基坑施工對臨近既有地鐵隧道變形的影響分析

沈銀斌，陳龍，周侃東，黃河

（1.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230051；2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 前言

隨著經(jīng)濟發(fā)展、社會進步，城市的地下工程建設(shè)發(fā)展迅猛，軌道交通的建設(shè)也成為其中重要的一環(huán)。相對于傳統(tǒng)的地面交通方式，地鐵成為緩解城市交通壓力的有力武器。但由于城市建設(shè)規(guī)模大而集中，不可避免地有另一些基礎(chǔ)設(shè)施的基坑與既有地鐵隧道緊鄰。當(dāng)隧道變形超過一定限度，輕則接縫漏水，重則導(dǎo)致地鐵無法安全運營。為保證重大工程的安全性，需要在基坑開挖前后對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全性進行研究和保護。

針對此類問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要采用簡化理論、數(shù)值模擬等方法進行研究。文獻[2]從理論分析著手，在基底土體隆起殘余應(yīng)力法的基礎(chǔ)上，研究了規(guī)則矩形基坑開挖在時空效應(yīng)上對土體回彈及其下地鐵隧道變形的影響規(guī)律，并最終推導(dǎo)出相關(guān)計算公式。文獻[3]開展了干砂地層中基坑開挖對旁側(cè)隧道影響及隔斷墻保護作用的三維離心模型試驗和數(shù)值分析，得出了隧道上浮量和水平位移隨著隧道埋深及其與圍護墻距離的增大而減小且隨著基坑開挖深度的增大而增大的結(jié)論。文獻[4]將相似材料模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，研究了上方基坑開挖卸荷-加載作用下隧道的變形特征，其結(jié)果表明隨著該基坑開挖卸荷的進行，隧道逐步上浮，在開挖至底部時豎向位移達到最大。文獻[5]結(jié)合工程實例對基坑與既有隧道的安全距離進行了分析：分析指出在常規(guī)基坑變形控制條件下，建議隧道結(jié)構(gòu)與圍護墻間距≥20m，且隨間距的減小，基坑支護剛度加強所需代價將逐漸增大。

綜上所述，目前基坑開挖對既有隧道的影響研究主要集中在基坑尺寸、支護、距離以及相關(guān)的理論規(guī)律上，而關(guān)于非常規(guī)的狹長管線基坑開挖對鄰近既有隧道影響的研究相對較少。本文以合肥市繞城高壓管線工程濱湖二段標(biāo)穿越合肥軌道交通一號線施工項目為依托，建立有限元三維數(shù)值模型，分析狹長的高壓管線基坑的不同施工方案對地鐵隧道變形的影響，結(jié)合現(xiàn)場自動化監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測結(jié)果，對比研究隧道變形規(guī)律。

1 工程概況

合肥繞城高壓管線工程，全線長4.99km，輸送介質(zhì)為天然氣，設(shè)計壓力4.0MPa，工作壓力 0.2～0.4MPa。該段為合肥市天然氣繞城高壓管線工程的一部分，其基坑在錦繡大道和廬州大道交口西北側(cè)250m處與合肥軌道交通1號線垂直交叉，垂直交叉段位于軌道1號線K19+900處，交叉段范圍約20m，穿越長度約46m，地面現(xiàn)狀標(biāo)高約15.73m，隧道頂標(biāo)高約3.83m，隧道底標(biāo)高-2.37m。燃氣管道埋深以現(xiàn)狀地面標(biāo)高為基礎(chǔ)。管道敷設(shè)采用開挖淺埋的方式，管道頂部覆土約1.5m，整體開挖段深度控制在3.2m以下，管底距離地鐵隧道頂垂直凈距約8.47m。該燃氣管線與軌道交通1號線平面位置關(guān)系圖如圖1所示，圖中虛線為燃氣管線；斷面關(guān)系示意圖如圖2所示。

圖1 燃氣管線與軌道交通1號線平面位置關(guān)系示意圖

圖2 燃氣管線與軌道交通1號線斷面位置關(guān)系示意圖

2 基坑開挖的數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

目前，廣泛使用的數(shù)值模擬方法主要有：有限差分法、離散單元法、彈塑性有限單元法等。本文采用MidasGTS NX（New eXperience of Geo-Technology analysis System）進行建模和分析，這是結(jié)合了有限元分析及巖土與隧道方向的專業(yè)性的一款用于分析和模擬巖土領(lǐng)域的有限元分析軟件，具有基于CAD的三維幾何建模功能，自動劃分網(wǎng)格，映射網(wǎng)格等特點，其強大的前，后處理能力為解決基坑開挖等問題提供了優(yōu)秀的平臺。

