基坑工程对既有城市轨道交通结构安全的影响及对策

刘 亚

（中铁上海设计院集团有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

随着城市的快速发展，不可避免会在城市轨道交通沿线及周边进行工程建设，必然会存在深基坑开挖工程，带来原有地层应力场的改变[1-2]，影响城市轨道交通的正常运营。针对深基坑开挖工程对城市轨道交通的影响，现阶段已有许多针对临近既有隧道工程的沉降预测[3-4]、沉降因素[5]和保护措施[6-7]的研究。临近深基坑工程引起的既有城市轨道结构位移，包括相对沉降及相对水平位移，进而导致轨道结构产生较大的附加内力，对地铁的运行使用造成一定的损害。因此，为了控制深基坑开挖对既有城市轨道交通结构的损害，本文将结合实际案例，对城市轨道交通结构的不均匀变形、影响范围、附加内力、保护措施等进行研究。

1 工程概况

项目位于徐州市永嘉新城中心东南侧。此地块东侧为汉风路，北侧为普陀路，南侧为昆仑大道，此地块平面整体呈三角形。沿昆仑大道走向的徐州市轨道交通2号线大龙湖站~市政府站区间隧道紧邻地块基坑南侧，已建地铁2号线市政府站紧邻地块东南角，6号线盾构井紧邻地块东南角。徐州轨道交通2号线大龙湖站~市政府站区间隧道位于地块基坑的南侧，盾构区间隧道已施工完成，区间左线隧道距离地下室外边线最小净距约19.5m。地铁2号线市政府站临近该地块东南，附属结构距离地块地下室外边线最近净距约17.5m，附属结构暂未施工。地铁2号线市政府站为与6号线进行换乘的换乘车站，车站为地下两层岛式车站，车站主体基坑采用明挖顺作法施工，车站基底位于2-5-3砂质粉土层，基坑围护结构采用直径800mm地下连续墙+内支撑体系。

该项目基坑支护方案如下：南侧临近已建车站及区间隧道基坑采用直径900@1200钻孔灌注桩+两道混凝土支撑体系。区间左线隧道距离地下室外边线最小净距约19.5m，附属结构距离地块地下室外边线最近净距约17.5m，其平面位置关系如图1所示。

图1 平面位置关系

2 控制标准及保护措施设计

2.1 控制标准

基坑开挖会对周边土体产生卸载作用，进而导致基底土体发生回弹变形、两侧土体发生侧向变形，导致临近的城市轨道交通结构发生相对变形[8-9]。既有轨道交通结构控制变形的标准可分为两大类：既有隧道结构的控制变形标准，既有轨道结构的控制变形标准。既有城市轨道交通的控制变形标准，是指在承载力满足要求的情况下，主要对既有结构变形的影响进行考虑。在该项目中，地铁结构控制标准如下：

（1）既有城市轨道结构（隧道、车站）的绝对沉降量及水平位移量≤5mm（其中包含加载及卸载的最终位移量）；

（2）既有隧道结构的曲率半径R≥15000m；

（3）既有隧道结构的相对弯曲≤1/250;

