基坑开挖对既有地铁区间隧道影响研究

韩 伟 王余鹏 石端文

(1.福建林业职业技术学院 福建南平 353000；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430000)

0 引言

随着我国城市群化范围的扩大和轨道交通工程的大力发展，地铁周边建筑物集中，自然地质环境复杂，施工情况多变，人们对工程施工环境相关问题的当前研究大部分处在经验总结的阶段，而理论化、数字化、模型化的成果不多。

基于此，本研究针对厦门轨道交通1号线某站公交地块配套项目基坑施工对既有区间隧道的影响，采用岩土专业有限元软件(MIDAS GTS),按实际的施工工序进行模拟分析。土体采用莫尔库伦模型，采用板单元模拟各支护结构构件，板单元尺寸的确定原则是抗弯刚度和抗压刚度等效换算。MIDAS/GTS在模拟支护结构时能考虑结构和土体的协同作用，实现对支护结构的受力分析，并结合施工现场监控量测的结果对既有区间隧道的影响进行分析，可以省时省力地研究隧道互相穿越的工程实践[1]。

1 项目概况

项目场地位于厦门市湖滨南路以南，场地中部沿西南至东北向为某站在建区间隧道，采用明挖法施工，开挖宽度约为17m～21m。地铁区间穿过整个地下室，将地下室斜向划分成左右两部分，地铁区间上方为单层地下室，横跨地铁区间，连接了地铁区间左右两侧的配套项目地下室负二层。基坑西北区开挖深度12.7m(主楼区域 13.7m)，分两期施工，即南侧一期基坑和北侧二期基坑。区间明挖段基坑分为3个独立基坑，即 1#、2#、3#基坑，其中1#基坑为区间物业开发段基坑，2#基坑为地块内“坑中坑”开挖基坑，3#基坑为地块内垂直开挖基坑，如图1所示。

图1 基坑总平面图和地铁隧道明挖基坑平面图

1.1 基坑内区间概况

1#基坑主体结构为地下两层，周边建筑物较多，由于管线迁改需要，1#基坑大里程端约 6m 长度范围内采用顶板逆作法施工。2#基坑位于配套项目地块一期基坑内，一期基坑除放坡开挖部分，其余部分先整体开挖至标高-7.1m，然后进行地铁隧道基坑开挖，地铁区间围护及主体结构完成并回填密实后，进行地块基坑的二次开挖。由于二次开挖紧邻隧道基坑，因此将对地铁隧道结构变形与位移产生一定影响。3#基坑位于配套项目地块二期基坑内，二期基坑由于受到拆迁影响[2]，地铁隧道基坑先期从地表垂直开挖，开挖深度19.78m，待围护及主体结构完成并回填密实后，再进行两侧地块基坑开挖。由于二次开挖紧邻隧道基坑，因此将对坑内地铁隧道结构和坑外盾构始发井的变形与位移产生一定影响。配套地块基坑开挖完成后进行上部主体结构及其余桩基施工时，上部结构的基础工程及主体工程均会对已完成施工的地铁隧道结构产生一定变形影响。

地铁隧道基坑围护结构剖面图如图2所示。

图2 地铁隧道基坑围护结构剖面图

1.2 场地地质

1 素填土、2 淤泥、3-1 粉质黏土、3-4 粗砂、4淤泥质土、8-1 淤泥质粉质粘土、11-1 残积砾质黏性土。对应各土层物理力学性能指标如表1所示。

表1 各土层物理力学性质指标

1.3 场地地下水

场区地下水主要为孔隙式潜水、孔隙式风化带裂隙承压水。场区内水性较好，富水性较好。

2 建立有限元模型及数值模拟计算结果分析

2.1 项目地块一期基坑

采用平面应变模型分析基坑开挖和上部结构施工对优先建设的地铁隧道区间影响。由于开挖基坑较大，选取2#基坑A-A断面(图3)模拟地块基坑开挖宽度按隧道区间两侧40m考虑，左侧围护桩深度约15m，右侧围护桩深度约17m；地铁区间基坑开挖宽度为15.8，围护桩深度为14.1m。地块基坑坑外土体计算范围按20m考虑，据此取计算模型尺寸为135.8m长，53m深。围护桩、横撑、隧道衬砌采用梁单元模拟，分析中选用三角形与四边形进行网格化分。

