基坑工程影响下的邻近地铁隧道结构安全评估方法与应用

钟颜开

(广州地铁集团有限公司，广东 广州 510308)

1 引 言

随着城市建设的快速发展，交通拥堵问题显得日益严重，此时发展地下轨道交通网络成为解决该问题的一剂良方。在大量运营地铁线路为人们出行带来便利的同时，地铁隧道结构的安全不容忽视[1]。特别是邻近运营地铁线路的基坑工程，基坑施工会导致地铁周围应力场和变形场发生变化，引起隧道管片结构附加应力和位移，若超过管片的允许值，基坑工程就会影响地铁的正常使用和安全[2]。近些年来由基坑施工而导致的邻近地铁隧道结构安全事故时有发生，带了巨大财产损失和人员伤亡，产生了不良的社会影响[3]。在此情况下，基坑开挖施工对邻近运营地铁隧道结构的影响和安全控制措施显得愈发重要，定性并定量地评估和预测基坑开挖施工对邻近地铁隧道结构的影响具有重要意义[4，5]。通过对邻近运营隧道的基坑施工可能对隧道产生的影响进行预先评估，能够提前指导基坑工程的施工方案，并为编制地铁隧道结构安全监测方案，建立安全预警处理流程提供参考。

2 工程概况

某基坑位于广州市白云区，西侧近邻地铁某运营线路，北侧红线外侧为足球场边坡，边坡现状高度约 7.5 m。本项目设地下车库三层，结构采用框架剪力墙型式，基础形式为桩基础，基坑开挖深度为 13.40 m～22.10 m，基坑周长约 460 m，场地±0.000相当于绝对标高 15.500 m。由于基坑西侧距离地下室边线约 6 m为用地红线，红线外 11.5 m分布有地铁，为减少对地铁线路的影响，支护结构拟采用 1 m厚地下连续墙+2道内支撑 +3.25 m宽坑外格构式三轴搅拌桩。其中搅拌桩与地铁结构距离为 13.25 m，连续墙边线与地铁结构距离为 16.5 m，地下室边线与地铁结构距离为 17.5 m，连续墙进入微风化层不小于 3 m。基坑支护结构使用年限自支护结构完工之日起计为1年。

由拟建基坑工程与地铁线路的相对关系，根据《城市轨道交通隧道结构安全保护技术规范》[6]中对外部作业影响等级划分和外部作业的工程影响分区的规定，本项目外部作业影响等级为三级。而根据广东省标准《城市轨道交通既有结构保护技术规范》规定，由于评估段区间存在道床开裂、剥离、隧道漏水、结构变形过大等病害，因此本工程的外部作业属于重大影响外部作业。故有必要在实际开挖之前模拟该项目在基坑开挖及主体结构施工等工况下对地铁结构的影响，分析地铁隧道的受力及变形状态在各阶段下的变化过程，进而评估该项目的实施对地铁既有隧道结构的影响程度。

3 地铁隧道结构安全评估

在通过三维数值模拟对地铁隧道结构安全状况进行预评估之前，需收集该基坑项目与地铁隧道的平面及空间相对位置关系及各自的断面尺寸信息；收集相应的工程地质和水文地质资料，确定各土层的物理力学参数，为模拟分析时所需的地层参数取值提供依据。

根据地铁区间隧道岩土工程勘察结果，自上而下土层为：填土层、砂层(呈透镜体状分布)、淤泥质土层(呈透镜体状分布)、粉质黏土层(冲积-洪积层)、粉质黏土层(坡积层)、粉质黏土层(残积层)、中风化石灰岩、微风化石灰岩，地铁隧道洞身主要通过坡积土层。区间隧道所在土层为粉质黏土层，土性为粉质黏土、黏土，褐红色、灰褐色、花斑色等色，稍湿，硬塑状，黏性一般。其主要物理力学性质指标如表1所示。

区间隧道所在土层主要物理力学性质 表1

该基坑邻近区域地铁隧道结构三个代表性监测点的竖向变形监测结果如图1所示，由图可以看出，该隧道变形主要发生隧道建设期至2014年(期间附近有其他基坑开挖施工)，由2014年～2016年的监测结果可知，隧道变形已趋于稳定。

图1 基坑邻近区域地铁隧道代表性监测点的竖向变形量

根据以上收集的工程地质信息，结合基坑设计、施工方案及地铁隧道结构，使用MIDAS GTS/NX软件[7]建立三维整体模型如图2所示。模拟基坑开挖全过程重点分析拟建基坑对地铁隧道结构的位移影响，对隧道结构变形缝的影响以及施工导致地下水下降带来的影响，进而评估邻近地铁隧道结构的安全状态。共分为16个施工工况，计算分析前4个工况为模拟地铁施工，主要为获取地铁结构初始内力，具体如表2示。

