基坑施工對近距地鐵隧道安全性的影響

翁承顯，劉東雙

1.林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶 401121

2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045

隨著城市建設(shè)發(fā)展，地鐵已成為解決城市交通擁堵的重要途徑。為方便出行并充分利用城市土地，許多新建工程選擇在地鐵沿線，新建基坑的開挖會對周圍土體產(chǎn)生影響，引起鄰近既有地鐵隧道產(chǎn)生變形和沉降，嚴重者甚至發(fā)生開裂破壞。因此，研究鄰近基坑開挖對既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形影響具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者系統(tǒng)的研究了基坑開挖對既有地鐵隧道變形影響這一課題，研究方法包括理論分析、數(shù)值模擬和監(jiān)測分析等方法。文獻[1]基于Winkler 模型和Vesic 模量，通過兩階段分析提出了一種簡化分析方法，用以預(yù)測相鄰開挖引起的盾構(gòu)隧道響應(yīng)；文獻[2]采用監(jiān)測分析方法，研究了三角形基坑開挖施工各階段隧道的變形，闡述了由基坑開挖引起的既有隧道變形的機理；文獻[3]基于土的粘彈性本構(gòu)，并考慮土體與隧道耦合作用，采用半解析法分析了由卸荷導(dǎo)致的隧道變形彈性位移；文獻[4-7]通過三維數(shù)值模擬對基坑開挖全過程進行了動態(tài)模擬，研究了對鄰域常規(guī)地鐵隧道的影響文獻[8]通過臺北新規(guī)和三起隧道事故，分析了基坑開挖引起的隧道響應(yīng)；文獻[9]將隧道視為彈性地下連續(xù)梁，并引入彈性半空間層狀模型，推導(dǎo)了隧道與周圍土體相互作用的耦合平衡方程。雖然上述文獻重點研究了基坑開挖對既有隧道的影響，但關(guān)于在砂質(zhì)泥巖等軟巖中的研究也鮮有報道。因此，本文以重慶軌道交通三號線觀音橋至紅旗河溝區(qū)間的某基坑工程為例，通過三維數(shù)值分析的方法，研究了近距離基坑開挖對地鐵隧道的位移影響，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

項目主體結(jié)構(gòu)位于軌道三號線觀音橋～紅旗河溝單洞單線區(qū)間西側(cè)，基坑?xùn)|側(cè)邊坡走向基本與軌道線路平行。擬建項目地下室外墻至軌道結(jié)構(gòu)左線區(qū)間結(jié)構(gòu)距離為25.30 m～26.08 m，如圖1 所示。

圖1 項目與軌道交通結(jié)構(gòu)平面關(guān)系圖Fig.1 Plane relation between the project and rail structural

圖2 項目與軌道交通結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系圖Fig.2 Section relation between the project and rail structure

從圖2 項目與軌道交通結(jié)構(gòu)剖面關(guān)系圖剖面關(guān)系中可以看出，基坑開挖底面標(biāo)高基本與隧道結(jié)構(gòu)頂齊平。擬建建筑結(jié)構(gòu)地下室外墻條形基礎(chǔ)至左線區(qū)間隧道水平距離約26.68 m，樁基至左線區(qū)間隧道的水平距離約34.98 m；圍護樁至區(qū)間結(jié)構(gòu)的水平距離約24.93 m。為增加支護錨桿軌道結(jié)構(gòu)的距離，將設(shè)計時將最上兩排錨桿的入射角調(diào)整為10°，支護錨桿與至區(qū)間隧道錨桿最小距離約13.2 m。擬建場地地表大多為殘坡積粉質(zhì)粘土所掩蓋，局部分布有少量人工填土。經(jīng)地表地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭露，場地分布的地層為第四系全新統(tǒng)及侏羅系中統(tǒng)沙廟組地層?，F(xiàn)依地層的新老順序，由上至下對各地層如下：（1）人工填土(Q4ml)；（2）粉質(zhì)粘土(Q4el+dl)；（3）砂質(zhì)泥巖(J2s)；（4）砂巖(J2s)。場地內(nèi)巖層強風(fēng)化帶厚度一般0.80～1.3 m，局部大于2 m，其巖體破碎，巖質(zhì)軟，質(zhì)量等級為V。

