基坑施工對鄰近地鐵車站和區(qū)間隧道的影響分析

麥家兒

（廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥工程師）

1 工程概況

佛山市越秀星匯云錦商業(yè)中心項目由A、B、C三個區(qū)組成。A區(qū)和B區(qū)由多棟超高層建筑物構(gòu)成，設4層地下室（局部5層），并以C區(qū)的4個矩形頂管通道連通。

B區(qū)的平面尺寸約101m×87m，基坑深約19.4m，北側(cè)緊鄰已運營的廣佛線的桂城站及桂城站—南桂路站區(qū)間（以下簡為桂南區(qū)間）。B區(qū)的基坑采用明挖順作法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用1m厚地下連續(xù)墻加3道混凝土水平內(nèi)支撐（圓環(huán)撐）的支護體系。

桂城站為廣佛線與規(guī)劃中的佛山3號線的換乘站，已運營的廣佛線部分為地下2層結(jié)構(gòu)，規(guī)劃的佛山3號線部分為地下3層結(jié)構(gòu)。已運營的桂南區(qū)間的左線隧道原采用盾構(gòu)法施工；右線隧道約113m長采用明挖法施工，并已預留聯(lián)絡線的接口條件，右線其余部分系采用盾構(gòu)法施工。B區(qū)基坑與桂南區(qū)間明挖段的最小距離約3.06m，與桂南區(qū)間盾構(gòu)段的最小距離約24.72m，與桂城站主體的最小距離約19.08m，與桂城站Ⅱ號出入口的最小距離約10.39m。本基坑工程與既有廣佛線地鐵車站及區(qū)間的平面位置關系見圖1—圖2。

圖1 本基坑工程與桂城站及相鄰區(qū)間的平面關系圖

場址地層從上往下依次為：①填土、②－1淤泥質(zhì)土、②－2淤泥質(zhì)粉細砂、②－4粉質(zhì)黏土、③－1粉細砂、③－2中粗砂、④－1可塑狀粉質(zhì)黏土、⑤－2硬塑狀殘積土、⑥全風化泥質(zhì)粉砂巖、⑦強風化泥質(zhì)粉砂巖、⑧中風化泥質(zhì)粉砂巖和⑨微風化泥質(zhì)粉砂巖。本基坑底部和桂城站、桂南區(qū)間底板大部分處于③－2中粗砂層中。B區(qū)基坑北側(cè)3m范圍內(nèi)采用φ850mm三軸水泥攪拌樁加固淤泥質(zhì)土層和砂層。

圖2 B區(qū)基坑與廣佛線桂南區(qū)間隧道關系剖面圖

2 地鐵保護控制標準

既有地鐵變形控制標準可分為隧道結(jié)構(gòu)變形控制標準和軌道結(jié)構(gòu)變形控制標準兩類［1］。隧道結(jié)構(gòu)變形控制是安全評估最為關鍵的計算內(nèi)容，而軌道結(jié)構(gòu)變形控制更多是體現(xiàn)在動態(tài)監(jiān)測及預警方面。國內(nèi)目前可參照的隧道結(jié)構(gòu)變形控制標準有《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》和深圳市地鐵有限公司《城市軌道交通安全保護區(qū)施工管理辦法（暫行）》。這兩個規(guī)定或管理辦法關于隧道結(jié)構(gòu)變形控制的核心內(nèi)容大致相同：①結(jié)構(gòu)最大位移不能超過20mm；②隧道變形曲線的曲率半徑必須大于15 000m；③相對曲率不大于1／2 500。

本工程依據(jù)上述三個控制值進行基坑設計和對地鐵結(jié)構(gòu)的保護。

3 主要研究內(nèi)容及方法

采用巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件Midas／GTS建立三維數(shù)值模型，重點分析基坑施工過程對鄰近地鐵車站和隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。在計算分析中做了如下假設：