材料参数如表2所示，具体模型如图4所示。

表2 材料计算取值参数表

图3 一期基坑 A-A 横断面示意图

图4 计算模型

采用MIDAS GTS NX 有限元分析软件进行二维分析计算，结果如下：

(1)配套地块基坑初始开挖至坑底

地块基坑开挖至标高为-7.1m 时，基坑开挖深度为9.4m。计算结果如图5所示，北侧最大变形量为10.4mm，南侧最大变形量为 5.25mm，坑内土体最大变形量23.2mm。

图5 地块围护桩水平位移图

(2)地铁基坑开挖至坑底

地铁基坑开挖至坑底标高为-15.5m时，开挖深度为8.4m，计算结果如图6所示，北侧最大变形量为 7.51mm，南侧最大变形量为7.36mm，坑内土体最大变形量6.87mm。

图6 地铁围护桩水平位移图

(3)地块二次开挖对已完成结构的影响

配套地块基坑北侧二次开挖至标高-10.4m时，基坑二次开挖深度为3.3m，南侧不进行二次开挖。计算结果如图7、图8所示，地铁隧道结构左线最大变形量2.74mm，右线最大变形量1.78mm，隧道最大变形量位移为1.26mm。

图7 隧道结构水平位移

图8 隧道结构竖向位移

(4)配套项目主体结构对地铁隧道结构的影响

配套项目主体结构的自重荷载将通过主体结构桩基础传递至周围土体，进而对邻近的地铁隧道结构产生变形影响。计算结果如图9～图10所示，地铁隧道结构左线最大变形量2.87mm，右线最大变形量 2.78mm，隧道最大变形量为-7.30mm。

图9 隧道结构水平位移图

图10 隧道结构竖向位移图

本研究模型建立和分析，选取最不利情况进行模拟，验证地块基坑二次开挖和上部结构建设对地铁隧道结构的影响[4]。结果表明，地块基坑二次开挖，使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为2.74mm，竖向最大变形量为1.26mm，满足控制标准；配套项目主体结构施工，使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为2.87，竖向最大变形量为-7.30mm，满足隧道结构变形标准。

2.2 文灶站公交地块二期基坑

选取如图11所示的基坑B-B横断面进行分析，采用平面应变模型分析基坑开挖和上部结构施工对优先建设的地铁隧道区间影响[5]。模拟地块基坑开挖宽度按隧道区间两侧50m考虑，左侧围护桩深度约20.3m，右侧围护桩深度约13.8m；地铁区间基坑开挖宽度为15.8m，深度为19.18m，地下连续墙深度为28.18m。地块基坑坑外土体计算范围按10m考虑，据此取计算模型尺寸为135.8m 长，53m 深。围护桩、地下连续墙、横撑分析中，选用三角形与四边形进行网格化分，具体模型如图12所示。

材料参数如表 3所示。

图11 二期基坑 B-B 横断面示意图

表3 材料计算取值参数表

具体模型如图12所示。

<1)，且各件产品是否为不合格品相互独立．

计算结果如下：

(1)地铁隧道基坑及配套项目上部结构桩基础施工

地铁基坑开挖至坑底标高为-16.9m处，基坑开挖深度19.2m，不考虑施工过程中土体的压密整平，计算结果如图13所示，隧道左线一侧基坑围护地下连续墙最大水平位移为16.2mm，隧道右线一侧地下连续墙最大水平位移均为16.1mm，坑内土体最大竖向位移38.1mm。

图13 地下连续墙水平位移

(2)地块基坑开挖对隧道结构的影响

地块基坑开挖至标高为-10.4m处，开挖过程逐步拆除地铁基坑横撑及地下连续墙，基坑北侧设裙边加固，东侧设预应力锚索加固[6]。计算结果如图14、图15所示，地铁基坑两侧土体开挖并拆除横撑后，隧道结构均产生向地铁基坑内侧位移。隧道左线结构最大水平位移为4.33mm，隧道右线结构最大变形量-4.15mm，隧道结构最大竖向位移为5.81mm。

图14 隧道结构受开挖影响水平位移图

图15 隧道结构受开挖影响竖向位移图

(3)配套项目主体结构施工对隧道结构的影响

计算结果如图16所示，基坑北侧裙边加固土体的开挖及主体结构荷载作用对隧道结构变形均产生了一定影响，隧道左线、右线均产生了偏向北侧水平位移。隧道左线结构最大变形量4.03mm，隧道右线结构最大变形量-6.09mm，坑内土体最大竖向位移为-7.66mm。

