黄土地区给排水工程深基坑施工对临近地铁隧道影响分析

杨罡 YANG Gang

（中铁第一勘察设计院集团有限公司城市轨道交通设计研究院，西安 710043）

1 研究背景

伴随着我国城市化进程和轨道交通事业的快速发展，大量深基坑工程位于地铁运营结构保护区范围内，针对基坑工程紧邻运营地铁线路的情况，国内外专家进行了大量研究论证并取得了一系列研究成果。如吴龙梁等[1]对软土地层深基坑开挖对地铁隧道变形影响进行实测和分析。武永康等[2]依托实际工程，对在不利工程条件下的深基坑开挖对周围土体水平位移变化规律和既有地铁隧道变形规律进行了分析。何忠明等[3]依托广州地铁11 号线基坑工程，对基坑降水开挖及回填过程中临近地铁隧道和地下连续墙的变形规律进行分析。

近年来，众多学者对基坑开挖临近地铁隧道展开系列研究并取得了一定成果。但是针对黄土地区给排水工程深基坑开挖及运营阶段对临近地铁隧道影响方面的研究仍有待完善。黄土地区深基坑工程开挖具有施工环境复杂多变、施工技术复杂、不可遇见风险因素多、工程事故造成损失大等特点。本文以西安某排水项目深基坑工程临近地铁四号线大雁塔站～大唐芙蓉园区间为依托，依靠数值模拟、实地监测等手段，对分段基坑开挖及排水工程运营反复蓄水过程对地铁隧道影响规律，深基坑支护结构的合理性、数值模拟与实际监测结果的吻合性等展开研究。

2 工程概况

西安某排水项目泵站基坑南北向长度约72.7m，东西向长度约14.2/21m，基坑设计深度为15.07～21.35m。拟建泵站基坑工程开挖边线与隧道正线结构最小水平净距为20.33m，其中基坑施工需破除竖井横通道局部结构（6.8m×0.78m），出水箱涵基坑工程位于隧道正线结构正上方，最小竖向净距约为11.83m。出水箱涵基坑长度约98m，基坑宽度11.9m，基坑深度约4.02～4.68m。位置关系如图1所示。

图1 项目基坑与区间隧道平面关系

泵站主基坑采用坑内降水+围护桩+内支撑+止水帷幕，支护采用五道内支撑和换撑，桩径1000mm，桩间距1500mm，桩长27m，止水帷幕采用高压旋喷桩成桩直径700mm，搭接350mm。出水箱涵上跨地铁段采用放坡+土钉+挂网素喷砼支护形式，放坡坡率为1:0.3，土钉：水平间距1.3m，长9m，孔径120，钢筋1 根直径18mm，倾角10°；基底采用高压旋喷桩进行预加固，加固范围竖向3m。根据现场钻探结果，勘察场地地地层在20.0m 深度范围内主要由①杂填土、②黄土、③古土壤、④黄土等地层构成。地下水均属潜水类型，主要以大气降水和地下径流补给为主，以地下径流和人工开采排泄为主。地下水位年变幅约2m。

3 泵站基坑开挖时对临近已运营地铁隧道数值计算分析

3.1 三维数值模型建立

为了定量分析拟建项目泵站基坑开挖时既有轨道交通结构的安全影响，根据工程经验，模型尺寸为155m×143m×55m（长×宽×高），岩土体本构模型采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型，结构体均采用线弹性本构模型。根据详细勘察报告各土层物理力学参数指标推荐值，确定的数值模拟参数如表1 所示。迭代计算方法采用Newton-Raphson 法，收敛标准采用力和位移双重收敛标准。最终建立的有限元模型如图2 所示。

表1 岩土力学参数表

表2 监测结果对比

图2 泵站基坑段三维数值模拟模型轴侧视图

为确保计算结果合理，数值计算全过程模拟分析施工过程对既有结构的影响，主要工况如下：①将坑内降水至基坑底部1m。②开挖至-2m 施做第一道支撑。③开挖至-6.7m 施做第二道支撑。④开挖至-11.9m 施做第三道支撑。⑤开挖至-17.5m 施做第四道支撑。⑥开挖至-20m 施做第五道支撑。⑦开挖至-21.35m（坑底）。⑧施做泵房底板及侧墙拆除第五道撑。⑨施做泵房中板拆除第四道撑、换撑。⑩施做负一层侧墙及顶板拆除第三、第二、第一道撑。

