張汝捷，張濤，胡東東

（1合肥市軌道交通集團有限公司，安徽 合肥 230000；2安徽省城建設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230051）

0 前言

隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，世界各國對于城市地下空間工程的建設(shè)不斷進入新的階段，如深基坑工程、地鐵隧道建設(shè)等。然而由于城市土地資源的有限性，地下空間的深基坑工程不可避免地會對周圍環(huán)境中的建（構(gòu)）筑物，如地鐵隧道、市政管線等產(chǎn)生一定的不利影響，如何解決城市建設(shè)中的這一突出矛盾，是相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者以及工程師們需要重點考慮的問題。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對于基坑開挖對臨近地鐵隧道的影響進行了豐富的研究。宋曉鳳等以數(shù)值模擬計算為主要手段，對北京市某深基坑工程對臨近既有地鐵隧道的影響特征進行了詳細的分析；胡海英等以廣州市某深基坑工程為工程背景，采用了數(shù)值模擬分析和動態(tài)監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析了基坑開挖對地鐵隧道的影響；魏綱通過收集國內(nèi)14個基坑工程實例，從理論上分析了基坑開挖對工程下方既有地鐵隧道的影響機制。

本文以合肥市某深基坑工程以及臨近的既有地鐵隧道工程為例，通過動態(tài)監(jiān)測基坑施工期間對臨近地鐵隧道的影響，并將匯總后的監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比分析，研究深基坑開挖支護對地鐵隧道變形的影響規(guī)律，評估該深基坑工程施工期間臨近地鐵隧道的安全性。

1 工程概況

1.1 基坑工程及鄰近隧道概況

本基坑工程周邊均為市政道路，基坑開挖深度為5.85～10.35m，坑底位于粘土中，基坑南側(cè)采用1:0.85的放坡支護方案；西側(cè)采用排樁+斜撐支護方案；北側(cè)采用排樁+放坡支護方案；基坑?xùn)|側(cè)開挖深度為7.35m，且距離用地紅線較近，采用排樁+斜撐支護方案，圍護樁為直徑0.9m、間距1.6m、長度12m 的鉆孔灌注樁，斜撐為長度10.2m的600mm×600mm的鋼格構(gòu)斜撐，水平間距7.0～8.5m。

基坑?xùn)|側(cè)臨近軌道交通1號線的已運營的區(qū)間隧道，隧道拱底埋深約10.7m，區(qū)間隧道為兩條單洞單線圓形隧道，均采用盾構(gòu)法施工，隧道管片內(nèi)凈空理論值為5.4m，隧道襯砌采用管片厚度300mm、環(huán)寬1.5m的C50預(yù)制裝配式鋼筋混凝土平板形單層襯砌?；舆吘€距1號線區(qū)間隧道邊線最近約23.4m，距離車站最近約42.1m，主要評估分析對象為區(qū)間隧道，基坑支護與區(qū)間隧道位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 基坑支護與區(qū)間隧道位置關(guān)系斷面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)相關(guān)的巖土工程勘察報告，本基坑南側(cè)和東側(cè)典型工程地質(zhì)剖面如圖2所示。擬建場地內(nèi)地基巖土構(gòu)成層序自上而下為：①層雜填土，主要以黏性土為主，層厚3.60～7.60m，層厚平均值為5.23m；②層黏土，該層在場地內(nèi)普遍分布，層厚6.70～12.90m；③層粉質(zhì)黏土，層厚9.10～11.50m；④層黏土，層底埋深23.00～26.10m。擬建場地地下水類型為上層滯水。上層滯水主要賦存于①層雜填土中，無自由穩(wěn)定水面，主要補給來源為大氣降水。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖

2 數(shù)值模擬分析

2.1 建立三維有限元計算模型

為評估基坑施工對地鐵1號線區(qū)間隧道的影響，采用MIDAS/GTS建立三維數(shù)值計算模型進行分析。模型的南北長度為300m，東西寬度為200m，高度為40m。模型邊界條件為：底面采用固定約束；四個側(cè)面為垂直于側(cè)面的方向約束；上表面為自由面。土體破壞準(zhǔn)則采用摩爾-庫倫模型，車站墻、板及地鐵D出入口墻板采用線彈性的板單元進行模擬；隧道采用板單元模擬；支撐及車站結(jié)構(gòu)柱采用梁單元模擬。土層材料的物理力學(xué)參數(shù)如表1，車站結(jié)構(gòu)及圍護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

車站結(jié)構(gòu)及圍護結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值 表2

根據(jù)上述建模信息所建立的基坑支護結(jié)構(gòu)，以及區(qū)間隧道、車站的三維模型如圖3和圖4所示。

圖3 車站、區(qū)間隧道及基坑工程位置關(guān)系圖

圖4 地鐵車站、區(qū)間隧道模型圖

2.2 計算工況

為分析基坑工程施工對地鐵區(qū)間隧道及車站的影響，按基坑施工各個步驟分析基坑工程施工對地鐵車站、區(qū)間隧道的影響。第一步：模擬地鐵結(jié)構(gòu)施工，并將模型位移清零；第二步：基坑樁頂上部放坡施工；第三步：基坑工程圍護樁施工；第四步：基坑開挖至斜撐施工面，斜撐施工；第五步：基坑開挖到底。按照上述五個工況的具體要求，對三維模型進行開挖與支護模擬，得到圖5所示的三維有限元計算模型。