图16 隧道结构受开挖影响竖向位移图

本次模型建立选取最不利情况进行模拟，以验证地块基坑开挖和上部结构建设对地铁隧道结构影响。结果表明，配套项目基坑开挖使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为4.33mm， 竖向最大变形量为 5.81mm，满足控制标准；配套项目主体结构施工使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为6.09mm，竖向最大变形量为-7.66mm，满足隧道结构变形标准。

2.3 地铁周边地块基坑

模型长200m，宽150m，高40m，共291 775个单元。模拟范围内明挖基坑结构长140m，矩形隧道结构尺寸为6.75×6.00m，地面超载 20kPa。为减小模型规模，本次仅选取北侧基坑分析。重点研究建筑基坑开挖对明挖基坑围护结构的影响。钻孔桩和地连墙根据刚度等效原则进行折减，采用板单元模拟；基坑大小及支撑布设及参数设置，均按照图纸实际情况进行模拟。材料、土体参数同表1。计算模型的尺寸和位置关系如图17、图18所示。计算结果如下：

图17 计算模型

图18 基坑围护结构示意图

(1)地铁隧道基坑开挖

地铁基坑开挖至坑底，不考虑施工过程土体的压密整平，计算结果如图19～图21所示，隧道左线侧基坑围护地下连续墙、隧道右线侧地下连续墙最大水平位移分别为为9.16mm 和5.66mm，坑内土体最大变形量56.0mm。

图19 水平位移图

图20 竖向位移图

图21 地铁隧道基坑地下连续墙水平位移图

(2)地块基坑开挖至-10.4m

地块基坑开挖至标高-10.4m 处，开挖过程逐步拆除地铁基坑横撑及地下连续墙，基坑北侧设裙边加固，东侧设预应力锚索加固[8]。计算结果如图22～26所示，地块内基坑开挖对坑外地铁盾构始发井影响较小，基坑外部地铁区间地下连续墙结构水平最大变形量2.85mm，竖向最大变形量0.85mm，盾构始发井地下连续墙结构水平最大变形量0.87mm。

图22 水平位移图

图23 竖向位移图

图24 盾构始发井受开挖影响水平位移

图25 盾构始发井受开挖影响竖向位移

图26 盾构始发井受开挖影响水平位移包络图

本次模型建立，选取最不利情况进行模拟，验证地块基坑开挖对地铁隧道结构的影响。由于模型截取问题，隧道局部结构无法建立横撑，位移较大，该处位移数据不做分析。

结果表明，地块基坑开挖使地铁盾构始发井结构及地铁隧道结构产生的水平位移最大值为0.87mm，竖向最大变形量为0.85mm，满足控制标准。

3 基坑监测

基于配套项目基坑开挖深度深、面积大、土方量大，周期长，为确保施工安全，保证开挖的顺利进行，及时获取基坑开挖过程中围护结构及周围土体的受力与变形情况，从而有效地指导施工[9]，计算与监测结果如表4所示。

表4 围护结构及周围土体的受力与变形计算 与监测结果分析表 mm

表4中的支护结构比计算结果偏大，可采取加大钢支撑预加轴力、减少钢支撑间距等措施减小支护结构变形。基坑工程水平变形报警值应根据基坑工程的实际情况针对性地取值，建议取控制值的80%作为监测报警值。配套项目基坑工程施工期间应补充区间隧道专项监测方案，完善隧道变形的应急预案，对已建隧道进行实时动态监测，根据监测结果信息化指导现场施工，确保隧道安全[10]。

4 结语

基坑开挖面积大将产生显著的卸荷效应，引起坑内土体产生变形移动，在此影响下，先期施工的地铁隧道区间将产生一定的竖向和水平位移。

本次模型建立和分析，选取最不利情况进行模拟。从计算结果来看，2#基坑二次开挖，使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为2.74mm， 竖向最大变形量为1.26mm，满足控制标准；主体结构施工，使地铁隧道结构产生的水平位移最大值为2.87mm，竖向最大变形量为-7.30mm，满足隧道结构变形标准。

数值模拟计算最大变形量23.2mm与实际监测结果28.9mm基本吻合，且满足《铁路隧道监控量测技术规程》(QCR9218-2015)的结构允许最大变形量30mm的限值要求[11]。但由于支护结构的内力和位移影响因素的复杂性，模拟计算条件与实际条件之间差异，以及施工过程和岩土参数的影响差异，计算值和测量值之间存在一定偏差[12]。

明确监控预警指标并强化场地基坑实时监测，实现信息化施工，进行动态设计或增加工程措施，做好应急预案，可以确保基坑及建构筑物安全。