议深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响

议深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响

乔兆宇

浙江土工基础工程有限公司浙江杭州310000

摘要：目前，城市地下空间正得以大规模利用，地铁作为最先一批使用地下空间建设的设施，其结构安全可能会受到其他拟建地下工程的影响，这就需要在开工前采用合适的方法及手段确定既有隧道结构可能受到的影响，从而为安全施工提供可靠的资料，制定行之有效的应对措施。

关键词：基坑施工；地铁隧道；变形；

随着城市地铁建设步伐的加快和高层建筑大量涌现，城市高层建筑施工中进行基坑开挖必然引起周围地层移动，从而造成临近地铁隧道纵向不均匀沉降，最终对地铁正常运营产生一定影响。

一、三维数值模拟

三维有限元模型中的地层主要根据基坑东侧区间隧道沿线的工程地质资料和隧道附近的地质勘察钻孔资料进行适当简化，地层自上往下依次为填土层、淤泥质粘土层、强风化岩层、中风化岩层和微风化岩层。各地层、人工挖孔桩结构及地铁区间隧道复合式支护结构的力学计算参数经综合考虑相关因素后确定。其中，人工挖孔桩按C25混凝土计算，支撑及二次衬砌按C30混凝土计算，隧道管片按C50混凝土计算。三维有限元计算模型的边界条件为：模型底部Z方向位移约束，模型前后面Y方向约束，模型左右面X方向约束。有限元模拟时考虑的施工工况如下：工况0：计算土体自重应力场→工况1：开挖东侧地铁隧道并施作初衬结构→工况2：施作地铁二衬支护结构→工况3：考虑旧围护结构及塌方区域和基坑内回填土→工况4：破除旧围护结构，施作新围护结构→工况5：基坑土体开挖至2.0m→工况6：施作第一道冠梁、内支撑和楼板支撑→工况7：基坑土体开挖至9.0m→工况8：施作第二道腰梁、内支撑和楼板支撑→工况9：基坑土体开挖至16.0m→工况10：施作第三道腰梁、内支撑和楼板支撑→工况11：开挖至21.0m→工况12：施作底板和负5层地下室→工况13：拆除第三道支撑并回填→工况14：施作负4和负3层地下室→工况15：拆除第二道支撑并回填→工况16：施作负2层地下室→工况17：拆除第一道支撑并回填→工况18：施作负1层地下室。

二、基坑工程对区间隧道的影响分析

1.人工挖孔桩施工对紧邻地铁区间隧道影响的三维模拟分析广场项目深基坑工程紧邻地铁二号线区间隧道结构，深基坑围护结构采用人工挖孔桩，人工挖孔桩距离地铁区间隧道结构外壁的最小水平距离约为5.5m，人工挖孔桩底面标高低于隧道结构底面标高约4.0m，近距离人工挖孔桩施工将可能对紧邻地铁二号线区间隧道结构造成一定的不利影响。从计算分析可知：人工挖孔桩施工造成紧邻地铁隧道结构外壁的土压力发生改变，导致左线隧道在开挖上部土体阶段先朝基坑内侧发生一定程度的水平侧向位移和竖向隆起，在人工挖孔桩开挖下部土体阶段，由于基坑内塌方后填土层的水平侧压力影响，导致隧道结构背向基坑侧发生水平侧向位移，隧道最大水平侧向位移量约为0.03mm，最大沉降量约为0.06mm，最大总变形量约为0.07mm。隧道结构实际变形均小于有限元分析结果，变形值比有限元分析结果小20%～50%。这主要是因为地铁隧道所处深度基本上都为岩层，岩层对地铁隧道的变形起到了很好的抑制作用。因此，认为近距离人工挖孔桩施工对紧邻地铁区间隧道结构所造成的变形影响甚微。人工挖孔桩施工前后紧邻地铁区间隧道结构的轴力和弯矩变化较小，其中地铁隧道的轴力最大变化量为－5kN/m，弯矩最大变化量－0.6kN·m/m。由以上可知，对于隧道结构位移，有限元分析结果比实际监测结果大约20%～50%，隧道轴力及弯矩实际变化值也小于有限元计算的轴力及弯矩计算结果。近距离人工挖孔桩施工未造成紧邻地铁区间隧道结构的受力状态发生明显改变，人工挖孔桩施工不影响紧邻地铁区间隧道的结构安全。

