海晏北路站～福庆北路站区间隧道变形分析

胡增辉

（宁波市轨道交通集团有限公司建设分公司，浙江 宁波）

引言

随着城市化飞速发展, 为缓解地面交通的巨大压力,地铁线路在我国大中城市中分布越来越密集，周边环境越来越复杂。周边基坑开挖势必会对地铁隧道造成一定影响[1]，Liang R 等[2]学者提出一种两阶段分析方法，预测邻近地铁隧道的基坑开挖变形对隧道的影响，李益斌等[3]学者根据苏州特有软土地区基坑开挖实际变形监测数据，分析其对周边环境的影响；高广运、李宇升、Shi J 等[4-6]学者通过数值计算方法，研究了深基坑施工对邻近地铁隧道区间的影响；郑加柱等[7]学者构建了顾及基坑开挖深度的动态变形分析模型；针对在基坑开挖卸荷的过程中，合理的预测基坑其对隧道变形影响,以便合理利用有效的手段进行保护，在实际工程中有较大的实践意义。

本文以宁波东部新城基坑为研究对象，其边界与轨道交通一号线海晏北路站～福庆北路站区间（以下简称“海～福区间”）的隧道相邻，基坑开挖前，该地铁区间还未运营，在开挖时间段，监测数据显示临近的地铁隧道，即海～福区间隧道，隧道壁表面逐渐有渗水现象出现，有大概四百多环管片贯通缝，出现重大险情[8-9]，因此，对隧道病害进行分析十分必要。本文采用有限元[10-11]分析方法，以隧道变形与基坑开挖之间的联系进行建模分析，获得隧道变形与基坑开挖之间的联系，基于此，为进一步对隧道进行更好的维护提供参考和依据。

1 工程背景

1.1 已建隧道工程概况

本文以宁波市轨道交通一号线海晏北路站～福庆北路站区间（以下简称“海～福区间”）附近基坑开挖为研究对象。晏北路站在2011 年5 月主体结构完成顶板浇筑，海～福区间在2011 年11 月完成盾构贯通；海晏北路站～福庆北路站区间起止里程为：右线K17+356.021 ～K18+102.477 （总长约0.7KM），在K17+867.000 处设一联络通道兼泵站。区间隧道断面为单洞单线圆形隧道，外径6.2 m，两线净间距3 m。海～福区间隧道纵坡最大坡度为25‰，顶部埋深为8.77～15.9 m，最小平面曲线半径为600 m。区间隧道采用盾构法施工。区间土质情况如表1 所示。

表1 隧道区间土质情况

1.2 隧道监测数据分析

监测单位对海～福区间隧道进行变形监测，以2011 年的数据为基础数据，进行了3 月30 日、3 月26日、3 月30 日的监测，数据如图1 所示。

图1 隧道区间变形情况

由图中可以看出，随着时间的增长，隧道位移值呈现逐渐增长的趋势，且变化量较大，至30 日时，累计变化量达到46.7 mm，变形情况需要引起高度重视；从沉降数据来看，数值变化明显，累计变化量在30 日时也达到了23.7 mm，沉降现象明显；从隧道的横向收敛和竖向收敛来看，隧道的变形情况也是较为严重的，至30 日，分别达到24 mm及23 mm 的累积值。因此，从监测数据可知，隧道存在明显的变形，对其进行变形分析是十分必要的。

1.3 相邻基坑情况介绍

该基坑临近海晏北路站至福庆北路地铁站，距离区间段北部大概11 m的位置，宁波东部新城C1-6、C1-7 地块，施工日期为2012 年1 月初；涉及地块形状为矩形，有两层地下车库，位于宁穿路以北，海晏路以东，河清路以西，南边存在大斜边，其总开挖面积约为24 800 m2。基坑的结构形式为排桩加两道内支撑，设计深度在11.4～12.0 m。

具体位置如表2。

表2 基坑位置

基坑与隧道的相对位置关系如图2、图3 所示。

图2 相对位置平面图

图3 剖面图

2 数值模拟分析

针对临近基坑与隧道变形产生这一问题，考虑到该基坑与临近地铁隧道之间的大概位置基本平行，可以将该问题看为平面应变问题[12-13]，本文采用有限元的方法，利用Mohr-Coulomb 模型[14-15]用于建模，模型基坑开挖深度为12 m，地铁隧道内径5.5 m，管片厚度为350 mm，埋深10 m，距离基坑边缘为11 m。采用壳单元模拟地铁隧道，用板单元模拟支护桩，锚杆模拟横向内支撑。

基于双参数模型，采用有限元方法，需要建立相应的假定，本文中涉及的基坑开挖的工期较短，基坑周边为20 kN/m2的荷载，土的变化为弹塑性变化且分布均匀；总实验以不排水条件进行分析；用板单元模拟地下连续墙，锚杆单元模拟横向内支撑，土体采用15 节点三角形单元模拟，围护结构与土体之间的相互作用采用界面单元模拟，模型底部约束水平和竖直方向位移，模型两侧边界约束水平位移，顶部为自由边界；另外，考虑到研究对象呈线性，实际长度较大，因此，本文将对其中的一个典型剖面进行分析。

如图4、图5 所示，模型建立采用plaxis 软件进行建模分析，具体的，土体采用15 节点单元，在基坑内部开挖区域，隧道内部开挖区域，以及容易出现应力集中的支护桩边界和隧道衬砌边界采取网格加密。初始应力采用K0 系数计算确定[16-18]。

图4 有限元模型图

图5 网格划分模型图

基于以上分析，获得如图6 所示的结果，可以看出：地铁隧道的水平位移和竖向位移较为明显，水平横向位移方向往施工的基坑靠近，呈横鸭蛋状，整体变形表现倾向于基坑底部。

图6 基坑开挖至坑底隧道与基坑变形图

图7 为隧道最终的变形情况，可以看到，隧道的总位移发生了较大的改变，水平位移和横向位移的也很明显。

图7 隧道变形图

图8 是监测数据与模拟结果的对比，可以发现，基坑施工接近基坑底部时，隧道的最大附加水平位移值为53.2 mm，严重超过准许值10 mm[19-21]，隧道最大附加竖向位移为-28.4 mm，严重超标（-10mm），临近基坑的施工会在一定程度上对海晏北路站-福庆北路站的隧道产生影响，使得隧道发生形变。

图8 监测数据与模拟结果对比

总的来看，在基坑施工期间，隧道变形的速率会增大；当基坑有内支撑时，可以在一定程度上减小其变形速率。另外，由于实际施工中，基坑回填土方反压及隧道内部会进行钢结构加固，会在一定程度上抑制隧道的变形，加之计算过程中会存在一些误差，因此本文的模拟数据和实际数据存在一定的不同，总体误差控制在20%以内。

3 结论与建议

利用隧道实际监测数据，对本文的模拟结果进行分析，可以获得以下结论：

（1）临近基坑的施工对隧道会产生较大的影响，导致隧道发生横向变形、竖向沉降等。

（2）基坑开挖时，采取回填土方反压、隧道钢支撑加固等措施，可以在一定程度上减轻隧道变形，但隧道依然会有变形现象产生。

因此，基于以上结论，为保障基坑开挖对隧道影响降到最低，本文提出以下建议：

（1）隧道周边有施工开挖工程之前，应对新建工程对隧道的影响进行评估，设计合理的施工方案。

（2）在临近隧道的基坑施工过程中，需要对隧道进行实时的病害监测，包括隧道变形、隧道渗漏水等。

（3）隧道附近需要进行施工时，需要对隧道进行加固，增加工程支撑措施等相应的稳定措施，将对隧道的影响降低。