軟土地區(qū)深基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道的影響

于 濤

（中郵通建設(shè)咨詢有限公司，江蘇 南京 210003）

0 引 言

隨著城市建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展階段，城市軌道交通的不斷完善，高層建筑不斷涌現(xiàn)。地鐵運(yùn)行勢必會(huì)受到周邊深基坑工程施工的一些影響。深基坑施工實(shí)為卸載過程，對(duì)周邊環(huán)境有顯著影響，尤其是鄰近地鐵，而地鐵隧道對(duì)變形控制要求極其嚴(yán)格。

針對(duì)深基坑施工對(duì)鄰近地鐵隧道影響的問題，眾多學(xué)者做了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。周建昆等[1]通過數(shù)值模擬手段，對(duì)鄰近地鐵隧道旁的基坑施工進(jìn)行分析，研究了深基坑開挖時(shí)地鐵隧道的變形規(guī)律。杜金龍等[2]建立三維數(shù)值模型，詳細(xì)分析了深基坑施工全過程對(duì)鄰近地下管線的變形和應(yīng)力影響。張治國等[3]基于某基坑工程分析了鄰近地鐵隧道基坑施工過程，將基坑施工過程中地鐵隧道的變形分為兩個(gè)階段。伍尚勇等[4]利用有限元軟件建立三維模型，分析了雙側(cè)深基坑各施工工況下中間地鐵隧道變形，對(duì)地鐵的安全性進(jìn)行了評(píng)估。張明遠(yuǎn)等[5]以實(shí)際工程為背景，研究了深基坑不同施工方案對(duì)地鐵隧道的影響，確定了該過程最為合理的施工方案。況龍川[6]、吉茂杰等[7]和葛世平等[8]同樣研究了開挖卸載引起隧道變形。

本文結(jié)合某鄰近地鐵隧道的深基坑工程，利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維模型，研究了基坑與隧道間水平距離和地連墻嵌固深度對(duì)隧道變形的影響，并明確了考慮地鐵運(yùn)行荷載的必要性。

1 工程背景

某大廈項(xiàng)目為沿海地區(qū)某城市地標(biāo)性建筑物。該大廈的高度為450 m，基坑開挖深度為為24 m，電梯井部最大深度為30 m，基坑的面積達(dá)到13 500 m2，土方的量高達(dá)35萬m2，地下室的建筑面積65 000 m2。該大廈周圍人流量很大，交通管線相當(dāng)復(fù)雜。其中最重要的是緊鄰地鐵1號(hào)線，距地鐵隧道最近距離僅為8 m，地鐵結(jié)構(gòu)的底部高于基坑底部4 m。圖1給出了基坑平面位置圖。

圖1 基坑平面位置圖Fig.1 Plan of foundation pit

2 數(shù)值模型的建立

2.1 三維模型及邊界條件

圖2為鄰近地鐵隧道的基坑三維有限元模型，模型尺寸為200 m×200 m×50 m，其中X軸、Y軸、Z軸以及原點(diǎn)如圖所示。隧道直徑8 m，隧道中心線埋深為16 m。采用正四面體單作為網(wǎng)格單元，釆用GOODMAN單元放于接觸面。模型底面各向和側(cè)面法向受約束，自由面在表面，隧道的兩端作了固定約束。在PLAXIS 3D軟件中，設(shè)置荷載移動(dòng)速度為80 km/h，考慮列車的每小時(shí)最大通過列數(shù)為30，兩列列車的時(shí)間間隔為2 min，列車荷載簡化為75 m長幅值為20 kN/m的線荷載在隧道底部移動(dòng)，荷載激振頻率為8 Hz。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格模型Fig.2 Computation grid model

2.2 材料參數(shù)

土體本構(gòu)模型采用小應(yīng)變土體硬化模型（HSS模型）。它能更好的反應(yīng)土體在小應(yīng)變范圍內(nèi)的特性，同時(shí)還能考慮應(yīng)力路徑相關(guān)性。支護(hù)結(jié)構(gòu)及襯砌結(jié)構(gòu)詳細(xì)參數(shù)如表1所示。根據(jù)現(xiàn)場勘查報(bào)告，巖土體參數(shù)如表2所示。

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Supporting structure parameters

