深基坑工程施工對相近地鐵隧道的影響分析

甄祖玲

（廣東省源天工程有限公司 廣州511300）

0 引言

隨著城市人口的不斷增加，給中大型城市的地面交通帶來了很大的壓力，這也就導(dǎo)致城市交通的發(fā)展開始往地下發(fā)展，便捷、安全、快速的地鐵軌道交通已逐漸成為當今大型城市的主要出行方式。

在相近的地鐵隧道區(qū)間進行深基坑的開挖施工，必然會影響隧道結(jié)構(gòu)本身的受力平衡系統(tǒng)，如果在施工過程中控制不當，導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的應(yīng)力以及變形過大，就會對人民的財產(chǎn)人身安全造成威脅［1］。傳統(tǒng)的基坑設(shè)計注重強度和穩(wěn)定性要求，但由于現(xiàn)代基坑周邊環(huán)境日益復(fù)雜，加上周圍建構(gòu)筑物對變形影響也極為敏感，使得現(xiàn)在基坑開挖對周邊建構(gòu)物及環(huán)境變形控制的要求越來越高。

目前，基坑開挖對地鐵隧道影響的理論分析還較為缺乏，尚不足以解決同時考慮土層因素、時空效應(yīng)、支護條件等相關(guān)因素對變形影響的問題。由于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)是在各種因素影響下的變形的綜合反映，再通過對巖土、隧道結(jié)構(gòu)專用有限元軟件MIDAS GTS—NX 的數(shù)值分析，還是可以對基坑開挖影響下的地鐵隧道變形進行較為可靠的評估分析［2］。

因此，本文以某一大型深基坑項目為背景采用三維模擬計算基坑施工的各種工況對相近地鐵隧道的影響過程，進而對該項目情況作出相應(yīng)的安全評估分析和提出一定的合理化施工建議，以供后續(xù)類似工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某項目由6～7 層的多層住宅、26～27 層的高層住宅以及3～4 層的商業(yè)組成，設(shè)1 層滿鋪地下室，局部2 層地下室。本項目建筑設(shè)計±0.00=6.60～7.10（羅零高程），主體結(jié)構(gòu)工程樁基礎(chǔ)為預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)。項目場地周圍為公路和規(guī)劃路，較為空曠?；又ёo體系采用SMW 工法樁+鋼管內(nèi)斜撐、SMW 工法樁+鋼筋混凝土內(nèi)支撐、懸臂SMW 工法樁聯(lián)合支護型式。地下室基坑采用套打三軸水泥土攪拌樁擋土止水，臨近地鐵側(cè)的被動區(qū)加固與SMW 工法樁同步施工。圍護結(jié)構(gòu)外邊線距離區(qū)間右線隧道結(jié)構(gòu)外邊線最近為6.09 m，區(qū)間左線隧道距離項目較遠。本項目總體平面和典型支護剖面如圖1所示。

圖1 總平面及剖面Fig.1 General Layout Plan and Section Plan （mm）

1.2 工程地質(zhì)及水文情況

根據(jù)勘察報告資料，場地巖土層按其成因、力學(xué)強度不同劃分工程地質(zhì)層，各巖土層分述如下：①雜填土；②粉質(zhì)粘土；③淤泥；④含泥粉砂；⑤淤泥質(zhì)土；⑤-1粉質(zhì)黏土；⑥中砂；⑦粉質(zhì)粘土；⑦-1淤泥質(zhì)土；⑧中砂；⑨卵石；⑩全風化花崗巖；?砂土狀強風化花崗巖；?碎塊狀強風化花崗巖；?中風化花崗巖［3］。

據(jù)調(diào)查，地下水靜止水位埋深為0.04～1.72 m，擬建場地歷史最高地下水位標高為5.80 m。

2 三維有限元數(shù)值模擬

2.1 分析模型尺寸確定

根據(jù)本項目與鄰近地鐵結(jié)構(gòu)的立體關(guān)系，對本項目施工全過程進行模擬。MIDAS-GTS有限元模型中，采用三維實體單元模擬土層，采用板單元模擬該項目擬建基坑SMW 工法樁、隧道襯砌結(jié)構(gòu)。計算模型范圍以本項目建設(shè)工程的外輪廓為基準，外擴一定距離（＞5 倍的基坑開挖深度）后而建立，模型深度按地鐵隧道埋深的約3 倍建立［4］，由此有限元模型尺寸為314 m×293 m×50 m。

2.2 模型邊界約束條件

有限元模型的邊界條件為：模型底部約束豎向位移，模型左右兩側(cè)約束水平向位移［5］。

2.3 模型的地面附加荷載

在模型頂面除基坑開挖范圍內(nèi)，考慮20 kN/m2地面大面積活動荷載。

2.4 模型采用的地層結(jié)構(gòu)性質(zhì)

本模型采用的巖土層力學(xué)計算參數(shù)詳如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)計算參數(shù)Tab.1 The Mechanical Parameters of Rock and Soil

2.5 施工動態(tài)過程的模擬

本項目的數(shù)值模擬要與實際施工工況相對應(yīng)，如表2和圖2所示。

圖2 計算模型三維視圖Fig.2 3D View of the Calculation Model

表2 施工數(shù)值模擬工況Tab.2 Working Condition of Construction Numerical Simulation

3 安全性評估分析

3.1 整體模型變形計算及分析

通過數(shù)值計算，得出各工況下整體模型變形的橫向、縱向及豎向位移。

整體模型的X、Y、Z方向最大位移云圖如圖3所示。

圖3 整體模型的坑中坑開挖位移云圖Fig.3 Displacement Cloud Map of Pit-in-pit Excavation of the Overall Model

