基坑开挖对下方既有轨道结构影响分析

汪中萍

摘要：为探究基坑开挖对临近既有轨道交通结构的影响，依托重庆某工程，利用MIDAS- GTS NX有限元软件进行了三维模拟，研究了基坑开挖、支护及建构筑物结构的兴建对下方临近已建地下轨道结构的影响。结果显示：项目各施工阶段所产生的累计位移均满足现行规范要求，地下轨道衬砌结构的最大位移发生在基坑通道的暗挖段，最大回弹量仅为4. 34 mm。

关键词：基坑开挖;三维数值模拟;轨道结构位移

中图分类号：TU473.2

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2019）24-0222-03

l 引言

隨着城市建设的快速发展，一些临近地铁隧道的建筑基坑工程不断涌现，而这类工程又不可避免地会对临近地铁隧道产生不同程度的影响。在目前社会发展阶段，研究这种影响，对类似工程具有重大的理论和实践意义。

近些年来，一些学者对这种影响进行了相关研究。戚科骏等[1]依托上海的某临近地铁隧道的深基坑工程，采用有限元软件，模拟了基坑开挖的各个阶段;姜向红等[2]提出具体关键施工措施，解决了上海南京路下沉式广场基坑开挖卸荷引起下方地铁上浮变形的问题;刘国彬等[3]探索了利用坑内加固和基坑工程的时空效应施工法等措施来控制基坑下已建成隧道的上抬变形;张玉成等[4]对位于地铁隧道正上方的广场发展项目基坑工程进行数值模拟，分析了基坑开挖卸荷条件下隧道应力应变状态的变化。

本文结合重庆地区一下方临近地下轨道结构的建筑基坑工程，采用Mohr- Coulomd理论，利用有限元方法模拟工程阶段，研究各个阶段对既有轨道结构的影响。该工程的三维数值模型，期望能为同类工程的设计和施工提供相关经验。

2 工程简介

礼嘉平场公交首末站及停车场建设项目位于重庆北部新区，整个项目用地面积13721. 68 m2.地面建筑主要为公交首末站配套办公用房仅1栋楼即1#楼，建筑面积16807. 07 m2，共2层，建筑基础形式采用桩基和柱下独立基础;项目整个地面以下为2层小型汽车停车库，经平场后，基坑开挖最大高度为22 m，属深基坑工程，其它构筑物还包含地下车库的安全疏散楼梯间。

项目拟建l#楼及其基础位于既有轨道交通六号线的正上方，其桩基基底距隧道结构拱顶的最小距离约为15.5 m，基坑坑底开挖至设计标高后，距隧道结构的最小覆土厚度约为32 m。因此拟建1#楼在轨道交通的50 m安全保护线以内，所以需在项目实施前，对该项目进行数值模拟，以确定项目的实施对已建轨道结构的影响程度。

项目施工区域的岩土体自上而下可分为如下类型：①素填土：主要组成成分为粉质粘土和砂、泥岩碎块石等，局部夹卵石，为人工无序堆填形成，时间约1年，层厚3. 2～27.7 m;②粉质粘土：无摇振反应，零星分布于场地内，最大厚度为2.5 m;③侏罗系中统沙溪庙组砂泥岩互层：砂岩，钙泥质胶结，局部含泥质较重，偶夹泥质条带，揭露最大厚度为12. 05 m，未揭穿;泥岩，局部含砂质较重，偶夹薄层状的砂岩，揭露最大厚度为35.73 m，未揭穿。

基坑的支护形式有3种，包括放坡、锚拉桩和板肋式锚杆挡墙。在基坑的东侧、西侧和北侧采用坡率法放坡，放坡坡率土层不小于1：1.5（或1：1. 75），岩层不小于1：0.5;在南侧采用坡底支挡十坡顶放坡，支挡结构为锚拉桩和板肋式锚杆挡墙。该项目的典型断面关系如图1所示。

3 数值模拟的实现

3.1 模型建立

本文采用Midas/GTS软件对项目进行数值模拟。计算的模型采用常规工况，将周边环境、拟建工程及轨道相关结构建模按施工步序进行模拟，模型（图2、图3）包括轨道交通6号线支线平场站区间轨道、模型尺寸210 m（纵向）×140 m（横向）×88 m（竖向）;由上至下分别是素填土层，强风化泥岩，中风化砂岩层，中风化泥岩层。轨道六号线支线平场站轨道衬砌采用C40防水钢筋混凝土。计算模型边界为X、Y方向约束，底部边界为Z方向约束，顶部边界为自由面。

