基坑施工对近距地铁隧道安全性的影响

翁承显，刘东双

1.林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 401121

2.重庆大学 土木工程学院，重庆 400045

随着城市建设发展，地铁已成为解决城市交通拥堵的重要途径。为方便出行并充分利用城市土地，许多新建工程选择在地铁沿线，新建基坑的开挖会对周围土体产生影响，引起邻近既有地铁隧道产生变形和沉降，严重者甚至发生开裂破坏。因此，研究邻近基坑开挖对既有地铁隧道结构的变形影响具有重要意义。

国内外学者系统的研究了基坑开挖对既有地铁隧道变形影响这一课题，研究方法包括理论分析、数值模拟和监测分析等方法。文献[1]基于Winkler 模型和Vesic 模量，通过两阶段分析提出了一种简化分析方法，用以预测相邻开挖引起的盾构隧道响应；文献[2]采用监测分析方法，研究了三角形基坑开挖施工各阶段隧道的变形，阐述了由基坑开挖引起的既有隧道变形的机理；文献[3]基于土的粘弹性本构，并考虑土体与隧道耦合作用，采用半解析法分析了由卸荷导致的隧道变形弹性位移；文献[4-7]通过三维数值模拟对基坑开挖全过程进行了动态模拟，研究了对邻域常规地铁隧道的影响文献[8]通过台北新规和三起隧道事故，分析了基坑开挖引起的隧道响应；文献[9]将隧道视为弹性地下连续梁，并引入弹性半空间层状模型，推导了隧道与周围土体相互作用的耦合平衡方程。虽然上述文献重点研究了基坑开挖对既有隧道的影响，但关于在砂质泥岩等软岩中的研究也鲜有报道。因此，本文以重庆轨道交通三号线观音桥至红旗河沟区间的某基坑工程为例，通过三维数值分析的方法，研究了近距离基坑开挖对地铁隧道的位移影响，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景

项目主体结构位于轨道三号线观音桥～红旗河沟单洞单线区间西侧，基坑东侧边坡走向基本与轨道线路平行。拟建项目地下室外墙至轨道结构左线区间结构距离为25.30 m～26.08 m，如图1 所示。

图1 项目与轨道交通结构平面关系图Fig.1 Plane relation between the project and rail structural

图2 项目与轨道交通结构剖面关系图Fig.2 Section relation between the project and rail structure

从图2 项目与轨道交通结构剖面关系图剖面关系中可以看出，基坑开挖底面标高基本与隧道结构顶齐平。拟建建筑结构地下室外墙条形基础至左线区间隧道水平距离约26.68 m，桩基至左线区间隧道的水平距离约34.98 m；围护桩至区间结构的水平距离约24.93 m。为增加支护锚杆轨道结构的距离，将设计时将最上两排锚杆的入射角调整为10°，支护锚杆与至区间隧道锚杆最小距离约13.2 m。拟建场地地表大多为残坡积粉质粘土所掩盖，局部分布有少量人工填土。经地表地质调查和钻孔揭露，场地分布的地层为第四系全新统及侏罗系中统沙庙组地层。现依地层的新老顺序，由上至下对各地层如下：（1）人工填土(Q4ml)；（2）粉质粘土(Q4el+dl)；（3）砂质泥岩(J2s)；（4）砂岩(J2s)。场地内岩层强风化带厚度一般0.80～1.3 m，局部大于2 m，其岩体破碎，岩质软，质量等级为V。

2 区间结构三维数值模拟变形分析

由于二维数值模型很难真实反映拟建项目与轨道交通结构的空间关系，无法基坑边坡的三维空间效应，需要采用三维数值模型对轨道交通结构变形进行更精确的计算。为简化模型，得到更规则的网格，三维计算中采用连续墙体模拟围护桩、挡土墙，但墙体参数按刚度等效原则输入参数。这种处理方法仅在基坑开挖边界处一定范围内（约3.0 倍桩径范围内）所得位移略有失真，但不影响轨道区间隧道变形计算数值。

2.1 模型尺寸与施工步序

为了确保三维模型计算精度并尽量减少收敛时间，本次计算对模型范围作出了一定的限定。基坑外侧土层边界距离基坑开挖边界约60 m，约为基坑开挖深度的3 倍，确保消除边界条件的影响；垂直方向上从地表以下取70 m，底部边界距离基坑开挖底面约50 m，约为基坑开挖深度的2 倍。模型如下图所示。

图3 三维实体网格模型Fig.3 Three-dimensional mesh model

图4 轨道交通结构实体模型Fig.4 Entity model of rail structure

计算分析步序如下：⑴自重应力场平衡，位移清零；⑵轨道三号线单洞单线左线隧道开挖计算；⑶轨道三号线单洞单线左线隧道施作二衬；⑷轨道三号线单洞单线右线隧道开挖计算；⑸轨道三号线单洞单线右线隧道施作二衬；⑹位移场清零；⑺布置基坑围护桩；⑻基坑开挖完成计算；⑼施加基础荷载计算。

