基坑开挖对邻近既有地铁隧道的影响研究

张汝捷，张涛，胡东东

（1合肥市轨道交通集团有限公司，安徽 合肥 230000；2安徽省城建设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

随着经济社会的不断发展，世界各国对于城市地下空间工程的建设不断进入新的阶段，如深基坑工程、地铁隧道建设等。然而由于城市土地资源的有限性，地下空间的深基坑工程不可避免地会对周围环境中的建（构）筑物，如地铁隧道、市政管线等产生一定的不利影响，如何解决城市建设中的这一突出矛盾，是相关领域的专家学者以及工程师们需要重点考虑的问题。

国内外相关学者对于基坑开挖对临近地铁隧道的影响进行了丰富的研究。宋晓凤等以数值模拟计算为主要手段，对北京市某深基坑工程对临近既有地铁隧道的影响特征进行了详细的分析；胡海英等以广州市某深基坑工程为工程背景，采用了数值模拟分析和动态监测相结合的方法，分析了基坑开挖对地铁隧道的影响；魏纲通过收集国内14个基坑工程实例，从理论上分析了基坑开挖对工程下方既有地铁隧道的影响机制。

本文以合肥市某深基坑工程以及临近的既有地铁隧道工程为例，通过动态监测基坑施工期间对临近地铁隧道的影响，并将汇总后的监测结果与数值模拟计算结果进行对比分析，研究深基坑开挖支护对地铁隧道变形的影响规律，评估该深基坑工程施工期间临近地铁隧道的安全性。

1 工程概况

1.1 基坑工程及邻近隧道概况

本基坑工程周边均为市政道路，基坑开挖深度为5.85～10.35m，坑底位于粘土中，基坑南侧采用1:0.85的放坡支护方案；西侧采用排桩+斜撑支护方案；北侧采用排桩+放坡支护方案；基坑东侧开挖深度为7.35m，且距离用地红线较近，采用排桩+斜撑支护方案，围护桩为直径0.9m、间距1.6m、长度12m 的钻孔灌注桩，斜撑为长度10.2m的600mm×600mm的钢格构斜撑，水平间距7.0～8.5m。

基坑东侧临近轨道交通1号线的已运营的区间隧道，隧道拱底埋深约10.7m，区间隧道为两条单洞单线圆形隧道，均采用盾构法施工，隧道管片内净空理论值为5.4m，隧道衬砌采用管片厚度300mm、环宽1.5m的C50预制装配式钢筋混凝土平板形单层衬砌。基坑边线距1号线区间隧道边线最近约23.4m，距离车站最近约42.1m，主要评估分析对象为区间隧道，基坑支护与区间隧道位置关系如图1所示。

图1 基坑支护与区间隧道位置关系断面图

1.2 工程地质条件

根据相关的岩土工程勘察报告，本基坑南侧和东侧典型工程地质剖面如图2所示。拟建场地内地基岩土构成层序自上而下为：①层杂填土，主要以黏性土为主，层厚3.60～7.60m，层厚平均值为5.23m；②层黏土，该层在场地内普遍分布，层厚6.70～12.90m；③层粉质黏土，层厚9.10～11.50m；④层黏土，层底埋深23.00～26.10m。拟建场地地下水类型为上层滞水。上层滞水主要赋存于①层杂填土中，无自由稳定水面，主要补给来源为大气降水。

图2 典型工程地质剖面图

2 数值模拟分析

2.1 建立三维有限元计算模型

为评估基坑施工对地铁1号线区间隧道的影响，采用MIDAS/GTS建立三维数值计算模型进行分析。模型的南北长度为300m，东西宽度为200m，高度为40m。模型边界条件为：底面采用固定约束；四个侧面为垂直于侧面的方向约束；上表面为自由面。土体破坏准则采用摩尔-库伦模型，车站墙、板及地铁D出入口墙板采用线弹性的板单元进行模拟；隧道采用板单元模拟；支撑及车站结构柱采用梁单元模拟。土层材料的物理力学参数如表1，车站结构及围护结构材料参数如表2。

土层物理力学参数 表1

车站结构及围护结构材料参数取值 表2

根据上述建模信息所建立的基坑支护结构，以及区间隧道、车站的三维模型如图3和图4所示。

图3 车站、区间隧道及基坑工程位置关系图

图4 地铁车站、区间隧道模型图

2.2 计算工况

为分析基坑工程施工对地铁区间隧道及车站的影响，按基坑施工各个步骤分析基坑工程施工对地铁车站、区间隧道的影响。第一步：模拟地铁结构施工，并将模型位移清零；第二步：基坑桩顶上部放坡施工；第三步：基坑工程围护桩施工；第四步：基坑开挖至斜撑施工面，斜撑施工；第五步：基坑开挖到底。按照上述五个工况的具体要求，对三维模型进行开挖与支护模拟，得到图5所示的三维有限元计算模型。

