基坑开挖对既有地铁区间隧道的影响性分析

李泽基，黄 旭

(广东工业大学，广州 510006)

0 引言

在基坑工程中，挖土和各类施工都会改变土体之前的应力状态，引发土体的变形和沉降在所难免。对于已有的地铁区间也存在安全挑战，因为土体过大的变形会引发地铁区间隧道节点出现开口。当开孔量太大时，地铁区间隧道会发生渗透水、漏砂等病害，这些病害将严重威胁地铁的运营安全。

针对基坑开挖对既有地铁的影响，许多学者根据不同的研究方向进行了研究。Hu, B[1]利用ABAQUS软件模拟深基坑开挖引起的土体扰动对地下管线位移的影响，分析了地下管线的危险区域；还分析了多种风险因素影响下管道风险因素的最不利组合；最后，从安全和经济两个方面提出了系统的追加部分加固方案，以保护风险较大危险地区地下管线的安全。Zhang, Z.[2]提出了一种简便的研究方法，用于分析开挖工程中相邻隧道开挖引起的土体卸载引起的变形响应。首先，在现有隧道位置，估算相邻开挖引起的绿土卸载应力；其次，采用伽辽金法计算了绿土卸载应力作用下隧道的变形响应，由微分方程转换为有限元方程。丁智等[3]研究发现,围护结构施工和降水对地层及邻近地铁初始位移的影响不容忽视。无支护的围护结构长期暴露是基坑侧向位移快速增长的危险时期;基坑开挖的空间效应,中部侧向变形远大于边角,单向开挖容易引起土壤的位移场和应力场叠加在开挖区域,它会导致相邻隧道的最大变形转变回开挖区域。魏刚等[4]考虑基坑底部、支护结构的影响，形成了力学计算模型；基于Mindlin应力解公式，推导出既有地铁隧道附近基坑开挖引起的附加荷载计算公式，分析了基坑尺寸变化、隧道位置变化及如何控制加固等影响因素。谢晓冬等[5]等运用有限元软件综合评判了某基坑开挖的安全性以及开挖过程中对周边建构筑物的影响，并认为各项沉降均满足规范要求。

1 工程概况

本模型模拟基坑开挖施工阶段。基坑周边场地复杂，有既有地铁管线一条，直径6m，中心线埋深15m。因临近地铁线路，现场采取地连墙加内撑的方式进行支护。

基坑开挖深度标高-9m,地连墙嵌固端标高-18m。地连墙厚0.8m，采用C40砼。冠梁截面1.2m×1.0m，腰梁截面1m×1m，内撑截面1m×1m，构件均采用C30砼。管片厚度0.3m。各层土的参数见表1。

表1 地层岩土材料参数

本基坑工程按一级基坑考虑，整个开挖过程分3次进行，布置三道支撑，每次开挖深度为3m。

2 有限元计算模型的建立

2.1 破坏准则

土体围岩考虑弹塑性变形，采用修正摩尔库伦准则，混凝土仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。

2.2 几何模型建立

本工程有限元模型尺寸定为X=195m、Y=158m、Z=40m。几何模型建立的最后结果如图1所示。

图1 几何模型

2.3 分析工况及网格划分

2.3.1 分析工况

本次分析分为5个工况(表2)，主要在于基坑开挖的安全性及基坑开挖对既有地铁区间的影响，基坑开挖只经过一层土层，且需布置三道支撑，故按三次开挖。考虑到基坑开挖引起的已有地铁区间的水平位移和沉降值，因此本次分析对建筑物和隧道引起的位移进行清零。计算过程中的主要荷载为各个模型的自重。

