基坑开挖对临近运营地铁区间影响的数值分析

□文/高书豹 牛俊涛 彭显晓

基坑开挖时，由于开挖扰动、地层损失和固结沉降等因素会引起地层移动和变形，导致赋存于地层中的既有地铁区间隧道结构随之发生移动和变形，进而引起地铁区间受力的变化，与区间结构相关连的重要结构物也将发生移动和变形[1]。因此，准确预测和计算既有地铁区间的变形是选择其周边后建工程地下围护结构及施工工序的关键。

1 工程概述

1.1 基坑概况

某地块建筑设计标高0.000m，相当大沽标高2.900 m，现状场地标高为大沽标高1.600m，含4栋多层住宅、4栋高层住宅及整体一层地下车库。基坑东西方向开挖宽度约175m，南北方向开挖宽度约150m，开挖面积约 22800m2，开挖深度 4.95～6.05m，见图 1。

图1 基坑平面

1）基坑南侧及基坑东北角处，场地开阔且场外无需保护设置，采取放坡形式，坡顶设止水帷幕。

2）基坑西侧及北侧地下车库位置，挖深4.95m（西侧）及5.15m（北侧），场外距离6层住宅最近约11m，采用双排桩，前排密排，后排稀排。双排桩间打设单排搅拌桩做止水帷幕。

3）基坑西侧及北侧地下车库位置，挖深6.05m，西侧场外距离6层住宅最近约11m，采用密排双排桩，北侧距场外建筑物距离＞20m，采用前密后稀双排桩。双排桩间打设单排搅拌桩做止水帷幕。

4）基坑东侧，挖深6.05m，采用双排桩φ600mm@1000mm，围护结构距地铁隧道最近处为10.3m，见图2。双排桩间打设单排搅拌桩φ700mm@900mm做止水帷幕。

图2 基坑与地铁区间隧道相对位置关系

1.2 邻近运营地铁区间概况

运营地铁区间全长约678m，隧道管片外径6.2m、内径5.5m，管片宽度1.2m，衬砌环纵缝之间均采用弯螺栓连接，其中每个环缝采用16根M30螺栓，每环纵缝采用12根M30螺栓，隧道顶埋深约9.998～13.614m。

1.3 水文地质情况

基坑涉及深度范围内各土层土性指标见表1。

表1 基坑涉及深度各土层土性指标

测得场地地下潜水水位：初见水位2.00～3.00m，相当于标高-0.50～-0.89m；静止水位1.50～2.30m，相当于标高0.10～-0.06m。表层地下水属潜水类型，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。一般变幅在0.50～1.00m/a左右。根据室内渗透试验结果，各层土的渗透系数及渗透性为不透水或弱透水。

2 数值模型建立与加载

2.1 模型建立

计算采用MIDAS-GTSNX有限元计算软件建立三维实体模型。基坑模型范围垂直地铁隧道方向（南北向）取340m，平行于地铁区间盾构隧道方向取280m，深度取80m。在有限元建模时，车站站边墙、顶板、中板、底板均采用板单元模拟，土体部分选用四节点三维实体单元模拟，地应力场按自重应力场考虑。基坑开挖模型共划分226721个单元[2]，见图3。

在基坑开挖期间考虑土层及结构的自重荷载；计算水位取自地面。基坑地面超载取20kPa。

图3 有限元模型

2.2 施工过程模拟

2.2.1 初始地应力平衡

首先建立初始自重应力场。在实际工程中，由于天然土层在土体自重和周围建筑物荷载作用下已经固结沉降完毕，在此基础上进行基坑开挖，需要将已经固结沉降完成的原状土作为后续开挖步的初始状态。因此，在利用有限元模拟基坑开挖过程时，若要达到天然土层的初始状态，必须平衡初始地应力，使得在土体模型中只存在初始应力场而不出现初始位移。模型中第一阶段为土体开挖的初始阶段，计算出土体在自重作用下的位移场和应力场，通过Midas/GTS的位移清零功能消除已经完成的沉降位移并构造初始应力场。

