基坑开挖施工对邻近地铁隧道结构的影响研究

白洋

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430073）

1 引言

近年来，随着我国城市化建设进程的加快，越来越多的城市轨道交通规划进入未建成区，由轨道交通建设来带动周边地块的开发已成为城市发展的一种主流选择。由于地铁车站主要设置于客流集中的区域，地铁站位置的选择导致地铁线路沿线规划待开发的地块越来越多，使得在地铁保护区范围内进行基坑开挖成为一种常态。针对上述发展现状，有必要对地铁周边地块基坑施工对既有地铁结构的影响规律进行研究，并总结既有地铁保护工程的经验。

目前，国内外对基坑施工引起的周边建（构）筑物变形的研究方法主要有数值模拟法、理论解析法等。姜兆华等将隧道视为弹性地基梁结构，计算基坑开挖过程中卸载导致的土体附加应力，然后在地铁隧道上施加附加应力，建立隧道结构纵向变形方程，推导出计算隧道变形及内力的计算公式[1]。魏纲等考虑基坑坑底和侧壁的开挖卸荷应力以及坑底围护结构的遮拦效应，采用Mindlin位移解公式，推导出了基坑开挖引起的邻近隧道变形大小的计算公式[2]。

郑刚等采用二维有限元数值分析方法，采用 Mohr-Coulomb 理想弹塑性模型，运用 ABAQUS 软件分析了各种工况下隧道的水平位移、竖向位移特征，认为基坑开挖土体后产生的剪切应力改变了土体原始应力方向，处于基坑中心以外的土体及隧道会向基坑中心旋转偏移[3]。李平等采用三维有限程序FLAC 3D 对基坑开挖的过程进行数值模拟，并通过现场实测数据与模拟计算结果的对比分析，研究了地铁隧道的变形规律及其影响因素[4]。曹顺等采用Midas GTS 有限元软件分析了基坑开挖过程中影响下穿隧道变形的原因和控制隧道变形的施工措施，发现下穿隧道的纵向隆起曲线呈正态分布[5]。黄宏伟等通过三维有限元软件PLAXIS-GiD，研究各种工况下基坑开挖对临近隧道的影响，发现基坑开挖对下卧隧道的影响范围约为6 倍基坑宽度[6]。周建昆等采用三维有限元模型计算，发现基坑开挖过程引起隧道纵向位移，基坑底板的及时施工能有效控制下卧隧道的隆起和侧向位移[7]。

论文以既有地铁隧道周边地块开发案例为基础，通过有限元数值模拟，对周边地块基坑开挖施工对临近地铁隧道的影响进行分析，得出变形结果并总结变形规律。

2 工程概况

福州市世茂帝封江A 地块项目基坑支护采用SMW工法桩方案且不放坡（φ 850mm@600mm 三轴搅拌桩内插HN700mm×300mm 型钢），基坑底标高为2.25m，基坑深度约4.70m。采用三轴搅拌桩做止水帷幕，桩径为φ850mm@600mm，桩长为21m 且进入淤泥层不小于3m，型钢长15m。

福州地铁5 号线当埔路站～欢乐谷站区间斜穿世茂帝封江A 地块项目东北角，区间隧道与该基坑止水帷幕平面净距约为5.55～8.58m，该段隧道埋深12.78～13.37m。位置关系如图1 所示。

图1 A 地块地上结构平面位置关系图

3 工程地质

当埔路站～欢乐谷站区间下穿世茂帝封江项目A 地块的线路长度约98m，覆土厚度约12.78～13.37m。下穿段主要地层为耕植土、杂填土、中细砂、淤泥夹砂、粉质黏土、强风化凝灰岩（砂土状）、强风化凝灰岩（碎块状）、中风化凝灰岩。区间隧道在该范围主要穿越的地层为中细砂和淤泥夹砂。

4 三维有限元计算模拟

4.1 基坑方案及临近地铁隧道关系

本工程基坑场地位于区间隧道西侧，基坑开挖计算深度4.70m，基坑边线周长约590m，基坑面积约20 000m2，为不规则多边形。

靠近地铁侧基坑A-1 剖面支护形式：基坑支护采用SMW 工法桩方案且不放坡（φ 850mm@600mm 三轴搅拌桩内插HN700mm×300mm 型钢），基坑底标高为2.25m。采用三轴搅拌桩做止水帷幕，桩径为φ850mm@600mm，桩长为21m 且进入淤泥层不小于3m，型钢长15m。基坑在此段离地铁最近，区间隧道与该剖面段止水帷幕平面净距约为5.55～8.58m，该段隧道埋深12.78～13.37m。

4.2 计算模型

本次模型数值模拟采用MIDAS GTS-NX 有限元分析软件，根据世茂帝封江A 地块与轨道交通5 号线的空间位置关系建立模型。模型尺寸为340m（沿5 号线区间纵向方向）×510m（沿5 号线区间横向方向）×50m（土层厚度），模型节点141 088 个，单元249 070 个。计算模型如图2 所示。

图2 有限元模型网格划分

4.3 分析计算结果

根据计算结果，靠近地铁隧道的围护结构水平位移最大值为2.21mm，位移朝向坑内。地铁隧道管片变形最大处位于基坑支护结构水平位移最大处，最大变形值为2.36mm，变形方向朝向基坑。隧道斜上方的基坑开挖产生的剪切应力改变了土体原始应力方向，导致隧道结构产生上浮和倾斜的趋势。靠近基坑处的隧道变形最大，远离基坑处的隧道变形较小。

5 结语

根据工程施工对隧道影响的有限元三维模拟分析，得出以下结论：

1）本文基坑所开挖引起地铁隧道的最大附加变形量为2.36mm，小于规范规定的变形限值10mm，即地铁隧道处于安全状态。

2）基坑开挖过程中卸载产生的剪切应力将改变土体原有应力方向，使地铁隧道结构产生上浮和倾斜的趋势，在基坑设计及施工过程中应采取考虑措施减小这种趋势，并加强基坑围护结构，基坑靠近隧道一侧的土体宜最后开挖。隧道不均匀上浮可能产生管片破坏，必要时应采取隧道内加固措施。

3）数值模拟作为工程安全分析的常用方法，可以在一定程度上反映工程情况。具体项目应根据客观事实，进行地铁保护评估分析，制定行之有效的保护措施。