基坑開挖對(duì)鄰近地鐵結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的影響研究

趙偉

（中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100032）

0 引言

時(shí)代的發(fā)展與進(jìn)步使得基坑開挖工程的建設(shè)數(shù)量逐漸增多，而在基坑開挖的過程中需要對(duì)周邊因素予以充分考慮，進(jìn)而保證基坑開挖工程建設(shè)的整體安全性與穩(wěn)定性。以鄰近地鐵為例，受深基坑施工的影響可能造成周邊土層的移動(dòng)與變形，此種變形將會(huì)逐漸傳遞到鄰近的地鐵隧道，增大原有結(jié)構(gòu)受力平衡被打破的風(fēng)險(xiǎn)，致使隧道內(nèi)的軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生諸如變形與位移等諸多不良變化。為此，需要基于現(xiàn)有成果展開對(duì)于基坑開挖以及結(jié)構(gòu)施工過程中可能對(duì)地鐵隧道所造成的影響研究，基于數(shù)值分析模型對(duì)基坑與隧道水平凈距、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行深入分析，為基坑開挖工程的正常施工以及地鐵的運(yùn)營安全提供保障條件。

1 工程概況

1.1 基坑與區(qū)間隧道

舉例工程位于某地鐵區(qū)間隧道的東側(cè)位置，擬建設(shè)的建筑主體為地下兩層與地上兩層，其頂板的覆土厚度設(shè)定為1.5m，底板的埋深深度設(shè)定為14.2m。設(shè)置的施工基坑與臨近的地鐵區(qū)間隧道距離為8m，設(shè)計(jì)的開挖輪廓尺寸為73m×149m。為保證基坑開挖過程中的臨近地鐵隧道的安全性，需要預(yù)先搭設(shè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，包括鉆孔灌注樁、雙排懸臂樁等[1]。地鐵隧道的施工方法為盾構(gòu)法，埋深為18.55m，其襯砌結(jié)構(gòu)采用的預(yù)制混凝土管片的厚度為300mm，環(huán)寬度為1.2m。

1.2 地質(zhì)條件

舉例建設(shè)的場(chǎng)地的自然地面標(biāo)高為46.71～48.26m，存在著覆蓋一定范圍的人工填土層結(jié)構(gòu)，經(jīng)測(cè)量厚度為1.3～4m，材料組成主要為粉土填土與卵石填土。人工堆積層下存在第四紀(jì)沖洪積沉積層，結(jié)構(gòu)組成材料主要包括黏土、粉土以及卵石等。

2 建立數(shù)值分析模型

2.1 模型假定與簡化

展開針對(duì)基坑開挖的模擬計(jì)算的過程中，需要給出以下的基本假定：

一是保證土體為各向同性且均質(zhì)的理想彈塑性體，將其進(jìn)行簡化處理后其各層的主體以及地表分布的水平層具有勻質(zhì)特點(diǎn)[2]；二是在計(jì)算模型時(shí)其初始應(yīng)力的確定只需要對(duì)土體的自重進(jìn)行考慮，無需對(duì)地下水可能造成的影響進(jìn)行分析；三是假定地鐵的區(qū)間隧道與其對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生協(xié)同變形；四是鋼軌與道床可進(jìn)行變形協(xié)調(diào)[3]。明確基本假定后即可基于MIDAS/GTS 軟件構(gòu)建三維數(shù)值計(jì)算模型。在這一過程中，需要將邊界效應(yīng)最大限度地消除，聯(lián)系開挖區(qū)域與區(qū)間隧道之間的位置關(guān)系，需要確定模型沿垂直線路的長度為200m，沿隧道方向的長度為80m，沿地層深度的方向?yàn)?0m，土體四周及底部采用法向約束，模型的上部為自由邊界。

由于鋼軌與模型尺寸的比相差例較大，因此要想在模型中全面展現(xiàn)影響效果較為困難，因此使用實(shí)體單元對(duì)道床進(jìn)行模擬，并需要依據(jù)實(shí)際情況設(shè)置鋼軌位置的節(jié)點(diǎn)。如此，即可在道床與鋼軌協(xié)同變形假設(shè)成立下，將道床鋼軌位置節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生的位移視作為鋼軌的位移量。

2.2 模型材料參數(shù)

