砂土地层深基坑施工对侧方地铁隧道形变影响研究

朱茂国

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

1 引言

伴随着城市经济的快速发展和人口的增长，城市地下空间的开发也迎来井喷时代，基坑工程作为主要的开发手段，其降水、开挖卸载会使得周边岩土体移位，引发紧邻的既有地铁隧道位移场和应力场随之变化，由于地铁盾构隧道变形敏感、变形控制值严苛，一旦超标可能影响行车安全，甚至产生安全事故和社会负面影响，为确保地铁隧道的安全性，研究基坑施工全程对既有隧道的三维变形影响至关重要。

深基坑开挖对地下隧道的影响研究是一个非常重要的课题，各科研、设计和施工人员开展了相关研究。赵刚[1]详细分析了基坑不同施工阶段对临近地铁隧道的变形规律；Zheng 等[2]采用二维有限元方法，得出基坑不同位置开挖引起下方3 个隧道位移场变化的区别与不同；蒋利明[3]采用理数值计算方法，得出基坑开挖引起周围土体和地铁隧道变形以竖向和水平位移为主。

本文结合沈阳某深基坑工程支护设计、 施工开挖工序与相关水文地质，采用Midas GTS 三维有限元分析模型与现场地铁保护监测相结合手段，研究砂土地层基坑开挖全过程对侧方地铁盾构隧道的变形影响，可为类似工程提供借鉴。

2 工程概况

该基坑工程位于沈阳和平区，地下建筑面积25 698 m2，地下共4 层，基坑南北向长96.5 m、东西向宽79.72 m、开挖深度-19.65 m，支护结构周长约342 m，基坑北侧坑壁与地铁线路及商业街轴线平行，近邻地铁及商业街侧坑壁采用双排（局部单排）混凝土桩（直径1 m、间距1.3 m、排距2.2 m）+ 预应力锚索（局部钢管内支撑）的支护结构形式，如图1 所示。基坑范围地层主要为杂填土、中砂、圆砾、粗砂、砾砂、中砂、花岗片麻岩，地下水类型为潜水，主要赋存在圆砾层中，水位埋深6.30～6.50 m。

运营地铁隧道为盾构法施工，盾构管片外直径6 m，厚0.3 m，受基坑施工直接影响里程约为DK12+802.0～DK12+882.0，影响长度约80 m，以直线为主，其中隧道右线距基坑支护壁边缘13.5 m，隧道顶覆土约12 m，左右线线间距约13 m，在DK12+687～DK12+850 长162 m 地铁盾构隧道纵坡设计为25‰上坡，在DK12+850～DK12+925 长75 m 地铁盾构隧道纵坡设计为2‰上坡。

3 三维有限元数值模拟分析

3.1 假定条件

1）施工模拟过程不考虑非正常情况（如地震等不可控因素）。

2）假定岩土体力学行为服从摩尔库伦屈服准则，土体各向同性且均匀分布。

3）假定既有地铁结构以及基坑围护结构为线弹性材料，且地铁结构、基坑围护结构及土体之间符合变形协调原则。

4）通过刚度等效的原则，将既有围护结构等结构等效为一种同刚度材料。

3.2 模型建立

运用有限元软件Midas GTS 建立整体三维有限元模型进行数值分析。土体表面取为自由边界，土体4 个侧面采用侧向约束，土体底面采用铰接方式约束其X、Y、Z方向位移，模型尺寸依据基坑长、宽、深最大值的3～5 倍距离进行选取，具体尺寸为长400 m、宽500 m、深100 m，共划分单元43 200 个、节点46 535 个。

3.3 模型参数选取

为更准确分析基坑开挖对地铁隧道结构三维变形影响，岩土体采用摩尔-库伦本构模型，材料力学参数见表1。

表1 材料力学参数

盾构隧道管片结构采用实体单元，按C50 混凝土计算并考虑30%刚度的折减。基坑围护桩、冠梁采用梁单元，基坑围檩力学参数参考两道C25b 型钢选取，采用梁单元模拟。基坑排桩间距为1.3 m、内径1.0 m、长29 m，钢支撑为每开挖一层支撑一层，钢支撑内径0.8 m，预应力400～500 kN。各结构、构件材料力学参数见表2。

表2 模型计算既有结构物及基坑支护材料性能参数

计算过程的荷载主要考虑区间隧道结构自重、 土体竖向自重力、地面超载15 kPa、实际建筑荷载4 个方面。

3.4 基坑开挖步骤及数值模拟流程

根据施工顺序，模型开挖分为5 阶段进行，包括初始地应力平衡、隧道结构建立、土体开挖、预应力锚索施作及施加建筑荷载。由于基坑深度较大，基坑分5 层开挖，每层约4 m 厚，模拟过程见表3。