3.2 模型物理力学参数取值

数值模拟采用的岩土物理力学参数见表1。

3.3 数值模拟步骤

模型模拟的施工阶段主要包括以下5个阶段，即地下车库基坑开挖、通道明挖段基坑开挖、通道暗挖段开挖、通道明挖部分主体结构浇筑和车库基础施工及施加车库荷载。

模型具体实施步骤分以下8步进行：第一步：初始应力分析，再位移清零，计算得到模型的初始应力场;第二步：区间隧道开挖及区间结构施工，应力、位移场计算;第三步：位移清零，实现已建隧道模拟;第四步：地下车库基坑开挖，位移、应力场计算;第五步：通道明挖段基坑开挖，位移、应力场计算;第六步：通道暗挖段开挖，位移、应力场计算;第七步：通道明挖部分主体结构浇注，应力、位移场计算。第八步：车库基础施工及施加车库荷载，应力、位移场计算。

4 模拟结果

数值模拟的结果主要分析基坑开挖及地下车库等建构筑的修建对已建隧道衬砌纵向位移、横向位移和竖向位移的影响。

4.1 隧道衬砌竖向位移

项目各个施工阶段引起的隧道衬砌竖向位移见表2。

由表2中得知，项目的前3个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，基坑会发生不断卸荷，引起基坑回弹，进而引起下方隧道衬砌发生回弹，但由于通道暗挖段_[程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）阶段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌竖向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的竖向位移控制值不得大于20 mm，而项目中隧道衬砌最大竖向位移仅达到4. 34 mm，所以竖向位移远满足规范要求。

4.2 隧道衬砌横向位移

项目各个施工阶段情况下所引起的隧道衬砌横向位移见表3。

由表3中得知，项目的前三个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，引起下方隧道衬砌的横向位移增加，但由于通道暗挖段工程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）阶段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌横向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的横向位移控制值不得大于20 mm，而项目中隧道衬砌最大横向位移仅为1. 03 mm，所以横向位移远满足规范要求。

4.3 隧道衬砌纵向位移

项目各个施工阶段所引起的隧道衬砌纵向位移见表4。

由表4中得知，项目的前3个施工阶段，即（a）、（b）和（c）阶段，随着岩土体的不断开挖，基坑会发生不断卸荷，引起基坑回弹的同时，进而引起下方隧道衬砌产生纵向位移，但由于通道暗挖段工程量远小于通道明挖段工程量，所以前者开挖引起的位移相比于后者无明显变化。（d）、（e）阶段，由于结构荷载的施加，隧道衬砌纵向位移有明显减小。根据规范[5]轨道交通隧道的变形相对曲率控制值不得大于1/2500，该处发生的最大纵向位移仅为1. 835 mm，其对应的变形相对曲率无限小，所以满足该要求。

通过前面对隧道衬砌发生的最大竖向位移、最大横向位移和最大纵向位移的分析，可以看出，项目施工对隧道产生最大位移的阶段都是在项目的通道暗挖段基坑开挖阶段，并且所产生的位移均满足相关规范的要求，所以基坑開挖不会影响下方临近轨道的正常运行。

5 结论及建议

通过对该项目在实施前进行三维数值模拟，得出以下结论。

（1）项目施工过程中，理论上在通道暗挖段基坑开挖阶段引起隧道衬砌产生最大位移，但由于通道暗挖段的工程量相比于通道明挖段的工程量较小，所以在位移的数值上，前者无明显变化。

（2）基坑开挖及建构筑物荷载施加对隧道产生的位移，均满足现行规范要求，所以项目施工过程中，对隧道产生的影响不会影响到隧道的正常运行;但为了安全起见，建议在项目施工过程中，应采取对隧道保护的安全施工措施。

（3）模拟过程中，没有考虑基坑开挖抽取地下水对隧道衬砌的影响，后期的研究可以对其予以考虑。

参考文献：

[l]戚科骏，王旭东，蒋 刚，等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析[J].岩石力学与工程学报，2005，24（S2）：5485-5489.

[2]姜向红，乔恒昌，在运营的地铁隧道上方进行大面积基坑施工[J].上海建设科技，2007（6）：29～31，37.

[3]刘国彬，黄院雄，侯学渊，基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践[J].岩石力学与工程学报，2001（2）.

[4]张玉成，杨光华，姚捷，等.基坑开挖卸荷对下方既有地铁隧道影响的数值仿真分析[J].岩土工程学报，2010（SI）：109-115.

[5]中华人民共和国行业标准.CJJ/T 202 - 2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京：中国建筑工业版社，2014.