含砂姜黏土层中基坑施工对地铁隧道结构影响分析

闫 磊

(徐州市地铁集团有限公司 徐州 221009)

0 引言

伴随着城市的发展和城市轨道交通建设的推进，临近地铁的建设活动越来越多。如何在周边建设活动的实施过程中，保障轨道交通结构和设备设施的安全，成为业内专家的热点研究内容。结合工程实例，国内专家开展了大量的研究工作。刘国彬等[1]、戚科骏等[2]以上海软土地区工程实例为基础，分析了软土地区基坑工程与周边建筑物的相互影响关系，总结了常用的治理措施，并提出了设计和施工过程中的一些注意事项；唐仁等[3]结合广州地区临近地铁的深基坑工程为例，对基坑开挖对区间隧道的影响及监测结果进行了分析；国内其他学者[4-7]也针对不同的工程实例开展了相关的研究工作。

本文在前人研究基础上，以徐州地区特有地层(5)3～4含砂姜黏土层中临近地铁区间隧道的深基坑施工为例，探讨该地层中邻近地铁区间结构的基坑开挖施工的有效防护措施。

1 工程概况

1.1 基坑工程简介

拟建项目临近某线路区间隧道，项目建筑主体25层，地下2层，裙房2层，总高度99.05m。基坑北侧围护结构距区间隧道最小距离为5.42～7.98m，平行隧道区间方向基坑长度为34.4m，基坑开挖深度为10.45～11.75m。基坑与区间隧道位置关系详见图1。

1.2 工程地质及水文地质

场地周边环境较复杂，主要为黄河冲积平原地貌单元，近地表广泛分布全新世砂性土和黏性土。建筑场地的覆盖层厚度41.30～43.40m，土层分布详见图2。

其中场地广泛分布的(5)3～4层含砂姜黏性土内部含砂礓石(钙质结核)颗粒(多分布于9～13m、18～25m)，零散地嵌于黏性土层中，质地坚硬，粒径0.50～8.00cm不等，压缩性中等，强度中高，具弱膨胀潜势。相关研究表明[8-9]，(5)3～4层含砂姜黏性土层一般具有结构性、非均匀性、膨胀性，水平向渗透性好，富水性强，局部可能存在高承压水。该层土在施工过程中应格外关注。

图1 基坑位置示意图 图2 剖面示意图

2 三维有限元分析

2.1 有限元模型

为保障地铁隧道结构安全，根据工程地质条件，经初步分析，围护结构布置方案由1道砼桁架支撑改为2道砼桁架支撑，止水帷幕由桩间止水改为三轴搅拌桩外包止水。基坑支护结构采用Φ800@1100钻孔灌注桩+Φ850@600三轴搅拌桩止水帷幕。

采用某三维有限元分析软件，模型的尺寸长×宽×高分别定为350m×240m×50m。模型中，根据设计图纸及详勘资料，土体从地表往下分成7层，计算分析土层采用修正M-C模型。

模型四周边界约束水平位移，底部全约束，立柱底端约束竖向转动。模型考虑土体及结构自重荷载，地面超载20 kPa。模型分层详见图3，计算模型如图4所示。

图3 分层示意图 图4 模型示意图

2.2 基坑开挖对区间隧道变形影响分析

对模型进行计算，模型计算结果如表1、2。

表1 区间隧道形变计算 (mm)

表2 基坑开挖完成后邻近基坑侧地铁隧道特征附加位移值 (mm)

由计算结果可知，地铁盾构隧道位移值随着基坑开挖逐渐增大。基坑开挖后靠近基坑盾构隧道的最大附加水平位移值为3.36mm，最大附加竖向位移值为1.69mm；基坑开挖后靠近基坑盾构隧道的最大径向收敛值为0.44mm，隧道变形最大差异沉降值为0.5mm/10m。形变最大位置均为基坑西侧边中部位置。以上位移均在规范允许的范围内，基坑开挖对隧道变形的影响可控。

2.3 基坑开挖对区间隧道内力影响分析

提取盾构隧道变形最大处断面各节点变形值，输入隧道计算荷载结构模型，得到基坑施工后既有盾构隧道内力变化如表3所示。

表3 基坑施工后盾构隧道内力变化结果汇总表

经对比开挖前后管片弯矩增加约25%，轴力基本不变。基坑开挖后弯矩成增大趋势，经复核，原管片配筋满足结构强度及耐久性要求。

3 基坑监测结果分析

为监测基坑施工对区间隧道结构的影响，基坑实施过程中严格按照相关规范要求选择监测设备，制定监测方案，对基坑自身桩顶水平和竖向位移、周边地面沉降、深层土体位移等项目进行监测，部分测点布置如图5所示。临近地铁隧道结构侧深层土体水平位移和地面沉降部分监测结果如图6和图7所示。

临近区间隧道侧基坑围护结构累计水平位移量最大值约为8.54mm，较有限元分析结果减小约25.7%。土体变形连续，可知基坑施工引起的区间隧道的变形在可控范围内。

区间隧道上方地面最大累计沉降量为4.67mm，较模拟分析结果略大。变形最大位置位于临近区间隧道侧基坑中部。

深层土体位移监测累计最大位移量出现在深2m 处，累计水平位移量为8.31mm(向基坑方向位移)，基坑变形可控。

图5 临近区间隧道侧基坑测点布置图

图6 临近区间隧道深层土体水平位移(mm)

图7 区间隧道上方地表沉降(mm)

综上监测结果可知，基坑实施对区间隧道结构安全影响较小,区间隧道结构安全可控。

因基坑施工中将临近地铁侧作为施工通道，周边环境的监测结果虽未超出监测限值，但隧道上方地面累计沉降量较数值分析的结果有所增大，对轨道交通结构的影响也相应增大。

4 结论

通过对基坑施工全过程进行有限元模拟，并结合监测结果进行对比分析，可得以下结论：

(1)在软弱土层中，通过提高围护结构和内支撑的刚度，同时采用有效的止水形式，可以较好地保障基坑自身的安全和轨道交通结构的安全。

(2)通过有限元分析，基坑开挖施工过程中，轨道交通结构靠近基坑侧边中间位置处沉降和侧向变形最大，在施工过程中应重点监控。

(3)施工过程中，由于施工场地布置的原因，导致基坑变形较数值计算结果有所增大。后续类似工程中应予以关注。