深基坑工程近接施工对既有地铁的影响——以济南某邻近地铁基坑开挖工程为例

张冬冬， 王 腾， 李 芳， 孙连勇， 代长顺， 黄永亮

(济南轨道交通集团有限公司； 山东省智慧轨道交通信息化与装备重点实验室， 济南 250014)

随着社会经济的快速发展，城市建设密度持续增大，地铁保护区内的深基坑施工项目越来越多，且多向着“深、近、大”的方向发展，深基坑的开挖施工会对邻近地铁保护区的安全产生不利影响。深大基坑施工开挖对邻近地铁的影响，已成为诸多学者研究的热点问题之一[1-4]。王罡采用现场监测与数值模拟相结合的方式分析了基坑施工对邻近运营地铁隧道变形的影响[5]；刘庆晨针对基坑开挖、地表荷载、承压含水层减压降水扰动方式等对既有地铁结构的影响机理及保护问题进行了研究[6]；王立峰等通过深入研究地铁隧道水平位移和沉降的时空分布，得出基坑开挖对近邻运营地铁隧道的影响规律[7]；Tan等深入地对基坑空间效应进行了研究，从异形基坑角度出发，分析了基坑工程的坑角效应，精准定位对地铁的影响[8]；张兵兵等采用FLAC3D进行数值模拟判定风险，确定基坑开挖对隧道结构造成的影响[9]；薛彦琪等通过回弹变形估算基坑底的回弹量和隧道的上抬位移，进而分析深基坑开挖卸荷对下卧既有地铁隧道的影响[10]。

不同的深基坑与既有地铁的相互影响，每个工程都有相应的独特性，且同时研究近接基坑对地铁区间及风井的研究相对较少，已有的研究难以有针对性的参考。深基坑工程是一个复杂的三维整体问题，其变形受多种因素的影响。本文根据基坑开挖具体实施方案和工序安排，结合工程实际情况，采用理论分析与数值模拟相结合的方式，进行基坑工程近邻地铁区间及风井施工安全性影响分析。选取大型岩土有限元分析软件 MIDAS 系列 GTS NX作为数值计算平台，建立三维有限元模型，对临近区间盾构隧道和风井的深基坑工程施工过程进行模拟，根据计算结果进行区间隧道及风井的影响分析。

1 工程概况

拟建深基坑工程总面积约6 204.6 m2，设计深度约12.5 m，基坑东西向长约65 m，南北向宽约82 m。基坑东侧为已建济南地铁3号线区间及区间风井。地铁盾构区间结构外边线距拟建深基坑边界最近约20 m；区间风井结构外边线距拟建深基坑边界最近约30 m，地铁区间隧道及风井结构与基坑位置关系如图1所示。

图1 地铁区间隧道及风井结构与基坑位置关系平面图

在勘察深度范围内(50 m)，场地自上而下分别为杂填土、素填土、粉质黏土、卵石、粉质黏土、粉质黏土混碎石、残积土、全风化闪长岩、强风化闪长岩、中风化闪长岩。场区地下水主要类型为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水以及岩浆岩风化裂隙水，抗浮水位按33 m考虑。

为减少基坑开挖对地铁结构及周边建筑造成的影响，基坑总体采用钻孔灌注桩+止水帷幕+角部三道混凝土支撑支护/三道锚索支护+坑内降水的支护形式。基坑支撑系统采用三道锚索+角部三道混凝土支撑的支撑布置形式，采用三道支撑有效控制基坑开挖后期拆撑造成的围护结构变形，以降低基坑施工过程中对既有地铁区间隧道及风井的影响。

2 模型建立

2.1 材料参数

为了更全面地反映工程现场，采用数值模拟软件进行建模计算。选用 MIDAS 系列 GTS NX有限元模拟软件，进行三维仿真模拟，考虑分步开挖支护，以使模拟计算结果吻合实际工况，反映复杂工程条件下的土体与结构的相互作用，灵活且方便地解决各种非线性问题和模拟复杂的施工过程。

重点分析基坑施工对邻近地铁隧道结构和区间风井变形的影响。在计算分析中做了如下假设：①认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；②将土体视为弹塑性连续体，采用修正摩尔-库仑本构模型，施工中产生的变形连续。土体相关参数来自工程地质勘查报告和工程经验取值，见表1。

表1 模型计算土体参数

表2为地铁车站结构、隧道结构、基坑围护结构的力学参数汇总，分析中假定这些结构均处于弹性阶段，模型中，地铁车站结构、隧道箱体结构、基坑围护结构采用板单元模拟，基坑水平支撑采用梁单元模拟，混凝土结构重度均为25 kN/m3。

