基坑施工对邻近地铁结构影响数值计算分析

2023-10-11敖文龙彭远新林沛元

广东土木与建筑 2023年9期

敖文龙，彭远新，袁勋，林沛元

（1、深圳市地质局深圳 518023；2、中山大学土木工程学院广州 510275）

0 引言

随着城市轨道交通网络的不断完善，地铁沿线因其显著的位置优势，成为城市商业中心、写字楼、住宅等项目开发的重点区域，在规划建设或已运营地铁线路附近进行工程施工变得不可避免，部分地铁车站附属结构也会与周边建筑共用出入口等。在地铁隧道附近进行基坑开挖，必然会引起土体变形，土体变形进一步引起隧道结构内力改变和变形，当隧道结构变形超出一定限度后，极大可能导致地铁线路无法正常运营，因此深大基坑开挖对附近地下管线的影响成为必须研究的重要课题［1-3］。

很多学者对该问题展开了多方面研究，目前在工程应用中，更趋向于采用数值模拟方法来分析基坑开挖对邻近地铁隧道的影响。郑刚等人［4-5］采用数值方法模拟了基坑实际施工过程，分析了隧道加固措施的有效性。左殿军等人［6］、张玉成等人［7-11］采用数值方法分析了隧道开挖对邻近地铁隧道的影响。张旭群等［12］采用有限元模拟分析方法评价了基坑开挖的影响，提出了重点区域监测建议。段绍伟等人［13］采用有限元方法分析了基坑开挖对地下管线破裂的影响。

基于以上，本文以深圳市某基坑开挖工程为研究背景，采用数值模拟的方法，分阶段分析了基坑开挖施工全过程对附近地铁14号线地铁隧道、车站主体结构和附属结构的影响，探讨了开挖和回填工况下结构受力变形变化趋势，为邻近地铁线路深基坑项目的设计与施工积累工程经验。

1 工程概况

1.1 基坑支护结构总体布置

某基坑开挖工程位于深圳市坪山区，总规划用地面积约24 614 m2，项目地块北侧为坪山大道，隔坪山大道为正在建设中的某综合体广场项目，东侧隔体育二路为某大厦和某小区1，南侧隔泰安路为某小区2，西侧隔牛角龙路为某中学。

项目拟设4 层地下室。本基坑周长约600 m，开挖面积约22 248 m2，深度19.1～20.6 m。目前紧邻项目北侧的坪山大道上正进行地铁14号线建设，项目北侧对应的地铁盾构隧道长约57 m（已施工完成），距离用地红线5.6～7.0 m；沙湖站车站主体长约97 m（已施工完成），距离用地红线8.0～11.5 m；附属风亭（暂未施工）和出入口（拟与本项目地下室连通）纵向长69.0 m，进入本项目地块红线6.0～11.3 m不等。

拟建基坑与既有地铁结构平面位置关系：基坑开挖边线距离地铁14 号线车站附属结构最近距离约1.3 m，咬合桩外边线与地铁附属结构净距约0.1 m，距离14号线地铁隧道结构外边线最近距离约7.3 m。二者平面关系如图1所示。

图1 基坑支护平面示意图Fig.1 Plane Diagram of Foundation Pit Supporting System

根据基坑深度、地质条件及周边环境，本项目基坑主要采用咬合桩+3 道混凝土内支撑方案：①咬合桩：邻近车站附属结构段咬合桩直径1.2 m、桩间距1.7 m；近盾构隧道结构段咬合桩直径1.4 m、桩间距2.1 m。咬合桩采用“软咬合”施工工艺，全套管全回转钻机成孔施工。②内支撑：首层支撑构件采用C30 混凝土浇筑，第二、三层支撑构件采用C40 混凝土浇筑；首层沿坑边设置一圈支撑封板，厚度300 mm，第二、三层沿坑边折角位置设置支撑封板，厚度200 mm。③袖阀管注浆：因本项目坑底低于地铁结构底板，为加强止水，在北侧咬合桩外侧增设两排袖阀管进行加固，梅花形布置，间距0.8 m，排距0.6 m。其中位于合建段附属结构范围内的袖阀管由地铁集团提前在地面施工，底板以上不注浆，底板以下注浆。

1.2 工程地质条件

基坑地基土层分布如下：⑴人工填土层：①杂填土，层底埋深0.30～6.50 m，平均层厚2.34 m；⑵第四系冲、洪积层：②粉质黏土，层顶埋深0.30～8.50 m，平均层厚4.34 m；③粉、细砂，层顶埋深1.00～13.20 m，平均层厚3.71 m；④粉质黏土，层顶埋深0.00～22.30 m，平均层厚4.86 m；⑤砾砂，层顶埋深2.00～19.50 m，平均层厚4.98 m；⑶第四系残积土层：⑥粉质黏土，层顶埋深9.00～34.10 m，平均层厚20.19 m；⑷第四系溶槽堆积层：⑦黏性土，层顶埋深34.10～61.80 m，平均层厚4.91 m；⑸石炭系测水组砂岩：⑧全风化粉砂岩，层顶埋深9.30～61.70 m，平均层厚19.93 m；⑹石炭系石磴子组大理岩：⑨微风化大理岩，层顶埋深31.20～90.30 m，平均层厚6.22 m。表1总结了地基各岩土层主要物理力学参数。

