基坑开挖对下卧地铁隧道变形影响分析

余建河 杜明礼

(1.陕西宏基建筑勘察设计工程有限公司，陕西 西安 710065； 2.江苏中汇岩土工程有限公司，江苏 徐州 221004)

0 引言

临近地铁周边进行工程活动对地铁正常运营是一个风险，其工程项目一般较大，实施周期长，技术要求高，实施难度大，场地条件复杂等，临近地铁项目的实施，不仅需要控制工程自身风险，更重要的是控制对地铁正常运营可能存在的风险。地铁项目由于其建造金额大、科技含量高、工程复杂、涉及学科广，地铁周边工程项目建造时风险大，一旦发生事故将造成严重的经济损失及社会影响，因此对地铁周边工程项目建设过程引起地铁变形影响进行分析研究非常必要。为做好地铁运营服务工作，分析评估周边各个项目施工引起的地铁变形情况，采取有效措施消除影响地铁运营安全的各个危险源可能带来的不安全因素，从而为地铁安全运营提供有力保障。

以深圳景田某横跨地铁隧道上方的基坑工程为例，通过三维有限元分析，对基坑开挖引起的下卧地铁隧道变形的影响进行分析研究，为优化设计和施工提供有益的参考。

1 工程概况

1.1 项目情况

拟建项目位于深圳市福田区景田，主要建(构)筑物为多层建筑，共4层，总高22.5 m。项目基坑周长175 m，面积约1 720 m2，基坑深度约为8.2 m～8.7 m。地铁二号线香梅北—景田区间隧道在基坑正下方穿过。

本基坑临近地铁、建筑和市政道路管线，均需直立开挖。基坑采用桩锚支护，局部采用角撑+排桩的支护形式。旋挖桩直径为1.0 m或1.2 m，桩间采用双管旋喷桩止水，止水桩及支护桩之间搭接0.2 m。桩顶设一道冠梁。基坑共设一道锚索，并设置锚索腰梁。基坑采用分层分区开挖，基坑开挖完第一层后设一道锚索，并设置锚索腰梁。基坑第二层按分区开挖，采用坡率1∶1的放坡措施，坡面挂网喷混凝土，基坑分区开挖，先开挖1区，再分别依次工序开挖2区、3区、4区，每个开挖分区长度约为5 m，如图1所示。

1.2 地质概况

①层人工填土：黄褐、褐红等色，主要成分为黏性土，不均匀夹混凝土、粗砂及钢筋等建筑垃圾；呈稍湿、松散～稍密状态，堆积年限超过10年，已基本完成固结。

②层含黏土砾砂：灰白；呈饱和、松散～稍密状态，主要成分为石英质砂、夹卵石，颗粒呈砾状，分选性差，级配较好。

③层含砂粉质黏土：红褐、紫褐等色，呈硬塑～坚硬状态，由下伏基岩残积而成，原岩结构全部破坏。

④层全风化花岗片麻岩：褐红、褐灰等色，原岩结构基本破坏，主要矿物成分为长石、石英、云母，属极软岩，岩体极破碎，岩石基本质量等级属Ⅴ级。

⑤层碎块状强风化花岗片麻岩：褐红、灰等色，原岩结构大部分已被破坏，风化强烈，裂隙发育，岩芯呈碎块、块状，手掰可折断，属软岩，岩体破碎，岩石基本质量等级属Ⅴ级。

1.3 基坑与下卧地铁隧道的关系

基坑在平面上呈矩形，空间横跨地铁轨道。基坑长边与该地铁2号线轨道走向一致，如图2所示。

基坑场地范围内地铁隧道顶埋深约17 m，基坑底与隧道顶高差最近约8 m，如图3所示。

由于基坑底与地铁隧道竖向距离较小，且基坑开挖可能引起地铁隧道周边围岩卸载回弹，从而引起地铁隧道结构变形。因此如何在基坑开挖过程以及项目实施完成后确保地铁隧道的运营安全，是本项目需要重点考虑的问题。

2 数值计算与分析

利用Midas GTS NX有限元分析软件，在合理的计算区域内，采用合适的本构模型建立三维有限元模型模拟本项目基坑开挖过程。

在实际过程中最不利情况是基坑开挖见底，因此按照最不利工况原则，根据本基坑与邻近地铁区间隧道的平面及立面关系以及基坑工程支护结构设计及施工特点，分析基坑开挖过程中支护结构和四道结构的变形情况。

2.1 模型单元

有限元模型采用不同材料(不同弹性模量、泊松比、粘聚力及摩擦角)的三维实体单元模拟不同物理力学属性的地层，采用板单元模拟支护结构、隧道结构。以基坑外轮廓为基准，外扩3倍基坑开挖深度作为模型计算范围，如图4所示。

2.2 工况模拟

基坑开挖引起基底卸载回弹，基底的回弹会带动下卧地铁隧道结构产生隆起变形。基坑采用分层分区开挖，模拟计算按如下工况进行：1)施作基坑支护；2)开挖基坑第一层并施作锚索；3)开挖基坑第二层1区；4)开挖基坑第二层2区；5)开挖基坑第二层3区；6)开挖基坑第二层4区。

2.3 计算结果分析

通过数值计算得到隧道结构最大隆起值与施工工况关系曲线如图5所示。从图5可以看出，随着基坑逐步开挖卸载，下卧地铁隧道结构隆起变形逐渐增大。

下卧地铁隧道结构隆起变形最大值出现在工况6开挖基坑第二层4区，即基坑开挖见底，最大隆起值8.89 mm，隆起的最大位置出现在基坑中部对应的隧道拱顶位置。地铁隧道的变形情况在线路纵向上呈现出正态分布，随着离基坑中心距离增加，隧道的隆起变形迅速减少，在离基坑中心线一定范围外，地铁隧道隆起变形值基本等于0，如图6，图7所示。

分析结果表明，当基坑开挖完成后，隧道结构发生的变形最大，隧道结构最大隆起变形为8.89 mm。根据《城市轨道交通安全保护第三方检测控制指标》有关规定：“城市轨道交通隧道结构设施绝对沉降量及水平位移量≤10 mm(包括各种加载和卸载的最终位移量)”，基坑工程开挖施工引起的地铁隧道结构水平变形和竖向变形都满足规定要求，基坑开挖过程中下卧地铁隧道结构是安全稳定的。

3 结语

1)基坑开挖会对下卧地铁隧道结构产生变形，土体卸载会造成地铁隧道周围土体隆起，基坑开挖过程应密切关注基坑周边位移和地铁实测位移。

2)根据数值计算分析，基坑开挖卸载引起的下卧地铁隧道结构变形值小于地铁安全保护区监测控制指标要求，基坑开挖不会影响下卧地铁隧道的正常运营。

3)基坑采用桩锚支护、角撑+排桩的支护形式，支护体系刚度较大，可有效控制基坑的变形，减少对地铁隧道结构的扰动影响作用是比较明显的。

4)基坑分层分区开挖对下卧地铁隧道的隆起变形的抑制作用明显。

5)地铁结构位移最大值发生在基坑开挖的最后工况，因此基坑支护施工时应减少基底的暴露时间，尽早施作地下结构并回填。