基坑开挖对临近既有地铁隧道影响分析

高剑波GAO Jian-bo

（中国水利水电第七工程局有限公司，成都 611730）

1 工程概况

1.1 基坑工程基本情况

重庆轨道交通4 号线西延伸项目，车站与既有5 号线、远期23 号线换乘。车站为地下两层岛式站。项目周围环境复杂，西侧毗邻既有地铁隧道，最小距离为15.2m。西侧为A、B、C 三个附属结构。其中，A 基坑开挖深度6～8.5m，采用悬臂桩、灌注桩+锚索、土钉墙等支护方案。B 基坑开挖深度9.2～15.8m，采用复合土钉墙、灌注桩+锚索等支护方案，C 基坑开挖深度5.4～10.7m，采用土钉墙、灌注桩+锚索等支护方案。

1.2 既有地铁隧道基本情况

地铁隧道区间线路全长1.2km，采用盾构法施工，设计为双洞双线，埋深为9.2～11.4m。地质勘察结果显示，隧道主要穿越粉质黏土层。地铁隧道上方是城市道路，断面宽度为42m，由机动车道、非机动车道、人行道组成。

2 基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响等级评价

依据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（CJJ/T202-2013，以下简称《规范》）[1]，根据基坑与隧道结构的位置关系及基坑支护方案，评价基坑开挖对地铁隧道的影响等级。

2.1 A 基坑

A 基坑距离地铁隧道的距离为15.2m，开挖深度在6～8.5m。其中，灌注桩+锚索支护节段长度h 为7.9m，间距15.2m 处于1.0h～2.0h 之间，隧道结构位于一般影响区（C）内。盾构施工时，盾构机外径D 为6.4m，间距15.2m 处于2D～3D 之间，属于较接近程度。综合分析后，A 基坑开挖对地铁隧道结构的影响等级为三级。

2.2 B 基坑

B 基坑距离地铁隧道的距离为16.6m，开挖深度在9.2～15.8m。其中，灌注桩+锚索支护节段长度h 为17.8m，间距16.6m 处于0.7h～1.0h 之间，隧道结构位于显著影响区（B）内。盾构施工时，间距16.6m 处于2D～3D 之间，属于较接近程度。综合分析后，B 基坑开挖对地铁隧道结构的影响等级为二级。

2.3 C 基坑

C 基坑距离地铁隧道的距离为16.1m，开挖深度在5.4～10.7m。其中，土钉墙支护节段长度h 为8.4m，间距16.1m 处于1.0h～2.0h 之间，隧道结构位于一般影响区（C）内。盾构施工时，间距16.1m 处于2D～3D 之间，属于较接近程度。综合分析后，C 基坑开挖对地铁隧道结构的影响等级为三级。

根据A、B、C 基坑的评定结果，综合判定基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响等级为二级。

3 基坑开挖对临近既有地铁隧道的影响模拟分析

3.1 建立模型

利用CAD 建立基坑和地铁隧道工程模型，利用ABAQUS 软件进行网格划分，将数据图像导入FLAC 3D，共有29335 个网格、44500 个节点。

①岩土采用实体单位进行模拟，其中x、y、z 分别代表模型的宽度、长度、深度方向。地层自上而下依次是杂填土、粉质黏土、碎石和全风化闪长岩，参数见表1。

表1 工程模型的地层参数信息

②灌注桩采用pile 单元进行模拟，密度为2500kg/m3，截面积为0.785m2，弹性模量为20GPa，泊松比为0.2，极惯性矩为0.098m4。

③锚索采用Cable 单元进行模拟，根据设计值确定锚固长度、角度等指标，截面积为280mm2，弹性模量为200 GPa，内摩擦角为25°，锚索抗拉强度为1800MPa。

④土钉采用Cable 单元进行模拟，设计值确定长度、角度等指标，截面积为380mm2，弹性模量为200GPa，内摩擦角为25°，土钉全长锚固。

⑤腰梁采用Beam 单元进行模拟，截面积为60cm2，弹性模量为200GPa，极惯性矩为0.0004m4。

⑥管片采用Shell 单元进行模拟，厚度为20cm，半径为3.2m，密度为2500kg/m3，弹性模量为7GPa，泊松比为0.25。

3.2 基坑开挖施工方案

根据基坑开挖作业流程，考虑到对地铁隧道结构的影响，模型计算时将施工分为两个阶段：第一阶段建立地应力场，建立区间隧道结构；第二阶段完成基坑的开挖与支护，此时第一阶段造成的变形清零[2]。为了进一步分析开挖工序对地铁隧道结构的影响，设计两种开挖施工方案：