表1 岩土层主要物理力学参数Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil Layer

2 建立三维数值模型

根据项目地块与地铁14 号线相交处的工程地质特征，选取临近地铁附近最不利钻孔，结合基坑设计与施工方案，通过叠加地铁隧道结构、车站及附属结构、基坑围护结构，建立有限元三维模型，根据实际基坑开挖、降水、回填施工过程适度简化进行模拟，考虑基坑开挖的施工过程影响，分析施工过程引起地铁隧道、车站主体和附属结构变形的时空效应问题，进而评估紧邻地铁的结构安全状态和地铁的运营安全状态。

为避免模型边界条件约束对关心部位的计算结果产生较大影响，根据以往研究经验并结合基坑开挖深度、周边建（构）筑物的布置，X、Y方向基坑支护结构边线距离模型边界80 m，约为4倍最大基坑深度；底部影响区沿基坑底再向下扩展40 m，约为2 倍最大基坑深度。因此，模型计算区域为332 m×306 m×60 m，本模型尺寸基本可以消除边界效应对结果的影响。

三维整体模型的边界条件均为位移边界条件，其中模型上表面为自由边界，下表面为固定端约束，左右边界为X方向位移固定，前后边界为Y方向位移固定。本章采用三维数值模型共计含约160 000 个有限元单元，其中：地铁隧道结构衬砌、地铁附属结构、车站结构、基坑围护结构、封板均采用shell 单元，冠梁、腰梁、立柱桩与支撑梁采用1D 单元，整体模型示意图如图2所示。

图2 整体模型示意图Fig.2 Overall Model Schematic Diagram

2.1 计算参数

土层材料采用硬化土模型（Hardening-soil model），各土层假定为理想弹塑性体，地铁隧道结构、基坑围护结构均假设为线弹性体。考虑土体的排水固结，不考虑支护结构施工对土体扰动的影响，不考虑基坑分区开挖及周边堆载的影响。基坑采用咬合桩结合内支撑结构体系，桩顶采用250 mm 厚混凝土板，共设置3 道钢筋混凝土内支撑，基坑深度约19.1～20.6 m，基坑开挖边线距离地铁14 号线车站附属结构最近距离约1.3 m，隧道埋深约10 m，距离14号线地铁隧道结构外边线最近距离约7.3 m。地铁隧道直径为6.0 m，管片厚度300 mm。支护结构计算参数如表2所示。

表2 支护结构计算参数Tab.2 Calculation Parameters for Support Structures

由于支护桩为梁单元非连续，无法形成封闭止水帷幕，将圆形截面支护桩采用等效刚度替换方法等效为连续墙，则由等刚度转换原则得等效后的连续墙厚度：

式中：D为支护桩直径（mm）；t为净桩距（mm）；h为等效厚的连续墙厚度（mm）。

计算得本基坑1.2 m 直径咬合桩按等代刚度原则等效为连续墙的厚度为0.9 m；1.4 m 直径咬合桩按等代刚度原则等效为连续墙的厚度为1.0 m。

2.2 分析工况

本文主要是分析拟建基坑开挖对地铁14 号线地铁隧道结构、车站主体结构和附属结构的影响以及基坑支护结构的变形，考虑的是基坑开挖引起的增量位移，故对既有建（构）筑施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。针对基坑开挖的全过程进行三维模拟，共分为15 个施工步骤，具体如表3 所示。其中工况1～工况4 为车站附属结构基坑开挖施工阶段，工况5～工况10 为本项目基坑开挖施工阶段，工况11～工况13为基坑回填施工阶段。

表3 模拟施工步骤Tab.3 Simulated Construction Steps

3 分析方案

3.1 桩基施工对地铁结构的影响分析

桩基对地铁隧道、车站及附属结构的影响主要表现为两个方面：⑴桩基震动对地铁隧道、车站及附属结构的影响；⑵桩基成孔后浇筑砼前地基中成孔对地铁隧道、车站及附属结构的影响。其中桩基施工震动对地铁隧道的影响只能通过控制工程桩施工距离地铁净距和改善施工工艺将这种影响尽量降低，因此桩基对地铁隧道的影响主要表现在桩基成孔后浇筑砼前对地铁隧道的影响，这种影响可通过数值模拟分析地层和隧道结构的内力和变形的变化来实现。

