深厚砂淤組合地層中基坑開挖與樁基施工對地鐵隧道結構的影響研究分析

張瑋鵬

（廣州大學建筑設計研究院）

1 引言

廣州地鐵八號線北延段沿線分布有多條斷裂構造帶，受多組向斜和背斜構造控制，沿線地層起伏劇烈、巖層破碎且?guī)r溶發(fā)育，局部見洞率高達80%，局部砂層厚達30m，局部淤泥層厚達20m，地質情況極為復雜，給地鐵建設和保護帶來了巨大風險[1]。本文采用Midas-GTSN X 軟件建立了有限元分析模型，研究分析深厚淤泥及砂土組合地層中基坑開挖及樁基施工對地鐵隧道結構的影響，為深厚砂淤組合地層中軌道交通的建設和保護提供參考借鑒。

2 工程概況

本文選取石亭區(qū)間里程Y D K28+560～Y D K29+060 某斷面進行分析研究，該斷面地層自上而下為：雜填土（4.0m）、粉質粘土（2.0m）、淤泥質土（8.5m）、礫砂層（4m）和微風化灰?guī)r（31.5m）。隧道頂埋深為地面下9.5m，隧道底埋深為地面下15.5m，隧道底進入礫砂層1.0m。巖土地層及結構參數(shù)見表1。

表1 巖土地層物理力學參數(shù)

3 深厚砂淤組合地層中基坑開挖對地鐵隧道結構的影響分析

為分析深厚砂淤組合地層中基坑開挖對地鐵隧道結構的影響，本文假定基坑的開挖寬度為30～45m，開挖深度為5m、10m、15m、20m，距離隧道的水平凈距離為5m、15m、25m 和50m，采用支護樁+混凝土內支撐支護。由于基坑支護結構的側向變形對隧道的位移量影響很大，因此模擬基坑開挖分析時，假定各種基坑開挖深度下基坑支護結構的最大水平位移控制在25～30mm 之間[2-3]?；谝陨霞俣?，建立有限元分析模型如圖1 所示，分析計算結果見表2、表3、圖2、圖3。

由表2、表3、圖2、圖3 可得：隨著基坑開挖深度的增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸增大，當基坑開挖深度達到10m(與隧道頂深度較為接近時)時，地鐵隧道結構的水平位移明顯增大，隨后隨著基坑開挖深度的增加，隧道水平及豎直位移的增量逐漸減??；同時，隨著隧道與基坑水平距離的增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸減小，當隧道與基坑的水平距離大于20m 時，隧道的水平及豎直位移量減小較為明顯，當隧道與基坑的水平距離達到50m 時，基坑開挖對隧道的影響已經(jīng)較不明顯。

表2 基坑施工時隧道結構的水平位移匯總（mm）

表3 基坑施工時隧道結構的豎向位移匯總（mm）

圖1 基坑與地鐵隧道的有限元三維等軸側視圖

圖2 基坑施工時地鐵隧道的水平方向位移最大值變化等色圖(20m 深度)

圖3 基坑施工時地鐵隧道的豎直方向位移最大值變化等色圖(20m 深度)

綜上可知，在地鐵隧道周邊5m 范圍內開挖基坑時，易導致隧道結構變形超《廣州市城市軌道交通結構安全保護技術標準及規(guī)定》預警值甚至控制值，因此在深厚砂淤組合地層中應嚴格控制隧道周邊5m 范圍內的基坑開挖施工，或根據(jù)實際情況禁止5m 范圍內的基坑開挖施工；5～25m 范圍應作為隧道的重點保護區(qū)；25～50m范圍應作為隧道的保護區(qū)。由于本模型模擬的基坑是固定大小，實際項目可根據(jù)基坑大小按一定比例修正表格中結果。

4 深厚砂淤組合地層中樁基施工對地鐵隧道結構的影響分析

為分析樁基施工對既有地鐵隧道結構的影響，本文假定樁基為1.0m 直徑的嵌巖樁，距離隧道的水平凈距離為1m、3m、5m、10m、15m、20m、25m，樁基礎采用泥漿護壁鉆孔灌注樁施工。樁基施工對隧道的影響主要包括成孔時地層擾動地應力釋放、泥漿護壁和混凝土灌注三個方面，根據(jù)參考文獻[4]，泥漿重度宜取11k N/m3，側壓力系數(shù)宜取1；混凝土灌注時按最不利情況考慮，即混凝土剛灌注尚未硬化時，流動的混凝土側壓力系數(shù)取0.7，以此分析鉆孔灌注混凝土樁基施工對隧道的影響?；谝陨霞俣?，建立有限元分析模型如圖4 所示，分析計算結果見表4、表5、圖5、圖6。

圖4 樁基與地鐵隧道的有限元三維等軸正視圖

表4 樁基施工時隧道結構的水平位移匯總（mm）

表5 樁基施工時隧道結構的豎向位移匯總（mm）

圖5 樁基施工時地鐵隧道的水平方向位移最大值變化等色圖

圖6 樁基施工時地鐵隧道的豎直方向位移最大值變化等色圖

由圖5～圖6、表4～表5 可得：隨著隧道與樁基距離的逐漸增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸減小，當隧道與樁基距離大于5m 時，隧道位移減量明顯減小，當隧道與樁基距離達到20m 時，樁基施工對地鐵隧道結構的影響已較不明顯。

綜上可知，地鐵隧道5m 外的樁基施工對隧道的影響相對較小，但本地層的淤泥深厚極容易發(fā)生成孔過程塌孔現(xiàn)象，施工過程中應嚴格把控樁基施工質量，以免塌孔引起周邊地鐵變形位移，且樁基應跳孔施工。因此，隧道周邊3m 范圍內應禁止樁基施工，隧道周邊3～10m范圍內應作為樁基施工的隧道重點保護范圍，隧道周邊10～20m 范圍內應作為樁基施工的隧道保護范圍。由于本模型模擬的樁基直徑為1.0m，實際項目可根據(jù)樁基直徑按一定比例修正表格中結果。

5 結論與建議

基于以上分析計算結果，本文得到以下結論并建議如下：

⑴隨著基坑開挖深度的增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸增大，當基坑開挖深度達到10m(與隧道頂深度較為接近時)時，地鐵隧道結構的水平位移明顯增大，隨后隨著基坑開挖深度的增加，隧道水平及豎直位移的增量逐漸減??；同時，隨著隧道與基坑水平距離的增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸減小，當隧道與基坑的水平距離大于20m 時，隧道的水平及豎直位移量減小較為明顯，當隧道與基坑的水平距離達到50m 時，基坑開挖對隧道的影響已經(jīng)較不明顯。

⑵隨著隧道與樁基距離的逐漸增加，地鐵隧道結構的水平及豎直位移逐漸減小，當隧道與樁基距離大于5m 時，隧道位移減量明顯減小，當隧道與樁基距離達到20m 時，樁基施工對地鐵隧道結構的影響已較不明顯。

⑶對于深厚淤泥及砂土組合地層中地鐵隧道周邊的基坑開挖工程，隧道的保護范圍建議取50m，其中5m以內為禁止區(qū)，5～25m 為重大影響區(qū)，25～50m 為一般影響區(qū)。

⑷對于深厚淤泥及砂土組合地層中地鐵隧道周邊的樁基工程，隧道的保護范圍建議取20m，其中3m 以內為禁止樁基施工區(qū)，3～10m 為重大影響區(qū)，10～20m 為一般影響區(qū)?！?/p>