地铁安全保护区内高层建筑施工对隧道的影响计算及分析

张颖君 董先龙

摘 要 随着地铁周边地块的开发，越来越多的深基坑工程，高层建筑在地铁安全保护区范围内施工。本文结合具体工程实例，在工程设计阶段针对地铁安全保护的要求优化设计方案，并采用有限元法模拟基坑开挖到结构回筑全过程对周边地铁隧道的影响，并结合后期实测分析工程全周期施工对地铁隧道的影响，具有重要的工程实际意义。

关键词 地铁隧道;位移;基坑;数值模拟

引言

随着我国城市化进程的快速发展，地表空间利用逐步饱和，地下空间的开发利用和高层相结合逐渐成为城市发展的新方向。随着城市建设用地的日趋紧张，伴随着城市轨道交通的快速发展，越来越多的高层结构临近地铁隧道及车站[1]。基坑的开挖施工及上部结构的构筑破坏了原有的地层应力平衡，引起临近的地铁隧道及车站产生变形及应力变化。

为确保地铁的正常运营，地铁管理部门要求隧道的变形控制在一定的允许范围内。根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T 202-2013）中对地铁安全保护区范围内工程施工对地铁结构的影响提出了明确的要求[2]，地铁结构设施沉降量及水平位移量要求小于20mm;隧道变形曲率半径要求大于15000m。

本文结合紧邻某市地铁1号线区间隧道的地块基坑工程的设计和实践，针对临近地铁盾构区间隧道保护的要求，利用有限元计算的方法，对基坑设计方案进行优化，并将数值模拟预测值和实测地铁区间隧道变形结果进行对比分析。

1工程概况

1.1 结构工程概况

该项目可建设用地面积约4639.8m2，规划总建筑面积23125m2，其中地上20875m2，地下室2250m2，地块内主要建筑物为科研楼，主楼楼高20层，裙房3层，地下室1层。主楼及裙楼基坑深度6.35m～5.65m，基础形式为桩筏基础，工程桩采用Φ700的钻孔灌注桩，桩长43m。

1.2 工程地质概况

拟建场地属长江中下游冲积平原，场地地形总体尚平坦，场地标高在3.82m～4.09m之间。本场地基坑下卧层为③-2层细沙夹粉砂层，该土层水量较大，且具有承压型，开挖期间易造成基底隆起、涌沙等风险。岩土信息与主要物理力学参数如表1所示。

1.3 周边隧道概况

该项目项目临近地铁1号线区间隧道，该区间为地下双线盾构区间，隧道线间距13.2m～13.5m，隧道顶部覆土厚度14.872m。该项目地面结构外轮廓线与区间隧道右线隧道结构边线水平投影距离为11.2m，地下室结构边线距离隧道边线水平投影距离为12.5m。

2针对地铁保护调整方案

因该项目与区间隧道最近距离仅为12.5m，基底位于③-2层细沙夹粉砂层，渗透系数较大，且该段地铁隧道已处在运营阶段，针对地铁保护对设计及施工方案做了如下调整：

（1）临近地铁侧基坑围护原方案采用放坡开挖，为避免基坑施工期间降水对地铁隧道的影响，围护结构调整为三轴搅拌桩内插PHC-600管桩的支护形式，并在基坑开挖区域外侧增加三轴搅拌止水帷幕，该维护形式施工便捷，具有良好的止水效果，避免降水施工对地铁隧道的影响;

（2）主体结构工程桩原方案为预制静压桩，该工法施工期间对周边地层易产生较大的挤土效应及超孔隙水压，对地铁区间隧道存在安全隐患，经协商桩基方案调整为钻孔灌注桩，该工法对地层扰动小，有利于周边地铁的运营安全。

3数值模拟计算

3.1 有限元模型

根据现场实际地层参数及调整后的基坑设计方案，建立三维有限元分析，计算采用修正M-C本构关系。修正M-C是在M-C本构基础上改善的本构模型，能模拟应力增量随应变逐渐减小的硬化现象，能更精确的模拟地基。土层参数如表1所示：

根据施工组织设计，计算工况为：

3.2 计算结果

（1）基坑开挖到底

由于基坑开挖卸载的作用，地铁隧道临近基坑位置存在向基坑方向变形的趋势，最靠近基坑的右线最大隆起值为3.4mm，朝向基坑方向水平位移为5.54mm，左线距离基坑较远，最大隆起值为1.71mm，水平位移为3.85mm。

（2）结构封顶

结构回筑其间周边地层受科研楼自重荷载作用下发生固结沉降，带动周边隧道变形，结构封顶后右线隧道最大沉降量为9.61mm，左线最大沉降量为3.17mm，水平向变化则在结构回筑其间较为稳定，与基坑开挖其间隧道变形基本持平[3]。

