深厚砂淤组合地层中基坑开挖与桩基施工对地铁隧道结构的影响研究分析

张玮鹏

（广州大学建筑设计研究院）

1 引言

广州地铁八号线北延段沿线分布有多条断裂构造带，受多组向斜和背斜构造控制，沿线地层起伏剧烈、岩层破碎且岩溶发育，局部见洞率高达80%，局部砂层厚达30m，局部淤泥层厚达20m，地质情况极为复杂，给地铁建设和保护带来了巨大风险[1]。本文采用Midas-GTSN X 软件建立了有限元分析模型，研究分析深厚淤泥及砂土组合地层中基坑开挖及桩基施工对地铁隧道结构的影响，为深厚砂淤组合地层中轨道交通的建设和保护提供参考借鉴。

2 工程概况

本文选取石亭区间里程Y D K28+560～Y D K29+060 某断面进行分析研究，该断面地层自上而下为：杂填土（4.0m）、粉质粘土（2.0m）、淤泥质土（8.5m）、砾砂层（4m）和微风化灰岩（31.5m）。隧道顶埋深为地面下9.5m，隧道底埋深为地面下15.5m，隧道底进入砾砂层1.0m。岩土地层及结构参数见表1。

表1 岩土地层物理力学参数

3 深厚砂淤组合地层中基坑开挖对地铁隧道结构的影响分析

为分析深厚砂淤组合地层中基坑开挖对地铁隧道结构的影响，本文假定基坑的开挖宽度为30～45m，开挖深度为5m、10m、15m、20m，距离隧道的水平净距离为5m、15m、25m 和50m，采用支护桩+混凝土内支撑支护。由于基坑支护结构的侧向变形对隧道的位移量影响很大，因此模拟基坑开挖分析时，假定各种基坑开挖深度下基坑支护结构的最大水平位移控制在25～30mm 之间[2-3]。基于以上假定，建立有限元分析模型如图1 所示，分析计算结果见表2、表3、图2、图3。

由表2、表3、图2、图3 可得：随着基坑开挖深度的增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐增大，当基坑开挖深度达到10m(与隧道顶深度较为接近时)时，地铁隧道结构的水平位移明显增大，随后随着基坑开挖深度的增加，隧道水平及竖直位移的增量逐渐减小；同时，随着隧道与基坑水平距离的增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐减小，当隧道与基坑的水平距离大于20m 时，隧道的水平及竖直位移量减小较为明显，当隧道与基坑的水平距离达到50m 时，基坑开挖对隧道的影响已经较不明显。

表2 基坑施工时隧道结构的水平位移汇总（mm）

表3 基坑施工时隧道结构的竖向位移汇总（mm）

图1 基坑与地铁隧道的有限元三维等轴侧视图

图2 基坑施工时地铁隧道的水平方向位移最大值变化等色图(20m 深度)

图3 基坑施工时地铁隧道的竖直方向位移最大值变化等色图(20m 深度)

综上可知，在地铁隧道周边5m 范围内开挖基坑时，易导致隧道结构变形超《广州市城市轨道交通结构安全保护技术标准及规定》预警值甚至控制值，因此在深厚砂淤组合地层中应严格控制隧道周边5m 范围内的基坑开挖施工，或根据实际情况禁止5m 范围内的基坑开挖施工；5～25m 范围应作为隧道的重点保护区；25～50m范围应作为隧道的保护区。由于本模型模拟的基坑是固定大小，实际项目可根据基坑大小按一定比例修正表格中结果。

4 深厚砂淤组合地层中桩基施工对地铁隧道结构的影响分析

为分析桩基施工对既有地铁隧道结构的影响，本文假定桩基为1.0m 直径的嵌岩桩，距离隧道的水平净距离为1m、3m、5m、10m、15m、20m、25m，桩基础采用泥浆护壁钻孔灌注桩施工。桩基施工对隧道的影响主要包括成孔时地层扰动地应力释放、泥浆护壁和混凝土灌注三个方面，根据参考文献[4]，泥浆重度宜取11k N/m3，侧压力系数宜取1；混凝土灌注时按最不利情况考虑，即混凝土刚灌注尚未硬化时，流动的混凝土侧压力系数取0.7，以此分析钻孔灌注混凝土桩基施工对隧道的影响。基于以上假定，建立有限元分析模型如图4 所示，分析计算结果见表4、表5、图5、图6。

图4 桩基与地铁隧道的有限元三维等轴正视图

表4 桩基施工时隧道结构的水平位移汇总（mm）

表5 桩基施工时隧道结构的竖向位移汇总（mm）

图5 桩基施工时地铁隧道的水平方向位移最大值变化等色图

图6 桩基施工时地铁隧道的竖直方向位移最大值变化等色图

由图5～图6、表4～表5 可得：随着隧道与桩基距离的逐渐增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐减小，当隧道与桩基距离大于5m 时，隧道位移减量明显减小，当隧道与桩基距离达到20m 时，桩基施工对地铁隧道结构的影响已较不明显。

综上可知，地铁隧道5m 外的桩基施工对隧道的影响相对较小，但本地层的淤泥深厚极容易发生成孔过程塌孔现象，施工过程中应严格把控桩基施工质量，以免塌孔引起周边地铁变形位移，且桩基应跳孔施工。因此，隧道周边3m 范围内应禁止桩基施工，隧道周边3～10m范围内应作为桩基施工的隧道重点保护范围，隧道周边10～20m 范围内应作为桩基施工的隧道保护范围。由于本模型模拟的桩基直径为1.0m，实际项目可根据桩基直径按一定比例修正表格中结果。

5 结论与建议

基于以上分析计算结果，本文得到以下结论并建议如下：

⑴随着基坑开挖深度的增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐增大，当基坑开挖深度达到10m(与隧道顶深度较为接近时)时，地铁隧道结构的水平位移明显增大，随后随着基坑开挖深度的增加，隧道水平及竖直位移的增量逐渐减小；同时，随着隧道与基坑水平距离的增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐减小，当隧道与基坑的水平距离大于20m 时，隧道的水平及竖直位移量减小较为明显，当隧道与基坑的水平距离达到50m 时，基坑开挖对隧道的影响已经较不明显。

⑵随着隧道与桩基距离的逐渐增加，地铁隧道结构的水平及竖直位移逐渐减小，当隧道与桩基距离大于5m 时，隧道位移减量明显减小，当隧道与桩基距离达到20m 时，桩基施工对地铁隧道结构的影响已较不明显。

⑶对于深厚淤泥及砂土组合地层中地铁隧道周边的基坑开挖工程，隧道的保护范围建议取50m，其中5m以内为禁止区，5～25m 为重大影响区，25～50m 为一般影响区。

⑷对于深厚淤泥及砂土组合地层中地铁隧道周边的桩基工程，隧道的保护范围建议取20m，其中3m 以内为禁止桩基施工区，3～10m 为重大影响区，10～20m 为一般影响区。●