張穎君 董先龍

摘 要 隨著地鐵周邊地塊的開發(fā)，越來越多的深基坑工程，高層建筑在地鐵安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)施工。本文結(jié)合具體工程實(shí)例，在工程設(shè)計(jì)階段針對地鐵安全保護(hù)的要求優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并采用有限元法模擬基坑開挖到結(jié)構(gòu)回筑全過程對周邊地鐵隧道的影響，并結(jié)合后期實(shí)測分析工程全周期施工對地鐵隧道的影響，具有重要的工程實(shí)際意義。

關(guān)鍵詞 地鐵隧道;位移;基坑;數(shù)值模擬

引言

隨著我國城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，地表空間利用逐步飽和，地下空間的開發(fā)利用和高層相結(jié)合逐漸成為城市發(fā)展的新方向。隨著城市建設(shè)用地的日趨緊張，伴隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，越來越多的高層結(jié)構(gòu)臨近地鐵隧道及車站[1]。基坑的開挖施工及上部結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑破壞了原有的地層應(yīng)力平衡，引起臨近的地鐵隧道及車站產(chǎn)生變形及應(yīng)力變化。

為確保地鐵的正常運(yùn)營，地鐵管理部門要求隧道的變形控制在一定的允許范圍內(nèi)。根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）中對地鐵安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)工程施工對地鐵結(jié)構(gòu)的影響提出了明確的要求[2]，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施沉降量及水平位移量要求小于20mm;隧道變形曲率半徑要求大于15000m。

本文結(jié)合緊鄰某市地鐵1號線區(qū)間隧道的地塊基坑工程的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，針對臨近地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道保護(hù)的要求，利用有限元計(jì)算的方法，對基坑設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，并將數(shù)值模擬預(yù)測值和實(shí)測地鐵區(qū)間隧道變形結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)工程概況

該項(xiàng)目可建設(shè)用地面積約4639.8m2，規(guī)劃總建筑面積23125m2，其中地上20875m2，地下室2250m2，地塊內(nèi)主要建筑物為科研樓，主樓樓高20層，裙房3層，地下室1層。主樓及裙樓基坑深度6.35m～5.65m，基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)，工程樁采用Φ700的鉆孔灌注樁，樁長43m。

1.2 工程地質(zhì)概況

擬建場地屬長江中下游沖積平原，場地地形總體尚平坦，場地標(biāo)高在3.82m～4.09m之間。本場地基坑下臥層為③-2層細(xì)沙夾粉砂層，該土層水量較大，且具有承壓型，開挖期間易造成基底隆起、涌沙等風(fēng)險(xiǎn)。巖土信息與主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

1.3 周邊隧道概況

該項(xiàng)目項(xiàng)目臨近地鐵1號線區(qū)間隧道，該區(qū)間為地下雙線盾構(gòu)區(qū)間，隧道線間距13.2m～13.5m，隧道頂部覆土厚度14.872m。該項(xiàng)目地面結(jié)構(gòu)外輪廓線與區(qū)間隧道右線隧道結(jié)構(gòu)邊線水平投影距離為11.2m，地下室結(jié)構(gòu)邊線距離隧道邊線水平投影距離為12.5m。

2針對地鐵保護(hù)調(diào)整方案

因該項(xiàng)目與區(qū)間隧道最近距離僅為12.5m，基底位于③-2層細(xì)沙夾粉砂層，滲透系數(shù)較大，且該段地鐵隧道已處在運(yùn)營階段，針對地鐵保護(hù)對設(shè)計(jì)及施工方案做了如下調(diào)整：

（1）臨近地鐵側(cè)基坑圍護(hù)原方案采用放坡開挖，為避免基坑施工期間降水對地鐵隧道的影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)調(diào)整為三軸攪拌樁內(nèi)插PHC-600管樁的支護(hù)形式，并在基坑開挖區(qū)域外側(cè)增加三軸攪拌止水帷幕，該維護(hù)形式施工便捷，具有良好的止水效果，避免降水施工對地鐵隧道的影響;

（2）主體結(jié)構(gòu)工程樁原方案為預(yù)制靜壓樁，該工法施工期間對周邊地層易產(chǎn)生較大的擠土效應(yīng)及超孔隙水壓，對地鐵區(qū)間隧道存在安全隱患，經(jīng)協(xié)商樁基方案調(diào)整為鉆孔灌注樁，該工法對地層擾動小，有利于周邊地鐵的運(yùn)營安全。

3數(shù)值模擬計(jì)算

3.1 有限元模型

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際地層參數(shù)及調(diào)整后的基坑設(shè)計(jì)方案，建立三維有限元分析，計(jì)算采用修正M-C本構(gòu)關(guān)系。修正M-C是在M-C本構(gòu)基礎(chǔ)上改善的本構(gòu)模型，能模擬應(yīng)力增量隨應(yīng)變逐漸減小的硬化現(xiàn)象，能更精確的模擬地基。土層參數(shù)如表1所示：

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，計(jì)算工況為：

3.2 計(jì)算結(jié)果

（1）基坑開挖到底

由于基坑開挖卸載的作用，地鐵隧道臨近基坑位置存在向基坑方向變形的趨勢，最靠近基坑的右線最大隆起值為3.4mm，朝向基坑方向水平位移為5.54mm，左線距離基坑較遠(yuǎn)，最大隆起值為1.71mm，水平位移為3.85mm。

