基坑開挖對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律分析

常曼 陸航

摘要：目前對于基坑開挖施工作業(yè)對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響往往基于單個工程案例及以往案例的總結(jié)，臨近距離、地層土質(zhì)情況、開挖深度等對隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律并不明確。文章以南京地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑項目為例，采用有限元分析法，分析了不同基坑與地鐵線路的距離、基坑開挖深度、地質(zhì)條件等影響因素下的地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移、變形情況，全面總結(jié)基坑開挖對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：地鐵保護(hù)區(qū);基坑開挖;有限元分析;隧道位移;隧道變形

中圖分類號：U459.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.028

文章編號：1673-4874（2019）10-0096-05

0引言

近年來，地鐵等地下設(shè)施的建設(shè)在我國各大城市相繼開展。由于地鐵一般都修建于繁華市區(qū)，周圍高樓林立，其存在是市區(qū)其它工程修建一個不可忽略的因素。因此，有必要就近接工程的施工對已存在地鐵隧道的影響作一定的分析。國內(nèi)外在此方面的研究均有先例，文獻(xiàn)中劉晨和張季超研究了基坑開挖對下方地鐵隧道的影響;文獻(xiàn)中李進(jìn)軍和王衛(wèi)東對緊鄰地鐵的基坑設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行了總結(jié)。但是，上述論文均基于單一的外部情況，沒有對各種施工條件下的土層位移進(jìn)行比較和總結(jié)。本文以南京地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑工程的施工為例，分析了不同工況、不同土層下基坑開挖對隧道的影響，并采用了有限元軟件模擬分析隧道土層的位移狀況，與現(xiàn)場實測狀況作比較，對相似工程的施工有一定的參考價值。

1研究背景及意義

近年來，在地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)頻發(fā)地鐵結(jié)構(gòu)安全事件，特別是深圳市去年連續(xù)發(fā)生幾起地勘施工擊穿隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)事件，亟需對地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)的施工加強(qiáng)監(jiān)管。在各類型外界施工作業(yè)中，對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)影響最大的要屬基坑施工?；油练介_挖時，土體卸荷可能引起的坑后土體位移，對鄰近基坑的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性勢必產(chǎn)生較大影響。根據(jù)地質(zhì)條件、開挖深度以及與周圍既有建（構(gòu)）筑物的位置關(guān)系等實際條件，優(yōu)化基坑開挖方案，才能避免后期因基坑開挖造成地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移及變形。

目前，不同工況的基坑開挖施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形及位移產(chǎn)生的影響規(guī)律，尚未形成權(quán)威性的量化標(biāo)準(zhǔn)。本文以南京地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑項目為原型，采用有限元分析法，分析了不同基坑與地鐵線路的距離、基坑開挖深度、地質(zhì)條件等影響因素下的地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移、變形情況，全面總結(jié)基坑開挖對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

2 南京地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑項目概況

南京地鐵二號線保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑項目，由于面積較大、開挖深度深，為控制基坑開挖過程中對南京地鐵二號線盾構(gòu)隧道的影響，確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全，將該工程分為I區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)基坑進(jìn)行分塊、錯時開挖。由于該區(qū)段盾構(gòu)隧道夾在I區(qū)基坑和Ⅲ區(qū)基坑中間，且距離較近，綜合考慮該區(qū)域淤泥質(zhì)粉砂黏土易沉降的特性，安排I區(qū)和Ⅱ區(qū)基坑先進(jìn)行開挖，Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)基坑在I區(qū)基坑開挖至坑底后再進(jìn)行開挖。

該工程與地鐵隧道位置關(guān)系：本基坑結(jié)構(gòu)外邊線距地鐵二號線區(qū)間最小距離約為15.0m，對應(yīng)二號線上下行線里程約為K3+428-K3+855，長度為427m。與地鐵豎向關(guān)系：I、Ⅲ區(qū)基坑坑底低于隧道頂部2.15-4.25m，Ⅱ、Ⅳ區(qū)基坑坑底低于隧道頂部0.65-2.75m?；?、隧道與土層位置關(guān)系如圖7所示。

