孟祥箏

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 武漢 430063）

0 引言

近年來，城市地下軌道交通發(fā)展迅猛，但由于城市空間的限制，隧道周圍容易出現(xiàn)一些深基坑工程。在基坑開挖過程中，鄰近土體會產(chǎn)生位移，從而引起軌道的變形。例如，臺北某高層建筑的深基坑引起鄰近地鐵隧道的水平位移和豎向位移分別達27 mm 和33 mm［1］，過大的位移將會影響軌道交通的安全運營。

基坑開挖對基坑及周邊土體的影響已有大量的學(xué)者研究?；娱_挖過程中，基坑底部的土體由于卸荷作用而向上隆起，擋土墻外的土體會向坑內(nèi)移動。呂鳳梧等人［2］計算發(fā)現(xiàn)基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移會隨著開挖深度的增加而增加，并且最大水平位移點也會下移?；娱_挖除了影響基坑本身以外，還會因為土體的移動而使周邊結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。李志高等人［3］對上海地鐵8號線人民廣場站基坑開挖的土體位移傳遞規(guī)律做了模擬研究，結(jié)果表明基坑周邊的地鐵車站會背向基坑傾斜。印長俊等人［4］分析了基坑與鄰近地下通道的間隔距離對地下通道位移的影響，計算發(fā)現(xiàn)地下通道的水平位移對間隔距離比較敏感。因此，必須在基坑開挖之前對其產(chǎn)生的影響有足夠的了解，以便采取相應(yīng)的防范措施。例如，為了減小基坑開挖對周邊結(jié)構(gòu)的影響，俞縉等人［5］發(fā)現(xiàn)利用基坑加固技術(shù)可以明顯抑制下部隧道的隆起。

基坑周邊的地鐵隧道屬于重要的公共工程，在基坑開挖之前必須評估其對軌道的影響［6，7］。由于基坑開挖是一個區(qū)域性的工程，鄰近的地鐵軌道會有一段區(qū)間處于基坑開挖的影響范圍內(nèi)，因此有必要對多個典型截面進行分析。由于施工進度原因，土體是分階段開挖的。在不同施工階段，開挖的土體量不同，基坑及基坑周邊結(jié)構(gòu)的荷載邊界條件也不同?，F(xiàn)場的施工階段非常復(fù)雜也經(jīng)常發(fā)生變化，一般選取重要的施工階段進行分析［8-10］。

本文以長沙某深基坑工程為背景，以巖土分析軟件PLAXIS 為平臺，通過劃分關(guān)鍵施工步驟，預(yù)測分析該基坑工程對鄰近地鐵區(qū)間段的影響，并根據(jù)計算結(jié)果給出具體的施工指導(dǎo)意見。

1 工程概況

1.1 深基坑工程簡介

本深基坑工程（見圖1）位于長沙市中心繁華地段，四周均為城市道路，地下管線密布，周邊環(huán)境較復(fù)雜。場地東北角為立交橋，東側(cè)緊鄰道路，南側(cè)為民房，西側(cè)為某在建項目，北側(cè)為地鐵站。地鐵隧道與該基坑項目鄰近。本工程主體部分的開挖深度約14.5 m，考慮到基坑開挖較深，面積巨大，因此必須嚴(yán)格控制基坑開挖引起的土層位移以及對周邊軌道交通設(shè)施及市政管線的影響，保證周邊環(huán)境及設(shè)施的安全，特別是對軌道交通隧道的影響。

圖1 基坑周邊Fig.1 Around the Foundation

2 有限元模型

基坑（見圖2）DE 段位于地鐵隧道正上方，EF 段、FG 段與隧道臨近。根據(jù)該區(qū)段規(guī)劃布局及工程地質(zhì)條件，選取施工最不利斷面DE、EF 和FG，建立二維數(shù)值模型分析基坑施工對已有隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

圖2 基坑與隧道相對位置Fig.2 Relative Position between Foundation and Tunnel

2.1 模型的建立

采用PLAXIS 有限元軟件進行計算，根據(jù)所選取的斷面，采用平面應(yīng)變模型，土體采用平面應(yīng)變單元模擬，管片與支護樁采用板單元模擬，錨索采用Anchor 單元模擬。根據(jù)基坑與區(qū)間隧道位置關(guān)系，分3段進行計算，每段分別選取1 個典型斷面進行二維有限元分析。3 個典型斷面計算模型如圖3所示。