2.深基坑施工对紧邻地铁区间隧道影响的三维模拟分析。广场项目深基坑紧邻地铁二号线区间隧道结构，基坑距离地铁区间隧道结构外壁最小水平距离约为5.5m，基坑开挖深度为20.5m，基坑底面开挖标高略高于地铁区间隧道结构底面标高，深基坑施工将对紧邻区间隧道结构造成一定影响。由于基坑西、北侧紧邻海珠涌，且基坑开挖深度深于河涌深度，河涌水位变化将可能对基坑支护结构和地铁区间隧道结构造成影响。因此，在进行海珠城基坑工程三维动态施工过程的数值模拟时，考虑了海珠涌处于高水位和低水位两种情况，其中高水位表示河涌水位与场地地面标高相等，河涌低水位表示河涌水位与河涌底面标高相等（距离场地地面的垂直距离为6m）。基坑施工期间邻近隧道侧地下水位在地面下约4m，与有限元分析时低水位接近，因此，将分析低水位数据结果与实测值进行了对比。深基坑施工造成紧邻地铁区间隧道靠近基坑侧的土压力发生水平侧向卸载，导致隧道朝基坑内侧发生一定程度的水平侧向位移和竖向隆起，其中隧道结构变形以水平侧向位移为主。隧道周边中风化岩层取变形模量E=500MPa时，在低水位条件下深基坑开挖造成隧道结构的最大水平侧向位移量为6.7mm，最大隆起量为0.9mm，最大总变形量为6.7mm；在高水位条件下深基坑开挖造成隧道结构的最大水平侧向位移量为6.7mm，最大隆起量为0.9mm，最大总变形量为6.7mm。河涌处于低水位和高水位状态对基坑施工诱发紧邻地铁区间隧道结构变形的影响几乎没有差别。基坑开挖至21m深度时，地铁隧道变形最大值6.73mm，变形较大处位于基坑东侧邻近地铁隧道侧中点往南侧30m区间范围内，有限元模拟结果与实际监测结果6.9mm接近。深基坑施工造成紧邻地铁区间隧道结构的受力状态发生一定程度的变化，但深基坑施工前后紧邻地铁区间隧道结构的受力状态变化较小。在低水位条件下深基坑开挖造成隧道结构弯矩的最大变化量Mxx为23.1kN·m/m，Myy为－5.34kN·m/m，隧道结构轴力的最大变化量为250.4kN/m；在高水位条件下深基坑开挖造成隧道结构弯矩的最大变化量Mxx为－28.5kN·m/m，Myy为5.32kN·m/m，隧道结构轴力的最大变化量为256kN/m。深基坑施工过程紧邻地铁区间隧道结构的受力处于较低水平，故认为深基坑施工不危及紧邻地铁区间隧道结构的安全性。

3.水位下降对区间隧道二衬结构受力和变形的影响分析。深基坑施工将不可避免的诱发基坑周边地层中的地下水水位发生下降，而水位下降将导致直接作用于隧道二衬结构外壁的水压力及土压力发生改变，从而影响隧道二衬结构的受力和变形。紧邻地铁区间隧道为复合式支护结构，区间隧道二衬结构厚度为30cm，二衬结构内、外侧配筋为每延米4Φ16。水位下降时隧道二衬结构水压力减小，土压力增大。假定水位下降前隧道二衬结构处于最高水位，即水位下降前地层中的地下水水位与地面标高一致，则水位下降前作用于隧道结构外壁的水压力为P=γwh，其中γw=10kN/m3，h为隧道二衬结构所处深度，单位为m。（1）在水压力和土压力的双重作用下，隧道二衬结构受力的减小量与水位下降幅度成正比例关系，即水位每下降1m，将导致二衬结构的弯矩最大减小量约5kN·m，轴力最大减小量约32kN，剪力最大减小量为8kN/m。（2）由于水位下降时土体有效应力增大，隧道二衬结构的最大变形增量与水位下降幅度成正比例关系，即水位每下降1m，将导致二衬结构的最大变形增量约0.14mm。隧道二衬结构除承受全部外水压力外，需考虑承受一定程度的围岩压力，故二衬结构的总受力情况较为复杂，但考虑承受全部外水压力作用下二衬结构的总受力计算结果仍可为评估隧道二衬结构的安全性提供重要参考。

总之，深基坑施工虽然对隧道有一定影响，但不至于危及隧道正常使用，但依然是隧道重大影响要素，为切实保证隧道安全，基坑施工中，还应做好监测，坚持用信息说话，根据结构反馈的信息早作调整和处理，确保结构始终处在安全可控的范围内。

参考文献：

［1］张杰．深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响分析．2017.

［2］王晓华．深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响分析．2017.