基坑开挖对邻近地铁结构基础的影响研究

赵伟

（中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100032）

0 引言

时代的发展与进步使得基坑开挖工程的建设数量逐渐增多，而在基坑开挖的过程中需要对周边因素予以充分考虑，进而保证基坑开挖工程建设的整体安全性与稳定性。以邻近地铁为例，受深基坑施工的影响可能造成周边土层的移动与变形，此种变形将会逐渐传递到邻近的地铁隧道，增大原有结构受力平衡被打破的风险，致使隧道内的轨道结构产生诸如变形与位移等诸多不良变化。为此，需要基于现有成果展开对于基坑开挖以及结构施工过程中可能对地铁隧道所造成的影响研究，基于数值分析模型对基坑与隧道水平净距、基坑支护结构的影响进行深入分析，为基坑开挖工程的正常施工以及地铁的运营安全提供保障条件。

1 工程概况

1.1 基坑与区间隧道

举例工程位于某地铁区间隧道的东侧位置，拟建设的建筑主体为地下两层与地上两层，其顶板的覆土厚度设定为1.5m，底板的埋深深度设定为14.2m。设置的施工基坑与临近的地铁区间隧道距离为8m，设计的开挖轮廓尺寸为73m×149m。为保证基坑开挖过程中的临近地铁隧道的安全性，需要预先搭设基坑围护结构，包括钻孔灌注桩、双排悬臂桩等[1]。地铁隧道的施工方法为盾构法，埋深为18.55m，其衬砌结构采用的预制混凝土管片的厚度为300mm，环宽度为1.2m。

1.2 地质条件

举例建设的场地的自然地面标高为46.71～48.26m，存在着覆盖一定范围的人工填土层结构，经测量厚度为1.3～4m，材料组成主要为粉土填土与卵石填土。人工堆积层下存在第四纪冲洪积沉积层，结构组成材料主要包括黏土、粉土以及卵石等。

2 建立数值分析模型

2.1 模型假定与简化

展开针对基坑开挖的模拟计算的过程中，需要给出以下的基本假定：

一是保证土体为各向同性且均质的理想弹塑性体，将其进行简化处理后其各层的主体以及地表分布的水平层具有匀质特点[2]；二是在计算模型时其初始应力的确定只需要对土体的自重进行考虑，无需对地下水可能造成的影响进行分析；三是假定地铁的区间隧道与其对应的轨道结构将会产生协同变形；四是钢轨与道床可进行变形协调[3]。明确基本假定后即可基于MIDAS/GTS 软件构建三维数值计算模型。在这一过程中，需要将边界效应最大限度地消除，联系开挖区域与区间隧道之间的位置关系，需要确定模型沿垂直线路的长度为200m，沿隧道方向的长度为80m，沿地层深度的方向为50m，土体四周及底部采用法向约束，模型的上部为自由边界。

由于钢轨与模型尺寸的比相差例较大，因此要想在模型中全面展现影响效果较为困难，因此使用实体单元对道床进行模拟，并需要依据实际情况设置钢轨位置的节点。如此，即可在道床与钢轨协同变形假设成立下，将道床钢轨位置节点所产生的位移视作为钢轨的位移量。

2.2 模型材料参数

基于对地质勘查报告的相关数据的分析，联系模型的特点与给出的地层参数，需要针对主体采取适当的简化处理，例如在明确的深度范围内需要合并相近岩土类别的土体，并需要计算基于土层厚度的加权平均数，综合取值才可保证数据的准确性。而模型的强度设定主要基于莫尔－库仑准则，确定为弹塑性本构关系。

2.3 模拟施工过程

模拟过程整体采用单元网格计划与钝化的方法，能够对基坑开挖的整个动态流程进行模拟，需要同时对基坑开挖过程可能对临近隧道与轨道结构所产生的影响进行分析，该过程需要严格遵循以下工序展开模拟[4]：一是开挖，需要对1.5m 的自然地面表层的覆土进行开挖；二是采取排桩支护方案并在其周边建设围护桩；三是需要对自然地面1.5～3m 的土地进行开发；四是需要开挖自然地面下的3～8m 土体；五是需要对自然地面下的8～12m 土体进行开挖；六是需要对自然地面下12～14.2m 的土体进行开挖。