图2 基坑与邻近地铁隧道结构的三维整体模型

模拟施工步骤 表2

3.1 对地铁隧道结构的位移影响

对各工况下引起的地铁隧道结构竖向位移进行计算，并获取各工况下隧道结构竖向位移最大值如图3所示。由图3可知，随着支护结构施工及基坑开挖，地铁隧道结构在邻近基坑侧发生沉降，沉降量最大发生在开挖完电梯井时，沉降值为 0.480 mm，之后隧道结构的最大竖向位移值基本保持稳定。

图3 各工况下地铁隧道结构竖向位移值

通过对各工况导致的地铁隧道结构水平位移进行计算并进行汇总，获得各工况下该隧道结构水平位移最大值如图4所示，由图可知在基坑开挖至 -14.9 m后，隧道结构水平位移最大值趋于稳定。而隧道结构水平位移的最大值发生在工况16，即拆除支撑+回填至标高时，为 1.274 mm。

图4 各工况下地铁隧道结构水平位移值

3.2 对隧道结构变形缝的影响

地铁线路影响区段为明挖法隧道，隧道结构按每 60 m设置一条变形缝，该基坑与隧道变形缝位置如图5所示。基坑开挖有可能导致隧道结构在结构缝处产生错开，引起渗漏、道床脱空等病害发生。

图5 区间隧道变形缝与基坑相对位置关系图

基坑开挖主要对位于基坑边线中部的变形缝产生影响，因此主要对该变形缝错开情况进行分析，图6为变形缝左右两侧隧道结构在最危险的两个工况(工况10与工况15)错开情况的计算结果。从图6可以看出，基坑完全开挖(工况10)时变形缝左右两侧隧道结构错开量为 0.209 mm，而拆除支撑后(工况15)变形缝左右两侧隧道结构错开量为 0.215 mm。

图6 变形缝左右两侧隧道位移差异对比

3.3 隧道区域水位下降导致的影响

根据已有的地质勘查资料，场区内填土层下存在呈透镜体状分布的砂层与淤泥质土层，且场地内广泛分布溶洞，可能发生由渗流引起的水位下降，导致土中有效应力增加、水压力减小，从而改变隧道结构和土层受力状态，导致隧道和下方土层变形，诱发变形缝张开，可能导致隧道结构漏水，影响地铁正常运营。

故需分析在地铁隧道区域内水位下降情况下，隧道结构的响应情况，确定隧道区域允许的水位下降值。地铁隧道区域内水位下降对地铁隧道影响数值分析，采用三维数值模拟分析的方法，对水位下降导致的地铁隧道结构产生的附加位移进行计算，地铁隧道区域水位下降考虑为 0.5 m～3 m，具体的计算结果如图7所示。由图表知，地下水位下降将引起地铁区间隧道结构发生沉降，沉降量随地下水位下降深度的增加而增大，基本呈线性关系。当地下水位下降 0.5 m时，隧道沉降量为 1.185 mm。

图7 地下水下降导致地铁结构的竖向位移值

根据以上三维数值模拟分析结果，基坑开挖导致地铁隧道结构产生的最大竖直沉降量为 0.480 mm，最大水平位移 1.274 mm；隧道变形缝处最大错开量为 0.215 mm。由此可知，基坑开挖在结构安全可靠的情况下，基坑开挖卸载引起的隧道下沉量较小。根据渗流数值模拟分析，当隧道上方水位下降达到 0.5 m时，隧道沉降量已达到 1.185 mm；目前邻近基坑侧的隧道最大沉降量 18.15 mm，为保证地铁安全，应严格控制基坑外侧的水位下降。根据水位计算分析结果及隧道结构病害区的既有变形量，临近地铁侧的基坑周边水位下降幅度应控制在 0.85 m以内。根据模拟评估结果，提出了基坑开挖期间的地铁隧道区间监测建议如下：邻近地铁侧的基坑边线与地铁结构纵向大致平行，基坑施工范围在地铁结构的投影长度约 95 m，基坑施工作业将对该区域的隧道结构产生直接的影响，结合基坑施工对隧道结构的影响范围，隧道结构在该区域及其邻近区域共 135 m范围内属于重点监测区域，建议采用自动化监测技术方案[8]。

4 结 论

基坑开挖前进行邻近地铁隧道结构的安全评估是实施全过程地铁保护的重要步骤。在收集工程地质条件、施工工况、工程参数、地铁历史监测资料等数据的基础上建立三维有限元模型进行地铁隧道结构的变形模拟分析是一种行之有效的方法。根据所选案例模拟结果可知，基坑开挖卸载引起的隧道下沉量较小，而基坑开挖地下水下降导致的沉降量较大，故应严格控制基坑外侧的水位下降。模拟分析得到的变形数据有助于优化基坑施工方案，为制定相应的地铁隧道重点区域安全监测方案，建立地铁安全运营保护措施提供建议。