鄭志均，鄭江敏

（1.杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310018；2.江山市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)，浙江 江山324100）

0 引言

隨著我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)力度加大，緊鄰地鐵隧道的深基坑工程日益增多?；娱_(kāi)挖必然會(huì)對(duì)影響范圍內(nèi)既有地鐵隧道造成一定的不良影響?；庸こ淘O(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，如何保證基坑周邊環(huán)境及在支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性，成為一個(gè)亟待解決的難題。對(duì)基坑附近地鐵隧道、管線等的保護(hù)成為設(shè)計(jì)與施工的主導(dǎo)控制因素，以使基坑工程施工對(duì)隧道變形等影響控制在允許范圍內(nèi)[1-2]。

針對(duì)基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道位移的影響，王衛(wèi)東[3]等充分考慮隧道周圍土體加固并利用時(shí)空效應(yīng)開(kāi)挖土方等因素，采用數(shù)值模型分析基坑開(kāi)挖對(duì)隧道位移的影響。張玉成[4]等通過(guò)廣州海珠廣場(chǎng)基坑開(kāi)挖卸荷對(duì)下方地鐵隧道影響的數(shù)值分析，基坑開(kāi)挖對(duì)開(kāi)挖面以下土體具有顯著的垂直方向卸荷作用，進(jìn)而使隧道產(chǎn)生位移，其體現(xiàn)為豎向上抬。蔣洪勝[5]認(rèn)為基坑開(kāi)挖使得支護(hù)連續(xù)墻后土層產(chǎn)生新的位移場(chǎng)，但因隧道本身的大剛度會(huì)產(chǎn)生抵抗作用，使得隧道的橫向變形增大。艾鴻濤[6]等基于上海某工程采用FLAC3D 軟件建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，模擬分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以及鄰近地鐵隧道的變形規(guī)律。王強(qiáng)[7]應(yīng)用三維有限元對(duì)地鐵隧道在基坑施工過(guò)程中所產(chǎn)生的影響進(jìn)行彈塑性分析，并與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果表明有限元方法可以較好地模擬基坑工程開(kāi)挖問(wèn)題。

本文根據(jù)地鐵隧道附近的基坑工程，采用Plaxis 巖土有限元軟件建立模型，模擬基坑工程的實(shí)際施工工況，分析基坑開(kāi)挖施工對(duì)已建地鐵盾構(gòu)隧道變形的影響，并與監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 工程概況

1.1 地鐵隧道與基坑相對(duì)位置

該工程基坑南側(cè)挖深3.7 m 區(qū)域圍護(hù)樁中心線距某地鐵A 站—B 站區(qū)間隧道最近距離為8.64 m；該基坑北側(cè)挖深9.05 m 的圍護(hù)樁中心線距地鐵左線、右線A 站—B 站區(qū)間隧道最近距離為17.60 m，地鐵隧道標(biāo)高為-14.590～20.790 m，地鐵盾構(gòu)隧道已完成但尚未通車。隧道為盾構(gòu)圓形隧道，外徑6.2 m，壁厚350 mm，襯砌材料為C50 高強(qiáng)混凝土。根據(jù)地鐵隧道線路平面圖及隧道線路縱斷面圖，該隧道頂絕對(duì)標(biāo)高約-9.21 m 及-7.41 m（相對(duì)標(biāo)高為-15.30 m 及-14.50 m），隧道底絕對(duì)標(biāo)高約-15.41 m及-13.62 m（相對(duì)標(biāo)高為-21.50 m 及-20.70 m），隧道中心設(shè)計(jì)埋深約18.4 m 及17.6 m?；泳嚯x隧道左線結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)最近處約8.64 m，距離隧道右線結(jié)構(gòu)外邊線外側(cè)最近處約21.94 m。地鐵隧道與基坑相對(duì)位置如圖1 所示。

1.2 基坑開(kāi)挖施工的主要工況

根據(jù)基坑實(shí)際情況，并綜合考慮地區(qū)經(jīng)驗(yàn)后，采用分區(qū)開(kāi)挖，先開(kāi)挖基坑的深坑部分，待深坑開(kāi)挖施工完畢后，方開(kāi)挖基坑的淺坑部分。其工況簡(jiǎn)述如下：

工況1：圍護(hù)樁及樁基施工（該工況前已計(jì)算初始地應(yīng)力）。

工況2：基坑深坑開(kāi)挖至深度-3.55 m 處，并施工內(nèi)支撐（-3.05 m）。

工況3：基坑深坑開(kāi)挖至坑底-8.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況4：基坑深坑換撐（-4.65 m 處）。

工況5：基坑深坑內(nèi)支撐拆除。

工況6：基坑淺坑開(kāi)挖至-1.3 m 處，并施工內(nèi)支撐（-0.8 m）。

工況7：基坑淺坑開(kāi)挖至-3.7 m 處，并澆筑地下室底板。

工況8：基坑淺坑內(nèi)支撐拆除。

圖1 地鐵隧道與基坑相對(duì)位置關(guān)系（單位：mm）

2 有限元數(shù)值分析

該基坑的平面大致呈矩形，且與基坑?xùn)|北側(cè)地鐵隧道基本呈平行布置，屬于比較典型的平面應(yīng)變問(wèn)題，因此應(yīng)采用平面應(yīng)變模型分析基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵盾構(gòu)區(qū)間的影響。此次計(jì)算采用巖土有限元數(shù)值模擬軟件Plaxis 進(jìn)行二維平面有限元模型計(jì)算分析。該基坑?xùn)|西向開(kāi)挖寬度10～18 m，樁墻深度12.9～34.6 m，坑外土體計(jì)算范圍取不小于3 倍的基坑挖深，并考慮到地鐵隧道與基坑的相對(duì)位置關(guān)系，取計(jì)算模型尺寸為寬150 m、深50 m。在幾何模型底部施加完全約束，兩側(cè)豎向邊界施加滑動(dòng)約束?？油獬Ｋ蝗〉乇硐?.5 m，結(jié)合土方開(kāi)挖工況，調(diào)整水位深度，坑內(nèi)采用深井降至開(kāi)挖面以下0.5 m。

