相差例較大，因此要想在模型中全面展現影響效果較為困難，因此使用實體單元對道床進行模擬，并需要依據實際情況設置鋼軌位置的節點。如此，即可在道床與鋼軌協同變形假設成立下，將道床鋼軌位置節點所產生的位移視作為鋼軌的位移量。

2.2 模型材料參數

基于對地質勘查報告的相關數據的分析，聯系模型的特點與給出的地層參數，需要針對主體采取適當的簡化處理，例如在明確的深度范圍內需要合并相近巖土類別的土體，并需要計算基于土層厚度的加權平均數，綜合取值才可保證數據的準確性。而模型的強度設定主要基于莫爾－庫侖準則，確定為彈塑性本構關系。

2.3 模擬施工過程

模擬過程整體采用單元網格計劃與鈍化的方法，能夠對基坑開挖的整個動態流程進行模擬，需要同時對基坑開挖過程可能對臨近隧道與軌道結構所產生的影響進行分析，該過程需要嚴格遵循以下工序展開模擬[4]：一是開挖，需要對1.5m 的自然地面表層的覆土進行開挖；二是采取排樁支護方案并在其周邊建設圍護樁；三是需要對自然地面1.5～3m 的土地進行開發；四是需要開挖自然地面下的3～8m 土體；五是需要對自然地面下的8～12m 土體進行開挖；六是需要對自然地面下12～14.2m 的土體進行開挖。

2.4 布置計算點與變形控制標準

為確保基坑開挖可能對鄰近地鐵區間隧道以及軌道結構影響的分析準確性，需要選擇對應軌道結構斷面的具有代表性特點的節點展開計算。需要設置的計算斷面數量為9 個，并應在每個斷面設置13 個計算點，包含了10 個位于區間隧道斷面的計算點與軌道結構斷面位置的3 個計算點[5]。整個過程需要基于城市軌道交通工程監測技術規范與標準工務維修規則展開相應工作，例如隧道結構的上浮其累計量不得超出5mm，水平位移則應控制在3mm 左右，正線軌距水平變化應控制在4mm 以下。

3 計算結果與分析

3.1 區間隧道與軌道結構變形

伴隨基坑開挖工程的持續推進，基坑位置的坑底與側壁的土地均產生了不同程度地朝向基坑內側的變形情況，導致周邊土體均產生了偏向于基坑方向的一定位移，帶動了整個隧道一側水平位移。再加上受到開挖卸載作用的影響，也將產生不同程度的豎向位移[6]。展開分析需首先明確分析對象，建議選擇距離基坑最近的斷面展開豎向位移與橫斷面水平位移的分析，從實際數據結果來看，無論是水平還是豎向位移其較大值均集中于靠近基坑一側的隧道與底部。完成基坑開挖后，模擬計算結果中顯示累計的隧道水平最大位移量為3.26mm，產生的最大豎向位移量為1.12mm，通常發生在靠近基坑側壁的隧道結構上[7]。基于設定的變形控制標準，可發現由于基坑開挖產生的對區間隧道的影響始終被控制在安全范圍內。

獲取到各個計算斷面與基坑一側靠近的水平位移計算點，可反映出地鐵軌道結構的變形量以及道床結構的變形量，因此建議位于道床中心排水溝位置的點位作為計算軌道結構水平與豎向位移的計算點。獲取到的計算點（沿著盾構隧道軸線方向），則應用于完成基坑開挖后豎向與水平位移分布的計算。從實際計算結果來看，相較豎向位移所產生的軌道結構水平位移要稍大一些，無論是水平還是豎向位移均沿隧道軸線呈一字形分布。

通過對斷面水平位移計算點所對應產生的豎向位移時程曲線的分析，可發現伴隨基坑開挖進程的逐步推進，隧道與軌道結構均產生了豎向位移與水平位移，方向為朝向基坑的位移方向。后續工程在展開后，受排樁支護作用的影響在一定程度上恢復了部分隧道與軌道結構的水平以及豎向位移，但在豎向位移全部恢復后產生了繼續下沉的現象[8]。伴隨基坑深度的逐漸增加，隧道與軌道結構的水平與豎向位移同時增大，整體的位移時程曲線分布呈勺狀。

3.2 軌道幾何形位變化

設定鋼軌與道床變形協調的假定成立前提下，需要對不同斷面的道床鋼軌位置進行計算，獲取到對應點位的變形數據，為后續在施工階段產生的軌道幾何行為變化情況的分析奠定基礎。綜合分析軌道幾何行為基本要素的定位即可知曉，軌距變化需要在相鄰兩軌水平位移量提取后，求出二者的差值[9]。而水平變化則需要對相鄰兩軌的豎向位移量進行提取，同樣需要求出二者的差值。在所建立的模型中，所產生的軌道幾何行為變化量取自于臨近軌道差值，得出的幾何行為變化曲線同樣呈現勺狀分布。基于對計算結果的分析，可發現最大的軌距變化值為0.128mm，水平方向所產生的最大變化值為0.136mm，均遠遠要小于設定的規范控制值。從此結果中可以判斷出，舉例工程的基坑開挖對鄰近軌道所產生的幾何行為的影響并不大。