①方案1：先对A 基坑开挖支护，再对B、C 基坑开挖支护，工艺流程：灌注桩和悬臂桩支护→开挖A 基坑第1层土，锚索、腰梁施工→开挖A 基坑第2 层土，锚索、腰梁施工→灌注桩支护→开挖B 基坑第1 层土，锚索、腰梁施工→开挖B 基坑第2 层土，锚索、腰梁施工→开挖C 基坑第1 层土，锚索、腰梁施工→开挖C 基坑第2 层土，锚索、腰梁施工。

②方案2：先对B、C 基坑开挖支护，再对A 基坑开挖支护，工艺流程与方案1 相反，不再赘述。

3.3 结果分析

3.3.1 基坑受力变形

按照方案1 开挖作业，基坑周围地层、基坑底部地层发生位移。模拟分析结果显示，地应力平衡后，开挖支护作业期间，基坑周边土体沉降，基坑底部土体隆起，坑壁最大位移、坑底最大隆起均位于B 基坑内，前者为11.5mm，后者为12.2mm，如图1 所示。

图1 基坑侧向位移和竖向位移云图

3.3.2 隧道地表沉降位移

基坑施工完成后，分别在基坑边线中点对应的隧道结构上方地表设置测点A、B、C。结果显示：①基坑开挖均导致隧道地表发生沉降和位移，其中A 基坑开挖对隧道结构沉降未造成影响，位移量最大为4mm；B 基坑开挖对隧道结构沉降、位移影响最大，分别是2mm、9mm；C 基坑开挖对隧道结构沉降、位移影响介于两者之间。②采用不同开挖方案，隧道地表沉降和位移情况也不同，见表2。说明开挖工序对隧道地表变形具有一定影响，应结合现场条件和施工要求进行确定[3]。

表2 隧道结构上方测点的沉降值和位移值 单位：mm

3.3.3 隧道结构位移

按照方案1 开挖作业，分析隧道结构的竖向沉降和水平位移情况，在隧道模型顶部设置监测点，结果见表3。分析可知：①隧道结构的竖向沉降量较小，其中右线隧道距离基坑更近，既有沉降、也有隆起[4]。左线隧道以沉降为主。根据设计要求，最大沉降值＜20mm 的控制值，满足《规范》中的沉降控制要求。②隧道结构的水平位移向基坑一侧偏移，其中右线隧道的偏移值大于左线隧道。根据设计要求，最大位移值＜20mm 的控制值，满足《规范》中的位移控制要求。③基坑开挖引起隧道结构的最大沉降和位移均位于B 基坑西侧，此处应作为重点监测部位。

3.3.4 隧道结构受力

基坑开挖完成后，选取B 基坑灌注桩+锚索支护段分析隧道结构的受力情况。结果显示：①从隧道顶部到底部，应力值先增大后减小；其中衬砌中部应力最大，隧道底部衬砌结构的应力最小[5]。②基坑开挖前、后，隧道衬砌的受力特征变化不明显，开挖作业引起的附加荷载近似为0。基坑开挖后，隧道底部的应力减小，减小值为18kPa。③基坑开挖后，隧道剖面结构受到的围岩压力见表4，分析可知径向接触压力较大，附加压力较小，且＜20kPa 的控制值，满足《规范》中的控制要求。

表4 基坑开挖后径向接触压力及附加压力值 单位：kPa

4 结语

综上所述，基坑工程开挖作业期间，会对周边土层及建筑物产生一定影响。本文结合实际案例，得出以下结论：

①基坑开挖过程中，坑壁最大位移、坑底最大隆起均位于B 基坑内。

②B 基坑开挖对隧道结构沉降、位移影响最大，但最大沉降值、最大位移值均＜20mm 的控制值，满足《规范》中的沉降控制要求。

③基坑开挖对隧道结构的受力影响较小，满足《规范》中的控制要求。