地鐵車站基坑開挖對既有隧道變形沉降影響數(shù)值模擬分析

收稿日期：2024-03-01

作者簡介：劉飛（1987—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：巖土工程。

摘要 以某地鐵車站工程為例，為研究基坑開挖對既有隧道的影響，根據(jù)工程施工條件采用數(shù)值模擬方法確定既有隧道的變形量，對比分析模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，評價地鐵車站開挖引起的影響。結果表明：既有隧道最大變形和地表最大沉降發(fā)生在基坑開挖至坑底時，但均在許可范圍內(nèi)，基坑開挖不會影響周邊既有1號線的正常運營；數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相差較小，表明文章采用的數(shù)值模擬方法具有可行性，可供參考。

關鍵詞 基坑開挖；變形；沉降；數(shù)值模擬；可行性檢驗

中圖分類號 U231.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0120-03

0 引言

基坑開挖可能導致周邊既有建（構）筑物變形或沉降，安全隱患多，深入研究基坑開挖對周邊環(huán)境的影響是保障開挖安全的重要前提。現(xiàn)階段，有限元法、連續(xù)介質(zhì)模型法等在基坑開挖對周邊環(huán)境影響的模擬中取得廣泛應用，位移場、地表沉降等模擬結果具有參考價值。但數(shù)值模擬方法在參數(shù)設置、數(shù)據(jù)分析等方面仍有進步空間，因此深入研究數(shù)值模擬方法具有重要意義?；诖?，該文采用數(shù)值模擬某地鐵車站基坑開挖，根據(jù)模擬結果評價開挖對周邊既有隧道的影響，通過施工現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證了模擬方法的可行性，模擬結果對工程施工有指導意義。

1 工程概況

某地鐵車站總長185 m，主體建筑面積13 480.3 m2，地下二層為站臺層，地下一層為站廳層，站臺為兩層島式站臺。主體結構底板埋深20.5 m，頂板覆土厚度2.42～5.26 m，基坑底土層為粉細砂層和粉砂層。以里程YDK17+730.009附近的車站基坑東側端頭井為研究對象，開挖深度約25.3 m，坑底位于第⑤2粉砂層，設置厚度1.2 m、深度48 m的地下連續(xù)墻。沿基坑深度方向設置支撐，第2、3、4、6、7道為鋼管支撐，剩余2道為鋼筋混凝土支撐。端頭井施工方法為明挖順作法，西側存在直徑6.2 m且處于運營狀態(tài)的地鐵1號線區(qū)間隧道，隧道頂埋深約8.65 m，管片壁厚350 mm，右線隧道中心距車站地連墻約18 m，如圖1所示。基坑開挖將擾動周邊環(huán)境，需要考慮開挖對既有地鐵隧道的影響，采取管控措施，保障基坑開挖安全和既有地鐵隧道運營安全。

圖1 基坑與隧道平面位置圖

2 監(jiān)測點布置方案

（1）地表沉降監(jiān)測點布置。受基坑開挖影響，地表可能發(fā)生沉降，導致建設于地表的既有建（構）筑物受損[1-2]。在該地鐵車站工程中，鄰近基坑的既有建（構）筑物主要為運營狀態(tài)的地鐵1號線，根據(jù)現(xiàn)場情況制定監(jiān)測方案，設立獨立高程基準系統(tǒng)，在端頭井西側、南側和北側按3 m的間距有序布置監(jiān)測點，每組測點數(shù)量為20個，布置方式如圖2所示。采用幾何水準測量方法用全站儀、水準儀等儀器測量地表沉降，根據(jù)測量結果判斷地表因基坑開挖發(fā)生的沉降，采取管控措施。

（2）隧道監(jiān)測點布置。各監(jiān)測面的測點布置在隧道拱頂、拱底及左右拱腰，每處1個，各斷面均有4個測點，沿隧道縱向每間隔10 m設一個監(jiān)測面，左線監(jiān)測點編號Z1～Z4，右線監(jiān)測點編號Y1～Y4。通過測點密切監(jiān)測隧道變形量，判斷隧道是否由于基坑開挖而異常變形，根據(jù)監(jiān)測結果加強管控，確?；娱_挖期間既有線地鐵隧道的正常運營。

3 開挖土層數(shù)值分析

參考室內(nèi)三軸試驗及固定試驗結果，確定土層模型參數(shù)，如表1所示，建立硬化土本構模型。該次土層分析中，主要包括標準三軸固結排水試驗割線模量E50ref、切線模量Eoedref、卸載一再加載模量Eurref三個重要參數(shù)。一般工程地勘報告給出的參數(shù)為壓縮模量ES0.1～0.2，該次計算參數(shù)選取原則為對軟黏土、粉土層E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的三倍，Eurref取E50ref的三倍；對砂土層E50ref、Eoedref取ES0.1～0.2的兩倍，Eurref取E50ref的三倍。剛度應力水平相關冪指數(shù)m取值根據(jù)土層類型而定，例如砂土層取0.5，粉土層和軟黏土均取0.7。

