陳志平，林本海，2

(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州大學(xué)地下工程與地質(zhì)災(zāi)害研究中心，廣東 廣州 510006）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，地鐵在城市交通運營扮演著越來越重要的角色。自1969年北京首條地鐵開通以來，全國范圍內(nèi)已經(jīng)有19個城市相繼開通地鐵，其中20余座城市地鐵正在建設(shè)中，中國正迎來了地下空間開發(fā)的新時代。如果說20世紀是高樓大廈的年代，那么21世紀必將是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[1]。然而隨著地下空間的不斷開發(fā)，新建地下結(jié)構(gòu)必然會對臨近地鐵隧道的運行帶來一定的影響。因此，研究基坑開挖對臨近運行地鐵的影響對城市的建設(shè)以及地鐵隧道的保護具有重要意義。

目前，國內(nèi)外很多學(xué)者就基坑開挖對臨近地鐵隧道影響展開了許多研究。文獻[2]以某已經(jīng)營運地鐵隧道上方基坑開挖為背景，采用數(shù)值方法分析了基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道變形和應(yīng)力的影響。文獻[3]考慮基坑開挖引起的坑底和四周坑壁土體同時卸荷產(chǎn)生的影響，提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道縱向變形影響的兩階段分析方法。文獻[4]以工程實例為依托，利用有限元方法從基坑開挖的施工過程、基坑開挖的空間作用、盾構(gòu)隧道等效剛度折算系數(shù)大小、隧道所處土層彈性模量大小等來研究基坑開挖對下方盾構(gòu)隧道變形的影響。文獻[5]通過有限元軟件模擬不同的施工方法、隧道埋深、連續(xù)墻入土深度、連續(xù)墻厚度及底板厚度、地基土改良和二維與三維之間的對比，分析了基坑開挖對下臥隧道產(chǎn)生的位移和內(nèi)力的影響，得出了相應(yīng)的規(guī)律。

然而，眾多學(xué)者大部分研究都集中于單個基坑開挖對其下或其側(cè)隧道的影響，對于兩個基坑或多個基坑先后開挖或同時開挖對其下或其側(cè)隧道的影響的研究比較鮮見。本文以實際工程為例分析了兩明挖隧道基坑先后開挖對其下臥地鐵隧道的影響。為了模型更貼近實際情況，本模型沿地鐵影響范圍建立且充分考慮基坑周邊環(huán)境的差異以及不同分段處的支護形式和開挖深度的變化，對車行隧道基坑及電力管溝隧道基坑先后開挖對鄰近地鐵5號線的施工影響進行了全過程的模擬分析，分析得出各個工況下隧道的水平位移，垂直位移，總位移，結(jié)構(gòu)軸力以及支護結(jié)構(gòu)的位移，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范[6]對基坑支護方案進行評估，以保證基坑開挖和地鐵隧道運行的安全。

1 工程概況

花城大道東延線車行隧道和電力管溝隧道工程項目，位于廣州市天河區(qū)珠江新城東側(cè)潭村至員村的花城大道東延長線的沿線上。兩項目均采用明挖基坑法施工。擬建車行隧道下穿華南快速路，受華南快速路橋墩的影響，閉口段分左右幅設(shè)計左線全長664.194 m，右線全長702.205 m，其中閉口段全長240 m，已投入運營的廣州地鐵五號線盾構(gòu)區(qū)間隧道從其下方穿過，車行隧道基坑深度1.0～10.0 m，泵房基坑深度約13.65 m，車行隧道基坑距地鐵隧道凈間距為9.0～20.0 m。該基坑除東段下坡段尚未施工完成，其他主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)已完工。車行隧道南側(cè)開挖一電力管溝隧道基坑，擬建電力管溝隧道西端起始端與已建珠江新城電纜隧道連接（對應(yīng)道路中心線里程為K0+014.70）。自西向東依次下穿潭村涌、華南大橋北引橋等重要地段，沿花城大道東延線和地鐵五號線走向鋪設(shè)，整體位于地鐵五號線南側(cè)邊附近或上方。東端設(shè)在花城大道東延線工程終點的道路中間綠化帶位置（對應(yīng)道路中心線里程為K0+914.30），全長約900 m。同時在隧道的東端和西段各設(shè)置一個工作井。該電力管溝處于已經(jīng)運營的地鐵五號線隧道的保護范圍以內(nèi)，電力隧道基坑底距地鐵隧道凈間距為8.0～17.0 m。