3.2 軌道交通控制保護區(qū)間結(jié)構(gòu)變形計算及分析

通過數(shù)值計算，得出各工況下區(qū)間模型的橫向、縱向及豎向位移。該項目在工況6進行地下2層坑中坑開挖施工時，對軌道交通控制保護區(qū)間X、Y、Z方向會產(chǎn)生最大位移［6］，如圖4所示。

圖4 區(qū)間模型坑中坑開挖位移云圖Fig.4 Displacement Cloud Map of Pit-in-pit Excavation Based on Interval Model

本項目施工區(qū)域地鐵線路隨著工況的位移變化如表3所示。表4為地鐵結(jié)構(gòu)位移最大值的匯總表。由表3、表4可知：臨近地鐵隧道區(qū)間內(nèi)結(jié)構(gòu)X、Y、Z方向最大位移分別發(fā)生在工況6（地下2層坑中坑開挖），變形值分別達到了0.952 mm、-9.047 mm（向基坑方向）、1.439 mm（隆起）。

表3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移變化Tab.3 Displacement of Subway Tunnel Structure

表4 盾構(gòu)區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)位移計算結(jié)果Tab.4 Calculation Results of Structural Displacement of Shield Tunnel

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

本項目采用三維有限元模型模擬深基坑開挖施工對地鐵區(qū)間的影響，通過模擬得出主要結(jié)論如下：

⑴本項目地塊雖然位于軌道交通地鐵線路區(qū)間隧道控制保護區(qū)范圍，但土建施工作業(yè)與臨近的地鐵區(qū)間在空間位置上不存在沖突，在采取必要的工程安全保護措施后，是具備實施的可行性。

⑵本項目地塊基坑全過程施工中，軌道交通控制保護區(qū)間結(jié)構(gòu)X、Y、Z方向最大位移分別發(fā)生在地下2層坑中坑開挖完成階段，變形值分別達到了0.952 mm、-9.047 mm（向基坑方向）、1.439 mm（隆起），各方向變形影響均在安全范圍內(nèi)，施工引起的地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)變形滿足規(guī)范要求。

⑶本項目施工對軌道交通控制保護區(qū)間的內(nèi)力影響較小，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)受力結(jié)果在承載力允許范圍內(nèi)，既有區(qū)間結(jié)構(gòu)受力安全［7-8］。

⑷施工完成后，軌道交通控制保護區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)附加縱向變形的最小曲率半徑為R=185 000 m＞15 000 m，滿足地鐵保護要求。

4.2 實施建議

⑴ 在項目基坑施工前，項目建設(shè)方應(yīng)加強與地鐵公司等各參建單位溝通。本項目施工圖設(shè)計文件、勘察報告、專項施工作業(yè)方案、安全防護方案等技術(shù)資料應(yīng)報送地鐵公司審查，待審批同意后方可實施該工程。

⑵ 由于項目臨近地鐵施工，應(yīng)選擇振動影響小的設(shè)備，減小設(shè)備運行時對地鐵結(jié)構(gòu)振動的影響。在靠近地鐵一側(cè)的三軸攪拌樁施工前，建議進行試打，根據(jù)隧道的監(jiān)測變形情況獲取合適的施工工藝參數(shù)及注漿壓力后再進行施工；型鋼拔除過程應(yīng)控制液壓千斤頂頂力，拔除困難時應(yīng)考慮舍棄，禁止采用震動措施［9］。

⑶近區(qū)間隧道側(cè)工程樁需采用旋挖或鉆孔工藝且做好護壁措施，距區(qū)間隧道外輪廓20 m范圍內(nèi)的樁基不得采用擠土樁。距離地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外緣20～50 m 范圍內(nèi)，設(shè)計采用靜壓預(yù)應(yīng)力管樁，此部分管樁在施工時建議采取以下措施：①控制打樁速度及日壓樁數(shù)，放慢靠近區(qū)間隧道側(cè)的管樁壓樁速度；②合理安排打樁順序，采用先近后遠的施工順序；③預(yù)鉆孔取土打樁，減少壓樁過程中受擠壓土的體積。

⑷鑒于項目局部二層及主樓電梯井區(qū)域采用輕型井點降水，建議基坑開挖前對近軌道交通側(cè)進行試降水，以檢驗止水帷幕質(zhì)量。

⑸基坑開挖施工時，每層土方開挖遵循“由遠及近”的原則，先開挖遠離軌道交通側(cè)土方，并嚴格遵循分區(qū)、分塊、分層、對稱、限時的原則，并及時反饋現(xiàn)場地質(zhì)情況，進行信息化施工。當挖至基底設(shè)計高程時，應(yīng)立即施做墊層、防水層及地下室底板，避免因基坑長時間暴露增加地鐵區(qū)間安全風險［10］。

⑹項目施工期間，應(yīng)加強靠軌道交通結(jié)構(gòu)側(cè)的基坑變形監(jiān)測，并及時與地鐵公司溝通。監(jiān)測測量點的布設(shè)按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定與設(shè)計要求進行，并及時與地鐵公司溝通確認。