某基坑開挖對地鐵隧道變形的影響分析

鄭志均，鄭江敏

（1.杭州市城建設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州310018；2.江山市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會，浙江 江山324100）

0 引言

隨著我國城市地下空間開發(fā)力度加大，緊鄰地鐵隧道的深基坑工程日益增多?；娱_挖必然會對影響范圍內(nèi)既有地鐵隧道造成一定的不良影響?；庸こ淘O(shè)計和施工過程中，如何保證基坑周邊環(huán)境及在支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性，成為一個亟待解決的難題。對基坑附近地鐵隧道、管線等的保護(hù)成為設(shè)計與施工的主導(dǎo)控制因素，以使基坑工程施工對隧道變形等影響控制在允許范圍內(nèi)[1-2]。

針對基坑開挖對鄰近地鐵隧道位移的影響，王衛(wèi)東[3]等充分考慮隧道周圍土體加固并利用時空效應(yīng)開挖土方等因素，采用數(shù)值模型分析基坑開挖對隧道位移的影響。張玉成[4]等通過廣州海珠廣場基坑開挖卸荷對下方地鐵隧道影響的數(shù)值分析，基坑開挖對開挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，進(jìn)而使隧道產(chǎn)生位移，其體現(xiàn)為豎向上抬。蔣洪勝[5]認(rèn)為基坑開挖使得支護(hù)連續(xù)墻后土層產(chǎn)生新的位移場，但因隧道本身的大剛度會產(chǎn)生抵抗作用，使得隧道的橫向變形增大。艾鴻濤[6]等基于上海某工程采用FLAC3D 軟件建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，模擬分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及鄰近地鐵隧道的變形規(guī)律。王強[7]應(yīng)用三維有限元對地鐵隧道在基坑施工過程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行彈塑性分析，并與工程實測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，其結(jié)果表明有限元方法可以較好地模擬基坑工程開挖問題。

本文根據(jù)地鐵隧道附近的基坑工程，采用Plaxis 巖土有限元軟件建立模型，模擬基坑工程的實際施工工況，分析基坑開挖施工對已建地鐵盾構(gòu)隧道變形的影響，并與監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 工程概況

1.1 地鐵隧道與基坑相對位置

該工程基坑南側(cè)挖深3.7 m 區(qū)域圍護(hù)樁中心線距某地鐵A 站—B 站區(qū)間隧道最近距離為8.64 m；該基坑北側(cè)挖深9.05 m 的圍護(hù)樁中心線距地鐵左線、右線A 站—B 站區(qū)間隧道最近距離為17.60 m，地鐵隧道標(biāo)高為-14.590～20.790 m，地鐵盾構(gòu)隧道已完成但尚未通車。隧道為盾構(gòu)圓形隧道，外徑6.2 m，壁厚350 mm，襯砌材料為C50 高強混凝土。根據(jù)地鐵隧道線路平面圖及隧道線路縱斷面圖，該隧道頂絕對標(biāo)高約-9.21 m 及-7.41 m（相對標(biāo)高為-15.30 m 及-14.50 m），隧道底絕對標(biāo)高約-15.41 m及-13.62 m（相對標(biāo)高為-21.50 m 及-20.70 m），隧道中心設(shè)計埋深約18.4 m 及17.6 m?；泳嚯x隧道左線結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)最近處約8.64 m，距離隧道右線結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)最近處約21.94 m。地鐵隧道與基坑相對位置如圖1 所示。

1.2 基坑開挖施工的主要工況

根據(jù)基坑實際情況，并綜合考慮地區(qū)經(jīng)驗后，采用分區(qū)開挖，先開挖基坑的深坑部分，待深坑開挖施工完畢后，方開挖基坑的淺坑部分。其工況簡述如下：

工況1：圍護(hù)樁及樁基施工（該工況前已計算初始地應(yīng)力）。

工況2：基坑深坑開挖至深度-3.55 m 處，并施工內(nèi)支撐（-3.05 m）。

工況3：基坑深坑開挖至坑底-8.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況4：基坑深坑換撐（-4.65 m 處）。

工況5：基坑深坑內(nèi)支撐拆除。

工況6：基坑淺坑開挖至-1.3 m 處，并施工內(nèi)支撐（-0.8 m）。

工況7：基坑淺坑開挖至-3.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況8：基坑淺坑內(nèi)支撐拆除。

圖1 地鐵隧道與基坑相對位置關(guān)系（單位：mm）

2 有限元數(shù)值分析

該基坑的平面大致呈矩形，且與基坑?xùn)|北側(cè)地鐵隧道基本呈平行布置，屬于比較典型的平面應(yīng)變問題，因此應(yīng)采用平面應(yīng)變模型分析基坑開挖對地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響。此次計算采用巖土有限元數(shù)值模擬軟件Plaxis 進(jìn)行二維平面有限元模型計算分析。該基坑?xùn)|西向開挖寬度10～18 m，樁墻深度12.9～34.6 m，坑外土體計算范圍取不小于3 倍的基坑挖深，并考慮到地鐵隧道與基坑的相對位置關(guān)系，取計算模型尺寸為寬150 m、深50 m。在幾何模型底部施加完全約束，兩側(cè)豎向邊界施加滑動約束?？油獬Ｋ蝗〉乇硐?.5 m，結(jié)合土方開挖工況，調(diào)整水位深度，坑內(nèi)采用深井降至開挖面以下0.5 m。