2 區(qū)間結(jié)構(gòu)三維數(shù)值模擬變形分析

由于二維數(shù)值模型很難真實反映擬建項目與軌道交通結(jié)構(gòu)的空間關(guān)系，無法基坑邊坡的三維空間效應(yīng)，需要采用三維數(shù)值模型對軌道交通結(jié)構(gòu)變形進行更精確的計算。為簡化模型，得到更規(guī)則的網(wǎng)格，三維計算中采用連續(xù)墻體模擬圍護樁、擋土墻，但墻體參數(shù)按剛度等效原則輸入?yún)?shù)。這種處理方法僅在基坑開挖邊界處一定范圍內(nèi)（約3.0 倍樁徑范圍內(nèi)）所得位移略有失真，但不影響軌道區(qū)間隧道變形計算數(shù)值。

2.1 模型尺寸與施工步序

為了確保三維模型計算精度并盡量減少收斂時間，本次計算對模型范圍作出了一定的限定。基坑外側(cè)土層邊界距離基坑開挖邊界約60 m，約為基坑開挖深度的3 倍，確保消除邊界條件的影響；垂直方向上從地表以下取70 m，底部邊界距離基坑開挖底面約50 m，約為基坑開挖深度的2 倍。模型如下圖所示。

圖3 三維實體網(wǎng)格模型Fig.3 Three-dimensional mesh model

圖4 軌道交通結(jié)構(gòu)實體模型Fig.4 Entity model of rail structure

計算分析步序如下：⑴自重應(yīng)力場平衡，位移清零；⑵軌道三號線單洞單線左線隧道開挖計算；⑶軌道三號線單洞單線左線隧道施作二襯；⑷軌道三號線單洞單線右線隧道開挖計算；⑸軌道三號線單洞單線右線隧道施作二襯；⑹位移場清零；⑺布置基坑圍護樁；⑻基坑開挖完成計算；⑼施加基礎(chǔ)荷載計算。

2.2 區(qū)間結(jié)構(gòu)變形分析

軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的橫向位移與豎向位移變化云圖見表1。

表1 基坑開挖過程軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)變形云圖Table 1 Cloud diagram of track interval structure deformation during excavation of foundation pit

基坑開挖過程中，軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形逐漸增大，但絕對變形值一直維持在低水平?；娱_挖完成后，左線區(qū)間的最大橫向位移為2.39 mm，最大豎向位移為+0.45 mm，底板最大橫向位移為1.71 mm，最大豎向位移為+0.3 mm；右線區(qū)間的最大橫向位移為1.36 mm，最大豎向位移為-0.30 mm，底板最大橫向位移為1.08 mm，最大豎向位移為-0.14 mm。

基礎(chǔ)荷載加載后，區(qū)間結(jié)構(gòu)無論是橫向位移還是豎向位移，均有一個反向趨勢。因為實際基礎(chǔ)加載是一個緩慢過程，區(qū)間結(jié)構(gòu)位移變化也將是一個緩慢過程?；A(chǔ)加載完成后：①左線區(qū)間的最大橫向位移為1.26 mm，最大豎向位移為+0.57 mm，底板最大橫向位移為0.64 mm，最大豎向位移為+0.43 mm；②右線區(qū)間的最大橫向位移為0.82 mm，最大豎向位移為+0.21 mm，底板最大橫向位移為0.23 mm，最大豎向位移為+0.18 mm。

圖5 結(jié)構(gòu)最大橫向變形曲線Fig.5 Maximum transverse deformation curves of structures

圖5 及圖6 分別為軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)最大橫向位移與最大豎向位移在項目施工過程中變化曲線。從圖中可以看出：（1）隨著基坑開挖深度加大，軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的橫向變形逐漸加大；擬建建筑上部結(jié)構(gòu)完成加載后，橫向變形有所減小，左線區(qū)間最終橫向變形約1.3 mm，右線區(qū)間最終橫向變形約0.9 mm；