表2 三维模型开挖分析步骤

2.3.2 网格划分

整体有限元模型如图2所示，整体模型共有68 873个单元，42 719个节点，本次分析中共5个施工步。各施工阶段有限元网格展示如图3～图7所示。

图2 有限元模型网格

图3 初始应力场分析施工步

图4 围护施工分析施工步

图5 第一次开挖分析施工步

图6 第二次开挖分析施工步

图7 第三次开挖分析施工步

3 计算结果及分析

3.1 既有地铁区间影响性分析

数值分析模拟了基坑开挖对既有地铁区间造成的位移分析，包括隧道水平位移分析和隧道竖直位移分析。

3.1.1 隧道沉降

第三次开挖后，基坑开挖引起的地铁隧道的沉降云图如图8所示。

图8 开挖3隧道沉降云图

根据图8可知，基坑开挖过程中，既有地铁隧道区间的沉降值为0.0109mm/-0.238mm。综上，基坑开挖施工对既有地铁区间隧道的沉降影响较小，不会产生明显的隆起或沉陷，小于《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911—2013)中规定的控制值10mm，满足规范要求。

3.1.2 隧道水平位移

第三次开挖后，基坑开挖引起的地铁隧道X方向的水平位移云图如图9所示。

图9 开挖3隧道X方向位移云图

根据图9可知，基坑开挖过程中，既有地铁隧道区间X方向的水平位移为0.388mm/-0.063mm。综上，基坑开挖施工对既有地铁区间隧道在X方向的位移影响很小，不会产生明显的侧移，小于《城市轨道交通工程监测技术规范》(GB 50911-2013)中规定的控制值10mm，满足规范要求。

3.1.3 基坑开挖对临近地铁区间隧道影响的安全评估

通过MIDAS GTS NX的模拟，在基坑开挖过程中，隧道的沉降量和侧移量均小于1mm，由此可知，基坑开挖对邻近地铁管线的影响可以忽略，在该隧道边开挖基坑是安全的。

3.2 基坑安全性

3.2.1 立柱位移

在基坑开挖过程中，作为支护结构的立柱的位移情况应在考察范围内。根据计算结果，立柱产生最大沉降的施工步是围护施工阶段，相应的云图如图10所示；最大侧移则产生于开挖3,云图如图11、图12所示，单位为m，图中箭头所指为极值的位置，数字为极值的大小，图形上的文字为最大值和最小值以及其出现的位置。

图10 围护施工立柱沉降云图

图11 开挖3立柱X方向侧移云图

图12 开挖3立柱Y方向侧移云图

由图10～图12可知，在基坑开挖过程中，立柱最大沉降值为5.13mm，基坑开挖施工对邻近建筑物的沉降影响较小，不会产生明显的沉降，小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)规定的报警值25mm，满足规范要求。

3.2.2 坑底回弹

基坑在开挖后，坑底土体的回弹量是施工过程中需要重点控制的。在MIDAS GTS NX的模拟过程中，坑底土的回弹云图如图13所示，坑底的最大回弹量为7.6mm，小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中一级基坑规定的报警值25mm，满足规范要求。

图13 开挖3坑底土沉降云图

3.2.3 基坑周围地表竖向位移

在第三次开挖后，基坑周围地表土的竖向位移均出现整个开挖过程中的最大值，如图14所示。基坑周边土体的最大沉降量为2.62mm，小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中一级基坑规定的报警值25mm，满足规范要求。

图14 开挖3基坑周围土体沉降

3.2.4 地连墙墙顶竖直位移

地连墙墙顶的竖向位移在围护施工步骤中达到最大值，如图15所示。地连墙墙顶最大竖向位移量为4.28mm，小于《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中一级基坑规定的报警值10mm/0.001h，满足规范要求。

图15 围护施工地连墙墙顶竖向位移

4 结论

(1)基坑开挖施工对既有地铁区间隧道的沉降影响较小，不会产生明显的隆起或沉陷。

(2)在基坑开挖过程中，立柱最大沉降值为5.13mm，基坑开挖施工对邻近建筑物的沉降影响较小，不会产生明显的沉降。

(3)基坑开挖过程中，基坑开挖施工对既有地铁区间隧道在X方向的位移影响很小，不会产生明显的侧移。

(4)基坑在开挖后，坑底的最大回弹量为7.6mm，满足规范要求。

以上模拟结果均满足《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)的相关要求。初步判定该基坑设计合理，在标准的施工安排下是安全的。