深大基坑开挖卸荷对地铁隧道的影响分析★

刘 贺 顾炜澄 曹海青

(1.江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213000; 2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

地铁作为解决城市交通拥挤的重要交通工具，近年来在各大城市发展十分迅猛[1]。成型的地铁隧道多深埋于地下，整体呈“线型”结构，由预应力管片拼接而成，抗变形能力较差，受周围岩土体应力环境影响较大[2,3]。基坑的开挖必然引起周围地层的移动，造成基坑周围岩土体应力重分布，导致地铁隧道隆起变形[4]。若地铁隧道位于含水层时，较大的变形可能会引发隧道渗水漏泥或局部破坏，对隧道结构安全和列车正常运营产生严重威胁[5,6]。

为研究深基坑开挖对地铁隧道的影响，本文采用三维有限差分软件FLAC3D模拟基坑开挖全过程中，研究不同开挖阶段对地铁隧道的影响；针对基坑开挖时的坑外降水方案，模拟坑外降水对地铁隧道的影响。针对模拟结果对整个基坑施工的安全性进行评估分析[7-9]，给日后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

南京某建筑工程基坑东侧与运营中的地铁2号线元通站一奥体东站区间隧道相接，最小净距约56 m，平行该区间方向基坑长度约177 m。南侧与运营中的地铁10号线元通站一奥体中心站区间隧道相邻，最小净距约103 m，平行该区间方向基坑长度约200 m。基坑与地铁隧道位置关系详见图1。

基坑总面积为44 847 m2，基坑总延长约835 m，基坑开挖深度为17.50 m。围护结构采用地下连续墙(围护桩)+内支撑的体系，与地铁相邻侧及临近楠溪江西街侧采用1 000 mm厚地下连续墙，另外一侧采用φ 1 100@1 300钻孔桩加φ 850@600高压旋喷桩。内支撑采用4层钢筋混凝土，对撑、角撑、边析架体系支撑。第一层支撑标高-2.00 m，第二层支撑标高-7.00 m，第三层支撑标高-11.60 m，第三层支撑标高-15.60 m。

基坑内对开挖深度范围内的潜水、第一承压水采用联合疏干井进行疏干降水，对第二承压水采用独立的降压井疏干降水。

1.2 工程地质情况

根据现场勘查报告可知，拟建场地内自上而下分布土层为：①-1杂填土、①-2素填土、②-1淤泥质粉质黏土、②-2粉质黏土、③-1粉细砂、③-2粉细砂、④中粗砂混卵砾石、⑤-1强风化泥岩。其中土体的物理力学参数详见表1。

表1 土层物理力学参数表

根据地下水的赋存、埋藏条件，本场地的地下水类型主要为孔隙潜水，承压水次之，基岩裂隙水更少。潜水含水层由①层人工填土、②-1和②-2层新近沉积的黏性土构成；弱承压含水层组由下部的③-1，③-2层粉细砂及④层中粗砂混卵砾石构成。

2 三维有限元数值模拟

为了研究基坑开挖对盾构隧道的影响，选用三维有限差分计算软件FLAC3D进行模拟仿真。充分考虑工程模拟精度与效率，模型尺寸为480 m×550 m×70 m，模型节点116 613个，实体单元数104 224个。计算分析采用M-C模型，地下车站结构、隧道衬砌以及基坑内支撑和立柱采用结构壳单元(Shell element)、衬砌单元(Liner element)以及梁单元(Beam element)模拟。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。模型施工图如图2所示。

3 安全评估分析

3.1 基坑开挖的影响分析

基坑分步开挖，第一层开挖深度0.95 m，二层开挖深度6.65 m，三层开挖深度10.55 m，四层开挖深度14.05 m至基坑底部，基底标高为15.1 m。坑内设置三道内支撑。各层开挖产生的地下结构总位移计算结果如图3所示。

由图3可知，地铁隧道位移值随着基坑开挖逐渐增大。基坑开挖后地铁2号线靠近基坑盾构隧道的最大位移值为3.42 mm，远基坑盾构隧道的最大位移值为2.25 mm；地铁10号线最大位移1.81 mm，所以距基坑越近隧道变形越大。基坑开挖结束后的隧道结构特征位移如表2所示，从表2中可以看出，2号线近基坑隧道位移量较大，远基坑一侧由于隧道的遮拦作用，位移较小；10号线由于距离基坑较远，整个开挖过程中，隧道位移较小，较为安全。整个开挖过程中，位移量均未超过控制值，临近地铁隧道位移变化不大。

表2 基坑开挖完成后地铁隧道结构位移特征值 mm

3.2 坑外降水影响分析

考虑到实际施工时如果地连墙的质量存在缺陷，在施工过程中存在漏水，则基坑开挖时必须采取措施降低坑外水位，这必然也会对地铁盾构隧道造成影响。为了研究降低水位的影响，在做地基加固的情况下开挖至设计标高后再降低地下水位至不同标高处，采集地铁盾构隧道的位移信息。计算所得水位降低至不同标高处(地下2 m，6 m，9 m，14 m)的地铁盾构隧道的位移情况如图4所示。

从图4中可以看出，隧道位移随坑外水位的下降变化较为明显，地下水从1 m降低到2 m位置后，2号线地铁隧道最大位移值为6.22 mm，已接近预警，当水位继续下降，地铁隧道竖向位移变化明显。因此必须采取措施保证止水帷幕效果，减小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保证地铁结构安全。

4 结论与建议

1)基坑开挖过程中，基坑围护结构最大水平位移为31.36 mm；地表最大沉降量为5.56 mm；地铁2号线两条隧道的总位移分别为3.40 mm和1.78 mm；10号线两条隧道的总位移分别为1.81 mm和1.81 mm；各数据均在控制范围内，可说明该基坑开挖过程中，地铁隧道结构和基坑结构安全。2)从2号线隧道位移情况和10号线对比可知，距离基坑较近的隧道位移变化越大，之后工程应尽量控制基坑与隧道结构的距离，保证基坑安全。3)2号线临近基坑侧隧道和远基坑侧隧道位移差异较大，说明位移地下的隧道结构，由于其自身刚度的影响，会对土体的变形起到一定的遮拦作用，因此之后工程中，应重点关注近基坑侧地铁隧道结构，做好加固处理。4)从坑外降水对地铁隧道结构影响的模拟计算中可以看出：隧道位移随坑外水位的下降变化较为明显，地下水从1 m降低到2 m位置后，2号线地铁隧道最大位移值为6.22 mm，已接近预警，当水位继续下降，地铁隧道竖向位移变化明显。因此必须采取措施保证止水帷幕效果，减小坑外水位下降引起的隧道位移，才能保证地铁结构安全。