基于對(duì)地質(zhì)勘查報(bào)告的相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，聯(lián)系模型的特點(diǎn)與給出的地層參數(shù)，需要針對(duì)主體采取適當(dāng)?shù)暮喕幚恚缭诿鞔_的深度范圍內(nèi)需要合并相近巖土類別的土體，并需要計(jì)算基于土層厚度的加權(quán)平均數(shù)，綜合取值才可保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而模型的強(qiáng)度設(shè)定主要基于莫爾－庫侖準(zhǔn)則，確定為彈塑性本構(gòu)關(guān)系。

2.3 模擬施工過程

模擬過程整體采用單元網(wǎng)格計(jì)劃與鈍化的方法，能夠?qū)娱_挖的整個(gè)動(dòng)態(tài)流程進(jìn)行模擬，需要同時(shí)對(duì)基坑開挖過程可能對(duì)臨近隧道與軌道結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，該過程需要嚴(yán)格遵循以下工序展開模擬[4]：一是開挖，需要對(duì)1.5m 的自然地面表層的覆土進(jìn)行開挖；二是采取排樁支護(hù)方案并在其周邊建設(shè)圍護(hù)樁；三是需要對(duì)自然地面1.5～3m 的土地進(jìn)行開發(fā)；四是需要開挖自然地面下的3～8m 土體；五是需要對(duì)自然地面下的8～12m 土體進(jìn)行開挖；六是需要對(duì)自然地面下12～14.2m 的土體進(jìn)行開挖。

2.4 布置計(jì)算點(diǎn)與變形控制標(biāo)準(zhǔn)

為確?；娱_挖可能對(duì)鄰近地鐵區(qū)間隧道以及軌道結(jié)構(gòu)影響的分析準(zhǔn)確性，需要選擇對(duì)應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)斷面的具有代表性特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)展開計(jì)算。需要設(shè)置的計(jì)算斷面數(shù)量為9 個(gè)，并應(yīng)在每個(gè)斷面設(shè)置13 個(gè)計(jì)算點(diǎn)，包含了10 個(gè)位于區(qū)間隧道斷面的計(jì)算點(diǎn)與軌道結(jié)構(gòu)斷面位置的3 個(gè)計(jì)算點(diǎn)[5]。整個(gè)過程需要基于城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)工務(wù)維修規(guī)則展開相應(yīng)工作，例如隧道結(jié)構(gòu)的上浮其累計(jì)量不得超出5mm，水平位移則應(yīng)控制在3mm 左右，正線軌距水平變化應(yīng)控制在4mm 以下。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 區(qū)間隧道與軌道結(jié)構(gòu)變形

伴隨基坑開挖工程的持續(xù)推進(jìn)，基坑位置的坑底與側(cè)壁的土地均產(chǎn)生了不同程度地朝向基坑內(nèi)側(cè)的變形情況，導(dǎo)致周邊土體均產(chǎn)生了偏向于基坑方向的一定位移，帶動(dòng)了整個(gè)隧道一側(cè)水平位移。再加上受到開挖卸載作用的影響，也將產(chǎn)生不同程度的豎向位移[6]。展開分析需首先明確分析對(duì)象，建議選擇距離基坑最近的斷面展開豎向位移與橫斷面水平位移的分析，從實(shí)際數(shù)據(jù)結(jié)果來看，無論是水平還是豎向位移其較大值均集中于靠近基坑一側(cè)的隧道與底部。完成基坑開挖后，模擬計(jì)算結(jié)果中顯示累計(jì)的隧道水平最大位移量為3.26mm，產(chǎn)生的最大豎向位移量為1.12mm，通常發(fā)生在靠近基坑側(cè)壁的隧道結(jié)構(gòu)上[7]。基于設(shè)定的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，可發(fā)現(xiàn)由于基坑開挖產(chǎn)生的對(duì)區(qū)間隧道的影響始終被控制在安全范圍內(nèi)。

獲取到各個(gè)計(jì)算斷面與基坑一側(cè)靠近的水平位移計(jì)算點(diǎn)，可反映出地鐵軌道結(jié)構(gòu)的變形量以及道床結(jié)構(gòu)的變形量，因此建議位于道床中心排水溝位置的點(diǎn)位作為計(jì)算軌道結(jié)構(gòu)水平與豎向位移的計(jì)算點(diǎn)。獲取到的計(jì)算點(diǎn)（沿著盾構(gòu)隧道軸線方向），則應(yīng)用于完成基坑開挖后豎向與水平位移分布的計(jì)算。從實(shí)際計(jì)算結(jié)果來看，相較豎向位移所產(chǎn)生的軌道結(jié)構(gòu)水平位移要稍大一些，無論是水平還是豎向位移均沿隧道軸線呈一字形分布。