1）地鐵結(jié)構(gòu)變形與該處土體變形一致，即地鐵結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與土體網(wǎng)格節(jié)點耦合共同變形。

2）土體采用修正摩爾—庫倫模型，以更符合基坑開挖卸土的情況。

三維有限元模型的參數(shù)如表1所示。

表1 三維有限元模型輸入?yún)?shù)表

3.1 方案設計階段

在方案設計階段，由于支撐型式和平面布置尚未最終定型，采用對撐、桁架支撐或圓環(huán)撐也均有可能。為減少三維有限元數(shù)值分析模型的建模時間和運行時間，并避免由于方案變化導致的工作反復，采取施加基坑側(cè)向位移來模擬地層損失導致地鐵結(jié)構(gòu)變形的簡單模型來進行模擬分析。即首先采用理正深基坑設計軟件對基坑工程地質(zhì)勘測的典型鉆孔進行分析計算，根據(jù)B區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)水平支撐道數(shù)、剛度等設計輸入條件，按彈性地基桿系有限元法可得地下連續(xù)墻豎向各點的側(cè)向位移；然后在Midas／GTS三維模型中一次性挖除基坑內(nèi)土層，并強制對地下連續(xù)墻網(wǎng)格節(jié)點施加由理正深基坑軟件計算所得的側(cè)向位移，由此便可求得地鐵車站和區(qū)間的變形數(shù)值。

圖3為方案設計階段的簡單計算模型。經(jīng)過求解可得在指定基坑發(fā)生23.8mm最大位移情況下，桂城站最大側(cè)向變形為6.12mm，桂南區(qū)間盾構(gòu)段最大側(cè)向變形為7.36mm，桂南區(qū)間明挖段最大側(cè)向變形為9.68mm，均小于控制值20mm。此時可推測基坑的圍護結(jié)構(gòu)支撐方案基本合理，支撐剛度能夠滿足地鐵保護的要求。

圖3 方案設計階段簡單計算模型

3.2 施工圖設計階段

3.2.1 三維計算模型

在施工圖階段需分析基坑開挖和地下室回筑各種工況下地鐵結(jié)構(gòu)的變形。根據(jù)本基坑各道支撐及地下室樓板的標高關系，通過理正深基坑設計軟件可知，基坑及地鐵結(jié)構(gòu)的最大變形出現(xiàn)在拆除第三道水平支撐之前，故三維分析可在拆除第三道水平支撐時截止。

分析中考慮基坑施工的主要工況如下：①施工地下連續(xù)墻、中立柱；②開挖第1層土，施作冠梁；③施作第1道水平支撐、腰梁，開挖第2層土；④施作第2道水平支撐、腰梁，開挖第3層土；⑤施作第3道水平支撐、腰梁，開挖第4層土；⑥施作負4層和負3層樓板，拆除第3道水平支撐。

圖4為施工圖設計階段的仿真計算模型。

3.2.2 計算結(jié)果分析

圖4 施工圖設計階段B區(qū)基坑的仿真計算模型

地鐵車站和區(qū)間隧道最大的矢量位移見圖5。桂城站的最大位移是5.76mm，Ⅱ號出入口的最大位移是8.65mm；桂南區(qū)間右線明挖隧道的最大位移是9.31mm，右線盾構(gòu)隧道的最大位移是5.06mm，左線盾構(gòu)隧道的最大位移是7.10mm，均滿足小于地鐵保護控制值20mm的要求；桂城站、桂南區(qū)間右線隧道和左線隧道的結(jié)構(gòu)變形最小曲率半徑分別為34 888m、19 328m、16 205m，均滿足大于地鐵保護控制值15 000m的要求。