（2）結(jié)構(gòu)封頂

結(jié)構(gòu)回筑其間周邊地層受科研樓自重荷載作用下發(fā)生固結(jié)沉降，帶動周邊隧道變形，結(jié)構(gòu)封頂后右線隧道最大沉降量為9.61mm，左線最大沉降量為3.17mm，水平向變化則在結(jié)構(gòu)回筑其間較為穩(wěn)定，與基坑開挖其間隧道變形基本持平[3]。

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算小結(jié)

由數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，隧道在基坑開挖其間有向上隆起的趨勢，后期結(jié)構(gòu)回筑期間仍產(chǎn)生了較大的沉降變形，最大變形量為9.61mm，滿足地鐵安全運(yùn)營的控制標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整后的基坑設(shè)計(jì)方案滿足地鐵安全保護(hù)要求。

4基坑工程實(shí)施與地鐵隧道安全監(jiān)測

整個(gè)工程施工期間對臨近的地鐵隧道區(qū)間進(jìn)行了安全保護(hù)監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明增加了止水帷幕后，地鐵隧道在地塊施工期間變形穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)均在安全可控的范圍內(nèi)[4]。

4.1 隧道沉降

從實(shí)測隧道沉降數(shù)據(jù)可以看出，基坑在土方開挖期間（72D～137D），隧道隨著土體卸載回彈的作用逐漸上浮，開挖到基底后上浮趨勢逐漸穩(wěn)定，右線最大上浮量為2.5mm，左線最大上浮量為1.7mm，與數(shù)值模擬計(jì)算吻合較好。

后期結(jié)構(gòu)回筑期間，隧道隨著上部結(jié)構(gòu)荷載導(dǎo)致的土體沉降變形逐漸下沉，左線與科研樓距離為27.5m，受辦公樓影響較小，后期最大沉降量為-1.3mm;右線隧道與科研樓距離為13.8m，受辦公樓影響較大，后期最大沉降量為-2.3mm，考慮到監(jiān)測周期僅為施工結(jié)束后3個(gè)月，場地以黏性土為主，工后沉降周期較長，預(yù)計(jì)后期隧道仍會產(chǎn)生4～8mm沉降變形。

從隧道軸線沉降數(shù)據(jù)來看，基坑開挖造成的土體回彈隆起范圍較廣，監(jiān)測的200m范圍內(nèi)均顯示隧道有不同程度的上浮隆起，各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，隧道10m弦長及曲率半徑均滿足控制標(biāo)準(zhǔn);后期科聞辦公樓施工后基底沉降影響造成臨近的右線隧道局部沉降-2.5mm，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)散點(diǎn)擬合曲線方程為，根據(jù)曲率公式計(jì)算，曲率最小值348189.4m，大于控制值15000m，滿足軌道正常運(yùn)營要求。

4.2 隧道水平變形

從實(shí)測隧道水平位移數(shù)據(jù)可以看出，圍護(hù)樁及工程樁施工期間監(jiān)測數(shù)據(jù)在初始狀態(tài)上下波動，波動幅度較小，3天移動平均曲線較為穩(wěn)定，隧道受圍護(hù)樁及工程樁施工影響較小。

基坑土方開挖期間，隧道隨著開挖施工逐漸向基坑方向位移，水平位移量與隧道到圍護(hù)之間的距離和圍護(hù)剛度相關(guān)，地下室施工完畢后水平位移趨勢逐漸穩(wěn)定，基坑開挖期間水平位移最大值為2.7mm，有限元模擬計(jì)算隧道水平位移量5.54mm，計(jì)算結(jié)果偏于保守[5-6]。

后期結(jié)構(gòu)回筑期間受塔樓荷載影響較小，后期隧道最大水平位移量為2.9mm，小于地鐵安全運(yùn)營控制值20mm。

5結(jié)束語

（1）基坑開挖導(dǎo)致的土體回彈隆起影響區(qū)域廣，地層中隧道受基坑開挖卸載影響較大，大范圍基坑，尤其是開挖深度較深，卸載量大，距離地鐵隧道較近的基坑建議分坑施工。

（2）地面結(jié)構(gòu)加載造成的地層沉降對隧道影響不應(yīng)輕視，雖然隨著距離衰減明顯，但是對隧道10m弦長不均勻沉降及曲率影響較大，對已通車運(yùn)營的軌道存在安全隱患，對臨近隧道的高層結(jié)構(gòu)引起的地層沉降應(yīng)加以計(jì)算分析，施工中應(yīng)采取樁基后注漿等措施減少工后沉降。

（3）在工程前期利用有限元模擬計(jì)算工程施工對地鐵隧道的影響是有效的，采用合理的本構(gòu)模型和計(jì)算參數(shù)對后期設(shè)計(jì)方案的調(diào)整和施工具有指導(dǎo)意義。

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作者簡介

張穎君（1984-），男，江蘇無錫人;畢業(yè)院校：中國礦業(yè)大學(xué)，土木工程專業(yè)，學(xué)歷：碩士，職稱：工程師，現(xiàn)就職單位：無錫市軌道建設(shè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，研究方向：隧道及地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)管理。