临近地铁区间隧道的深基坑开挖数值模拟分析

刘兴舟 刘海智

(1.佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东 佛山 528000； 2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310000)

临近地铁区间隧道的深基坑开挖数值模拟分析

刘兴舟1刘海智2

(1.佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东 佛山 528000； 2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310000)

针对深基坑开挖对临近地铁盾构区间隧道的影响，以佛山保利达广场项目为工程背景，采用有限元数值模拟分析基坑开挖及回筑阶段地层位移及隧道变形，并在基坑开挖过程中采取专项保护措施和进行详尽的基坑及地铁隧道监测。结果表明，基坑及地铁隧道均在安全可控范围内。

基坑，地铁，隧道，数值模拟，有限元

随着城市建设的快速发展及地下空间开发进程的加快，越来越多的建筑物基坑工程上跨既有地铁区间隧道或处于地铁运营安全保护范围内，基坑开挖过程中引起既有地铁隧道的变形、内力变化、上浮、管片开裂、位移等[1-3]。而地铁运营过程中对轨道平整度要求极高，需严格控制既有地铁隧道结构变形。因此，准确评价深基坑开挖对地铁隧道的影响和选择合理的深基坑围护方案及施工工艺对确保基坑自身及地铁隧道的安全具有非常重要的工程意义。以往佛山地区轨道交通线路较少，深基坑工程周边环境条件较好，设计和施工深基坑时对周边环境影响考虑较少，但随着城市地下空间快速开发，深基坑开挖紧邻地铁隧道的工程现象越来越频繁，现在深基坑设计不仅要考虑基坑自身的安全问题，更需关注深基坑开挖对周边建(构)筑物的影响，需将深基坑工程和周边环境作为一个整体考虑[4-6]。本文以佛山保利达广场项目基坑开挖对既有地铁隧道的影响为工程背景，采用有限元数值模拟分析基坑开挖及回筑阶段地层位移及隧道变形，以期为今后类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

保利达广场项目位于佛山市通汇桥路和工运路交汇处，通汇桥以北，工运路以西。本项目紧邻广佛线二期新城东站—东平站区间隧道，该区间隧道为地下双线盾构区间，双线隧道线间距为12 m～16 m，隧道管片直径为6.2 m，轨面埋深为24.37 m～12.55 m。本项目地下室基坑深10.1 m，基础型式均采用桩筏基础，地下室外墙与地铁广佛线二期右线隧道结构外轮廓的最近距离为14.5 m，基坑围护采用φ850@1 000的钻孔灌注桩+φ850@600的三轴搅拌桩止水帷幕形式，围护桩外缘与广佛线二期右线隧道结构外轮廓的最近距离为12.3 m。

2 地铁隧道变形控制标准

根据以往工程经验，并参照《城市轨道交通既有结构保护技术规范》[7],对地铁安全保护区内的建筑施工项目提出了明确的要求如下：1)地铁结构设施隧道水平位移、竖向位移最大不超过15 mm；2)收敛变形不大于15 mm；3)地铁结构日沉降量和水平位移量不大于0.5 mm。

对于隧道安全控制要求，参照广东省《城市轨道交通既有结构保护技术规程》及其他地区类似经验，对隧道变形提出如下控制要求：1)隧道水平位移、竖向位移最大不超过15 mm；2)道床脱空量不大于5 mm；3)水平：相邻两根钢轨高程差不大于4 mm；4)高低：10 m弦长轨面高程差不大于4 mm；5)轨距：相邻两根轨道轨距变化范围+6 mm～-4 mm；6)扭曲变形：小于1/2 500。

由于保利达广场项目施工时，广佛线二期新城东站—东平站区间处于试运营阶段，参照地铁轨道变形控制标准及《城市轨道交通既有结构保护技术规范》[7]有关隧道结构变形标准的要求，综合考虑地铁运营安全，隧道沉降、隆起值按±10 mm控制。

3 工程相互影响分析

保利达广场项目建筑结构紧邻广佛线二期新城东站—东平站区间隧道，项目工程施工对地铁区间隧道影响较大，故需对该施工过程中的影响进行分析，并根据分析结果采取相应的工程措施以控制项目施工对地铁区间隧道的影响。

3.1 理论基础

HSS塑性模型[8]包含两种硬化类型，即压缩硬化和剪切硬化。压缩硬化用于模拟固结仪加载和各向同性加载中主压缩带来的不可逆塑性应变。剪切硬化用于模拟主偏量加载带来的不可逆应变。且本模型屈服面在主应力空间中不固定，而由塑性应变的产生而膨胀。HSS模型[8]不仅能反映土体材料在小应变情况下剪切强化，而且在主偏量加载下，土体的刚度下降，同时产生不可逆的塑性应变。

标准排水三轴试验中竖向应变ε1和偏应力q之间为双曲线关系，如式(1)所示。

(1)