表3 模拟过程

3.5 三维数值分析

基坑开挖过程中，隧道的水平位移以及竖向位移变化曲线见图2。

图2 隧道水平、竖向变形曲线

由图2 可知，其水平位移和竖向位移随基坑开挖深度的增加而变大，水平位移和竖向位移均呈现两端变形小、中间变形大的抛物线规律，且最大位移值均发生在隧道中间截面，其中水平最大位移约为4.5 mm，竖向最大位移约为2.76 mm；基坑在进行到第2 层和第3 层开挖时，隧道水平位移增加幅度较大，其中水平增加幅度分别为1.5 mm 和1.1 mm，竖向增加幅度分别为0.45 mm 和0.7 mm； 而基坑在进行到第4 层和第5 层开挖时水平及竖向位移增幅则出现明显减小，其中水平增加幅度分别为0.6 mm 和0.7 mm，竖向增加幅度分别为0.27 mm 和0.24 mm； 隧道的水平、 竖向变形与基坑开挖范围、深度存在显著对应关系，基坑支护边界对隧道变形起到强约束作用。

4 隧道监测设计与数据分析

4.1 隧道监测设计

地铁隧道采用测量机器人全自动化实时在线监测，监测范围为基坑工程垂直投影对应地铁隧道范围再向两端各延伸20 m 区域，共计监测范围120 m，其中直接影响范围内每10 m（钢管撑角部加密）布设1 个监测断面，共布设15 个断面，见图3。

图3 隧道自动化监测点位布置示意图

4.2 监测安全控制标准与监测频率

根据CJJ/T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[4]，参考国内类似工程经验和理论数值分析，确定隧道水平位移监测控制值为5.0 mm、速率1 mm/d，沉降监测控制值为5.0 mm，速率1 mm/d。

自动化监测正常频率为1 次/4 h，遇监测预报警、基坑开挖变形过大、渗漏等非正常情况可后台调整频率为1 次/（1~2h），监测信息即时处理、反馈。

4.3 监测数据分析

基坑工程于2014 年11 月初基坑开挖，北侧开挖至-10 m深度位置冬期停工，直至2015 年3 月2 日复工，5 月12 日全部开挖完成。为直观、 准确反映隧道水平位移和竖向位移变形，选取阶段性具有典型代表的时间节点监测数据形成曲线分析，分别见图4 和图5。

图4 隧道竖向位移监测曲线图

图5 隧道水平位移监测曲线图

结合实际基坑开挖施工进度可知，基坑北侧开挖至-10 m深度均未对地铁隧道产生较大幅度的竖向和水平位移影响，冬期停工期间的隧道竖向和水平位移变形基本保持稳定，在基坑复工后，随着开挖进一步加深，基坑底土体“回弹”的迹象逐渐显现出来，在3 月中下旬至整个4 月份隧道结构出现一个快速竖向隆起、快速水平位移变形的过程，呈现出明显两端小、中间大的抛物线变形趋势。隧道变形直到开挖施工全部结束时达到变形峰值，其中竖向位移最大值出现在5 月12 日为2.98 mm，水平位移最大值亦出现在5 月12 日为3.5 mm，实测数据值与数值模拟值变形趋势和大小基本吻合，均小于监测变形控制标准累计值5 mm 的要求。

5 结语

本项目采用数值模拟和现场监测的方法，从理论和实践两方面分析了基坑不同开挖阶段对侧临既有地铁盾构隧道变形影响程度与变形规律，对后续工程有两点可以借鉴。

1）根据数值模拟和现场监测结果来看，基坑开挖卸载易引起地铁隧道结构产生竖向和水平变形直至基坑全部开挖完成变形方趋于稳定，实测数据值与数值模拟值变形趋势和大小基本吻合，均为随着基坑开挖越深，水平和竖向变形量越大，呈现出明显两端变形小、中间变形大的抛物线规律，且隧道变形最大值位于基坑边线中点处。

2）运营地铁隧道对变形控制标准要求较高，当地铁周边存在可能受开挖卸载、降抽排水等施工影响时，采取全自动化实时在线监测将十分必要； 可根据理论数值模拟分析结果合理优化监测点布置和有侧重地选择监测项目，并对变形最大值处重点监测关注和制订有针对性的施工开挖方案、 施工应急预案，以便节省非必要的经济支出。