超大型基坑工程对临近地铁区间隧道的影响分析

超大型基坑工程对临近地铁区间隧道的影响分析

黄夏寅

深圳市市政设计研究院有限公司广东深圳518001

摘要：随着深圳城市轨道交通的快速延伸，沿线大型商业综合体大量涌现，众多超大型建筑基坑工程进入了地铁安全保护区范围，运营的地铁车站和区间隧道不可避免地受到了房建基坑工程的影响。地铁车站为现浇钢筋混凝土结构，抗变形能力较强。因此，本文重点分析基坑工程对地铁区间隧道的影响。文章以临近深圳地铁2号线侨城北站的超大型房建基坑工程为背景，运用MIDAS-NX软件建立二维与三位数值分析模型，对深基坑施工进行仿真分析。分析结果表明：房建基坑工程措施得当，地铁区间隧道最大变形位移符合控制要求。最后提出建议，确保地铁区间隧道的运营安全。

关键词：超大型基坑；区间隧道；变形位移

1引言

随着深圳改革开放的日益深化，基础设施建设日新月异。深圳地铁紧跟时代的步伐，快速发展，延伸至城市的各个区域。以地铁为主题的大型商业综合体雨后春笋般地涌现[1]，大量新建建筑深基坑工程进入地铁安保去范围，地铁地下结构的受力平衡状态被打破，使地下结构产生变形位移。运营的地铁对结构变形要求极其严格，深圳地铁地下结构的安全控制指标值为10mm。因而，深基坑开挖卸荷对于地铁的影响不容忽视，必须准确评估深基坑施工过程中对地铁区间隧道的影响，合理选择深基坑支护措施、施工工艺，确保其安全运营[2]。

本文使用MIDAS-NX软件建立二维与三位数值模型，模拟房建基坑开挖过程中地应力释放对临近地铁区间隧道结构的影响。通过两种模型的综合对比，定性分析了基坑开挖对地铁区间隧道的影响，提出了基坑施工过程中对地铁区间保护措施的建议。

2工程背景

2.1项目简介

拟建项目场地位于深圳市南山华侨城香山东街与侨香路之间，为3栋高层住宅楼及商业群楼和5栋小商业楼，均按二层地下室考虑。基坑大致呈矩形，周长约为761m，开挖深度约为14.0m，开挖面积约36436m2，属超大型基坑工程。基坑北侧为侨香路，距地铁2号线侨城北站西端的区间隧道约35.0m，基坑底标高略高于地铁区间轨面。

房建基坑项目与地铁2号线侨城北站及区间结构的平面位置关系如图1，建筑基坑开挖会对地铁区间隧道结构受力和变形产生影响。地铁区间隧道为直径6m、结构厚0.3m的盾构隧道。建筑基坑在临近地铁区间隧道段采用“双排桩+反压土台”的支护形式，基坑与地铁2号线区间隧道位置横剖面关系见图2。

图2基坑与地铁2号线区间隧道位置横剖面关系图

2.2工程地质

场地内地层如图2所示，自上而下依次为:素填土、含砾黏土、砾砂、含砾黏土、全风化岩、强风化岩。地下水位位于地面以下约2m。

根据勘察报告的岩土体物理力学指标建议值与钻孔资料，结合工程实际情况及与其他工程类比，对计算中所用到的岩土体物理力学参数进行取值，见表1。

3有限元数值模拟

为了减少边界效应的影响，三维模型尺寸需要在基坑工程尺寸上作一定延伸。根据有限元分析原理和一般处理经验，基坑开挖在水平向的影响范围为基坑开挖边界外3~5倍开挖深度，而竖向的影响范围则为基坑底部向下2~4倍开挖深度。考虑到基坑开挖施工对地铁区间隧道结构影响主要是基坑卸荷和降水引起的水平变形，且本分析着重考虑基坑开挖对地铁区间隧道结构的影响，因此远离区间隧道结构的土体开挖施工对隧道结构影响可以忽略不计。为了研究基坑对区间隧道结构的影响，并减小边界效应，综合考虑地铁结构的位置以及基坑开挖深度，整体三维模型尺寸为460m×400m×50m(长×宽×高)。模型边界采用法向位移约束，地面为自由面。在基坑开挖全过程模拟中，岩土体都采用修正摩尔库伦本构模型，支护结构采用弹性本构模型。