其中，E50为主加载下与围压相关的刚度模量；qa为抗剪强度的渐进值。

(2)

极限偏应力qf和式(1)中的量qa定义如下：

(3)

qf可根据Mohr-Coulomb破坏准则[9]中强度参数进行取值。当qf=q时，破坏准则得到满足，类似于Mohr-Coulomb模型发生完全塑性屈服。其中破坏比Rf为qf和qa之间的比值。卸载和再加载的应力路径用另外一个应力相关的刚度模量：

(4)

为解决土体在实际小应变情况下的土体刚度增大问题，HSS引入土体在小应变情况下的剪切刚度G0，G0为土体在小应变r时的剪切模量，r为土体小应变对应的应变范围。

3.2 有限元计算分析

广佛线二期新城东站—东平站区间隧道在保利达广场项目影响范围内的轨面埋深为17.1 m～20.5 m，隧道内径2.75 m，外径3.1 m，管片厚0.35 m。

选取邻近地铁侧典型剖面建立有限元模型，有限元软件采用PLAXIS。建筑物框架结构、隧道管片、围护桩均采用板单元进行模拟，截面积、惯性矩等几何参数采用相应的材料特性进行计算并按每延米折算。围护桩和土体之间的相互作用通过设置界面单元来考虑。

地面荷载均以20 kPa超载形式考虑，建筑物荷载按每层15 kPa取值。地勘参数见表1。

表1 土层参数

表2 有限元计算工况

本文有限元计算按照地铁隧道先施工，保利达广场项目后施工的原则，因此只反映保利达广场项目施工对地铁隧道的影响。本次计算选取本项目基坑的最不利工况，计算工况详见表2，计算模型详见图1。

根据上述计算分析，保利达广场项目的整个施工过程引起广佛线二期新城东站—东平站区间盾构隧道结构的最大总位移为6.23 mm，最大水平位移为3.43 mm，最大竖向位移为-5.54 mm，最大弯矩为106.17 kN·m，初始弯矩为74.4 kN·m，经核算，满足地铁结构变形控制要求及受力要求，具体计算结果详见表3。

表3 有限元计算分析结果

4 结语

1)通过对保利达广场项目建(构)筑物与广佛线二期新城东站—东平站盾构区间隧道有限元数值模拟分析可知，在靠近地铁侧所采用的基坑支护形式能够有效的控制基坑变形。该项目实施过程及竣工后对地铁建设、运营的不利影响整体均为可控。2)保利达广场项目实施过程中，应全程采取针对地铁保护的安全监测措施，并根据监测结果制定相应的应急预案，确保地铁安全运营。3)保利达广场项目的基坑需在止水帷幕封闭并达到设计强度后才能开挖。开挖应分区进行并需自西向东分层、分段实施，每层厚度应小于2 m，以更有效的控制基坑变形；基坑开挖完成后应及时封底。4)基坑支撑拆除时应严格控制拆除方式并选用合适的机械及参数，施工引起地铁区间隧道振动的峰值速度不得大于20 mm/s，以减小对地铁隧道的不利影响。基坑东侧禁止施工车辆行驶，禁止大范围堆载，且总荷载(含动荷载)不得超过20 kPa。5)保利达广场项目基坑开挖时，必须及时做好基坑降水及排水，不得采用坑外降水的方式，以减小周边地层水位大幅变化对地铁隧道造成的不利影响，但坑外需根据相关规范的要求布置水位观测井，实时监测坑外水位变化。6)保利达广场项目在施工期间，应对广佛线二期新城东站—东平站区间进行跟踪监测，监测范围为基坑对应隧道段及基坑前后各延伸30 m；监测周期为土建施工开始至施工后隧道变形趋于稳定；监测频率由建筑物风险等级确定，并依据数据稳定性情况进行调整。

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[7] DBJ/T 15—120—2017，城市轨道交通既有结构保护技术规范[S].

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[9] Goodman R E.Introduction to Rock Mechanics(2nd ed).New York:John Wiley & Sons,1989:80-84.

Analysis on numerical simulation of deep foundation pit excavation adjacent subway section tunnel

Liu Xingzhou1Liu Haizhi2

(1.FoshanRailwayInvestmentandConstructionGroupLimitedCompany,Foshan528000,China;2.ZhejiangTransportationPlanningandDesignInstitute,Hangzhou310000,China)

According to the influence of deep foundation pit excavation adjacent subway shield section tunnel, taking the Foshan Baoli Plaza project as the engineering background, using the finite element numerical simulation analysis on the strata displacement and tunnel deformation of foundation pit excavation and construction phase, and took special protection measures and made detailed foundation pit and subway tunnel monitoring in excavation process, the results showed that both the foundation pit and subway tunnel within safe and controllable range.

foundation pit, subway, tunnel, numerical simulation, finite element

1009-6825(2017)21-0160-03

2017-05-15

刘兴舟(1986- )，男，工程师； 刘海智(1986- )，男，工程师

U455

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