（2）基坑開挖過程中，軌道區(qū)間的最大豎向變形一直維持在較低水平，最大值不超過1.0 mm；擬建建筑上部結(jié)構(gòu)完成加載后，豎向變形略有增大，左線區(qū)間最終豎向變形約0.55 mm，右線區(qū)間最終橫向變形約0.2 mm。

圖7 結(jié)構(gòu)底板最大橫向變形Fig.7 Maximum transverse deformation of structural floor

圖8 結(jié)構(gòu)底板最大豎向變形Fig.8 Maximum vertical deformation of structural floor

圖7，圖8 分別為軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)底板最大橫向位移與最大豎向位移在項目施工過程中變化曲線。從圖中可以看出：

（1）隨著基坑開挖深度加大，軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)底板的橫向變形逐漸加大；擬建建筑上部結(jié)構(gòu)完成加載后，橫向變形有所減小，左線區(qū)間底板最終橫向變形約0.70 mm，右線區(qū)間底板最終橫向變形約0.23 mm；

（2）基坑開挖過程中，軌道區(qū)間底板的最大豎向變形一直維持在較低水平，最大值不超過1.0 mm；擬建建筑上部結(jié)構(gòu)完成加載后，豎向變形略有增大，左線區(qū)間底板最終豎向變形約0.42 mm，右線區(qū)間底板最終豎向變形約0.18 mm。

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大隆起量為0.45 mm，邊界兩端地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移趨近于0，模型長度約220 m，取區(qū)間隧道變形影響范圍長度為220 m，可由下式計算隧道變形曲率半徑：

式中：L為隧道變形影響范圍長度；Δδv為隧道結(jié)構(gòu)相對豎向位移最大值。計算所得隧道變形曲率半徑約為1.086×109m。

區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的最大橫向變形量為2.17 mm，邊界兩端地鐵結(jié)構(gòu)豎向位移趨近于0.52，模型長度約220 m，取區(qū)間隧道變形影響范圍長度為220 m，計算隧道相對變形曲率：

式中：L為隧道變形影響范圍長度；Δδh為隧道結(jié)構(gòu)相對橫向位移最大值。計算所得隧道變形曲率約為1/(8×106)m-1。

3 軌道結(jié)構(gòu)截面安全與裂縫寬度驗算

按《鐵路隧道規(guī)范》，塌落拱高度計算如下：寬度影響系數(shù)：ω=1+i(B-5)=1+0.1×(5.6-5)=1.06；

塌落拱高度：ha=0.45×2s-1ω=0.45×24-1×1.06=3.82 m；

項目基坑開挖后，隧道結(jié)構(gòu)最小埋深h1=28.4＞2.5ha=9.54 m。因此，項目實施后，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按深埋設(shè)計受力狀態(tài)，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載不會發(fā)生變化，截面安全系數(shù)與裂縫寬度與原設(shè)計一致，滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬分析擬建項目對軌道交通三號線區(qū)間觀音橋～紅旗河溝區(qū)間結(jié)構(gòu)的影響進行評估，分析結(jié)果表明：

（1）項目建設(shè)及運營引起區(qū)間結(jié)構(gòu)的最大橫向位移不大于3.45 mm，最大豎向位移不大于1.3 mm；區(qū)間隧道的變形曲率半徑為1.086×109m，相對變形曲率半徑為1/(8×106)，不影響軌道交通結(jié)構(gòu)的安全；

（2）項目建設(shè)及運營引起區(qū)間結(jié)構(gòu)底板的最大橫向位移不大于3.0 mm，最大豎向位移不大于1.2 mm；不影響軌道交通的正常運營；

（3）項目建設(shè)及運營期間，軌道區(qū)間結(jié)構(gòu)的深、淺埋狀態(tài)沒有發(fā)生變化，隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按深埋設(shè)計受力狀態(tài)，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的荷載不會發(fā)生變化，截面安全系數(shù)與裂縫寬度與原設(shè)計一致，滿足規(guī)范要求；因此，擬建項目的建設(shè)與運營不影響軌道交通結(jié)構(gòu)安全與正常運營。