4 基坑與隧道水平凈距分析

為確保所獲得基坑與盾構隧道水平凈距變化可能對隧道以及軌道結構所產生影響規律的準確性，需進一步強化研究，針對基于不同工況的施工方案分別展開數值模擬計算。在隧道埋深為18.55m 的情況下，設置基坑的西側邊緣與隧道之間的水平凈距離為7m、14m、2m，符合工程圓形數值，進而獲得對應斷面上所顯現出的隧道與軌道結構位移的變化曲線。從變化曲線中可以判斷出現有的地鐵區間隧道與新建基坑之間的水平凈距處于逐步增大的狀態，而對應的軌道結構與盾構隧道之間的水平以及豎向位移卻呈現出逐漸減少的規律[10]。同時,可發現軌道幾何形變的變化量，同樣伴隨著現有隧道與新建基坑之間水平凈距的增大而表現出逐漸減小的特點。但整體來看，基坑與隧道水平距離對軌道水平的變化的影響要更大。

基于文章的相關計算結果的分析，在基坑與隧道水平凈距離已經確定的情況下，隧道產生的水平位移量為2mm，豎向位移則一般小于0.5mm，對應產生的軌道幾何形變化則一般被控制在0.1mm 以下。從數據分析結果來看，基坑開挖工作對軌道以及隧道所產生的結構影響相對較弱，因此建議將基坑的相鄰區域劃分為施工的強影響區與弱的影響區，在地鐵隧道位于弱影響區的情況下則應該強化監測；若位于強影響區，則需要在強化監測的基礎上選擇采取適當措施，對可能產生的軌道以及地鐵隧道結構的變形情況予以控制。

5 基坑支護結構影響分析

針對現有隧道的一側基坑支護結構的單排樁與雙排樁兩種工況展開數值計算，即可獲取到相應的軌道與隧道的結構位移量以及對應的幾何形變，找出變化規律。雙排樁支護的情況下，相較單排樁無論是盾構隧道還是軌道結構的水平位移均明顯減小，所產生的豎向位移減小變化并不明顯，整體來看軌道的距離以及水平變化均表現出了顯著的減小特征。基于對計算結果的分析，可發現某個隧道計算點的水平位移的減小量在28%左右，豎向位移的減小量為6.5%，軌道結構的計算點水平位移則相對減小36%，豎向位移減小量在6%左右。從此數值中可以發現，若能夠采取雙排樁支護方案，則能夠將由于基坑開挖對盾構隧道以及軌道結構所產生的影響進一步降低，并可起到對隧道結構水平位移發展予以有效抑制的重要作用。

6 影響總結

一是受到基坑與隧道位置關系的影響，基坑開挖過程中產生的對軌道結構以及地鐵隧道的影響，主要為沿基坑方向的水平位移，并不會對軌道的幾何行為產生相對較大的影響。而隧道結構水平以及軌道的軌距均沿軸線方向分布，整體呈現一字形，產生的最大影響值均位于靠近基坑一側的相應位置。

二是伴隨基坑開挖進程的逐步推進，無論是軌道結構的水平還是地鐵隧道的豎向位移均處于逐漸增大的狀態，并伴隨排樁支護設施的建立使得水平位移逐漸恢復，會在逐步開發工作持續推進的情況下呈現出逐步增大的特點。基于此種情況所進行的分析，可發現軌道結構以及隧道的位移均呈現出勺狀分布的特點，同時伴有一定程度的軌道幾何形位變化。

三是伴隨盾構隧道與基坑側壁之間的水平凈距離的逐漸增大，對應的基坑開挖所產生的對軌道結構水平位移、豎向位移以及整體水平的影響卻在逐步減小。因此，可只考慮盾構隧道受基坑開挖的影響，確定界線后將施工領域劃分為強施工影響區與弱施工影響區。

四是在基坑支護結構設置為雙排樁的情況下，軌道結構的水平位移相較單排樁支護明顯有減小表現，對應略微減小的豎向位移的變化并不十分明顯，但同時伴有軌道軌距以及水平的不同程度的減小變化。從這一角度進行分析，可認定采取雙排樁支護方案，能夠將由基坑開挖所造成的對軌道結構以及盾構隧道的影響最大限度地降低，并能夠在隧道結構水平位移發展的過程中起到較為明顯的抑制作用。

7 結語

綜上所述，實際展開工程施工的過程中，需要對周邊建筑以及隧道等結構予以充分考慮，基于模型構建等方式，展開可能對周邊建筑結構所造成影響的深入分析。在影響模型的指導下，可獲得相應的影響曲線并分析出所造成的影響規律，在此基礎上配套采用相應的支護措施，即可將由于基坑開挖所造成的對地鐵隧道的影響降到最低，為保證施工安全、科學推進施工進程奠定堅實基礎。