3 基坑開挖有限元建模

由于該基坑項目實際尺寸較大，本文使用巖土工程有限元分析軟件Plaxis8.2，僅選取距離地鐵隧道結(jié)構(gòu)最近的西側(cè)I區(qū)基坑為原型，對該項目的開挖施工進(jìn)行建模，模擬搭建了一個坑底長100m、基坑外側(cè)深度為60m的二維模型（如圖2所示）。為簡化模型，將基坑模型土層分為兩層，上層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下層為粉砂土層。對于基坑內(nèi)的土體應(yīng)考慮其塑性變形，選擇采用Mohr-Coulomb彈塑性材料對土層進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。同時在基坑中以彈性材料設(shè)置地連墻及四道支撐為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，均采用Plate結(jié)構(gòu)單元。土層、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)均按照工程實際參數(shù)設(shè)置。

3.1模型驗證

根據(jù)實際I區(qū)基坑開挖施工完成時間，提取I區(qū)基坑開挖施工期間隧道結(jié)構(gòu)自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與有限元分析模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對比（見表1）。

對比兩組數(shù)據(jù)可知，數(shù)值雖存在一定差異，但總體偏差量較小。其中垂直位移差異較大，應(yīng)考慮實際施工過程中存在降水的情況。通過比對前文隧道位移、收斂變化分析圖表，可以明確，模擬數(shù)據(jù)與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢相同。由此可知，基本工況模型計算所得出的隧道結(jié)構(gòu)位移、變形等相關(guān)數(shù)值研究結(jié)論，對實際工程設(shè)計是具有參考和指導(dǎo)意義的。

3.2 不同基坑開挖工況

由于隧道所處的土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，隧道下的地層為粉細(xì)砂地層，重點對土層參數(shù)、基坑與隧道結(jié)構(gòu)的距離進(jìn)行變化，對比分析不同工況下，基坑開挖施工對鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。以下列舉了31種工況進(jìn)行建模計算，參數(shù)明細(xì)見下頁表2。

對以上基坑開挖工況進(jìn)行建模，通過模擬開挖過程，計算隧道位移量、收斂量以及內(nèi)力變化等數(shù)值，為研究基坑開挖施工對隧道結(jié)構(gòu)位移及變形的影響，提供所需相關(guān)數(shù)據(jù)。

4 不同工況下基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律分析

對隧道結(jié)構(gòu)變形的分析可分為整體位移和結(jié)構(gòu)變形兩部分，根據(jù)模型可取拱腳點（A）、道床點（C）、水平直徑右端點（B）、水平直徑左端點（D）（如圖3所示）4個監(jiān)測點來對隧道結(jié)構(gòu)變形情況進(jìn)行分析。其中，水平位移取B點進(jìn)行分析，垂直位移取A點進(jìn)行分析，水平收斂取B、D點距離進(jìn)行分析，豎向收斂取A、C點距離進(jìn)行分析。

4.1基坑開挖分步分析

通過對各層開挖后的位移矢量圖（如圖4所示）進(jìn)行分析可知，在基坑開挖1-4層時，隧道與土體位移量相同，向上和向右的力作用明顯;基坑開挖5-10層時，土體位移變化量較大，隧道位移變化量平穩(wěn)遞增;基坑開挖至11層時，土體位移變化量開始減小，隧道不再發(fā)生位移。

通過對四個監(jiān)測點的數(shù)值進(jìn)行分析可知，該模型在進(jìn)行基坑分層開挖時，由于隧道右側(cè)基坑的土體不斷卸載，產(chǎn)生土體隆起。由于盾構(gòu)隧道位于該基坑左下方，隧道結(jié)構(gòu)受到向上和向右的土壓力，致使隧道產(chǎn)生向右水平位移及向下垂直沉降。在分層開挖過程中水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂、彎矩的數(shù)據(jù)均不斷增加，可知隧道的位移和變形值與開挖深度呈正比。