2.2 材料參數(shù)的選取

施工范圍土層性質(zhì)從上到下主要為雜填土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粗礫砂、強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。擬開發(fā)基坑深度13.2～14.2 m（地下2層～地下3層）?；訃o結(jié)構(gòu)形式為1.2 m 人工挖孔樁，混凝土+鋼管內(nèi)支撐或3 排預(yù)應(yīng)力錨索，避開隧道范圍，鉆孔樁及錨索參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)隧道位于基坑南側(cè)。

圖3 計算模型示意圖Fig.3 Calculation Model Diagram

表1 鉆孔樁及錨索參數(shù)Tab.1 Parameters of Drilled Piled and Anchor Cable

模擬中土體物理力學(xué)材料參數(shù)以地質(zhì)鉆孔勘察報告為依據(jù)，土層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型，各土層物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)地質(zhì)勘查報告提供的數(shù)據(jù)取值（見表2）。

管片及鉆孔樁采用彈性本構(gòu)模型，錨索采用僅受拉彈性本構(gòu)，管片材料為C50 鋼筋混凝土，考慮到管片接縫及施工條件和工藝，計算時其彈性模量應(yīng)考慮一定折減，折減系數(shù)取20%。支護樁材料為C35 鋼筋混凝土，錨索材料為直徑15.2 mm 鋼絞線。

表2 各地層主要物理參數(shù)Tab.2 Parameters of the Soil Layer

該區(qū)域的地下水類型主要為上層滯水、潛水及基巖裂隙水三種類型。上層滯水主要賦存在人工填土層中，受大氣降水及地表水補給，水量隨季節(jié)變化，總體上隨地勢從高處往低處流動；勘察期間，測得其初見水位深度為2.80～8.51 m，相當(dāng)于標(biāo)高37.58～42.73 m；穩(wěn)定水位為1.20～8.51 m，相當(dāng)于標(biāo)高37.86～43.90 m。

2.3 施工步驟的模擬

為計算基坑開挖施工對既有地鐵隧道的影響，3 種工況數(shù)值模擬步驟為：

2.3.1 DE段基坑施工

⑴建立模型，在自重場下計算平衡；

⑵施做地鐵車站及區(qū)間；

⑶位移清零，施做基坑圍護樁；

⑷施做混凝土支撐并開挖基坑至基底。

2.3.2 EF段基坑施工

⑴建立模型，在自重場下計算平衡；

⑵施做地鐵車站及區(qū)間；

⑶位移清零，施做基坑圍護樁及中立柱；

⑷施做混凝土支撐并開挖基坑第1層。

⑸施做第1道鋼管支撐并開挖基坑第2層至基底。

2.3.3 FG段基坑施工

⑴建立模型，在自重場下計算平衡；

⑵施做地鐵區(qū)間；

⑶位移清零，施做基坑圍護樁；

⑷開挖基坑第1層并打設(shè)第1道錨索；

⑸開挖基坑第2層并打設(shè)第2道錨索；

⑹開挖基坑第3層并打設(shè)第3道錨索；

⑺開挖至基坑基底。

按照以上步驟設(shè)置完成之后，即可進行基坑開挖全過程模擬。

3 基坑開挖對地鐵區(qū)間的影響

3.1 DE段基坑施工計算結(jié)果

基坑開挖至坑底時，如圖4a所示，基坑底的豎向位移最大，約7.5 mm，位移為正，表示為向上隆起。從基坑向地鐵隧道方向，豎向位移逐漸減少，到達隧道附近時，豎向位移約為2 mm。圖4b表示土層水平位移的變化。在基坑左上側(cè)，產(chǎn)生約7 mm 的偏向基坑內(nèi)側(cè)的側(cè)移；在地鐵隧道處，水平位移幾乎為0?？梢哉J(rèn)為，基坑開挖主要引起基坑本身的側(cè)移，而對周圍土體的側(cè)移影響很小。開挖基坑后，管片最大位移約3.4 mm，如圖4c所示。管片變形滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

