临近地铁隧道深基坑工程安全评估分析

广东省重工建筑设计院有限公司，广东 广州 510034

随着轨道交通的快速发展，城市也逐步向地下空间发展，越来越多的项目紧邻既有地铁运营线路开发。但基坑周边环境越发复杂，如何在基坑支护设计过程中多条件、多因素地考虑基坑支护设计的影响也成为基坑支护结构设计的关键。传统基坑支护设计采用断面计算方式，较难满足软土区深基坑施工对临近地铁的基坑支护设计的整体计算分析。

文章主要结合临近地铁隧道某在建深基坑工程，通过建立基坑-既有隧道结构整体分析模型，结合现场信息化监测数据，调整岩土计算参数，通过模型计算成果预测基坑施工过程中对既有隧道结构的影响，以确保既有隧道结构安全。

1 工程概况

某在建项目基坑大致呈四边形，长141.5m、宽85m，基坑开挖深度为13.7m。基坑北侧紧邻地铁一侧，基坑开挖边线距离既有运营隧道结构边线6.9～7.3m，采用800mm地下连续墙+两道混凝土支撑的支护设计方案，其他侧均采用旋挖灌注桩（1200mm@1400mm）+两道混凝土支撑的支护方案，止水采用三轴搅拌桩，插入不透水层1m。紧邻段区间隧道为双跨现浇砼框架结构，两跨单层，顶板、底板、侧墙厚度均为600mm，中隔墙厚度为400mm，隧道底板埋深约 10.4～ 11.2m。

在建基坑工程开挖软土地层有素填土、杂填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质土、中砂、砾砂、全～中等风化泥质粉砂岩。紧邻基坑北侧既有隧道部分主要穿越的地层为淤泥层、淤泥质粉细砂层、海相砂层，基底主要处于淤泥层、淤泥质粉细砂层。原隧道施工已对基底采用φ500mm@1000mm×1000mm搅拌桩加固，桩底深入黏土层、粗砂层不小于1m，或穿透基岩面。

2 有限元计算模型

有限元模型计算范围的选取主要结合在建基坑与既有地铁隧道场地位置关系及大小，由于基坑呈东西向分布、形状规则，且基坑长141.5m、宽85m、深13.7m，因此三维计算模型范围取420m（长）×420m（宽）×40m（深）。其中，地下连续墙采用800mm厚的板单元，内支撑、腰梁及冠梁采用梁单元，土体采用三维实体单元。鉴于模拟分析的对象在尺度上存在较大差异，建立数值模型时需对旋挖灌注桩进行过密的网格划分，从而使模型网格量过大。综合模拟仿真度与计算可行性考虑，采用抗弯刚度等效的方法将灌注桩支护简化为地连墙板单元支护，新建项目基坑与原地铁结构及隧道三维有限元模型见图1。地下连续墙、桩与混凝土撑采用C30混凝土，弹性模量E=30MPa，泊松比υ=0.2，容重γ=25kN/m3，根据场地地质勘查报告，取岩土参数取值。施工工况见表1。

图1 新建项目基坑与原地铁结构及隧道三维有限元模型

表1 施工工况表

为验证所建立三维模型及土体参数取值的合理性与可对比性，对有限元计算结果数据与实际施工过程中的支护结构水平位移监测数据进行比较分析。在进行整体计算分析时，基坑现状开挖深度已至8.4m，且在基坑施工期间持续对基坑自身进行观测，并对既有地铁结构进行监测，根据既有监测数据反算计算模型的参数取值，在此基础上分析评估基坑下阶段开挖产生的围护结构及地铁结构的变形量。

计算模型通过模拟分析现状施工工况架设第二道支撑，主要根据既有围护结构测斜数据及隧道结构既有监测位移变形量来优化调整计算模型。基于基坑现状工况，既有地铁隧道结构变形计算值能较好地反映既有隧道结构实际监测的位移变形。对既有地铁结构影响分析结果进行整理统计，结果见图2。由图2可知，计算结果相近，水平位移趋势都相同。因此，建立三维有限元计算分析能较好地模拟基坑开挖施工对既有地铁结构的影响，进一步验证所建计算模型的合理性。

图2 在建项目基坑施工隧道结构的水平位移

3 数值计算与分析

针对上述相关参数建立三维有限元计算模型，考虑不同基坑开挖工况，各地层的计算参数取值主要依据相关工程地质勘察资料和工程数据反算分析确定。通过有限元设计软件计算分析基坑施工各阶段工况对既有隧道结构的变形影响。

通过建立基坑施工工况1～5计算分析模型，提取基坑施工过程中既有隧道结构水平位移变形曲线（见图3）。

图3 在建项目基坑施工全过程对隧道结构的水平位移

以上有限元计算分析结果显示，基坑施工诱发隧道结构的最大水平侧向位移为6.15mm，最大总位移为6.2mm，且此部分基坑由工况2施工至完成从4.85mm增加至6.2mm，新增变化量为1.35mm。深基坑施工过程中基坑围护结构最大水平侧向位移为25.9mm，最大总位移为26.1mm，满足规范变形要求。

根据相关已有经验可采用结构-荷载法建立运营结构受力计算模型，依照基坑开挖施工过程，得出隧道结构内力分布图，再确定整个隧道结构的控制截面。同时，根据既有隧道结构的材料强度、结构尺寸及所配钢筋，通过裂缝控制及强度控制，进而评估既有隧道结构的安全性。由上述有限元计算分析可知，既有隧道结构由基坑开挖引起的结构附加力及弯矩均较小，既有结构强度可满足结构附加受力状态及相关规范要求。基坑继续开挖至基底对既有地铁隧道结构位移及变形均在允许范围内，故在建基坑在施工过程中对既有地铁结构的影响能够满足相关规范要求。

4 结束语

文章通过有限元分析建立基坑-既有隧道结构整体分析模型，结合现场信息化监测数据，调整岩土计算参数，通过模型计算成果预测对既有隧道结构的影响进行分析，所对应计算参数取值及模型建立是合理可行的。基坑施工诱发隧道结构的最大总位移为6.2mm，深基坑施工过程中基坑围护结构最大总位移为26.1mm，均满足规范变形要求，并与后续监测数据基本一致，确保了既有隧道结构安全，可为类似紧邻既有地铁隧道的深基坑支护设计计算分析提供一定的参考。