深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道的影響及保護(hù)措施研究

鮑新杰

（江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司宜興分公司，江蘇 無錫 214200）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國對(duì)于地下空間的開發(fā)與利用不斷提高，基坑工程的規(guī)模也在不斷朝向更大、更深發(fā)展[1]。基坑工程常出現(xiàn)在城市建（構(gòu)）筑物密集區(qū)，而地鐵作為緩解城市交通壓力最重要最有效的途徑之一，更是穿梭于城市內(nèi)各個(gè)區(qū)域，這就使得擬建基坑工程在既有地鐵區(qū)間隧道周邊施工的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，而基坑開挖時(shí)勢(shì)必改變土體應(yīng)力平衡，對(duì)周邊地鐵隧道產(chǎn)生或大或小的影響。因此，控制基坑開挖對(duì)地鐵的影響，并制定相關(guān)保護(hù)措施，對(duì)地鐵的安全運(yùn)營以及基坑的正常施工十分重要。

數(shù)值模擬分析計(jì)算作為一種隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而不斷發(fā)展且逐漸成熟的分析方法，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于基坑工程開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響研究中[2-5]。佘格格[6]研究了深基坑開挖對(duì)鄰近地鐵線路的影響，分析了地表變形規(guī)律，確定了地鐵軌道的最大沉降值；胡健等[7]開展了基坑開挖對(duì)周邊高速公路變形的影響研究，結(jié)果表明，基坑開挖對(duì)高速公路坡腳變形的影響可以忽略。

以常州市青果巷一處實(shí)際基坑工程為背景，借助PLAXIS 3D有限元分析軟件，研究該基坑工程開挖對(duì)鄰近既有地鐵區(qū)間隧道的影響，并根據(jù)實(shí)際工程特點(diǎn)，制定相應(yīng)的保護(hù)措施。

1 工程概況

某基坑工程位于常州市青果巷，基坑開挖深度約為-10.5m，開挖面積約為3300m2，基坑北側(cè)靠近史良故居，最近距離為4.6m，東側(cè)距離地鐵隧道最近約13m，地鐵隧道頂部埋深約為16m，隧道直徑為6.2m，兩條地鐵隧道線的中心距離為14m。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔灌注樁作為支擋結(jié)構(gòu)，外側(cè)布置三軸攪拌樁作為止水帷幕，隔斷淺部承壓含水層，同時(shí)基坑內(nèi)部設(shè)置一道水平混凝土支撐。淺部卸土1.5m，采用直立250mm厚混凝土擋墻支擋，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用鉆孔灌注樁，樁徑900mm，樁間距1100mm。止水帷幕采用三軸水泥土攪拌樁，樁徑850mm，間距1200mm，樁長18.2m。冠梁尺寸0.8m×1.2m，內(nèi)支撐尺寸0.8m×1.0m。調(diào)查期間，穩(wěn)定地下水水位約為-2.9m。

2 有限元模型

在實(shí)際設(shè)計(jì)中基坑工程經(jīng)常被簡化為平面應(yīng)變問題，但實(shí)際上基坑開挖是一個(gè)典型的空間問題。故借助巖土工程分析軟件PLAXIS 3D，采用小應(yīng)變土體硬化模型對(duì)基坑工程進(jìn)行三維建模，土體參數(shù)按照現(xiàn)有相關(guān)研究選取[8]。為了最大限度地消除模型邊界效應(yīng)[9]，將模型尺寸設(shè)定為300m×300m×50m；圍護(hù)樁厚度等效為1m，彈性模量為33.5×106MPa；地鐵隧道厚度為0.35m，彈性模量為34.5×106MPa；冠梁及內(nèi)支撐的彈性模量均為3×107MPa。有限元模型通過網(wǎng)格劃分共生成120682 個(gè)單元和182509 個(gè)節(jié)點(diǎn)。建立的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維計(jì)算模型

此外，本次計(jì)算步驟按照實(shí)際施工工藝進(jìn)行設(shè)置，具體包括11個(gè)步驟。

步驟1：計(jì)算初始地應(yīng)力，該計(jì)算步采用K0過程生成；

步驟2：位移清零，以消除生成地應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的初始位移，并模擬地鐵施工；

步驟3：模擬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工，同步激活板單元正、負(fù)界面，同時(shí)由于實(shí)際條件下，地鐵區(qū)間隧道早已建成，此時(shí)地應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，因此應(yīng)再次進(jìn)行位移清零，消除施工地鐵隧道時(shí)產(chǎn)生的附加位移；