通過對(duì)斷面水平位移計(jì)算點(diǎn)所對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的豎向位移時(shí)程曲線的分析，可發(fā)現(xiàn)伴隨基坑開挖進(jìn)程的逐步推進(jìn)，隧道與軌道結(jié)構(gòu)均產(chǎn)生了豎向位移與水平位移，方向?yàn)槌蚧拥奈灰品较颉：罄m(xù)工程在展開后，受排樁支護(hù)作用的影響在一定程度上恢復(fù)了部分隧道與軌道結(jié)構(gòu)的水平以及豎向位移，但在豎向位移全部恢復(fù)后產(chǎn)生了繼續(xù)下沉的現(xiàn)象[8]。伴隨基坑深度的逐漸增加，隧道與軌道結(jié)構(gòu)的水平與豎向位移同時(shí)增大，整體的位移時(shí)程曲線分布呈勺狀。

3.2 軌道幾何形位變化

設(shè)定鋼軌與道床變形協(xié)調(diào)的假定成立前提下，需要對(duì)不同斷面的道床鋼軌位置進(jìn)行計(jì)算，獲取到對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的變形數(shù)據(jù)，為后續(xù)在施工階段產(chǎn)生的軌道幾何行為變化情況的分析奠定基礎(chǔ)。綜合分析軌道幾何行為基本要素的定位即可知曉，軌距變化需要在相鄰兩軌水平位移量提取后，求出二者的差值[9]。而水平變化則需要對(duì)相鄰兩軌的豎向位移量進(jìn)行提取，同樣需要求出二者的差值。在所建立的模型中，所產(chǎn)生的軌道幾何行為變化量取自于臨近軌道差值，得出的幾何行為變化曲線同樣呈現(xiàn)勺狀分布?；趯?duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可發(fā)現(xiàn)最大的軌距變化值為0.128mm，水平方向所產(chǎn)生的最大變化值為0.136mm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)要小于設(shè)定的規(guī)范控制值。從此結(jié)果中可以判斷出，舉例工程的基坑開挖對(duì)鄰近軌道所產(chǎn)生的幾何行為的影響并不大。

4 基坑與隧道水平凈距分析

為確保所獲得基坑與盾構(gòu)隧道水平凈距變化可能對(duì)隧道以及軌道結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生影響規(guī)律的準(zhǔn)確性，需進(jìn)一步強(qiáng)化研究，針對(duì)基于不同工況的施工方案分別展開數(shù)值模擬計(jì)算。在隧道埋深為18.55m 的情況下，設(shè)置基坑的西側(cè)邊緣與隧道之間的水平凈距離為7m、14m、2m，符合工程圓形數(shù)值，進(jìn)而獲得對(duì)應(yīng)斷面上所顯現(xiàn)出的隧道與軌道結(jié)構(gòu)位移的變化曲線。從變化曲線中可以判斷出現(xiàn)有的地鐵區(qū)間隧道與新建基坑之間的水平凈距處于逐步增大的狀態(tài)，而對(duì)應(yīng)的軌道結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道之間的水平以及豎向位移卻呈現(xiàn)出逐漸減少的規(guī)律[10]。同時(shí),可發(fā)現(xiàn)軌道幾何形變的變化量，同樣伴隨著現(xiàn)有隧道與新建基坑之間水平凈距的增大而表現(xiàn)出逐漸減小的特點(diǎn)。但整體來看，基坑與隧道水平距離對(duì)軌道水平的變化的影響要更大。

基于文章的相關(guān)計(jì)算結(jié)果的分析，在基坑與隧道水平凈距離已經(jīng)確定的情況下，隧道產(chǎn)生的水平位移量為2mm，豎向位移則一般小于0.5mm，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的軌道幾何形變化則一般被控制在0.1mm 以下。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，基坑開挖工作對(duì)軌道以及隧道所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)影響相對(duì)較弱，因此建議將基坑的相鄰區(qū)域劃分為施工的強(qiáng)影響區(qū)與弱的影響區(qū)，在地鐵隧道位于弱影響區(qū)的情況下則應(yīng)該強(qiáng)化監(jiān)測(cè)；若位于強(qiáng)影響區(qū)，則需要在強(qiáng)化監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上選擇采取適當(dāng)措施，對(duì)可能產(chǎn)生的軌道以及地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形情況予以控制。