（4）由于临近地铁工程施工及后期建成后的建筑物等引起的既有城市轨道交通结构外壁附加压力≤20kPa。

（5）由于爆破、打桩等施工作业产生的震动对隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。

2.2 保护加强措施

（1）基坑开挖之前在基坑临近地铁一侧施做隔离桩（采用φ9000@1200钻孔灌注桩）；

（2）架设两道混凝土支撑，加强支撑刚度，基坑围护桩间设置止水旋喷桩，以确保止水效果，避免水土流失；

（3）分层开挖、及时架设支撑；

（4）分仓开挖，可提供可靠的局部约束，避免车站及区间结构的土体侧压力产生不平衡而无可靠约束；

（5）基坑开挖过程中加强对支护体系以及车站区间结构的变形监测；若发现监测值超限，应立即采取措施进行跟踪处理；

（6）基坑周边严禁堆载，对交通车辆采取适当的限制措施；

（7）开挖过程中如出现岩土体异常情况时，应立即停止开挖，并应立即查清原因。

3 数值分析

3.1 计算模型

本次评估中，选取专业化有限元软件MIDAS GTS进行模拟计算，修正摩尔-库仑模型为本构模型，由弹塑性模型和非线性弹性模型进行组合，修正摩尔-库仑模型包含12个物理参数，其中刚度参数包含3个：切线线刚度E0ed、弹性模量E50及卸载弹性模量Eur；强度参数包含4 个：内摩擦角ϕ、黏聚力c、KNC 和剪胀角ψ；除此以为还包含参考压力、失效率、孔隙率应力、相关幂指数等。

为模拟临近城市轨道交通深基坑开挖工程对既有轨道交通结构的影响，数值模拟中将既有城市轨道交通结构（包含地铁车站及区间隧道）、基坑支护体系及基坑开挖进行了模拟及数值分析。为减小边界对计算区域的影响效果，竖向范围一般≥2H（H指基坑的竖向深度），区间隧道模型取地表以下40m，地铁车站模型地表以下40m；水平范围一般≥2H（H指基坑的竖向深度），取既有城市轨道交通结构（包含区间隧道和车站结构）模型水平向距离基坑边为40m。

为更好地模拟该地块深基坑开挖对既有城市轨道交通结构的影响，采用三维有限元进行数值模拟分析。三维数值分析中将地铁区间隧道、地铁车站、1号风亭、6号线盾构井、围护结构、支撑体系及基坑开挖进行了模拟及数值分析。为减小边界对计算区域的影响，计算深度取60m；水平向既有城市轨道交通或基坑边线外侧共3H，故沿地铁隧道及车站纵向约为450m，沿基坑及地铁横断面方向约为370m，计算模型如图2所示，计算所用参数见表1。

表1 地层物理学参数

图2 数值计算模型

3.2 计算工况

为了反映初始应力状态及施工过程，本次计算共分6个施工步骤进行，见表2所示。

表2 工况分析

3.3 计算结果分析

本文通过二维、三维计算模型对该项目的变形进行有限元分析，开挖引起的三维变形云图如图3、图4所示，计算结果见表3所示。

表3 计算结果

图3 竖向位移云图

图4 水平位移云图

当采用钻孔灌注桩+对撑+角撑+边桁架体系支护时，二维计算分析结果如下：深基坑开挖引起既有区间隧道的竖向最大位移为1.1mm，水平最大位移为2.3mm，深基坑开挖引起的车站附属的竖向最大位移为1.8mm，水平最大位移为3.2mm，深基坑开挖引起的盾构井的竖向最大位移为0.2mm，水平最大位移为1.9mm；通过三维有限元分析进行验证：深基坑开挖引起既有城市轨道交通（车站及区间隧道）的竖向最大位移为2.8mm，最大水平位移为3.6mm，均满足控制位移5mm的要求。

4 结束语

综上所述，地铁周边基坑开挖对临近地铁会产生一定的影响，须进行可靠的安全评估。借助MIDAS/GTS和GTS NX软件对基坑工程对城市轨道交通结构的不均匀变形、影响范围、附加内力等进行有限元模拟分析，建议采取如下应对措施：

（1）基坑开挖设计中应严格控制基坑本身的变形，加强基坑围护结构和支撑的整体刚度，能有效控制地面变形，进而减小对临近地铁结构的影响。

（2）在基坑和临近地铁之间设置钻孔灌注桩的保护方案，可以有效降低基坑开挖对临近地铁结构的影响。

（3）基坑开挖过程中应加强对地铁结构的变形监测，增加监测频率；若发现监测值超限，立即采取必要的跟踪注浆处理。

（4）当基坑面积较大且形状不规则，应进行基坑平面上分仓、跳段实施，能有效降低基坑开挖对地铁区间及车站的不利影响。