表2 模型结构体计算参数

2.2 计算模型简介

计算模型以基坑中心为原点建立坐标轴，以沿东西向基坑边的方向为X向，南北向基坑边的方向为Y向，竖直方向为Z向。为消除模型边界效应，基坑以外四面再取3倍的开挖深度，X轴方向取200 m，Y轴方向取200 m，Z轴方向取50 m。模型有限元网格划分如图2所示，基坑与地铁位置关系如图3所示。

图2 模型有限元网格划分

图3 基坑与地铁结构位置关系

3 计算与分析

为了准确地模拟基坑开挖对既有区间隧道和风井结构的影响，采用动态模拟施工过程的计算方法，见表3。计算中模拟基坑施工的全过程，其中包括围护结构的施工、土方开挖等过程，计算全过程中地铁结构的实时变形等。

表3 分析步设置

3.1 基坑开挖完成各部分变形

此基坑开挖面积较大，卸荷作用显著，采取围护桩结合锚索及混凝土角撑的支护形式，有效地控制了基坑开挖引起的周边环境变形。现采取开挖至坑底的时间点来分析场地土体变形、基坑围护结构变形及其变形后引起的地铁结构变形。

3.1.1 场地土体位移

基坑开挖以后，基坑周边土体受土压力的影响产生向基坑内方向的水平变形。其X向及Y向的水平位移场分布如图4和图5所示。基坑周边土有靠近基坑方向的变形。

图4 土方开挖完成土体X向水平位移场

图5 土方开挖完成土体Y向水平位移场

从图4、图5中可以看出，当基坑开挖完成以后，由于基坑西侧围护桩间距较大，围护结构及支撑体系刚度较小，具有最大的土体水平位移，其中基坑X方向最大变形值为27.85 mm，Y方向的最大土体位移为24.13 mm。基坑临近地铁的东侧也有较大位移，基坑临近地铁侧X方向最大变形值为21.92 mm，Y方向最大土体位移为12.69 mm。

基坑开挖完成以后，坑底土体由于卸荷作用产生竖直向的变形，并引起基坑内外土体位移场发生改变，表现为坑内土体隆起而坑外土体产生沉降。当基坑开挖至坑底后，土体竖向位移场分布如图6所示。

图6 土方开挖完成土体Z向竖向位移场

由图6可知，基坑开挖完成后，坑外出现了一定范围的沉降槽区域，沉降最大值出现在围护结构外一定距离处的地表位置，随着距离的增大，沉降逐渐减小，呈现出明显的沉降槽。其中，最大沉降值为21.02 mm，基坑临近地铁结构侧最大沉降为12.41 mm。

3.1.2 基坑围护结构变形

基坑围护结构的变形规律与周围土体位移场相同，各边均表现为基坑开挖至坑底时，最大位移出现在坑底附近。图7和图8分别为主体结构基坑开挖完成后围护桩X向和Y向的水平位移场分布，其中X方向最大变形为26.75 mm，Y方向最大变形为23.22 mm；基坑临近地铁侧X方向最大变形为21.92 mm，Y方向最大变形为16.80 mm。

图7 土方开挖完成围护桩X向水平位移场

图8 土方开挖完成围护桩Y向水平位移场

3.1.3 既有区间隧道结构位移

隧道X向水平位移场分布如图9所示，当主体结构基坑开挖完成后，盾构隧道产生向基坑方向的水平位移，最大位置发生在与基坑一侧相邻处当基坑开挖施工完成后，其X向最大水平位移为2.37 mm。

图9 土方开挖完成隧道区间X向水平位移场

地铁隧道Y方向水平位移如图10所示，当主体结构基坑开挖，Y方向水平位移最大值约为1.21 mm。随着距基坑的距离增加，隧道的Y向水平位移逐渐减小。

盾构隧道竖向位移如图11所示，为主体结构基坑开挖施工完成后，地铁隧道的竖向位移场分布。表现为隧道中间沉降，其中最大沉降值为0.54 mm。

盾构隧道总位移如图12所示，为主体结构基坑开挖施工完成后，地铁隧道的总位移场分布。区间隧道最大变形值为2.72 mm。

图10 土方开挖完成隧道区间Y向水平位移场

图11 土方开挖完成隧道区间Z向位移场

图12 土方开挖完成隧道区间总位移场

3.1.4 既有区间风井结构位移

基坑开挖完成后，区间风井X向水平位移场分布如图13所示，区间风井产生向基坑方向的水平位移，最大位置发生在与基坑一侧相邻处的风井地面风口附近，最大X向水平位移为1.60 mm。