5 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)影響分析

針對(duì)現(xiàn)有隧道的一側(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的單排樁與雙排樁兩種工況展開數(shù)值計(jì)算，即可獲取到相應(yīng)的軌道與隧道的結(jié)構(gòu)位移量以及對(duì)應(yīng)的幾何形變，找出變化規(guī)律。雙排樁支護(hù)的情況下，相較單排樁無論是盾構(gòu)隧道還是軌道結(jié)構(gòu)的水平位移均明顯減小，所產(chǎn)生的豎向位移減小變化并不明顯，整體來看軌道的距離以及水平變化均表現(xiàn)出了顯著的減小特征。基于對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，可發(fā)現(xiàn)某個(gè)隧道計(jì)算點(diǎn)的水平位移的減小量在28%左右，豎向位移的減小量為6.5%，軌道結(jié)構(gòu)的計(jì)算點(diǎn)水平位移則相對(duì)減小36%，豎向位移減小量在6%左右。從此數(shù)值中可以發(fā)現(xiàn)，若能夠采取雙排樁支護(hù)方案，則能夠?qū)⒂捎诨娱_挖對(duì)盾構(gòu)隧道以及軌道結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響進(jìn)一步降低，并可起到對(duì)隧道結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展予以有效抑制的重要作用。

6 影響總結(jié)

一是受到基坑與隧道位置關(guān)系的影響，基坑開挖過程中產(chǎn)生的對(duì)軌道結(jié)構(gòu)以及地鐵隧道的影響，主要為沿基坑方向的水平位移，并不會(huì)對(duì)軌道的幾何行為產(chǎn)生相對(duì)較大的影響。而隧道結(jié)構(gòu)水平以及軌道的軌距均沿軸線方向分布，整體呈現(xiàn)一字形，產(chǎn)生的最大影響值均位于靠近基坑一側(cè)的相應(yīng)位置。

二是伴隨基坑開挖進(jìn)程的逐步推進(jìn)，無論是軌道結(jié)構(gòu)的水平還是地鐵隧道的豎向位移均處于逐漸增大的狀態(tài)，并伴隨排樁支護(hù)設(shè)施的建立使得水平位移逐漸恢復(fù)，會(huì)在逐步開發(fā)工作持續(xù)推進(jìn)的情況下呈現(xiàn)出逐步增大的特點(diǎn)?；诖朔N情況所進(jìn)行的分析，可發(fā)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)以及隧道的位移均呈現(xiàn)出勺狀分布的特點(diǎn)，同時(shí)伴有一定程度的軌道幾何形位變化。

三是伴隨盾構(gòu)隧道與基坑側(cè)壁之間的水平凈距離的逐漸增大，對(duì)應(yīng)的基坑開挖所產(chǎn)生的對(duì)軌道結(jié)構(gòu)水平位移、豎向位移以及整體水平的影響卻在逐步減小。因此，可只考慮盾構(gòu)隧道受基坑開挖的影響，確定界線后將施工領(lǐng)域劃分為強(qiáng)施工影響區(qū)與弱施工影響區(qū)。

四是在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置為雙排樁的情況下，軌道結(jié)構(gòu)的水平位移相較單排樁支護(hù)明顯有減小表現(xiàn)，對(duì)應(yīng)略微減小的豎向位移的變化并不十分明顯，但同時(shí)伴有軌道軌距以及水平的不同程度的減小變化。從這一角度進(jìn)行分析，可認(rèn)定采取雙排樁支護(hù)方案，能夠?qū)⒂苫娱_挖所造成的對(duì)軌道結(jié)構(gòu)以及盾構(gòu)隧道的影響最大限度地降低，并能夠在隧道結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展的過程中起到較為明顯的抑制作用。

7 結(jié)語

綜上所述，實(shí)際展開工程施工的過程中，需要對(duì)周邊建筑以及隧道等結(jié)構(gòu)予以充分考慮，基于模型構(gòu)建等方式，展開可能對(duì)周邊建筑結(jié)構(gòu)所造成影響的深入分析。在影響模型的指導(dǎo)下，可獲得相應(yīng)的影響曲線并分析出所造成的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上配套采用相應(yīng)的支護(hù)措施，即可將由于基坑開挖所造成的對(duì)地鐵隧道的影響降到最低，為保證施工安全、科學(xué)推進(jìn)施工進(jìn)程奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。