圖4 DE段基坑開挖計算結(jié)果Fig.4 Calculation Results after the Foundation Pit Excavation in DE Section

3.2 EF段基坑施工計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，開挖第1層基坑后（見圖5），地層最大豎向位移為6.5 mm，最大水平位移為12 mm，均發(fā)生在基坑邊上。管片最大位移約0.65 mm；開挖第2層基坑后（見圖6），地層最大豎向位移為10 mm，最大水平位移為14 mm。管片最大位移約1.72 mm，管片變形滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

圖5 EF段基坑第1層開挖計算結(jié)果Fig.5 Excavation Calculation Result of the First Layer of the EF Section Foundation Pit

圖6 EF段基坑第2層開挖計算結(jié)果Fig.6 Excavation Calculation Result of the Second Layer of the EF Section Foundation Pit

3.3 FG段基坑施工計算結(jié)果

FG 段分 4 次開挖，由圖7～圖10可知，從第1 次開挖到第4 次開挖完成，地層豎向位移從8 mm 逐漸增加到17 mm，最大豎向位移發(fā)生位置在基坑底部，基坑發(fā)生隆起，地鐵隧道處的豎向位移無明顯變化，變化范圍在3 mm 以內(nèi)。地層最大水平位移發(fā)生在基坑頂部，從-19 mm 逐漸減少到-16 mm，這是因為隨著開挖的進行，頂部土體有向基坑內(nèi)移動的趨勢，但是隨著錨索的施工，錨索對土體有一定的約束作用，導(dǎo)致水平位移逐漸降低。開挖第1層基坑后，管片最大位移約0.7 mm，開挖第2層基坑后，管片最大位移約1.5 mm，開挖第3層基坑后，管片最大位移約2.3 mm，開挖第4層基坑后，管片最大位移約2.9 mm，管片變形滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

圖7 FG段基坑第1層開挖計算結(jié)果Fig.7 Excavation Calculation Result of the First Layer of the FG Section Foundation Pit

圖8 FG段基坑第2層開挖計算結(jié)果Fig.8 Excavation Calculation Result of the Second Layer of the FG Section Foundation Pit

圖9 FG段基坑第3層開挖計算結(jié)果Fig.9 Excavation Calculation Result of the Third Layer of the FG Section Foundation Pit

圖10 FG段基坑第4層開挖計算結(jié)果Fig.10 Excavation Calculation Result of the Fourth Layer of the FG Section Foundation Pit

4 結(jié)論

根據(jù)擬建基坑工程與鄰近地鐵區(qū)間隧道空間位置關(guān)系，選取基坑不同圍護型式典型斷面，利用PLAXIS 建立了二維平面應(yīng)變模型，計算分析了該基坑工程施工對區(qū)間隧道的影響，得出以下主要結(jié)論：

⑴基坑開挖將引起隧道周邊圍巖的變形，DE 段基坑位于隧道正上方，隧道變形以豎向上浮為主，EF段和FG 段基坑位于隧道側(cè)上方，隧道變形以水平位移為主，且越靠近基坑其位移值越大。

⑵基坑開挖將導(dǎo)致隧道管片的變形，DE 段基坑開挖完成以后，區(qū)間隧道管片最大變形約3.4 mm，呈上浮趨勢；EF 段基坑開挖完成后，區(qū)間隧道管片最大變形約1.7 mm，呈向基坑方向水平變形趨勢；FG 段基坑開挖完成后，區(qū)間隧道管片最大變形約2.9 mm，呈向基坑方向水平變形趨勢。幾種工況下管片變形均小于5 mm，在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

⑶在基坑開挖過程中，錨索的施工對基坑土體的側(cè)移有明顯的抑制作用。

可以根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果對該工程給出合理的施工建議：

① 該基坑工程與地鐵隧道凈距較小，基坑應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計，以確?；邮┕み^程中的結(jié)構(gòu)安全。

② 上述計算僅為理論計算，未考慮到基坑施工中各種不利影響，在施工過程中若有明顯的土體邊界條件變化，需要重新進行計算驗證。

③ 無論采用何種支護形式，有必要對地鐵隧道進行自動化監(jiān)控量測，若出現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止施工，并采取相應(yīng)的工程措施。