電力管溝的基坑工程平面幾何形狀屬于長條形的基坑，基坑?xùn)|西長約900 m，基坑南北寬度大部分為6 m左右，局部位置加寬至9.4～15.8 m；基坑開挖深度為5.3～9.0 m，縱向坡度0.5%～3.0%；電力管溝東西兩端各設(shè)置一個工作井，開挖深度分別為11.35 m和8.05 m。具體位置見圖1。

花城大道車行隧道支護結(jié)構(gòu)及部分主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)竣工。因此，在車行隧道范圍內(nèi)，可充分利用已竣工的構(gòu)筑物作為電力管溝隧道基坑北側(cè)支護結(jié)構(gòu)。車行隧道閉口段頂板和華快橋下車行隧道基坑支護樁還可以作為基坑內(nèi)支撐的支點。車行隧道開口段側(cè)墻由于是懸臂受力結(jié)構(gòu)，對應(yīng)位置的基坑應(yīng)采用懸臂支護形式。同時，鑒于上述電力管溝基坑長度超長，不僅地質(zhì)條件變化差異大，而且沿隧道兩側(cè)的環(huán)境差異也較大。因此，對電力管溝基坑支護進行分段優(yōu)化設(shè)計，采用不同的支護形式，具體支護形式詳見圖1。場地巖土工程特性和巖土設(shè)計參數(shù)取值見表1。

2 有限元幾何模型的建立

圖1 基坑平面圖Fig.1 The foundation pit floor plan

表1 場地巖土工程特性和巖土設(shè)計參數(shù)建議值表Table 1 The characteristic of geotechnical engineering and geotechnical design parameters recommended value table

地鐵五號線隧道為盾構(gòu)隧道，隧道襯砌外徑6 000 mm，內(nèi)徑5 400 mm，建筑限界φ5 200 mm，襯砌環(huán)寬度1 200 mm，厚度300 mm，楔形量41 mm，最小回轉(zhuǎn)半徑175 mm，采用右轉(zhuǎn)彎楔形襯砌環(huán)[Y]作為通用環(huán)的組合形式，通過在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)襯砌環(huán)以擬合隧道曲線。襯砌環(huán)由一塊封頂塊（夾角 15°）、 兩塊鄰接塊（夾角 64.5°）、 三塊標準塊（夾角72°）組成，封頂塊位于楔形量最小位置，封頂塊、鄰接塊及標準塊均采用鋼筋混凝土制作。管片環(huán)采用錯縫拼裝，管片可以出現(xiàn)通縫，但通縫環(huán)最多兩環(huán)。拼裝時，封頂塊先徑向搭接2/3，徑向推上，然后縱向插入，襯砌環(huán)間錯縫拼裝。

封頂塊、鄰接塊與標準塊環(huán)向面上設(shè)M24接頭螺栓2只，鄰接塊與標準塊縱向面上設(shè)M24接頭螺栓2只，所有螺栓機械強度等級6.8級。

根據(jù)本項目電力管溝基坑支護設(shè)計的平、剖面圖及其與地鐵五號線隧道的空間關(guān)系，選取的分析模型邊界為基坑邊線外三倍基坑深度范圍，最終確定分析模型的規(guī)模大?。ㄩL×寬×高）為961 m×102 m×41 m，考慮巖土體為空間半無限體，以及基坑的影響范圍一般為3～5倍基坑深度，分析模型以外巖土體不再考慮變形的影響，即設(shè)定為固定邊界。對模型底部約束Z方向位移，模型前后面約束Y方向位移，左右面約束X方向位移。對地面活動荷載按20 kN/m2考慮。同時按城-A級汽車荷載等級考慮花城大道下沉道路隧道順輪胎著地寬度對地鐵隧道的最不利影響，將地面車輛荷載對地鐵盾構(gòu)隧道的作用簡化為靜力荷載，施加在車行隧道路面上。建立的整體三維有限元數(shù)值分析計算模型如下圖2、3。

2.1 本構(gòu)關(guān)系選擇

考慮土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性,本文土體采用德魯克-普拉格（Drucker-Prager）屈服準則。

2.2 施工工況模擬

根據(jù)電力管溝基坑支護設(shè)計圖，結(jié)合基坑施工的工況順序，在對分析的計算模型施加場地初始地應(yīng)力和確定地鐵隧道結(jié)構(gòu)后，進行初始位移場和初始應(yīng)力場的清零。然后再進行花城大道下穿華快的車行隧道的明挖基坑施工、電力管溝基坑明挖開挖和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)施工。因此主要對地鐵隧道產(chǎn)生影響的三維模擬工況流程共分5步，為：