区间风井Y方向水平位移如图14所示，基坑的施工对区间风井Y向影响较小，最大位移为0.46 mm，最大位移在区间隧道与区间风井相接位置处。

区间风井竖向位移如图15所示，基坑开挖完成后，区间风井靠近基坑部分产生沉降，最大位移为0.30 mm。远离基坑处风井有略微隆起，最大隆起位移为0.005 mm。

图13 土方开挖完成区间风井X向水平位移场

图14 土方开挖完成区间风井Y向水平位移场

图15 土方开挖完成区间风井Z向位移场

计算结果对比分析表明，相对于其他工程活动，第一道支撑拆撑完成各部分变形后，盾构隧道及区间风井的沉降最大。因此，下文着重考虑第一道支撑拆撑完成后盾构隧道及区间风井变化的运算结果。

3.2 第1道支撑拆撑完成各部分变形

3.2.1 既有区间隧道结构位移

隧道X向和Y向水平位移场分布如图16和图17所示，其X向最大水平位移为2.37 mm，Y向最大水平位移为1.22 mm。

盾构隧道竖向位移如图18所示，表现为隧道中间沉降，其中最大沉降值为0.54 mm。

盾构隧道总位移如图19所示，隧道最大变形值为2.70 mm。

图16 第1道支撑拆撑完成隧道结构X方向水平位移场

图17 第1道支撑拆撑完成隧道结构Y方向水平位移场

图18 1道支撑拆撑完成隧道结构Z方向竖直位移场

图19 第1道支撑拆撑完成隧道结构总位移场

3.2.2 既有区间风井结构位移

区间风井X向水平位移场分布如图20所示，区间风井X方向最大水平位移为1.80 mm。区间风井Y方向水平位移如图21所示，区间风井Y方向最大水平位移为0.47 mm。

区间风井竖向位移如图22所示，区间风井靠近基坑部分产生沉降，最大位移为0.30 mm。远离基坑处风井有略微隆起，最大隆起位移为0.005 mm。

图20 第1道支撑拆撑完成区间风井X方向位移场

图21 第1道支撑拆撑完成区间风井Y向位移场

图22 第1道支撑拆撑完成区间风井Z方向位移场

基坑施工计算全过程中地铁结构的实时变形见表4和表5。

表4 既有区间隧道结构位移 单位：mm

表5 既有区间风井结构位移 单位：mm

3.3 计算结果分析

综合上述计算结果，基坑在正常施工条件下，施工完成后，盾构隧道区间和区间风井结构变形如下：

1)盾构隧道区间：X方向最大水平位移为2.37 mm，Y方向最大水平位移为1.22 mm，最大沉降约为0.54 mm。

2)区间风井结构：X方向最大水平位移为1.80 mm，Y方向最大水平位移为0.47 mm，最大沉降约为0.30 mm。

表6显示基坑开挖完成后，既有地铁结构出现了不同程度的位移，且位移值均小于报警值，结构安全。

表6 安全性评估计算结果 单位：mm

4 结论与建议

此基坑现场情况较复杂，四周邻近既有运营地铁线路，地铁线路对位移、沉降极为敏感，基坑围护和降水设计中对邻近既有地铁的区间隧道及风井的影响显得尤为重要，也是之所以要将位移和沉降控制在规范及地铁要求的允许范围之内的原因。运用MIDAS有限元模拟软件同时动态模拟施工全过程对隧道区间及风井的作用，通过预测工程施工对地铁结构的影响程度及带来的危害，从而对工程的施工方案、设计及地铁的运营管理提出指导性的意见，对危险部位事先采取防范措施，规避风险。

1)根据计算结果，区间隧道变形最大值出现在基坑开挖至坑底，区间风井变形最大值出现在基坑第一道支撑拆除完成后；基坑开挖至坑底到基坑支撑拆除完成的过程为基坑开挖对地铁结构变形影响的最不利工况，施工过程中需要结合监测单位对地铁结构的位移、沉降等监测结果，重点并实时关注最不利工况施工过程中的地铁结构变形。

2)此基坑工程在正常施工条件下，会引起近邻及下方的既有地铁区间隧道及区间风井结构发生沉降、侧移、倾斜、扭转、隆起等变形。地铁区间范围内基坑施工引起隧道结构变形值在控制标准范围之内，结构承载力及裂缝宽度均满足要求，风险总体可控。

3)数值分析基本能够反映基坑开挖卸载引起的既有地铁结构变形规律，能够较好地量化影响程度，但由于有限元模型、土体本构关系、土层参数的特点，模拟值及影响范围可能会与实际值有一定差异。

4)为保证外部作业与轨道交通既有结构的净距，减少锚索施工对既有地铁结构的影响，施工过程中应保证锚索末端与既有轨道交通结构外边线之间的水平投影净距不小于12 m。

5)基坑工程施工应时刻关注地下水的变化，做到及时降水。并对受影响的盾构区间及风井结构进行实时监测，尤其对基坑临近地铁边中部的结构等变形较大的部位应加强监测频率。