2.4 布置计算点与变形控制标准

为确保基坑开挖可能对邻近地铁区间隧道以及轨道结构影响的分析准确性，需要选择对应轨道结构断面的具有代表性特点的节点展开计算。需要设置的计算断面数量为9 个，并应在每个断面设置13 个计算点，包含了10 个位于区间隧道断面的计算点与轨道结构断面位置的3 个计算点[5]。整个过程需要基于城市轨道交通工程监测技术规范与标准工务维修规则展开相应工作，例如隧道结构的上浮其累计量不得超出5mm，水平位移则应控制在3mm 左右，正线轨距水平变化应控制在4mm 以下。

3 计算结果与分析

3.1 区间隧道与轨道结构变形

伴随基坑开挖工程的持续推进，基坑位置的坑底与侧壁的土地均产生了不同程度地朝向基坑内侧的变形情况，导致周边土体均产生了偏向于基坑方向的一定位移，带动了整个隧道一侧水平位移。再加上受到开挖卸载作用的影响，也将产生不同程度的竖向位移[6]。展开分析需首先明确分析对象，建议选择距离基坑最近的断面展开竖向位移与横断面水平位移的分析，从实际数据结果来看，无论是水平还是竖向位移其较大值均集中于靠近基坑一侧的隧道与底部。完成基坑开挖后，模拟计算结果中显示累计的隧道水平最大位移量为3.26mm，产生的最大竖向位移量为1.12mm，通常发生在靠近基坑侧壁的隧道结构上[7]。基于设定的变形控制标准，可发现由于基坑开挖产生的对区间隧道的影响始终被控制在安全范围内。

获取到各个计算断面与基坑一侧靠近的水平位移计算点，可反映出地铁轨道结构的变形量以及道床结构的变形量，因此建议位于道床中心排水沟位置的点位作为计算轨道结构水平与竖向位移的计算点。获取到的计算点（沿着盾构隧道轴线方向），则应用于完成基坑开挖后竖向与水平位移分布的计算。从实际计算结果来看，相较竖向位移所产生的轨道结构水平位移要稍大一些，无论是水平还是竖向位移均沿隧道轴线呈一字形分布。

通过对断面水平位移计算点所对应产生的竖向位移时程曲线的分析，可发现伴随基坑开挖进程的逐步推进，隧道与轨道结构均产生了竖向位移与水平位移，方向为朝向基坑的位移方向。后续工程在展开后，受排桩支护作用的影响在一定程度上恢复了部分隧道与轨道结构的水平以及竖向位移，但在竖向位移全部恢复后产生了继续下沉的现象[8]。伴随基坑深度的逐渐增加，隧道与轨道结构的水平与竖向位移同时增大，整体的位移时程曲线分布呈勺状。

3.2 轨道几何形位变化

设定钢轨与道床变形协调的假定成立前提下，需要对不同断面的道床钢轨位置进行计算，获取到对应点位的变形数据，为后续在施工阶段产生的轨道几何行为变化情况的分析奠定基础。综合分析轨道几何行为基本要素的定位即可知晓，轨距变化需要在相邻两轨水平位移量提取后，求出二者的差值[9]。而水平变化则需要对相邻两轨的竖向位移量进行提取，同样需要求出二者的差值。在所建立的模型中，所产生的轨道几何行为变化量取自于临近轨道差值，得出的几何行为变化曲线同样呈现勺状分布。基于对计算结果的分析，可发现最大的轨距变化值为0.128mm，水平方向所产生的最大变化值为0.136mm，均远远要小于设定的规范控制值。从此结果中可以判断出，举例工程的基坑开挖对邻近轨道所产生的几何行为的影响并不大。