（1）施工花城大道車行隧道基坑開挖，首先得到對地鐵隧道的影響結(jié)果。

（2）電力管溝隧道基坑土方的第一步開挖至冠梁底(-1.5 m)并施工冠梁和內(nèi)支撐。

（3）電力管溝隧道基坑土方的第二步開挖至冠梁底(-3.0 m)并施工冠（腰）梁和內(nèi)支撐。

（4）土方第二步開挖至基坑底（-6.0 m、-7.8 m 和-9.0 m）。

（5）1#工作井開挖至基坑底（-11.35m）。

3 數(shù)值分析結(jié)果

由上述基坑開挖的各工況分別計算分析的結(jié)果整理得到如下的有關(guān)結(jié)果，見表2、3。基坑開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)的總位移，基坑支護結(jié)構(gòu)最大位移，隧道的軸力、彎矩云圖詳見圖4～9。

（1）由表1可知，因基坑開挖卸載作用使得土壓力減小造成坑底土體的回彈隆起，自然引起地鐵隧道的微量隆起，計算分析得到地鐵隧道的最大垂直隆起位移為6.025 mm（垂直位移為正表示隧道向上隆起），發(fā)生部位為車行隧道下坡段。這個結(jié)果包含車行隧道引起地鐵隧道的隆起位移4.025 mm和本次電力隧道基坑開挖造成的隆起位移1.972 mm結(jié)果的疊加量。

圖2 三維有限元模型Fig.2 Three-dimensional finite element model

圖3 電力管溝基坑支護結(jié)構(gòu)與車行隧道、地鐵隧道的有限元三維軸視圖Fig.3 The finite element three-dimensional axial view of power pipeline foundation pit supporting structure and the dealership in tunnel,subway tunnel

表2 地鐵隧道結(jié)構(gòu)及電力管溝基坑支護結(jié)構(gòu)最大位移變化匯總表（mm）Table 2 Subway tunnel structure and power pipeline summary table of the maximal displacement change of foundation pit supporting structure （mm）

（2）基坑開挖導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大軸力由開挖前的-1 124.68 kN/m減少至開挖后的-1 080.07 kN/m，軸力減少了144.61 kN/m；隧道結(jié)構(gòu)最小軸力由開挖前的-24.14 kN/m增加至開挖后的138.06 kN/m，軸力增加了113.92 kN/m。隧道管片屬偏壓構(gòu)件，較小的軸力變化對隧道管片內(nèi)力影響不明顯，不會對隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。

地鐵隧道的最大彎矩變化量由開挖前的-33.94 kN·m/m增加至開挖后的-37.01 kN·m/m，彎矩增加了3.07 kN·m/m，僅占此處原始彎矩的9%，彎矩增量較小且隧道處于較小的受力狀態(tài)，不會對隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響。

同時，因地鐵隧道圍巖為全風化泥質(zhì)粉砂巖，總體的工程力學(xué)性質(zhì)較好，地鐵隧道管片的結(jié)構(gòu)

也有較大的整體剛度，因此電力管溝基坑開挖不會對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力產(chǎn)生明顯改變。

表3 電力管溝基坑開挖前后地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力變化匯總表Table 3 The summary table of subway tunnel structure changes before and after power trench excavation

圖4 開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)的總位移圖Fig.4 The total displacement diagram of metro tnnel structure with excavating to the bottom

圖5 開挖至基坑底基坑支護結(jié)構(gòu)最大位移圖Fig.5 The maximum displacement diagram of supporting structure of foundation pit with excavating to the bottom

圖6 開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)軸力Fxx圖Fig.6 The axial force Fxxdiagram of metro tnnel sructure with excavating to the bottom

圖7 開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)軸力Fyy圖Fig.7 The axial force Fyydiagram of metro tnnel sructure with excavating to the bottom

圖8 開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)彎矩Mxx圖Fig.8 The moment Mxxdiagram of metro tnnel sructure with

圖9 開挖至基坑底地鐵隧道結(jié)構(gòu)彎矩Myy圖Fig.9 The moment Myydiagram of metro tnnel sructure with excavating to the bottom

總之，電力管溝基坑開挖對地鐵五號線的隧道結(jié)構(gòu)造成的應(yīng)力變化也是微量的，可以認為地鐵隧道結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中是安全的。

3 地鐵隧道結(jié)構(gòu)的相對曲率半徑變化

由于前面已將地鐵隧道沿電力管溝基坑全長各點的位移分析計算求得，因此分別將隧道水平位移和垂直位移時的地鐵隧道中部的最大位移，及兩側(cè)的最小位移提取出來，可利用作圖法，將經(jīng)過這三點的弧線圓畫出。此時即可得到隧道變形的相對曲率半徑。