該工程中土體本構(gòu)模型采用Hardening-Soil Small Strain 模型（簡稱HSS 模型），其參數(shù)見表1。

樁基、隧道、鉆孔灌注樁采用板單元模擬，支撐體系采用點對點錨桿單元模擬，材料按照線彈性來考慮。計算時的邊界條件為側(cè)向水平約束，頂面為自由面，底部為水平和豎向約束。地下水位為地下1.5 m。分析中選用15 節(jié)點高精度三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，樁墻與土之間設(shè)接觸面單元；分析時同時考慮了已施工完成的工程樁的作用。圖2為有限元模型及網(wǎng)格劃分圖。

表1 土層計算參數(shù)

圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

圖3 基坑開挖至坑底工況下水平位移云圖（最大值6.907 mm）

圖3～圖6 分別為基坑開挖至坑底工況及拆除支撐工況時水平位移及豎向位移云圖。由圖可見，基坑開挖會引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動，并造成隧道的變形?？拷拥牡罔F左線隧道的水平位移變化數(shù)值要遠(yuǎn)大于右線隧道的，且左線隧道的水平位移增幅主要集中在靠近基坑的開挖范圍內(nèi)，而右線隧道的水平位移在開挖范圍內(nèi)無明顯相對波動和較大變化，顯然基坑開挖對距離較近的地鐵左線隧道的影響更為突出。

為了分析不同工況時的基坑圍護(hù)樁墻和地鐵隧道變形情況，根據(jù)計算結(jié)果，得到主要工況下基坑靠近地鐵的圍護(hù)樁墻及地鐵隧道位移情況，見表2。從表2 可看出，左右線隧道的水平位移在工況2[基坑深坑開挖至深度3.55 m 處，并施工內(nèi)支撐（-3.05 m）]和工況3（基坑深坑開挖至坑底-8.7m處，并澆筑地下室底板）之間及拆除支撐時的工況6 時變形均有明顯增加；工況2 和工況3 之間及工況6 是工程的關(guān)鍵，需要進(jìn)行針對性的加強管理和監(jiān)控。這是因為當(dāng)基坑工程鄰近地鐵隧道時，因基坑施工而在土體中引起的變化就會改變地鐵隧道周圍土體的應(yīng)力分布，使得土體發(fā)生移動，改變隧道結(jié)構(gòu)本身原有的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而造成地鐵隧道的變形，在基坑支護(hù)設(shè)計過程中要充分考慮這一問題。從表2 還可看出，基坑開挖造成基坑圍護(hù)體向坑內(nèi)變形，在前期開挖階段變形較快，后期相對較慢，拆除支撐時的變形也較快。

圖4 基坑開挖至坑底工況下豎向沉降云圖（最大值8.619 mm）

圖5 基坑拆除支撐工況下水平位移云圖（最大值8.638 mm）

圖6 基坑拆除支撐工況下豎向沉降云圖（最大值6.908 mm）

表2 主要工況下基坑靠近地鐵的圍護(hù)樁墻及地鐵隧道位移情況

對比不同工況下的地鐵隧道變形情況，可得到地鐵隧道的最大變形值（見表3），其最大變形值滿足地鐵隧道變形允許值，這說明基坑工程支護(hù)滿足地鐵變形要求。

表3 地鐵隧道最大位移情況

3 監(jiān)測結(jié)果分析

基坑開挖施工期間，委托了專業(yè)單位對地鐵隧道進(jìn)行監(jiān)測，并得到了地鐵隧道在不同工況下的變形數(shù)據(jù)，地鐵隧道的最大變形情況見表4。對比表4 監(jiān)測值和表2 計算值可見，地鐵隧道的水平向沉降和豎向沉降的監(jiān)測值與計算值相差較少，其監(jiān)測值基本上稍微大于數(shù)值分析計算值，這說明采用有限元計算可有效分析其變形。同時監(jiān)測結(jié)果也表明，基坑開挖對鄰近地鐵隧道會產(chǎn)生一定的影響，但影響可以采用合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法來進(jìn)行控制，能有效減小基坑對周圍已有構(gòu)筑物的影響，并使得工程的質(zhì)量和安全得到保證。

4 結(jié) 語

采用Plaxis 有限元軟件分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響，并對其數(shù)值分析結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了對比，可得到如下結(jié)論：

（1）基坑開挖會引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動，并造成隧道的變形；基坑開挖對距離較近的地鐵隧道的變形影響更為突出。

（2）基坑開挖造成基坑圍護(hù)體向坑內(nèi)變形，在前期開挖階段及支撐拆除時變形較快，應(yīng)重點進(jìn)行加強管理和控制。

表4 主要工況下地鐵隧道最大變形

（3）通過對比地鐵隧道的水平向和豎向最大變形的實測值和計算值，證實了采用有限元方法可以較好地模擬基坑開挖對地鐵隧道的影響。