2.2 区间结构变形分析

轨道区间结构的横向位移与竖向位移变化云图见表1。

表1 基坑开挖过程轨道区间结构变形云图Table 1 Cloud diagram of track interval structure deformation during excavation of foundation pit

基坑开挖过程中，轨道区间结构的变形逐渐增大，但绝对变形值一直维持在低水平。基坑开挖完成后，左线区间的最大横向位移为2.39 mm，最大竖向位移为+0.45 mm，底板最大横向位移为1.71 mm，最大竖向位移为+0.3 mm；右线区间的最大横向位移为1.36 mm，最大竖向位移为-0.30 mm，底板最大横向位移为1.08 mm，最大竖向位移为-0.14 mm。

基础荷载加载后，区间结构无论是横向位移还是竖向位移，均有一个反向趋势。因为实际基础加载是一个缓慢过程，区间结构位移变化也将是一个缓慢过程。基础加载完成后：①左线区间的最大横向位移为1.26 mm，最大竖向位移为+0.57 mm，底板最大横向位移为0.64 mm，最大竖向位移为+0.43 mm；②右线区间的最大横向位移为0.82 mm，最大竖向位移为+0.21 mm，底板最大横向位移为0.23 mm，最大竖向位移为+0.18 mm。

图5 结构最大横向变形曲线Fig.5 Maximum transverse deformation curves of structures

图5 及图6 分别为轨道区间结构最大横向位移与最大竖向位移在项目施工过程中变化曲线。从图中可以看出：（1）随着基坑开挖深度加大，轨道区间结构的横向变形逐渐加大；拟建建筑上部结构完成加载后，横向变形有所减小，左线区间最终横向变形约1.3 mm，右线区间最终横向变形约0.9 mm；

（2）基坑开挖过程中，轨道区间的最大竖向变形一直维持在较低水平，最大值不超过1.0 mm；拟建建筑上部结构完成加载后，竖向变形略有增大，左线区间最终竖向变形约0.55 mm，右线区间最终横向变形约0.2 mm。

图7 结构底板最大横向变形Fig.7 Maximum transverse deformation of structural floor

图8 结构底板最大竖向变形Fig.8 Maximum vertical deformation of structural floor

图7，图8 分别为轨道区间结构底板最大横向位移与最大竖向位移在项目施工过程中变化曲线。从图中可以看出：

（1）随着基坑开挖深度加大，轨道区间结构底板的横向变形逐渐加大；拟建建筑上部结构完成加载后，横向变形有所减小，左线区间底板最终横向变形约0.70 mm，右线区间底板最终横向变形约0.23 mm；

（2）基坑开挖过程中，轨道区间底板的最大竖向变形一直维持在较低水平，最大值不超过1.0 mm；拟建建筑上部结构完成加载后，竖向变形略有增大，左线区间底板最终竖向变形约0.42 mm，右线区间底板最终竖向变形约0.18 mm。

区间隧道结构的最大隆起量为0.45 mm，边界两端地铁结构竖向位移趋近于0，模型长度约220 m，取区间隧道变形影响范围长度为220 m，可由下式计算隧道变形曲率半径：

式中：L为隧道变形影响范围长度；Δδv为隧道结构相对竖向位移最大值。计算所得隧道变形曲率半径约为1.086×109m。

区间隧道结构的最大横向变形量为2.17 mm，边界两端地铁结构竖向位移趋近于0.52，模型长度约220 m，取区间隧道变形影响范围长度为220 m，计算隧道相对变形曲率：

式中：L为隧道变形影响范围长度；Δδh为隧道结构相对横向位移最大值。计算所得隧道变形曲率约为1/(8×106)m-1。

3 轨道结构截面安全与裂缝宽度验算

按《铁路隧道规范》，塌落拱高度计算如下：宽度影响系数：ω=1+i(B-5)=1+0.1×(5.6-5)=1.06；

塌落拱高度：ha=0.45×2s-1ω=0.45×24-1×1.06=3.82 m；

项目基坑开挖后，隧道结构最小埋深h1=28.4＞2.5ha=9.54 m。因此，项目实施后，隧道结构应按深埋设计受力状态，作用在隧道结构上的荷载不会发生变化，截面安全系数与裂缝宽度与原设计一致，满足规范要求。

4 结论

通过数值模拟分析拟建项目对轨道交通三号线区间观音桥～红旗河沟区间结构的影响进行评估，分析结果表明：

（1）项目建设及运营引起区间结构的最大横向位移不大于3.45 mm，最大竖向位移不大于1.3 mm；区间隧道的变形曲率半径为1.086×109m，相对变形曲率半径为1/(8×106)，不影响轨道交通结构的安全；

（2）项目建设及运营引起区间结构底板的最大横向位移不大于3.0 mm，最大竖向位移不大于1.2 mm；不影响轨道交通的正常运营；

（3）项目建设及运营期间，轨道区间结构的深、浅埋状态没有发生变化，隧道结构应按深埋设计受力状态，作用在隧道结构上的荷载不会发生变化，截面安全系数与裂缝宽度与原设计一致，满足规范要求；因此，拟建项目的建设与运营不影响轨道交通结构安全与正常运营。