2.2.2 基坑开挖过程模拟

计算模拟时，土体开挖和结构施作通过激活和钝化单元实现，每个开挖步内荷载通过开挖边界荷载释放系数分配。

3 数值模拟结果及分析

3.1 基坑整体变形

基坑开挖后，由于土体卸载，基坑围护结构向内侧收敛变形，基坑底部隆起，最大隆起量约1.56cm，见图4。

图4 基坑开挖变形特征

3.2 地铁区间隧道变形

基坑开挖后，土体卸载，周围土体发生变形，导致邻近的地铁区间隧道发生变形。分析区间隧道整体位移的规律，见图5。

图5 地铁区间变形特征（开挖至底部）

地铁区间隧道总体位移变化规律：基坑开挖后，随着应力释放，土体卸载回弹，基坑底部土体隆起，邻近区间隧道受到基坑隆起的影响，也产生了变形。通过分析可知，竖直方向隧道产生最大位移约4.15mm（竖直向上隆起），水平方向隧道最大位移2.7mm（隧道向基坑内侧移动）。

3.3 数值分析结论

就基坑开挖施工对运营地铁区间影响，采取三维有限元计算，通过对土体变形、结构变形的分析得出以下结论：

1）由于基坑工程开挖面积较大，大面积开挖产生的卸荷效应显著，坑外土体产生趋向坑内移动的趋势，在土体变形传递效应的影响下地铁区间产生一定位移；

2）受基坑开挖的影响，盾构隧道竖向最大位移为4.15mm（竖直向上），水平方向隧道最大位移2.7mm（偏向基坑侧），盾构隧道竖向及水平向位移满足安全变形控制（沉降10mm、水平位移5mm、差异沉降4mm/10m）的要求。

4 基坑施工控制及保护措施建议

1）基坑施工前，应根据自身工程特点及周边情况，合理安排施工步序，采取有效措施保证施工工期，降低基坑施工对地铁工程的影响。基坑工程应精心施工，严格控制基坑围护结构施工质量，确保基坑安全、有效控制基坑变形。

2）基坑应采取跳仓施工措施。为有效控制地铁区间单侧卸载造成差异变形过大，同时控制坑底隆起影响，在基坑开挖过程中，尽量遵循“留核心土开挖、早开挖早封闭、由远及近开挖”的原则，基坑邻近地铁侧采用后退式开挖方式。

3）施工期间，严格遵循“按需降水”原则，缩短降水深度、降水周期，避免长时间维持低水位。

4）基坑开挖至基底后，应迅速施作垫层及钢筋混凝土底板，减少基坑暴露时间，控制基坑开挖对既有地铁区间结构的影响。在保证施工质量的前提下，尽量加快施工进度，减小影响时间。

5）严格控制施工期间地面超载，基坑地面超载不得超过20kPa。

6）制定专项监控量测方案并经地铁权属单位或运营单位的认可，做到信息化施工[3～4]。根据风险评估结果制定相应的控制标准，设定相应的预警值、报警值、警戒值。要求监测停止时间不得早于基坑工程完工（施工至±0标高）以后3月且各项监测数据趋于稳定。

7）施工单位应根据工程风险制定专项施工方案、专项应急预案并结合工程特点制定有效的内部管理流程。一旦发现事故迹象，应立即启动应急处理流程，及时通知各有关单位并立即采取抢险措施，控制事故进一步发展。

8）基坑工程施工期间，加强对既有区间结构的巡查；施工结束后，应对区间进行全面的检查并对薄弱部位进行修复，确保地铁结构正常使用。□■

[1]张治国，张孟喜，王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学，2011，32（7）：2085-2092.

[2]裴行凯，倪小东.深基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响分析与对策[J].水利与建筑工程学报，2013，11(3)：45-48.

[3]肖同刚.基坑开挖施工监控对临近地铁隧道影响分析[J].地下空间与工程学报，2011，7(5)：1013-1017.

[4]王春辉.地下工程临近既有地铁施工安全性影响评价研究[D].北京：北京交通大学，2011.