基坑开挖对临近地铁区间结构影响安全性评估

吕秋玲, 明 亮, 汪东林

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

随着城市建设的不断发展，土地资源不断被开发利用，受城市规划以及环境的限制，城市轨道交通毗邻的深基坑越来越多，基坑的开挖过程必将对周边地层的平衡状态产生影响，进而引起周边土体内应力重分布，导致轨道交通结构等产生附加应力及附加变形，则会对轨道交通的正常运行产生影响，严重时可能破坏地铁隧道结构甚至引发安全事故，因此，对基坑开挖对临近轨道区间结构的变形影响程度进行评价是非常有必要的[1]。

基坑开挖对临近地铁隧道产生影响的因素有很多，且机制比较复杂，很多国内外学者做过深入的研究。魏纲等[2]提出了一个半解析半经验的方法，该方法充分考虑了在基坑开挖时，基坑底部加固的遮拦效应以及坑底与基坑侧壁的卸荷应力，并且推导出了可以计算由于基坑开挖而产生隧道位移的计算公式。Marts等[3]为了研究采用明挖法施工的基坑，其开挖过程对下卧隧道结构的影响，通过建立二维有限元模型，预测开挖后隧道结构的明挖效果，然后与现场的监测数据对比分析，结果大致吻合，验证了预测与实测间比较好的一致性。Sharma等[4]为研究基坑施工过程中对临近的2个地铁隧道的影响，以某实际的深大基坑为工程背景，建立三维有限元模型，模拟计算了基坑施工过程中周围两个地铁隧道的变形情况，分析计算结果得到隧道的衬砌刚度会影响其自身的变形，衬砌刚度越小，则位移变形越大；反之，刚度越大则位移变形越小。

本文结合临近合肥轨道交通1号线某深基坑工程施工，采用MIDAS GTS NX有限元软件，建立三维有限元模型，对基坑开挖影响下该处轨道区间结构受到的应力及产生的变形进行安全评估，为其他类似基坑工程提供了一定的参考借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程背景

工程位于合肥市滨湖新区庐州大道与福州路交口的西北角,坑深度9.7～13.35 m。基坑东西向长约92 m，南北向宽约76 m，支护周长约320 m。基坑西侧毗邻庐州大道和已运营的轨道交通1号线紫庐站-滨湖会展中心站区间；南侧为已建变电站，目前变电站结构已完成，覆土已回填；东侧为车库地下室；北侧围墙外为福州路。本基坑南侧侵入轨道交通严格控制区，西侧侵入轨道交通影响控制区。基坑西侧放坡坡顶距离已运营1号线区间结构为8.68～18.08 m，南侧利用变电站原有围护桩，其地下室外墙与变电站外墙净距为3.33～6.08 m。基坑西侧、北侧采用Φ900@1800钻孔桩排桩和2～4层锚杆支护形式，围护桩桩长约18.8 m，插入基坑底8.0 m；基坑东侧采用土钉墙支护；基坑南侧利用既有变电站支护桩支护，采用Φ1000@1600钻孔桩，变电站底板埋深约20.0 m，围护桩长18.7 m，插入基坑底8.0 m。地下水采用集水明排处理。本基坑与既有轨道交通结构的平面位置关系如图1所示。

1.2 工程地质

根据地勘报告所述,拟建场地地貌形态均属江淮丘陵地貌单元。拟建场地地基岩土构成层序自上而下为：①层杂填土、②1层黏土、②层黏土、③层粉质黏土(黏土)夹粉土(残积风化)、④层强风化泥质砂岩、⑤层中风化泥质砂岩。

该场地有上层滞水以及承压水的存在，其中上层滞水赋存于①层杂填土中，其水量与水位受大气降水影响严重，且分布不连续。而承压水则埋藏于③层粉质黏土(黏土)夹粉土(残积风化)中，同时在④、⑤层砂质泥岩中埋藏有少量裂隙水。勘察期间在局部地段测得上层滞水地下水静止水位埋深1.10～4.70 m，静止水位标高15.45～21.79 m。

图1 基坑与轨道交通结构的平面位置关系图

2 数值模拟

2.1 计算范围与边界条件

该基坑长约92 m，宽约76 m，基坑开挖深度为9.70～13.35 m，大量工程经验显示，大型基坑在施工过程中， 其影响深度范围为开挖深度的2～4倍，影响宽度范围为开挖深度的3～5倍。因此，计算模型取长×宽×高尺寸为180 m×180 m×40 m。

在确定模型的边界条件时，由于该模型的计算区域已经足够大，故可以认为模型底面不发生竖向位移，而其侧面也不存在水平位移。则可以确定该模型侧面为水平约束，底面为各项约束，而上表面为自由面。