4 基坑与隧道水平净距分析

为确保所获得基坑与盾构隧道水平净距变化可能对隧道以及轨道结构所产生影响规律的准确性，需进一步强化研究，针对基于不同工况的施工方案分别展开数值模拟计算。在隧道埋深为18.55m 的情况下，设置基坑的西侧边缘与隧道之间的水平净距离为7m、14m、2m，符合工程圆形数值，进而获得对应断面上所显现出的隧道与轨道结构位移的变化曲线。从变化曲线中可以判断出现有的地铁区间隧道与新建基坑之间的水平净距处于逐步增大的状态，而对应的轨道结构与盾构隧道之间的水平以及竖向位移却呈现出逐渐减少的规律[10]。同时,可发现轨道几何形变的变化量，同样伴随着现有隧道与新建基坑之间水平净距的增大而表现出逐渐减小的特点。但整体来看，基坑与隧道水平距离对轨道水平的变化的影响要更大。

基于文章的相关计算结果的分析，在基坑与隧道水平净距离已经确定的情况下，隧道产生的水平位移量为2mm，竖向位移则一般小于0.5mm，对应产生的轨道几何形变化则一般被控制在0.1mm 以下。从数据分析结果来看，基坑开挖工作对轨道以及隧道所产生的结构影响相对较弱，因此建议将基坑的相邻区域划分为施工的强影响区与弱的影响区，在地铁隧道位于弱影响区的情况下则应该强化监测；若位于强影响区，则需要在强化监测的基础上选择采取适当措施，对可能产生的轨道以及地铁隧道结构的变形情况予以控制。

5 基坑支护结构影响分析

针对现有隧道的一侧基坑支护结构的单排桩与双排桩两种工况展开数值计算，即可获取到相应的轨道与隧道的结构位移量以及对应的几何形变，找出变化规律。双排桩支护的情况下，相较单排桩无论是盾构隧道还是轨道结构的水平位移均明显减小，所产生的竖向位移减小变化并不明显，整体来看轨道的距离以及水平变化均表现出了显著的减小特征。基于对计算结果的分析，可发现某个隧道计算点的水平位移的减小量在28%左右，竖向位移的减小量为6.5%，轨道结构的计算点水平位移则相对减小36%，竖向位移减小量在6%左右。从此数值中可以发现，若能够采取双排桩支护方案，则能够将由于基坑开挖对盾构隧道以及轨道结构所产生的影响进一步降低，并可起到对隧道结构水平位移发展予以有效抑制的重要作用。

6 影响总结

一是受到基坑与隧道位置关系的影响，基坑开挖过程中产生的对轨道结构以及地铁隧道的影响，主要为沿基坑方向的水平位移，并不会对轨道的几何行为产生相对较大的影响。而隧道结构水平以及轨道的轨距均沿轴线方向分布，整体呈现一字形，产生的最大影响值均位于靠近基坑一侧的相应位置。

二是伴随基坑开挖进程的逐步推进，无论是轨道结构的水平还是地铁隧道的竖向位移均处于逐渐增大的状态，并伴随排桩支护设施的建立使得水平位移逐渐恢复，会在逐步开发工作持续推进的情况下呈现出逐步增大的特点。基于此种情况所进行的分析，可发现轨道结构以及隧道的位移均呈现出勺状分布的特点，同时伴有一定程度的轨道几何形位变化。

三是伴随盾构隧道与基坑侧壁之间的水平净距离的逐渐增大，对应的基坑开挖所产生的对轨道结构水平位移、竖向位移以及整体水平的影响却在逐步减小。因此，可只考虑盾构隧道受基坑开挖的影响，确定界线后将施工领域划分为强施工影响区与弱施工影响区。

四是在基坑支护结构设置为双排桩的情况下，轨道结构的水平位移相较单排桩支护明显有减小表现，对应略微减小的竖向位移的变化并不十分明显，但同时伴有轨道轨距以及水平的不同程度的减小变化。从这一角度进行分析，可认定采取双排桩支护方案，能够将由基坑开挖所造成的对轨道结构以及盾构隧道的影响最大限度地降低，并能够在隧道结构水平位移发展的过程中起到较为明显的抑制作用。

7 结语

综上所述，实际展开工程施工的过程中，需要对周边建筑以及隧道等结构予以充分考虑，基于模型构建等方式，展开可能对周边建筑结构所造成影响的深入分析。在影响模型的指导下，可获得相应的影响曲线并分析出所造成的影响规律，在此基础上配套采用相应的支护措施，即可将由于基坑开挖所造成的对地铁隧道的影响降到最低，为保证施工安全、科学推进施工进程奠定坚实基础。