電力管溝全長約900 m，取地鐵隧道變形量最大的一段即由下穿華快車行隧道和電力管溝基坑疊加作用的一段進行分析，該段長141 m。地鐵隧道的中部的最大水平位移為2.382 3 mm，隧道兩端的水平位移分別為0.894 0 mm、1.3397 mm。隧道中部的最大垂直位移為6.024 14 mm，隧道兩端的垂直位移分別為3.146 4 mm、2.397 3 mm。最后得到地鐵隧道的最不利影響狀態(tài)下的最小曲率半徑：水平方向隧道變形曲率半徑為6 147 km，垂直方向隧道變形曲率半徑為764 km（水位在地表面附近）。

由此可見，由電力管溝基坑開挖引起的地鐵五號線隧道變形的曲率半徑遠大于地鐵隧道保護條例規(guī)定[6]的最小曲率半徑15 000 m。

4 結(jié)語

通過三維有限元數(shù)值模擬和對計算結(jié)果的分析，認為雖然花城大道東延線（首期）工程電力管溝的基坑施工會對地鐵五號線隧道結(jié)構(gòu)造成變形和受力產(chǎn)生影響，但其變化量均很小，不足以對地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全性造成影響。

但鑒于在進行三維有限元數(shù)值模型建立時所作的假設(shè)和適當?shù)暮喕?，為確保本電力管溝基坑施工時地鐵五號線隧道結(jié)構(gòu)的安全及正常運營，給出注意事項和建議如下：

（1）本分析的假定為車行隧道已經(jīng)全部完工，但由于車行隧道東段尚未施工進行中，因此該段電力隧道的施工還是與車行隧道的施工分開進行施工，以符合分析假定；同步施工振動的疊加效應(yīng)可能會增強。

（2）電力隧道基坑施工應(yīng)避免引起較大的振動，支護樁的施工應(yīng)嚴格限制使用沖孔成樁，建議采用非振動的旋挖成樁；鋼板樁的施工也不得使用錘擊或振動壓樁，建議使用靜壓法成樁。

（3）有限元三維動態(tài)施工模擬過程將開挖和支撐施工放在同一工況，但實際施工過程中這兩個工況是有一定的時間差，因此為了較好的控制基坑位移，基坑土方開挖到內(nèi)支撐設(shè)計標高后應(yīng)及時施工內(nèi)支撐，切不可超挖。

（4）由計算分析可知，若地下水不發(fā)生明顯下降，則隧道的位移大部分是來自基坑開挖卸土發(fā)生隆起的影響，待電力管溝結(jié)構(gòu)砼澆筑完成及地下電力管溝施工完后，結(jié)構(gòu)重度對基坑底土體的反壓作用，使得隆起土體產(chǎn)生回降，此時地鐵隧道的隆起位移值也有所減小，隧道內(nèi)力也往趨于其初始值方向變化，這對隧道安全性是有利的。因此，應(yīng)對基坑支護的止水效果加以重視，在基坑開挖過程中應(yīng)盡量不造成地下水位的變化，做好止水帷幕可能滲漏時的封堵處理和應(yīng)急處理。對地下水位的變化也應(yīng)加強監(jiān)測。

同時要做好基坑的施工組織，縮短總體施工時間盡快實現(xiàn)基坑回填。即在施工時應(yīng)盡量減少坑底暴露時間，對墊層澆注、底板鋼筋綁扎和混凝土澆注的時間也需嚴格要求，基坑開挖到底時應(yīng)加快施工進度，盡量縮短基坑施工與后續(xù)主體結(jié)構(gòu)施工的間歇期，盡早澆筑底板和主體結(jié)構(gòu)，盡量縮短對地鐵隧道施工擾動時間。

（5）由于基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移及坑底隆起與緊鄰的地鐵隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)的水平側(cè)向與隆起位移密切相關(guān)，因此建議電力管溝基坑開挖過程中還應(yīng)加強對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測工作，必要時可根據(jù)監(jiān)控信息調(diào)整基坑支護結(jié)構(gòu)的施工方案和施工步驟。

[1]王夢恕.21世紀是隧道及地下空間大發(fā)展的年代[J].西部探礦工程，2000，12（01）:7-8.

[2]張玉成，楊光華，姚捷，等.基坑開挖卸荷對下方既有地鐵隧道影響的數(shù)值仿真分析[J].巖土工程學(xué)報，2010， 32 （S1）： 109-115.

[3]張治國，張孟喜，王衛(wèi)東.基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法 [J].巖土力學(xué)，2011，32（07）：2085-2092.

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[5]師曉權(quán).基坑開挖對下臥隧道影響的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[6]上海市市政工程管理局.上海市政法（94）第854號上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定[S].上海：上海市市政工程管理局，1994.