表2 巖土體參數(shù)Table 2 Rock and soil parameters

2.3 控制標(biāo)準(zhǔn)

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202—2013）從隧道水平位移、豎向位移、徑向收斂和隧道變形曲率半徑4個(gè)方面給出了城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值，詳見表3。

表3 城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值Table 3 Safety control index values of urban rail transit structure

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 基坑與隧道間水平距離的影響

為研究地鐵隧道與基坑間的水平距離L對(duì)基坑開挖引起鄰近地鐵隧道變形的影響，建立5種不同水平距離的工況：4、6、8、10、12 m。隧道拱頂沉降和左側(cè)拱腰水平位移曲線如圖3所示。

圖3 基坑與隧道不同水平距離下襯砌隧道變形Fig.3 Deformations of lining tunnel under different horizontal distances between foundation and tunnel

從圖3（a）中可以看出，隧道拱頂沉降隨著隧道進(jìn)深迅速增大，并在基坑中部沉降達(dá)到最大值，隨后迅速減小直至趨于穩(wěn)定。同時(shí)，拱頂沉降隨著基坑與隧道間的水平距離的增長而減小。當(dāng)水平距離分別為4、6、8、10、12 m時(shí)，拱頂最大沉降對(duì)應(yīng)值為11.4、8.2、4.0、2.3、1.3 mm?？梢?，當(dāng)水平距離達(dá)到8 m后，水平距離的增大對(duì)拱頂沉降影響有限。圖3（b）中可以看出，左側(cè)拱腰水平位移主要發(fā)生在隧道鄰近基坑范圍內(nèi)，然而最大值自始至終改變在基坑中部。同樣拱腰水平位移隨著基坑與隧道間水平距離的增大而減小。

綜合圖3，當(dāng)基坑與隧道間的水平距離為4 m時(shí)，隧道運(yùn)營期隧道拱頂位移和水平位移均超過規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值，而非運(yùn)營期隧道拱頂沉降和水平位移均小于規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值。

圖4給出了靠近地鐵隧道側(cè)坑底上部地連墻的水平位移隨著地下連續(xù)墻深度的變化曲線。從圖中可以看出，地下連續(xù)墻水平位移總是隨著地下連續(xù)墻深度迅速增大隨后迅速減小至零，并在基坑深度一半處達(dá)到峰值。當(dāng)基坑與隧道間的水平距離分別為4、6、8、10、12 m時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移對(duì)應(yīng)值為16.1、13.2、11.6、10.1、9.4 mm?？梢?，地下連續(xù)墻水平位移隨著基坑與隧道間水平距離的增大逐漸減小，且隨著基坑與隧道間水平距離的增大，這種影響也越來越小。綜上所述，確定基坑與地鐵隧道的安全水平距離為8 m。

圖4 地下連續(xù)墻水平位移Fig.4 Horizontal displacements of diaphragm walls

3.2 地連墻嵌固深度的影響

為研究地連墻嵌固深度d對(duì)基坑開挖引起鄰近地鐵隧道變形的影響，建立4種不同地連墻嵌固深度工況：1、4、7 m和10 m。圖5給出了不同地連墻嵌固深度下拱頂沉降和左側(cè)拱腰水平位移的變化曲線。

圖5 基坑與隧道不同水平距離下襯砌隧道變形Fig.5 Deformations of lining tunnel under different horizontal distances between foundation pit and tunnel

從圖5（a）中可以看出，隧道拱頂沉降主要發(fā)生在隧道鄰近基坑范圍內(nèi)。地連墻嵌固深度自1 m增加到10 m，拱頂最大沉降分別減小了2.9、2.2、1.6 m，可見拱頂沉降隨著地連墻嵌固深度增大而減小。圖5（b）中同樣可以看出，左側(cè)拱腰水平位移最大值始終發(fā)生在基坑中部。同樣左側(cè)拱腰水平位移隨著地連墻嵌固深度增大而減小。

進(jìn)一步觀察圖5可知，地連墻嵌固深度增大到7 m時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)隧道變形控制效果提升顯著，但進(jìn)一步增大地連墻嵌固深度，這種影響有限。另外，當(dāng)?shù)剡B墻嵌固深度為1 m時(shí)，隧道運(yùn)營期隧道拱頂沉降為 12 mm，水平位移為 15.1 m，均大于10 mm的預(yù)警值；而非運(yùn)營期拱頂沉降為9.8 mm，水平位移為11.9 m。