步驟4：坑內(nèi)降水至2.4m標(biāo)高，施工臨時(shí)擋墻；

步驟5：基坑開挖至2.9m標(biāo)高；

步驟6：模擬基坑冠梁及支撐結(jié)構(gòu)施工，支撐標(biāo)高為2.9m；

步驟7：再次進(jìn)行坑內(nèi)降水至-6m標(biāo)高，底部土體水力條件設(shè)置為內(nèi)插；

步驟8：開挖至基坑坑底，即-5.35m標(biāo)高；

步驟9：模擬地下室底板施工；

步驟10：繼續(xù)向上施工地下室樓板及結(jié)構(gòu)柱；

步驟11：拆撐。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2給出了在步驟8時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向和水平位移云圖，此時(shí)地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移值達(dá)到最大?？梢钥闯?，隧道左、右線的變形趨勢(shì)相似：在垂直方向上，主要是隆起，在水平方向上，主要是朝向基坑方向的變形。當(dāng)基坑開挖到坑底時(shí)，隧道左線的最大豎向隆起為2.2mm，最大水平位移約3mm，右線的變形比左線的變形小，右線的最大豎向隆起為1.1mm，最大水平位移約1.5mm。顯然，基坑開挖對(duì)隧道水平變形的影響比垂直變形更明顯。左線的變形大于右線的變形，說明影響程度與基坑距離有關(guān)。此外，從圖2中還可以得出，隧道的變形與隧道相對(duì)于基坑部位的位置有關(guān)，即地鐵隧道的最大變形發(fā)生在基坑中部附近，沿隧道長度方向離基坑越遠(yuǎn)，變形越小。

圖2 步驟8時(shí)地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，經(jīng)分析計(jì)算，基坑施工主要步驟下地鐵隧道位移、最大徑向收斂和最小曲率半徑結(jié)果匯總情況見表1?；邮┕ひ鸬乃淼澜Y(jié)構(gòu)附加隆沉量和水平位移量均小于10mm，滿足規(guī)范變形控制要求[10]，隧道結(jié)構(gòu)局部變形最小曲率半徑5×106m，大于15000m。基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響在安全可控的范圍內(nèi)，本次基坑支護(hù)方案及施工工藝是合理有效的。

表1 地鐵隧道變形結(jié)果匯總

4 保護(hù)措施建議

為減小基坑開挖對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道的影響，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)實(shí)際情況，給出下列相關(guān)保護(hù)措施建議：

（1）施工中應(yīng)注意灌注樁、攪拌樁及高壓旋噴樁施工對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，必要時(shí)應(yīng)控制施工速度。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)工序，先完成攪拌樁封閉，再施工灌注樁，最后施工旋噴樁。在攪拌樁和旋噴樁施工期間，監(jiān)測頻率應(yīng)加密至1次/d。

（2）建議基坑按照分層、分段、分塊、對(duì)稱、平衡、限時(shí)的方法確定開挖順序，先開挖遠(yuǎn)隧道側(cè)，并在近隧道側(cè)10m范圍內(nèi)預(yù)留土，以減小對(duì)地鐵隧道的影響。

（3）基坑開挖范圍內(nèi)涉及粉土和粉砂層中的微承壓水。施工前應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，確保止水帷幕有效性后方可開挖。土方施工過程中，要確?；觾?nèi)外排水的連續(xù)運(yùn)行，降水井按需降水?？油鈭龅匮鼗娱_挖設(shè)置環(huán)繞閉合的明溝排水系統(tǒng)，施工期間應(yīng)加強(qiáng)坑外水文井觀測，確保止水帷幕有效性。

5 結(jié)束語

基于小應(yīng)變土體硬化模型，借助PLAXIS 3D 有限元分析軟件，對(duì)深基坑開挖引起的鄰近既有地鐵區(qū)間隧道的變形展開研究，并制定系列保護(hù)措施建議，得到以下結(jié)論：

（1）地鐵區(qū)間隧道受基坑影響的程度與其距基坑的距離有關(guān)，靠近基坑的地鐵線路位移要大于遠(yuǎn)離基坑的地鐵線路位移，水平位移值大于豎向位移值，且沿著隧道長度方向，位移值向兩端逐漸減??；地鐵隧道最大變形發(fā)生在基坑中部附近。

（2）從隧道位移量、最小曲率半徑多角度分析，基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響均在安全可控的范圍內(nèi)，認(rèn)為采取的支護(hù)方式及施工工藝是合理有效的。

（3）為了進(jìn)一步保證地鐵區(qū)間隧道的安全性，從各類支護(hù)樁施工、基坑開挖方式及預(yù)降水角度提出進(jìn)一步的保護(hù)措施建議，相關(guān)建議可應(yīng)用于其他類似工程中。