根據(jù)彈塑性理論并結(jié)合工程實際，本模型長寬高分別設(shè)為210m，125m，40m，使其遠大于基坑尺寸和隧道尺寸以保證模型的計算質(zhì)量。模型共有227144個單元，39691個節(jié)點；模型左右邊界施加水平方向約束，底部邊界施加豎向約束和水平向約束，頂部為自由邊界。如圖3所示，圖中為左右兩側(cè)隧道和尚未開挖的基坑，自左上到右下分別命為第1段至第6段，每一段長度約為40m，周圍的網(wǎng)格即透明化處理的土體。針對大范圍的開挖卸載，為方便計算做如下假設(shè)：

圖3 有限元數(shù)值模型

①土體是各向同性且均勻連續(xù)的；

②考慮初始自重應(yīng)力，該管線基坑的開挖是在土體充固結(jié)后開始進行的；

③在模擬過程中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)與周圍土體是協(xié)調(diào)變形的，無結(jié)構(gòu)與土體分離的情況。

數(shù)值計算時，土體材料采用摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）本構(gòu)模型，隧道管片材料為C50鋼筋混凝土，采用線彈性模型，根據(jù)勘察報告等，土體參數(shù)如下表所示。

2.2 施工過程模擬

為研究類似管線基坑的開挖對臨近地鐵隧道的影響，本文模擬三種不同的施工方案：第一種，對該管線基坑分6步開挖，即開挖第1段；回填第1段后再開挖第2段，回填第2段后再開挖第3段，以此類推直至第6段開挖完成。方案二：先開挖第1段，再開挖第2段，直至開挖第6段，開挖過程中不進行回填。方案三：自第6段開始開挖，回填第6段后開挖第5段（即右下到左上開挖），以此類推直至第1段開挖完成?；娱_挖前后示意圖如圖4所示。

圖4 基坑開挖前后示意圖

2.3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬首先根據(jù)地層的物理力學(xué)參數(shù)、模型邊界等條件計算初始應(yīng)力場，然后模擬地鐵隧道施工以獲取隧道的初始狀態(tài)，這兩個工況都進行位移清零后才開始進行基坑開挖的施工模擬。在此基礎(chǔ)上每開挖一次為一個施工階段，進行分析求解后，可以輸出任意施工階段隧道的位移云圖，以分析地鐵隧道的變形等情況，對基坑本身不做分析。

方案一各工況下隧道襯砌位移云圖如圖5所示。

由圖5可知，地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的變形隨著開挖階段的變化而變化，其中，該方案開挖第2段和開挖第3段的變形量最大，即在開挖基坑交叉段時達到最大值，最大豎向位移為3.58mm。

土體參數(shù)表

圖5 方案一各工況下隧道豎向移云圖

方案二各工況下地鐵隧道豎向位移云圖如圖6所示。

圖6 方案二各工況下隧道豎向位移云圖

在施工方案為方案二的情況下，地鐵隧道的最大豎向變形量達到4.71mm，在開挖最后兩個階段產(chǎn)生，其豎向位移最大值隨著開挖繼續(xù)而逐步增大，影響范圍也隨著開挖繼續(xù)而不斷擴大，最大豎向變形產(chǎn)生的位置也從左側(cè)隧道逐步轉(zhuǎn)移到右側(cè)隧道，開挖階段越靠后，其位置變化越穩(wěn)定。但是由于并未進行及時回填，因開挖卸荷減小的地應(yīng)力得不到恢復(fù)，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)在這樣的地應(yīng)力環(huán)境下逐步變形而產(chǎn)生較大的豎向位移。

方案三工況下地鐵隧道豎向位移云圖如圖7所示。

圖7 方案三工況下隧道豎向位移云圖

從方案三的數(shù)值模擬結(jié)果中得出，地鐵隧道的最大豎向變形約3.57mm，比方案一略小與方案一的云圖除順序外基本相同。由三個方案的位移云圖對比可知，各方案最大豎向位移產(chǎn)生均在同一處，且方案一和方案三的范圍相當(dāng)，說明在隧道襯砌結(jié)構(gòu)不會被破壞的前提下，采取不同的施工方案，該基坑開挖對臨近既有隧道產(chǎn)生最大影響的位置是相同的。

提取三個方案中豎向位移最大的點的位移數(shù)據(jù)，建立該點豎向位移隨開挖階段變化的對比圖，如圖8所示。

由圖8可以看出方案一和方案三的最大豎向位移十分接近，且曲線的分布規(guī)律也基本一致，均呈現(xiàn)出較明顯的高斯正態(tài)分布，方案一出現(xiàn)最大位移在第3開挖階段，即回填第2段開挖第3段，方案三出現(xiàn)最大位移在第4開挖階段，對應(yīng)于其開挖順序，為回填第4段開挖第3段，可知在基坑開挖第3段時對地鐵隧道的影響最大。而方案二開挖前兩段與方案一相似，但隨著開挖步的進行，其最大豎向位移逐步增大，由于后面的開挖距離該最大豎向位移點越來越遠，所以其影響也就越來越小，所以保持位移量較大但基本不變的狀態(tài)。

圖8 豎向位移隨開挖階段的變化對比曲線

3 監(jiān)測與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)