图5 基坑支护模型图

2.3 数值计算结果分析

根据以上计算结果可知，基坑工程开挖对地铁1号线区间隧道、车站结构影响较小，基坑施工引起的区间隧道位移如图6所示，计算结果显示基坑施工引起的车站和区间隧道位移值均小于轨道结构变形控制标准5.0mm。

图6 区间隧道位移云图

在工况2—工况5计算结果中提取区间隧道沿纵向分布的位移数据，根据变形特点，采取多项式函数y=ax+bx+cx+d对上述数据进行拟合分析，根据曲率半径计算公式求得隧道变形的最小曲率半径。经计算，工况2～工况5隧道变形的最小曲率半径分别为：2.37x10、2.02x10、1.98x10、1.73x10，上述数值均大于控制值1.50x10。

数值模拟结果表明，理论上基坑施工对车站、区间隧道的影响均处于安全范围。

3 施工期车站及地铁隧道监测分析

3.1 监测方案

本工程外部作业影响等级为三级，地铁保护监测范围向工程临近区域两段外扩20～40m，因此本项目地铁监测范围长度取150m。监测项目包括车站结构水平和竖向位移监测；区间隧道水平位移及收敛监测、区间道床竖向位移监测；管缝、裂缝观测；轨道几何形态监测；隧道结构表观巡查等。监测方式主要采用人工监测。监测频率包括：①基坑开挖前将全部监测点布设完成并测定初始值；②基坑开挖使用过程中监测频次为2次/1周；③基坑监测项目出现预警时对地铁内部监测项目进行加密监测；④当监测项目达到橙色预警时，进行自动化监测。

3.2 监测实施

根据不同监测项目的要求，采用不同的监测方法对各项目实施监测。采用精密水准测量方法监测道床竖向位移，在地铁1号线的左右线各选4个点作为基准点，在125m长度的区间内每隔20m布置一个断面，并在车站与盾构区间接缝处布设一对差异沉降点。道床水平位移监测采用二等导线测量方法，基准点布置同竖向位移监测，监测点布置与竖向位移监测点在同一平面内，并在左右线各布置一个用于实时校对修正的临时工作基点。在隧道两侧腰线上布设一条通过隧道圆心的水平基线，通过量测水平基线的长度监测隧道水平收敛，水平收敛监测断面与对应水平位移监测点所在断面重合。采用游标卡尺对隧道结构的变形缝和裂缝的张开量进行监测。使用轨距尺进行轨道静态几何形为监测，轨道几何形为监测断面与对应的道床垂直位移监测点所在断面重合。隧道断面监测点布置图为图7，地铁保护监测布点图为图8。

图7 隧道断面监测点布置图

图8 地铁保护监测布点图

3.3 监测结果分析

根据监测方案的总体要求，以及监测实施的具体要求，在基坑开挖与支护的施工期间，对万达城车站以及区间地铁隧道进行了全程的监测，并且对监测结果进行了详细汇总。道床沉降累计变化最大点为 ZHC02（-2.84mm），水平位移累计变化最大点为 ZHC02（-2.70mm）；收敛累计变化最大点为ZHSL09（-2.70mm），垂直位移基准网累计变化最大点为ZJZ04（-2.83mm），轨距累计变化最大点为ZGJ01（2.89mm），各项监测数据变形速率和累积量均未超过预警值，数据正常。监测结果表明，基坑施工期间，对临近的车站、区间隧道的影响均处于安全范围。

4 结论

对于临近地铁区间隧道和车站的深基坑工程施工的影响，首先采用三维数值模拟分析的方法进行研究。在基坑施工期间，采用动态监测的方法，对区间隧道结构的主要指标进行监测。根据两种方法所得到的结果，对深基坑施工时，所临近的区间隧道安全性进行评估，得到以下结论：

监测结果汇总表 表3

①深基坑的施工对临近地铁区间隧道的影响总体表现为道床的下沉、隧洞结构的径向收敛、区间隧道水平方向的位移和轨距的变化；

②数值计算结果与监测结果的量值均在标准要求的安全范围内，工程实际中数值模拟计算分析可以指导支护设计及施工，工程施工过程中实施信息化管理能够起到提前预警，根据监测结果实时调整施工计划，将轨道交通结构附加变形控制在安全可控范围。