圖6給出了不同地連墻嵌固深度d時(shí)，鄰近隧道側(cè)坑底上部地連墻水平位移的變化規(guī)律。從圖中還可以看出，地連墻嵌固深度的增加可有效控制基坑變形。但是隨著地連墻嵌固深度的增加，這種影響逐漸減小。綜上所述，地連墻合理嵌固深度為7 m。

圖6 地下連續(xù)墻水平位移Fig.6 Horizontal displacements of diaphragm walls

3.3 非運(yùn)營階段和運(yùn)營階段的隧道變形比較

地鐵隧道無論是對(duì)沉降還是水平位移的控制標(biāo)準(zhǔn)都是毫米級(jí)的。為此本節(jié)對(duì)比地鐵非運(yùn)營和運(yùn)營期對(duì)隧道變形影響。圖7和圖8給出了兩個(gè)階段的襯砌圓環(huán)豎向位移和水平位移圖。

如圖 7（a）所示，隧道非運(yùn)營期拱底位移約為4.5 mm，拱頂沉降位移約為7.7 mm，可見豎直方向的隧道徑向收斂值約為12.2 mm。圖7（b）可以看出，隧道運(yùn)營期拱底位移約為5.2 mm，較非運(yùn)營期的隧道拱頂沉降增大15%；隧道運(yùn)營期的拱頂沉降位移約為9.0 mm，較非運(yùn)營期的隧道拱頂沉降增大 17%；此時(shí)豎直方向的隧道徑向收斂值約為14.2 mm，較非運(yùn)營期增大15%。

圖7 不同階段襯砌圓環(huán)豎向位移圖Fig.7 Vertical displacement diagrams of lining ring at different stages

如圖 8（a）所示，受基坑開挖卸載的影響，隧道左側(cè)拱腰處有向基坑方向的水平位移，約為8.6 mm；隧道右側(cè)拱腰處的水平位移約為2 mm。因此水平方向的隧道徑向收斂值約為6.6 mm。圖8（b）可以看出，隧道運(yùn)營期的左側(cè)拱腰處的水平位移約為9.8 mm，較非運(yùn)營期增大約15%；隧道右側(cè)拱腰處的水平位移約為3.2 mm，較非運(yùn)營期增大近 60%；此時(shí)水平方向的隧道徑向收斂值約為6.6 mm。

圖8 不同階段襯砌圓環(huán)水平位移圖Fig.8 Horizontal displacement diagrams of lining ring at different stages

4 現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比

圖9給出了隧道拱頂豎向位移和水平位移隨著距監(jiān)測點(diǎn)距離變化曲線的對(duì)比。從圖中可以看出，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的拱頂豎向位移和水平位移變化規(guī)律一致。且數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果相差10%左右，在合理范圍，驗(yàn)證了模型的正確性。

圖9 隧道位移隨著距監(jiān)測點(diǎn)L10距離變化曲線Fig.9 Variation curves of tunnel displacement with distance from monitoring point L10

5 結(jié) 論

本文基于某緊鄰地鐵隧道的深基坑工程，利用PLAXIS 3D軟件建立三維模型模擬分析，研究了基坑與隧道間水平距離和地連墻嵌固深度對(duì)隧道變形的影響，并明確了考慮地鐵運(yùn)行荷載的必要性。主要得到以下結(jié)論：

（1）地鐵隧道和基坑的變形隨著基坑與隧道間的水平距離的增大而減小，但當(dāng)水平距離達(dá)到8 m后，減小趨勢變緩。確定本工程基坑與地鐵隧道的安全水平距離為8 m。

（2）地連墻嵌固深度的增加可以有效控制地鐵隧道和基坑的變形，但隨著地連墻嵌固深度的增加，這種改善效果逐漸減弱。確定本工程地連墻合理嵌固深度為7 m。

（3）本深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工方案能有效控制隧道結(jié)構(gòu)變形，滿足規(guī)范限制要求。但地鐵荷載對(duì)基坑開挖引起鄰近隧道豎向位移的影響不可忽視。