本文采用測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測，該系統(tǒng)以基于一臺測量機器人的照準(zhǔn)棱鏡的變形監(jiān)測體系為基本單元，是由多個基本單元通過網(wǎng)絡(luò)連接起來，組合形成一個測量機器人遠程網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由測量機器人、無線通訊模塊和系統(tǒng)控制中心三部分硬件組成，可以實現(xiàn)包括自動跟蹤、自動照準(zhǔn)、智能識別、遙測控制等功能在內(nèi)的自動化測量，能夠較大地提高監(jiān)測效率和精度。

3.2 測點布置

將監(jiān)測點分別布設(shè)左線軌道和右線軌道兩個區(qū)域，每隔20m設(shè)一個監(jiān)測斷面，其中為加強開挖影響較強區(qū)域的監(jiān)測，在垂直交叉段每隔5m布設(shè)一個監(jiān)測斷面。同時，將儀器安置在監(jiān)測區(qū)間中部作為測站點，能夠較好地保證測量精度。隧道內(nèi)監(jiān)測點布置如圖9所示。考慮到該線路為合肥地區(qū)最為重要的軌道交通線路之一，且正處于運營狀態(tài)，將位移值嚴(yán)格要求為：預(yù)警值5mm，控制值10mm。

圖9 區(qū)間隧道監(jiān)測斷面圖

3.3 結(jié)果對比分析

從數(shù)值模擬結(jié)果中可以看出，隨著開挖步驟的進行，最大位移產(chǎn)生位置也從左側(cè)隧道逐步轉(zhuǎn)移到右側(cè)隧道，同時在每一步回填之后，原位置的襯砌結(jié)構(gòu)位移都會減小，這是由于回填使得隧道所處的地應(yīng)力狀態(tài)有所恢復(fù)，一定程度上減輕了開挖卸荷的影響。在方案一下，襯砌結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的最大豎向位移為3.58mm，小于監(jiān)測預(yù)警值（5mm），更符合要求；在方案二中，由于未及時回填，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大豎向位移為4.71mm，比方案一的大31.6%，且與監(jiān)測預(yù)警值十分接近，可能出現(xiàn)意料之外的情況致使隧道變形超過預(yù)警值而需要不必要的后續(xù)控制措施。

根據(jù)工程實際情況，基坑開挖采用方案一進行施工。在現(xiàn)場實際監(jiān)測下，隧道的最大豎向位移為3.22mm，而方案一模擬結(jié)果中最大豎向位移為3.58mm。模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比如圖10所示。

圖10 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比圖

模型中最大豎向位移出現(xiàn)的位置也與實際監(jiān)測中出現(xiàn)最大豎向位移的位置相符合，均位于右側(cè)隧道的交叉段，模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果最大值誤差為11%，大體上吻合。這表明本文所建立的仿真模型（方案一）是可靠合理的，能夠在一定程度上模擬該隧道在其上方的基坑開挖過程中的所產(chǎn)生的變形。在不考慮現(xiàn)場人工設(shè)備等其他條件的情況下，采用方案三進行施工也是能夠滿足監(jiān)測要求的。

4 結(jié)論

①本文采用Midas GTSNX軟件進行了基坑開挖過程的數(shù)值模擬，并提出了三個不同的開挖方案，對方案進行分析比對得出方案一更適合的結(jié)論?？梢缘弥娱_挖產(chǎn)生卸荷作用，從而使土體表現(xiàn)出向上的回彈變形，由于土體的變形具有的協(xié)調(diào)性，使在一定的范圍內(nèi)得土體和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“上浮”變形，即產(chǎn)生豎直方向上的位移。由幾個方案的對比可知，在該基坑開挖過程中，開挖對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響與開挖土體的位置密切相關(guān)，距離越近則影響越大

②由于地鐵結(jié)構(gòu)與巖土體相互作用的復(fù)雜性，不同的施工方法和順序引起的地鐵結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布和大小不同，因此其變形量也不盡相同；盡管施工方案有所不同，同一基坑開挖對地鐵隧道所產(chǎn)生的影響最大的位置基本是不變的。隧道豎向位于隨開挖步進行的變化曲線符合正態(tài)分布規(guī)律。

③對該項目進行了自動化監(jiān)測，通過實測結(jié)果的驗證，對于復(fù)雜巖土體問題，在邊界條件和參數(shù)取值接近實際的情況下，數(shù)值模擬是解決巖土體問題的有效方法之一，并且能夠給出相對較好的定性和定量結(jié)果。

④同時，分析結(jié)果表明，在基坑的開挖過程中，為避免對隧道產(chǎn)生較大影響，應(yīng)當(dāng)及時地回填土體，及時做好基坑的支護工作，在保護基坑的同時盡量恢復(fù)開挖前的應(yīng)力狀態(tài)也是必要的；同時，應(yīng)充分考慮時空效率影響，避免隧道長時間處于地應(yīng)力不平衡的狀態(tài)而產(chǎn)生較大的形變，從而威脅到地鐵正常的安全運營。