3.2 数值计算结果及分析

①地层变形分析：基坑开挖后，基坑底部出现隆起和水平位移；降水后地层变形主要表现为竖向沉降，最大沉降值为9mm；整个施工过程，基坑周边地层出现了最大12.2mm 的沉降，地层水平位移最大达到了17.1mm。同时对地层总位移进行包络分析，根据地层总位移包络面可知，各施工步过程地层位移大于5mm 的区域均未覆盖地铁隧道结构，部分施工步地层位移大于2mm 的区域已覆盖地铁隧道结构。（图3）

图3 各施工步地层位移包络面

②围护结构及既有4 号线地铁结构位移分析：如图4所示，三维模型显示：在基坑挖至基坑底、拆撑施作底板侧墙时结构变形最大。基坑开挖完成后，支护结构的最大竖向位移出现在基坑东侧，最大沉降值为13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地铁结构位移随基坑开挖深度不断变大，基坑开挖至底部时位移最大；基坑开挖完成后，既有地铁结构的最大竖向位移出现在竖井横通道处，最大值为竖向2.34mm；水平位移最大值为3.83mm。

图4 各施工步结构最大位移云图

4 泵站结构蓄水、排水对区间隧道结构影响

4.1 三维数值模型建立

进一步分析泵站运营状态即反复蓄水与排空过程对既有区间隧道结构的影响，建立的有限元模型如图5 所示。

图5 泵站排空（蓄水）状态数值模型

4.2 数值计算结果分析

模拟计算了2 次蓄水2 次排水工况，根据地层总位移包络面可知，两次蓄水过程地层位移大于1mm 的区域均未覆盖地铁隧道结构，部分施工步地层位移大于0.5mm的区域已覆盖地铁隧道结构。两次蓄水过程既有隧道结构竖向最大为0.71mm，水平位移最大值为0.67mm，均不大于1mm。（图6-图7）

图6 泵站蓄水、排水状态地层包络位移

图7 泵站蓄水、排水状态隧道结构最大位移云图

5 现场监测

根据本工程的特点，监测范围应包含本项目自身基坑监测及地铁区间隧道结构、轨道监测。结合基坑影响范围及三维数值计算结果，对地铁隧道监测采用自动化监测，监测范围隧道总长130m。

主要监测结果如下：整个施工过程，基坑周边地层最大竖向9.15mm 的沉降，地层水平位移最大达到了17.1mm。既有地铁隧道结构的最大竖向位移2.06mm；水平位移最大值为3.52mm。对比数值模拟结果，两者数据相差较小，吻合度较高，误差分别为21%、16%、28%、26%。

6 结论

①建立了三维有限元模型，得到了基坑分步开挖后的地层变形规律，基坑开挖后基坑底部出现隆起和水平位移，降水引起的地形变形主要为竖向沉降。各施工步过程地层位移大于5mm 的区域均未覆盖地铁隧道结构，基坑周边最大地形沉降为12.2mm，最大水平位移为17.1mm。②数值模拟和监测结构显示，本工程采取的围护桩+内支撑+止水帷幕的支护体系可有效控制地层变形，结构的最大竖向位移出现在基坑东侧，最大沉降值为13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地铁结构的最大竖向位移出现在竖井横通道处，最大值为竖向2.34mm；水平位移最大值为3.83mm。基坑支护结构自身以及引起的隧道结构变形均满足制定的变形标准及规范要求。③通过数值模拟，分析了泵站建成运营反复蓄水过程对地铁隧道影响，两次蓄水过程既有隧道结构竖向最大为0.71mm，水平位移最大值为0.67mm，运营期间产生的附加荷载对地铁结构影响极小。④对监测数据和模拟结果进行对比，验证了数值模拟方法的准确性，地层沉降和地铁隧道沉降误差仅为21%、28%。