3.2 地下水对地铁结构的影响分析

本场地地下水主要属孔隙潜水，孔隙水主要赋存于第四系人工填土层，粉、细砂，砾砂，全风化岩层中，其次赋存在冲洪积粉质黏土和第四系残积层中。其中粉质黏土、残积土为弱透水性，素填土，粉、细砂，全风化层为弱～中透水性，砾砂层为强透水层，孔隙水主要接受大气降水及周边地下水侧向补给，排泄方式主要为蒸发和地下渗流。由于地铁隧道、车站及附属结构位于地下水位以下，地铁隧道、车站及附属结构所受浮力与水头差大小无关，仅与结构顶板与底板间的高度有关。

4 计算结果分析

4.1 基坑开挖对地铁隧道影响

4.1.1 基坑支护结构位移分析

基坑开挖至底部时基坑支护结构水平和竖向位移云图如图3 所示。可以看出，基坑最大水平位移的位置位于基坑西侧（咬合桩+内支撑），其最大水平位移值10.03 mm；基坑最大竖向位移的位置位于基坑北侧（邻近地铁隧道），其最大水平位移值3.40 mm。以上数值均小于一级基坑支护工程水平位移控制值（30 mm），说明本工程基坑支护设计方案基本合理，满足基坑规范要求，且在邻近地铁隧道侧的支护结构方式能够有效抑制支护结构的变形，有效降低基坑开挖施工对地铁隧道结构的不利影响。

图3 工况10（开挖至坑底）支护结构水平及竖向位移Fig.3 Horizontal and Vertical Displacement of Supporting Structures in Working Condition 10（Excavated to the Bottom）

4.1.2 地铁隧道竖向位移分析

离基坑较近的地铁隧道受到基坑开挖的影响更为明显，且主要影响区域主要集中在基坑开挖范围，随着开挖深度的增加，其影响范围也随之扩大。

根据以上计算结果，将基坑开挖引起的隧道结构最大竖向位移绘成图4⒜。可知，工况6（开挖至地下深度-1.5 m）时，第一道支撑、冠梁、桩顶混凝土挡板的施工对两条地铁隧道均造成了向下的竖向位移，最大竖向位移达到了1.70 mm。而随着基坑降水和开挖深度的增加，继续施工第二道和第三道支撑，地铁隧道的竖向位移则从下沉转变为抬升的趋势，直至开挖至地下深度-16.0 m，抬升停止，此时累计抬升量为1.29 mm。基坑继续开挖至坑底，两条地铁隧道再次下沉，相较于未开挖基坑时，最大竖向位移为1.36 mm。

图4 各工况地铁隧道最大竖向及水平位移Fig.4 Maximum Vertical and Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

4.1.3 地铁隧道水平位移分析

地铁隧道在施工支护结构的水平位移分析表明，离基坑较近的地铁隧道受到基坑开挖的影响更为明显，且主要影响区域主要集中在基坑开挖范围，随着开挖深度的增加，其影响范围也随之扩大。

各工况下14 号线隧道结构水平位移最大值如图4⒝所示。可知，基坑开挖对两条地铁隧道产生影响，且在每个开挖工况时，隧道水平位移均明显增加，当基坑开挖到基坑底部时，地铁隧道紧邻基坑侧的右线达到最大水平位移值为7.09 mm，向基坑方向变形。各工况下地铁隧道结构的沉降量均小于10 mm，满足地铁保护规定。

4.2 基坑开挖对地铁车站影响

在基坑开挖过程中，除地铁隧道结构外，既有地铁车站主体和附属结构也会受到影响，产生竖向和水平方向的位移。各工况下地铁车站主体结构和附属结构的位移如图5所示。由图5可知，对于车站主体结构，主要发生向基坑方向的水平变形，在工况10（开挖至坑底）时，变形最明显，为6.52 mm，同时车站主体结构在竖向发生下沉变形，沉降量较小，最大沉降量为1.39 mm。对于车站附属结构，在工况7（基坑降水至-20.0 m）前发生远离基坑方向的水平变形和竖向下沉变形，在工况7后结构位移方向改变，为水平向基坑方向变形和竖向抬升变形，水平变形更明显，最大变形为8.15 mm，竖向最大抬升量为4.63 mm。

图5 各工况车站主体结构及附属结构最大位移Fig.5 Maximum Displacement of Station Main Structures and Accessory Structures in Different Working Conditions

4.3 基坑回填对地铁结构影响分析

基坑施工完成、考虑回填基坑完成及地下水位回复后，基坑周边及坑底土体会一定程度上被回填土及地下室结构荷载逐渐压实，如表4所示，由于水位下降引起的隧道、车站及附属结构沉降变形也将消失，计算表明隧道、车站及附属结构沉降变形整体上仍有一定的变形难以在短时间内完全恢复，该工况条件的隧道结构沉降计算值为0.87 mm、水平变形计算值为3.88 mm；车站主体结构沉降计算值为0.42 mm、水平变形计算值为3.24 mm，均可满足10 mm的保护要求。