由于地铁区间隧道结构属于细长型结构，而基坑开挖面积较大，覆盖了区间隧道结构一定范围，因此也可以采用二维平面应变模型对基坑开挖施工过程进行模拟。

整个数值模拟分析流程可以分为以下7个步骤，其中开挖过程共5步（第3~7步），每一步都施做了与设计相应的支护：

1）基坑开挖之前初始地应力场的分析模拟，位移清零；2）施工支护双排桩；3）基坑进行开挖步1（开挖至2m放坡处）及土钉支护；4）基坑进行开挖步2及支护（冠梁）施工；5）基坑进行开挖步3及支护（非临近区间段的腰梁、内支撑、锚索）施工；6）基坑进行开挖步4及背离地铁侧的锚索施工，基坑左侧开挖至坑底；7）基坑右侧开挖至坑底，施作反压土土钉、护坡等支护。

4基坑工程对区间隧道影响的计算分析

4.1三维模型计算分析

基坑开挖过程为5个开挖步。基坑开挖施工后周围土体的应力重新分布，明显在基坑底部有应力释放现象，表层应力变小，基坑暴露部位应力得到释放，出现坑底隆起及支护结构水平变形的现象。

地铁区间隧道结构与基坑围护结构出现最大变形的均为基坑开挖步5，即基坑开挖的最后一个开挖步。基坑右侧开挖至坑底。最大主应力分布云图3表明基坑继续开挖卸载后，坑底附近岩土体应力释放明显，地铁区间隧道结构则有应力集中现象。

图4为基坑开挖至坑底后的位移分布图。开挖完成后，坑底最大隆起量无明显变化，水平变形增大至7.80mm。基坑开挖步5完成后地铁区间隧道的位移分布图5显示，地铁区间隧道结构累积水平位移变形最大值为1.23mm，最大竖向沉降变形为-0.35mm。

图6开挖至坑底后竖直向位移分布云图

4.2二维模型计算分析

二维计算模型计算过程中充分考虑了降水影响，开挖卸荷过程进行了流固耦合分析计算。开挖一共分为5个开挖步及5个渗流场模拟步，开挖深度为14米。

依照基坑实际开挖施工情况，基坑开挖至坑底时地铁区间隧道积累变形最大。基坑竖向位移及地铁隧道的变形云图见图6、7、8。

图8开挖至坑底后隧道竖向位移分布云图

基坑开挖至坑底时，应力释放现象明显，表层应力变小，基坑暴露部位应力得到了释放。隧道结构的最大水平变形达到了2.71mm。

4.3综合分析

通过以上分析可得，基坑开挖施工对地铁区间隧道结构影响主要是由于降水与开挖耦合作用引起的，主要表现为水平方向变形。

二维和三维开挖施工数值模拟结果显示，基坑开挖过程中地铁区间隧道结构的最大水平变形为分别为2.71mm和1.23mm。综合比较两种模型，基坑开挖完毕后隧道结构累计最大水平变形值为2.71mm，符合地铁地下结构变形值≤10mm的要求，运营的地铁区间隧道结构是安全稳定的。

5建议

考虑到地铁区间隧道结构位于该基坑工程的北侧，位置较为敏感，且大范围高强度的开挖卸荷对地铁区间隧道结构的影响较复杂，需要在基坑施工过程中特别注意地铁区间隧道结构的安全稳定问题。建议如下：

1）开展第三方对基坑工程施工过程中地铁区间隧道结构设施的监测工作，保证监测频次和强度，建立完善的预警机制，指导基坑的施工开挖。加强基坑工程周边地表沉降及水平位移的监测与复核，保证地铁地下结构的安全。

2）地铁区间隧道结构附近的基坑围护桩和工程桩施工应采用扰动较小的旋挖桩，严格控制成桩过程中的振动影响，对地铁区间隧道的振动必须满足峰值速度≤1.20cm/s的要求。

3）做好信息化施工，加强监测信息反馈联动机制，建立完备的应急预案。

参考文献：

[1]李宇升,喻卫华．深基坑施工对紧邻地铁区间隧道结构影响分析［J］．地下空间与工程学报，2013，9（2）:352-358．

[2]沈辉，罗先启，李野，彭波，杨德春．深基坑施工对地铁车站影响的数值仿真分析［J］．地下空间与工程学报，2011，7（5）:1018-1028．