基坑施工对邻近曲线隧道的影响研究

许胜寒

（无锡市轨道建设设计咨询有限公司 江苏无锡 214200）

0 引言

近年来，随着我国轨道交通行业的蓬勃发展，投入运营的地铁数量不断增加，基坑项目紧邻既有运营线路的情况也日益增多。顾翀［1］通过数值模拟和现场监测的方式探究了双侧基坑与地铁结构的距离以及不同开挖时序对于地铁隧道结构变形的影响；何忠明等人［2］利用有限差分软件FLAD 3D 对广州地区一临近地铁隧道的基坑各设计参数敏感性进行了计算分析；饶运东等人［3］以某滨海软土地区的工程为例，提出了紧邻地铁超深基坑控制变形的技术，包括隔离桩加固、基岩裂隙注浆等方法；席宇等人［4］研究了我国黄土地区基坑施工诱发邻近地铁隧道的规律，并提出了加固措施；张旭群等人［5］通过建立有限元数值模型，研究了基坑开挖及降水引起的地铁隧道的受力变形；李俊［6］提出了针对旁侧基坑施工的“两阶段”计算方法；沈雯等人［7］通过现场监测的手段分析了上海软土去基坑开挖对旁侧地铁车站的影响；张向军等人［8］通过有限元方法分析了基坑开挖对邻近地铁结构的影响因素；杨鹏［9］运用FLAC 软件研究了长距离并行基坑对邻近隧道的影响；林启明［10］研究了基坑围护施工对其下卧矿山法隧道的扰动影响。

以往的研究主要针对直线型隧道，而对于基坑邻近曲线隧道的情况却鲜有分析或研究。本文以某邻近运营地铁线路的基坑项目为依托，建立基于Midas GTS 的三维有限元数值模型，并对隧道位移进行现场监测，对比分析研究基坑施工过程对邻近曲线隧道结构的影响。

1 工程概况

1.1 项目概况

某学校项目紧邻已开通运营曲线地铁区间隧道。地块内拟建3 栋3～6 层教学楼，地块北侧布置有地下两层车库，局部为一层地库。该项目与地铁隧道的平面关系如图1所示。

图1 拟建项目与地铁隧道平面关系Fig.1 Relationship between the Project and the Metro Tunnel

地下2 层地库区域基坑开挖深度为10.3～11.9 m，采用围护桩+内支撑的支护形式，围护桩采用ϕ900@1 100 mm钻孔灌注桩，桩长23～25 m，布置有两道混凝土支撑。地下一层区域基坑开挖深度为2.5～6.3 m，邻近地铁侧采用悬臂工法桩支护，内插HN700×300@1 200 mm H型钢（隔一插一），型钢长9 m。

1.2 工程地质

根据本项目勘察报告，本项目所在场地的土层参数如表1所示。

表1 土层参数Tab.1 Soil Parameter

本项目两层地库西侧基底位于③1粘质粉土夹粉质黏土层中下部，东侧基底位于③2粉砂层中，东侧一层地库坑底位于③1粘质粉土夹粉质黏土层顶部。

2 隧道变形控制标准

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范：CJJ/T 202—2013》，考虑到项目邻近的地铁线路已处在运营阶段，并结合相关工程经验［11］，提出对地铁结构安全的控制指标如下：施工引起的地铁隧道水平位移和竖向位移均不大于10 mm。

3 数值计算

3.1 有限元模型

为系统分析该项目基坑施工全过程对既有曲线地铁区间隧道结构的影响，建立了基于Midas GTS 的三维有限元计算模型，如图2所示。

图2 有限元模型Fig.2 Finite Element Model

3.2 数值计算主要步骤

根据本项目的施工组织设计，模型中计算步骤如表2所示。

表2 计算工况Tab.2 Working Condition

3.3 计算结果

根据三维模型计算结果，区间隧道受地下两层地库基坑开挖施工扰动影响较为明显。右线隧道由于远离施工场地，受该项目施工影响较小，各工况下的最大变形发生在左线隧道处。

该项目两层地库基坑施工期间由于基坑开挖卸载导致左线隧道最大水平位移为4.01 mm，最大竖向位移为6.39 mm（上浮），如图3所示。

图3 基坑开挖至基底时隧道变形云图Fig.3 Displacement of Metro Tunnel when Foundation Pit Excavation to Bottom

基坑回筑至±0 时左线区间隧道最大水平位移为4.61 mm，最大竖向位移为6.16 mm（上浮），如图4所示。

图4 基坑回筑至地下室顶板时隧道变形云图Fig.4 Displacement of Metro Tunnel when Foundation Pit is Backfilled to the Top of the Basement

3.4 措施要求

通过对上述计算结果的分析，初步得出该项目的实施对地铁区间隧道的影响满足地铁结构变形控制要求。针对计算得出的隧道位移特征，并结合相关工程经验，提出以下措施要求：

⑴土方开挖原则上应分区分段对称进行，遵循“分层开挖，先撑后挖”、“分层开挖、严禁超挖”的原则。

⑵材料堆场、钢筋加工棚等施工荷载较大的区域应远离地铁特别保护区范围布置。

⑶应制定地铁区间隧道专项地铁安全保护监测方案，全过程贯彻信息化施工，对监测结果进行实时反馈分析。

4 现场监测

为保证地铁的安全运营，对本项目基坑边线外扩30 m 对应的地铁区间隧道布置监测点对隧道结构的变形进行监测。监测点的平面布置根据左线和右线，自西向东依次分别为Z1～Z25和Y1～Y25。

基坑施工对地铁隧道影响较大的为左线。根据现场监测数据，左线区间隧道的水平、竖向位移曲线分别如图5所示。

图5 左线隧道位移实测曲线Fig.5 Measured Displacement of Left Line Tunnel

根据隧道的实测位移数据，该项目基坑施工期间，地铁隧道最大水平位移为4.02 mm，最大竖向位移为4.75 mm，均未超出报警值，隧道结构处于相对稳定状态。

5 结论

通过建立三维有限元模型，计算分析了基坑施工对邻近隧道结构的影响，并通过现场布置监测点，对施工期间的隧道位移进行了实地测量，可得出以下主要结论：

⑴建立基于Midas GTS 的三维有限元计算模型，可得出施工过程中既有曲线隧道的位移响应。计算结果表明：地铁隧道在该项目施工期间最大水平位移为4.61 mm，最大竖向位移为6.39 mm（上浮）。

⑵通过对基坑外侧地铁隧道的布点监测，可得出在基坑施工过程中的隧道结构变形规律。实测结果表明，地铁隧道最大水平位移为4.02 mm，最大竖向位移为4.75 mm（上浮），满足轨道变形要求，对地铁结构及运营安全影响可控。

⑶有限元模型计算所得的隧道水平位移和竖向位移最大值均比现场实际监测的结果略小，但隧道位移响应的整体规律相同，表明本文建立的三维有限元模型能够较为真实地反映工程实际情况，对于邻近曲线地铁隧道的基坑工程设计和施工具有指导意义。