2.2 模型参数选取

为研究基坑开挖对临近地铁1号线区间结构的影响 ，采用MIDAS GTS NX有限元软件建立三维模型进行分析。

2.2.1 地层参数的选取

结合勘察报告并整合相似土层，得出土层的物理力学参数，见表1。

表1 土层物理力学参数指标表

2.2.2 围护桩单元的模拟

本基坑围护桩主要采用钻孔灌注桩，其直径为900 mm，间距为1 800 mm，计算模拟时按刚度等效为厚598 mm的板。区间隧道、变电所结构采用不同厚度的板单元模拟，并用植入式桁架单元来模拟锚杆结构。梁、板等结构的材料按线弹性考虑，其主要参数为泊松比υ及弹性模量E。各结构构件的材料取值见表2。

表2 结构构件材料参数取值

2.3 计算工况

在整个建模过程中，为了重点突出基坑开挖过程对临近轨道区间的变形影响，不详细模拟分析区间隧道的施工过程，也不考虑基坑地连墙等围护结构的施工过程对区间隧道的影响。在轨道交通结构施工结束后对模型进行位移清零，这样以便更好地分析基坑开挖对临近轨道区间的影响。根据施工顺序，计算工况如下：

工况1：初始地应力平衡。

工况2：施作轨道交通结构(区间隧道)。

工况3：完成第一级土层开挖(地表至冠梁底标高)，施作围护桩。

工况4：开挖至第一道锚索标高，施作锚索。

工况5：开挖至第二道锚索标高，施作锚索。

工况6：开挖至第三道锚索标高，施作锚索。

工况7：开挖至第四道锚索标高，施作锚索。

工况8：开挖至基坑底。

工况9：施作桩基及地下室结构，施加上部建筑荷载。

2.4 三维有限元计算与分析

结合该基坑工程的实际施工工况，采用MIDAS GTS NX有限元软件建立三维数值模型，其尺寸长×宽×高为180 m×180 m×40 m，如图2所示。

图2 整体三维有限元模型

2.4.1 隧道区间水平位移分析经软件分析计算，基坑开挖过程中各个工况下隧道区间的水平位移如图3所示。

从图3中我们不难看出，在基坑开挖的整个过程当中，隧道区间产生了水平位移，且方向偏向基坑一侧，随着开挖深度不断加大，其水平位移变形也逐渐增大；当开挖至基坑底部时，近基坑侧隧道区间中间腰部的位置出现了最大变形，最大水平位移约为2.05mm，隧道区间整体的变形呈现中间大两边小的形式。

图3 基坑开挖过程中隧道区间沿X方向的水平位移(单位：m)

2.4.2 隧道区间竖向位移分析

利用MIDAS/GTS模拟计算出基坑开挖各工况下隧道所产生的竖向位移如图4所示。

图4 基坑开挖过程中隧道区间竖向位移(单位：m)

由图可知，在整个基坑开挖过程中，远基坑侧隧道在竖直方向上略微下沉，而且其沉降量伴随着基坑开挖不断加深也在不断增大，当开挖至基坑底部时，出现最大沉降位移，位置出现在远基坑侧隧道中间腰部位置，沉降量约为0.38 mm，其总体沉降趋势为中间大两边小；近基坑隧道则在竖直方向上略微隆起，而且其隆起量也随着基坑开挖不断加深也在不断增大，当开挖至基坑底部时，近基坑侧隧道中间腰部位置出现了最大隆起位移，隆起量约为0.85 mm，其总体隆起趋势也是中间大两边小。

基坑施工各工况对邻近区间结构的位移影响汇总如表3所示。

表3 各工况基坑施工对区间隧道结构的位移影响

由数值模拟结果知，基坑开挖对车站主体结构的最大附加水平位移约2.05 mm，最大附加竖向位移为0.85 mm。以上各工况累计位移值均低于控制值5 mm，故基坑施工对区间结构的位移影响在可控范围内。

3 结构承载力及抗裂验算分析

工况8下区间结构轴力及弯矩图如图5所示。

图5 工况8下隧道区间轴力图

图6 工况8下隧道区间弯矩图

结构承载力及裂缝宽度按照《混凝土结构设计规范》计算。结构混凝土等级C35，抗拉钢筋种类HRB400。各工况下，区间结构不同部位的最大弯矩、承载力及抗裂验算见表4。

表4 区间结构承载力及抗裂验算

综上所述，基坑开挖诱发轨道区间发生一定程度的位移，预测轨道区间的最大水平位移为2.05 mm，最大竖向位移为0.85 mm；隧道区间的受力水平处于较低的状态，且其受力的变化量比较小，故认为该深基坑的施工过程不危及轨道区间的结构安全。

3 结束语

(1) 该隧道区间受基坑开挖影响，其产生的最大水平位移为2.05mm，最大竖向位移为0.85mm。

(2) 在整个基坑开挖过程中，临近轨道区间结构受开挖的影响，其受力状态发生一定的变化，但比较各个工况下的轴力及弯矩，其变化量可以忽略不计，所以该轨道区间结构受基坑开挖的影响，其受力处于较低的水平，结构受力的变化量都比较小，几乎可以忽略不计。

(3) 通过结构承载力及裂缝宽度验算，得出各个工况，隧道区间结构各部位的承载力以及裂缝宽度均可满足规范要求，基坑开挖对临近隧道区间结构使用安全的不利影响是可控的，故可以认为该基坑开挖过程不危及轨道区间的结构安全。