按照彈性材料模擬地下墻、支撐、底板及襯砌，關鍵參數(shù)類型及取值，如表2所示。其中，鋼材、混凝土的重度分別為78.5 kN/m3、25 kN/m3。

4 施工工序模擬及效果驗證

4.1 施工工序

基坑開挖分為12道工序，按照工序流程進行模擬，具體工序包括：①生成初始有效應力。②生成隧道襯砌，為了判斷基坑開挖過程中周邊既有隧道的位移，此工序加載時將位移重置為零。③設置圍護結構，采取加固措施。④開挖至0.8 m。⑤開挖至4 m。⑥開挖至7.7 m。⑦開挖至11.1 m。⑧開挖至14.4 m。⑨開挖至18.7 m。⑩開挖至22.2 m。開挖至25.3 m，到達坑底。設置底板。挖深達到0.8 m至挖深達到22.2 m的階段，每開挖一次均設置一道支撐，共計7道，挖深為0.8 m和14.4 m時均設置混凝土支撐，其他挖深條件下均設置鋼支撐。

4.2 結果分析

（1）隧道變形。基坑旁側隧道可能因基坑開挖卸荷而承受附加應力，進而由于力的作用過強發(fā)生豎向和水平兩個方向的變形，若基坑開挖卸荷量過大，變形尤為劇烈，影響隧道管片拼接緊密性，該部位的縫隙量持續(xù)加大，結構受損，滲漏水愈發(fā)嚴重，隧道管片的穩(wěn)定性變差，基坑開挖導致的隧道安全問題不容忽視[3-4]。若要保證基坑施工期間周邊隧道的正常運行，要求隧道水平、豎向兩個方向的變形量分別不超過5 mm、10 mm?；优詡人淼拦绊敗⒐暗自诓煌娱_挖工序時的豎向變形量，如表3～4所示。

無論拱頂還是拱底，在基坑開挖全流程中的豎向位移變化趨勢大體相同，隨著基坑卸載深度的增加而加大，豎向變形最大值對應部位工序為開挖至坑底時，即最后一道開挖工序。設定沿豎直向下的豎向變形為負，左線隧道、右線隧道的拱頂豎向變形模擬最大值分別為

?3.80 mm、?4.6 mm，監(jiān)測最大值分別為?4.28 mm、?4.71 mm。左線隧道、右線隧道的拱底豎向變形模擬最大值分別為2.1 mm、3.6 mm，監(jiān)測最大值分別為2.36 mm、

3.94 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析結果可知，豎向變形值增量具有隧道拱頂超過拱底的關系，地鐵車站基坑開挖引起的隧道左右拱腰豎向變形明顯更小。地鐵車站基坑分步開挖過程中，每道工序開挖土體深度相差約為3.3～4.3 m，無過大差異，整個開挖活動平穩(wěn)推進，不存在部分豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)變化速率過大或過小的情況。各特征點的豎向變形均具有左線隧道小于右線隧道的規(guī)律，導致此數(shù)據(jù)關系的主要原因在于兩條隧道分布位置的差異性，右線隧道距基坑更近，因此受基坑開挖擾動更加嚴重，因基坑卸荷導致的豎向變形量更大。數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測確定的隧道水平向變形數(shù)據(jù)，如表5所示。

左線、右線兩條隧道的水平向變形較小，旁側隧道的水平向變形隨著基坑卸載深度的增加而加大，各特征點的變化趨勢基本一致，變形方向為朝向基坑側，最大值發(fā)生在基坑開挖至坑底時。左線隧道、右線隧道的水平向位移模擬最大值分別為0.087 mm、0.101 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值分別為0.094 mm、0.12 mm。雖然數(shù)值模擬和實地監(jiān)測兩種方式下的最大水平向位移不同，但差異較小，且變形量均在許可范圍內(nèi)。

（2）地表沉降。經(jīng)過12道工序施工后，地表沉降量分布規(guī)律為基坑東側大于西側，結合工程施工進度計劃，東側屬于待開挖區(qū)域，后續(xù)部位的設計和施工不易受到地表沉降的影響，因此重點分析部位應為基坑西側鄰近既有隧道影響區(qū)域?；娱_挖結束后，與坑邊水平距離不同的區(qū)域的地表沉降模擬結果和實測結果，如表6所示。

隨著基坑開挖卸荷深度的增加，地表沉降持續(xù)加大，數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的最大地表沉降分別為?11 mm、?10.5 mm，位于距基坑邊30 m的位置，發(fā)生在開挖至坑底時。對比分析最大地表沉降的模擬值和監(jiān)測值，兩者相差約8%，具有較好的一致性，表明該文數(shù)值模擬方法可靠?？油馔馏w與地連墻在剛度上差異大，局部變形發(fā)生變化，導致開挖前期沉降值略有回彈，坑邊地表最大隆起量2.8 mm。地表沉降總體呈漏斗狀，遠離中間部位的沉降相對平緩，具有“中間大、兩邊小”的沉降規(guī)律，沉降值最小部位主要集中在距基坑邊60 m左右的區(qū)域，在此范圍內(nèi)，基坑開挖導致的地表沉降忽略不計。

5 結語

綜上所述，地鐵車站基坑開挖對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，需保證基坑開挖安全和周邊環(huán)境安全。該文結合地鐵車站工程實例，采用數(shù)值模擬方法分析地鐵車站基坑開挖對周邊既有隧道的影響，對比分析相同部位的模擬結果和現(xiàn)場監(jiān)測結果，驗證了模擬方法的可行性，對鄰近既有建（構）筑物的地鐵車站基坑施工有參考意義。

參考文獻

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