圖5 地鐵車站和區(qū)間最大矢量位移

對于地鐵車站和區(qū)間隧道的沉降，其很大比例是由于在地面上施加20kPa的超載引起的。例如桂城站與區(qū)間接口的端墻處、桂南區(qū)間右線隧道和左線隧道最大變形處，由于地面超載引起的沉降分別為4.58mm、4.66mm、4.61mm，由于基坑開挖引起的沉降分別為0.38mm、0.40mm、0.32mm。這是由于本基坑深度只比地鐵結(jié)構(gòu)底板埋深稍大，基坑高度范圍內(nèi)土層側(cè)向位移引起地鐵結(jié)構(gòu)底板以下土層的地層損失量有限。

關于地鐵車站和區(qū)間隧道的水平位移，是本工程影響分析的重點。圖6—圖8分別是桂城站和桂南區(qū)間隧道隨基坑開挖過程的水平變形仿真計算曲線。

由圖6～8可知，桂城站最大水平位移發(fā)生在與廣佛線區(qū)間隧道接口的端墻處，桂南區(qū)間右線隧道和左線隧道的最大水平位移發(fā)生在距離車站約47m和48m處，即地鐵結(jié)構(gòu)最大水平位移均發(fā)生在距離基坑最近處；地鐵車站和區(qū)間隧道的變形隨著基坑開挖逐漸增大，基坑開挖到基底（即工況⑤）和拆除第3道水平支撐澆筑負4層和負3層樓板（即工況⑥），地鐵結(jié)構(gòu)的變形增量可以忽略不計，兩個階段的水平變形曲線基本重疊，變形趨于穩(wěn)定。

圖6 桂城站水平位移變形仿真計算曲線

圖7 桂南區(qū)間右線隧道水平變形仿真計算曲線

圖8 桂南區(qū)間左線隧道水平變形仿真計算曲線

4 結(jié)語

本文結(jié)合鄰近已運營的廣佛線桂城站及桂南區(qū)間隧道的越秀星匯云錦商業(yè)中心項目工程，通過Midas／GTS軟件，建立了基坑支護結(jié)構(gòu)、地鐵車站、區(qū)間隧道和周邊土體的三維有限元數(shù)值模型，對地鐵結(jié)構(gòu)的變形進行了詳細的分析，得出以下4點結(jié)論：

1）通過在地下連續(xù)墻節(jié)點上施加水平位移來模擬地層損失的簡單模型，在預評估基坑開挖對地鐵結(jié)構(gòu)變形影響等方面簡單實用，并能考慮多個基坑同步開挖時對地鐵結(jié)構(gòu)變形的疊加影響，與施工圖設計階段的三維仿真計算模型相比，計算誤差在10%以內(nèi)。

2）通過動態(tài)模擬基坑開挖及回筑工況的仿真模型，分析得到基坑施工引起的車站和區(qū)間隧道變形均滿足相關規(guī)定。從目前基坑施工期間對地鐵的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，地鐵結(jié)構(gòu)的實際變形曲線與理論分析大致相同，最大水平位移為9.52mm，發(fā)生在桂南區(qū)間右線靠近基坑處。故有限元計算分析為本工程的實踐提供了可靠的定量依據(jù)。

3）基坑施工使地鐵結(jié)構(gòu)一側(cè)的土體發(fā)生了水平和豎向卸載，導致地鐵車站和區(qū)間隧道產(chǎn)生了朝向基坑方向的水平位移和沉降，且變形以水平位移為主。最大水平位移發(fā)生在距離基坑最近處。

4）關于地鐵結(jié)構(gòu)變形的安全性復核計算，一般以隧道變形曲率半徑為控制值，且盾構(gòu)法隧道比明挖法隧道對變形更加敏感。

［1］李興高.既有地鐵線路變形控制標準研究［J］.鐵道建筑，2010（4）：84.

［2］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：149.

［3］施仲衡，張彌，宋敏華，等.地下鐵道設計與施工［M］.陜西：陜西科學出版社，2006.

［4］劉占民.基坑突發(fā)事故的應急處理對鄰近地鐵隧道的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（11）：77.

［5］徐軍林.地鐵車站深基坑對周圍建筑物的影響分析［J］.城市軌道交通研究，2011（6）：71.