4.2 不同基坑與隧道結(jié)構(gòu)水平距離，對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

通過對工況1至工況7（參數(shù)見表2）進(jìn)行模擬基坑開挖計算，分析不同基坑與隧道結(jié)構(gòu)的水平距離，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂的影響（如圖5所示）。

由圖5可知，基坑開挖與隧道結(jié)構(gòu)水平距離的遠(yuǎn)近，直接影響隧道水平位移、垂直位移、水平收斂、豎向收斂、彎矩的變化。基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離越遠(yuǎn)，隧道位移、收斂和彎矩的變化越小，隧道總體產(chǎn)生水平向右位移，垂直沉降，水平擴(kuò)張和豎向收縮，呈橫橢圓變形。

4.3 基坑開挖對不同地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

通過對工況8至工況31（參數(shù)見表2）進(jìn)行基坑模擬開挖計算，將隧道所處地層的土質(zhì)分為4種不同參數(shù)（見表3）。分析不同土質(zhì)條件中，基坑開挖施工對隧道結(jié)構(gòu)位移、變形的影響規(guī)律。

通過四個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，分析開挖對隧道結(jié)構(gòu)水平位移量、垂直位移、水平收斂、豎向收斂的影響。（如圖6-9所示）

由圖6-9可知，隧道所處地層的土質(zhì)參數(shù)的差異，對隧道結(jié)構(gòu)的變形及位移有一定影響。當(dāng)隧道所處土質(zhì)的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角越大時，隧道位移、收斂及彎矩變化都較小。隨著基坑開挖深度的增加，隧道總體呈水平向右、垂直下沉的位移趨勢，隧道形態(tài)發(fā)生了水平擴(kuò)張、豎向收斂的橫橢圓變形趨勢。土質(zhì)的彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，決定了土質(zhì)的承載力，參數(shù)值越大，土質(zhì)承載力越大，基坑開挖施工時對隧道結(jié)果的影響就越小。但當(dāng)基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離較遠(yuǎn)時，土質(zhì)參數(shù)的大小對隧道結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生的影響就會降低。

5 結(jié)語

本文以南京地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)某基坑工程項目為例，通過使用巖土工程有限元軟件，對31種不同工況分類分析，詳細(xì)探討基坑分步開挖、基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離、隧道所處地層的土質(zhì)性質(zhì)對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響，進(jìn)一步明確軟土地質(zhì)地鐵保護(hù)區(qū)內(nèi)，近距離、開挖較深的基坑開挖施工對地鐵結(jié)構(gòu)造成較大的安全隱患。通過對有限元模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）隨著基坑開挖深度的不斷增加，當(dāng)基坑開挖深度未達(dá)到隧道頂部埋深時，隧道結(jié)構(gòu)位移、變形量受基坑開挖施工影響較小;當(dāng)基坑開挖深度接近隧道頂部埋深時，隧道結(jié)構(gòu)位移、變形量受基坑開挖施工影響變大;當(dāng)基坑開挖深度超過隧道中心埋深時，隧道結(jié)構(gòu)位移、變形量受基坑開挖施工影響逐漸減小。

（2）基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離較近時，基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)位移、變形量影響較大，隨著基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離的不斷增大，影響也隨之減小。當(dāng)基坑與隧道結(jié)構(gòu)距離50m左右時，基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)位移、變形量影響很小。

（3）當(dāng)隧道所處土質(zhì)的彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角越大時，隧道位移、收斂變化都較小。相較之下，在淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土地質(zhì)中的隧道結(jié)構(gòu)極易受到鄰近基坑施工的影響，在施工時對地鐵結(jié)構(gòu)實施監(jiān)測十分重要。在實際施工時，應(yīng)通過對隧道結(jié)構(gòu)實施高頻次監(jiān)測來控制施工過程中對隧道造成的不良影響。