临近地铁隧道深基坑开挖的影响分析

彭 晨

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

1 工程背景

新疆教育出版社信息楼基坑紧邻地铁1号线新疆大学站至二道桥站区间隧道，且在施工之前地铁隧道已经建成，基坑开挖及降水施工对地铁区间隧道的结构强度及变形的影响是不可避免的。因此，为了尽量降低基坑开挖对临近地铁隧道附加变形和受力的影响，对基坑方案进行评估，并且提出防护措施是十分必要的。乌鲁木齐地铁1号线是新疆维吾尔自治区的第一条地铁线，本次分析评估将为今后本地区类似工程提供借鉴。

2 工程概况

2.1 新疆大学站至二道桥站区间概况

新疆大学站至二道桥站区间为盾构区间，里程范围YDK1+455.931～YDK2+463.382，区间线路长度1 007.451 m，线路中心线距离15.2 m～20.5 m，隧道内径为5 500 mm，管片厚度为350 mm,轨面设计标高-17.51 m～-19.28 m，隧道结构底板埋深约18.7 m～20.47 m。区间主要穿越角砾层、中风化泥岩层、中风化砂岩层。

2.2 新疆教育出版社信息楼基坑概况

拟建工程总建筑面积11 000 m2，地下建筑面积1 800 m2，地下1层，地面上13层，高度为56 m，宽度为14.9 m，长度为55.3 m，结构形式为混凝土框架剪力墙，基础类型为阀板基础。新疆教育出版社信息楼工程基坑深度9.0 m～11.5 m，围护结构采用直径800 mm，间距1 600 mm钻孔灌注桩，围护桩桩顶位于地面以下2 m，围护桩嵌固深度4 m，采用C30混凝土。设置1道～2道锚索，锚索长度均为10 m，其中锚固段5 m，自由段5 m。

地铁隧道已施工完成，新疆教育出版社信息楼基坑开挖迟于临近地铁隧道施工。基坑开挖范围内，地铁隧道埋深为12.6 m～13.5 m，距离基坑边缘最近距离为11.07 m。图1为新疆教育出版社信息楼基坑与地铁隧道平面关系图。

3 计算模型说明

3.1 工程影响分析

基坑开挖对临近隧道区间影响的分析方法主要有三类：1)经验法；2)整体数值分析法；3)位移控制有限元法。其中，整体数值分析法是把基坑开挖施工过程和临近建(构)筑物作为一个相互作用的整体来分析，可以用来分析基坑开挖各阶段临近建(构)筑物的反映性状，通常借助于大型商业有限元软件，采用整体数值分析方法进行分析计算，其能够比较合理地模拟基坑开挖复杂的施工过程，以及基坑开挖引起周围土体介质的位移特性和隧道与基坑的相互作用。

通过新疆教育出版社信息楼基坑工程围护桩施工、基坑开挖打设锚索施工阶段数值模拟分析，根据分析结果判定基坑开挖对已施工完成的地铁隧道结构的影响，包括对地铁隧道结构内力、位移的影响等，并对新疆教育出版社信息楼基坑工程施工提出合理化建议，确保已施工地铁隧道的结构安全。

3.2 有限元分析

本文采用Midas Gts NX软件进行计算分析，盾构隧道施工、基坑开挖及支护施工工序共13步:第1步：计算初始水压力；第2步：计算初始应力场；第3步：第一次位移清零；第4步：盾构隧道施工；第5步：第二次位移清零；第6步：第一次降水施工；第7步：基坑放坡段开挖及围护桩施工；第8步：第二次降水施工；第9步：基坑第二层开挖及锚索施工；第10步：第三次降水施工；第12步：基坑第三层开挖及锚索施工；第12步：第四次降水施工；第13步：开挖至基坑底。

3.3 计算模型及参数选用

在计算模型范围内，多个地层分界线为曲线，考虑到建模的难度和在用数值模拟计算过程中，土层分界过多会影响计算结果的分析。因此，在模拟的过程中，地层分界线曲线处地层进行直线化简化。简化后的土层能很合理地反映在整个模型中地层的分布情况。本计算模拟新疆教育出版社信息楼11.5 m深基坑开挖，打设2道锚索对已施工地铁隧道的影响，采用二维模型计算，按照长宽160 m×60 m建立模型。盾构管片、围护桩采用一维梁单元模拟，锚索采用一维植入式桁架单元模拟，地层采用修正摩尔库仑弹塑性本构模型。地面超载取20 kPa。表1为土层参数表，表2为各类支护结构材料参数表。

表1 土层参数表

表2 支护结构材料参数表

4 计算结果分析

4.1 基坑开挖对已施工地铁隧道的变形影响及内力分析

地铁隧道外径6.2 m，埋深12.6 m，距离基坑边缘11.07 m，采用壳单元模拟地铁隧道。初始应力场计算采用K0系数计算确定，同时考虑了临近保护地铁隧道对初始应力场的影响，初始应力场及基坑变形云图如图2～图5所示。

4.2 计算结果

从计算分析可知，地铁隧道的变形及内力随基坑开挖深度的增加而增大，且最大变形及内力发生在开挖至基底的工况，引起的地铁隧道左线区间地层水平方向位移为1.98 mm，竖向位移3.84 mm；引起的地铁隧道右线区间地层水平方向位移为1.41 mm，竖向位移1.45 mm。基坑开挖施工引起的地铁隧道管片弯矩、剪力、轴力变化量分别为弯矩变化28 kN·m，剪力变化25 kN，轴力变化17 kN。

4.3 地铁隧道的变形控制标准

因城市轨道交通的结构安全控制指标与结构类型、地层等有关，控制标准应按具体工程条件具体分析。本次控制标准主要参考国内北京、上海、广州等城市轨道交通结构保护技术标准、规定并结合相关规范，拟建基坑邻近地铁隧道结构水平、竖向位移控制值不大于10 mm，预警值不大于5 mm。

5 结论及建议

根据有限元模拟计算，按照目前的设计，基坑开挖引起地铁隧道的竖向及水平位移均在控制值范围之内，隧道内力变化满足隧道管片承载力的要求。为了严格控制基坑的变形，保证地铁隧道的安全，并对临近基坑开挖、围护结构施工提出如下建议：

1)基坑锚索端部位于隧道轮廓周围3 m范围之外，锚索施工过程中务必保证锚索端部不侵入隧道轮廓周围3 m范围；

2)建议基坑开挖到锚索施工位置时，应及时施作锚索结构，减少靠近地铁隧道一侧基坑土体暴露时间，从而降低基坑开挖对地铁隧道结构的影响；

3)基坑施工过程中在地铁区间隧道两侧10 m范围的场地内材料、渣土堆载高度不超过1 m，桩基成孔过程中应采取措施确保不塌孔，加强施工中现场施工管理，及时高效的向相关单位传递相关监测数据；

4)对基坑施工区域范围内地铁区间隧道管片、轨道进行监测，对周边建构筑物和路面按要求布置监测点，监测地面变形情况，加强施工中现场施工管理，及时高效的向相关单位传递相关监测数据，并应在基坑施工时，对基坑附近区间结构加强现场巡查；

5)合理布置施工现场，不得将轨道交通隧道结构边线外5 m范围内的地面作为运输车道或材料堆场，确保轨道交通结构及结构外5 m施工附加荷载不大于20 kPa。