該工程中土體本構(gòu)模型采用Hardening-Soil Small Strain 模型（簡(jiǎn)稱HSS 模型），其參數(shù)見(jiàn)表1。

樁基、隧道、鉆孔灌注樁采用板單元模擬，支撐體系采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬，材料按照線彈性來(lái)考慮。計(jì)算時(shí)的邊界條件為側(cè)向水平約束，頂面為自由面，底部為水平和豎向約束。地下水位為地下1.5 m。分析中選用15 節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，樁墻與土之間設(shè)接觸面單元；分析時(shí)同時(shí)考慮了已施工完成的工程樁的作用。圖2為有限元模型及網(wǎng)格劃分圖。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

圖3 基坑開(kāi)挖至坑底工況下水平位移云圖（最大值6.907 mm）

圖3～圖6 分別為基坑開(kāi)挖至坑底工況及拆除支撐工況時(shí)水平位移及豎向位移云圖。由圖可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖會(huì)引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動(dòng)，并造成隧道的變形?？拷拥牡罔F左線隧道的水平位移變化數(shù)值要遠(yuǎn)大于右線隧道的，且左線隧道的水平位移增幅主要集中在靠近基坑的開(kāi)挖范圍內(nèi)，而右線隧道的水平位移在開(kāi)挖范圍內(nèi)無(wú)明顯相對(duì)波動(dòng)和較大變化，顯然基坑開(kāi)挖對(duì)距離較近的地鐵左線隧道的影響更為突出。

為了分析不同工況時(shí)的基坑圍護(hù)樁墻和地鐵隧道變形情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到主要工況下基坑靠近地鐵的圍護(hù)樁墻及地鐵隧道位移情況，見(jiàn)表2。從表2 可看出，左右線隧道的水平位移在工況2[基坑深坑開(kāi)挖至深度3.55 m 處，并施工內(nèi)支撐（-3.05 m）]和工況3（基坑深坑開(kāi)挖至坑底-8.7m處，并澆筑地下室底板）之間及拆除支撐時(shí)的工況6 時(shí)變形均有明顯增加；工況2 和工況3 之間及工況6 是工程的關(guān)鍵，需要進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)管理和監(jiān)控。這是因?yàn)楫?dāng)基坑工程鄰近地鐵隧道時(shí)，因基坑施工而在土體中引起的變化就會(huì)改變地鐵隧道周圍土體的應(yīng)力分布，使得土體發(fā)生移動(dòng)，改變隧道結(jié)構(gòu)本身原有的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而造成地鐵隧道的變形，在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分考慮這一問(wèn)題。從表2 還可看出，基坑開(kāi)挖造成基坑圍護(hù)體向坑內(nèi)變形，在前期開(kāi)挖階段變形較快，后期相對(duì)較慢，拆除支撐時(shí)的變形也較快。

圖4 基坑開(kāi)挖至坑底工況下豎向沉降云圖（最大值8.619 mm）

圖5 基坑拆除支撐工況下水平位移云圖（最大值8.638 mm）

圖6 基坑拆除支撐工況下豎向沉降云圖（最大值6.908 mm）

表2 主要工況下基坑靠近地鐵的圍護(hù)樁墻及地鐵隧道位移情況

對(duì)比不同工況下的地鐵隧道變形情況，可得到地鐵隧道的最大變形值（見(jiàn)表3），其最大變形值滿足地鐵隧道變形允許值，這說(shuō)明基坑工程支護(hù)滿足地鐵變形要求。

表3 地鐵隧道最大位移情況

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

基坑開(kāi)挖施工期間，委托了專業(yè)單位對(duì)地鐵隧道進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并得到了地鐵隧道在不同工況下的變形數(shù)據(jù)，地鐵隧道的最大變形情況見(jiàn)表4。對(duì)比表4 監(jiān)測(cè)值和表2 計(jì)算值可見(jiàn)，地鐵隧道的水平向沉降和豎向沉降的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算值相差較少，其監(jiān)測(cè)值基本上稍微大于數(shù)值分析計(jì)算值，這說(shuō)明采用有限元計(jì)算可有效分析其變形。同時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果也表明，基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵隧道會(huì)產(chǎn)生一定的影響，但影響可以采用合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法來(lái)進(jìn)行控制，能有效減小基坑對(duì)周圍已有構(gòu)筑物的影響，并使得工程的質(zhì)量和安全得到保證。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用Plaxis 有限元軟件分析了基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響，并對(duì)其數(shù)值分析結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，可得到如下結(jié)論：

（1）基坑開(kāi)挖會(huì)引起鄰近地鐵隧道向靠近基坑方向移動(dòng)，并造成隧道的變形；基坑開(kāi)挖對(duì)距離較近的地鐵隧道的變形影響更為突出。

（2）基坑開(kāi)挖造成基坑圍護(hù)體向坑內(nèi)變形，在前期開(kāi)挖階段及支撐拆除時(shí)變形較快，應(yīng)重點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)管理和控制。

表4 主要工況下地鐵隧道最大變形

（3）通過(guò)對(duì)比地鐵隧道的水平向和豎向最大變形的實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，證實(shí)了采用有限元方法可以較好地模擬基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響。