3.3 数值模拟计算小结

由数值模拟计算结果可知，隧道在基坑开挖其间有向上隆起的趋势，后期结构回筑期间仍产生了较大的沉降变形，最大变形量为9.61mm，满足地铁安全运营的控制标准，调整后的基坑设计方案满足地铁安全保护要求。

4基坑工程实施与地铁隧道安全监测

整个工程施工期间对临近的地铁隧道区间进行了安全保护监测，监测结果表明增加了止水帷幕后，地铁隧道在地块施工期间变形稳定，各项参数均在安全可控的范围内[4]。

4.1 隧道沉降

从实测隧道沉降数据可以看出，基坑在土方開挖期间（72D～137D），隧道随着土体卸载回弹的作用逐渐上浮，开挖到基底后上浮趋势逐渐稳定，右线最大上浮量为2.5mm，左线最大上浮量为1.7mm，与数值模拟计算吻合较好。

后期结构回筑期间，隧道随着上部结构荷载导致的土体沉降变形逐渐下沉，左线与科研楼距离为27.5m，受办公楼影响较小，后期最大沉降量为-1.3mm;右线隧道与科研楼距离为13.8m，受办公楼影响较大，后期最大沉降量为-2.3mm，考虑到监测周期仅为施工结束后3个月，场地以黏性土为主，工后沉降周期较长，预计后期隧道仍会产生4～8mm沉降变形。

从隧道轴线沉降数据来看，基坑开挖造成的土体回弹隆起范围较广，监测的200m范围内均显示隧道有不同程度的上浮隆起，各监测点数据较为稳定，隧道10m弦长及曲率半径均满足控制标准;后期科闻办公楼施工后基底沉降影响造成临近的右线隧道局部沉降-2.5mm，沉降监测数据散点拟合曲线方程为，根据曲率公式计算，曲率最小值348189.4m，大于控制值15000m，满足轨道正常运营要求。

4.2 隧道水平变形

从实测隧道水平位移数据可以看出，围护桩及工程桩施工期间监测数据在初始状态上下波动，波动幅度较小，3天移动平均曲线较为稳定，隧道受围护桩及工程桩施工影响较小。

基坑土方开挖期间，隧道随着开挖施工逐渐向基坑方向位移，水平位移量与隧道到围护之间的距离和围护刚度相关，地下室施工完毕后水平位移趋势逐渐稳定，基坑开挖期间水平位移最大值为2.7mm，有限元模拟计算隧道水平位移量5.54mm，計算结果偏于保守[5-6]。

后期结构回筑期间受塔楼荷载影响较小，后期隧道最大水平位移量为2.9mm，小于地铁安全运营控制值20mm。

5结束语

（1）基坑开挖导致的土体回弹隆起影响区域广，地层中隧道受基坑开挖卸载影响较大，大范围基坑，尤其是开挖深度较深，卸载量大，距离地铁隧道较近的基坑建议分坑施工。

（2）地面结构加载造成的地层沉降对隧道影响不应轻视，虽然随着距离衰减明显，但是对隧道10m弦长不均匀沉降及曲率影响较大，对已通车运营的轨道存在安全隐患，对临近隧道的高层结构引起的地层沉降应加以计算分析，施工中应采取桩基后注浆等措施减少工后沉降。

（3）在工程前期利用有限元模拟计算工程施工对地铁隧道的影响是有效的，采用合理的本构模型和计算参数对后期设计方案的调整和施工具有指导意义。

参考文献

[1] 曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间，2005，（4）：642-645.

[2] 朱娇，潘健.某基坑开挖对邻近地下隧道影响的有限元分析[J].广东土木与建筑，2007，（5）：28-32.

[3] 王秀丽，舒丽红，何春保.某紧邻地铁深基坑支护设计及监测分析[J].铁道建筑，2006，（2）：76-79.

[4] 高广运，高盟，杨成斌，等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报，2010，32（3）：453-458.

[5] 魏纲.基坑开挖对下方既有盾构隧道影响的实测与分析[J].岩土力学，2013，34（5）：1421-1424.

[6] 李进军，王卫东.紧邻地铁区间隧道深基坑工程的设计和实践[J].铁道工程学报，2011，（11）：104-110.

作者简介

张颖君（1984-），男，江苏无锡人;毕业院校：中国矿业大学，土木工程专业，学历：硕士，职称：工程师，现就职单位：无锡市轨道建设设计咨询有限公司，研究方向：隧道及地下工程结构设计和技术管理。