圖5 基坑支護模型圖

2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析

根據(jù)以上計算結(jié)果可知，基坑工程開挖對地鐵1號線區(qū)間隧道、車站結(jié)構(gòu)影響較小，基坑施工引起的區(qū)間隧道位移如圖6所示，計算結(jié)果顯示基坑施工引起的車站和區(qū)間隧道位移值均小于軌道結(jié)構(gòu)變形控制標(biāo)準(zhǔn)5.0mm。

圖6 區(qū)間隧道位移云圖

在工況2—工況5計算結(jié)果中提取區(qū)間隧道沿縱向分布的位移數(shù)據(jù)，根據(jù)變形特點，采取多項式函數(shù)y=ax+bx+cx+d對上述數(shù)據(jù)進行擬合分析，根據(jù)曲率半徑計算公式求得隧道變形的最小曲率半徑。經(jīng)計算，工況2～工況5隧道變形的最小曲率半徑分別為：2.37x10、2.02x10、1.98x10、1.73x10，上述數(shù)值均大于控制值1.50x10。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，理論上基坑施工對車站、區(qū)間隧道的影響均處于安全范圍。

3 施工期車站及地鐵隧道監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測方案

本工程外部作業(yè)影響等級為三級，地鐵保護監(jiān)測范圍向工程臨近區(qū)域兩段外擴20～40m，因此本項目地鐵監(jiān)測范圍長度取150m。監(jiān)測項目包括車站結(jié)構(gòu)水平和豎向位移監(jiān)測；區(qū)間隧道水平位移及收斂監(jiān)測、區(qū)間道床豎向位移監(jiān)測；管縫、裂縫觀測；軌道幾何形態(tài)監(jiān)測；隧道結(jié)構(gòu)表觀巡查等。監(jiān)測方式主要采用人工監(jiān)測。監(jiān)測頻率包括：①基坑開挖前將全部監(jiān)測點布設(shè)完成并測定初始值；②基坑開挖使用過程中監(jiān)測頻次為2次/1周；③基坑監(jiān)測項目出現(xiàn)預(yù)警時對地鐵內(nèi)部監(jiān)測項目進行加密監(jiān)測；④當(dāng)監(jiān)測項目達到橙色預(yù)警時，進行自動化監(jiān)測。

3.2 監(jiān)測實施

根據(jù)不同監(jiān)測項目的要求，采用不同的監(jiān)測方法對各項目實施監(jiān)測。采用精密水準(zhǔn)測量方法監(jiān)測道床豎向位移，在地鐵1號線的左右線各選4個點作為基準(zhǔn)點，在125m長度的區(qū)間內(nèi)每隔20m布置一個斷面，并在車站與盾構(gòu)區(qū)間接縫處布設(shè)一對差異沉降點。道床水平位移監(jiān)測采用二等導(dǎo)線測量方法，基準(zhǔn)點布置同豎向位移監(jiān)測，監(jiān)測點布置與豎向位移監(jiān)測點在同一平面內(nèi)，并在左右線各布置一個用于實時校對修正的臨時工作基點。在隧道兩側(cè)腰線上布設(shè)一條通過隧道圓心的水平基線，通過量測水平基線的長度監(jiān)測隧道水平收斂，水平收斂監(jiān)測斷面與對應(yīng)水平位移監(jiān)測點所在斷面重合。采用游標(biāo)卡尺對隧道結(jié)構(gòu)的變形縫和裂縫的張開量進行監(jiān)測。使用軌距尺進行軌道靜態(tài)幾何形為監(jiān)測，軌道幾何形為監(jiān)測斷面與對應(yīng)的道床垂直位移監(jiān)測點所在斷面重合。隧道斷面監(jiān)測點布置圖為圖7，地鐵保護監(jiān)測布點圖為圖8。

圖7 隧道斷面監(jiān)測點布置圖

圖8 地鐵保護監(jiān)測布點圖

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測方案的總體要求，以及監(jiān)測實施的具體要求，在基坑開挖與支護的施工期間，對萬達城車站以及區(qū)間地鐵隧道進行了全程的監(jiān)測，并且對監(jiān)測結(jié)果進行了詳細匯總。道床沉降累計變化最大點為 ZHC02（-2.84mm），水平位移累計變化最大點為 ZHC02（-2.70mm）；收斂累計變化最大點為ZHSL09（-2.70mm），垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)累計變化最大點為ZJZ04（-2.83mm），軌距累計變化最大點為ZGJ01（2.89mm），各項監(jiān)測數(shù)據(jù)變形速率和累積量均未超過預(yù)警值，數(shù)據(jù)正常。監(jiān)測結(jié)果表明，基坑施工期間，對臨近的車站、區(qū)間隧道的影響均處于安全范圍。

4 結(jié)論

對于臨近地鐵區(qū)間隧道和車站的深基坑工程施工的影響，首先采用三維數(shù)值模擬分析的方法進行研究。在基坑施工期間，采用動態(tài)監(jiān)測的方法，對區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的主要指標(biāo)進行監(jiān)測。根據(jù)兩種方法所得到的結(jié)果，對深基坑施工時，所臨近的區(qū)間隧道安全性進行評估，得到以下結(jié)論：

監(jiān)測結(jié)果匯總表 表3

①深基坑的施工對臨近地鐵區(qū)間隧道的影響總體表現(xiàn)為道床的下沉、隧洞結(jié)構(gòu)的徑向收斂、區(qū)間隧道水平方向的位移和軌距的變化；

②數(shù)值計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果的量值均在標(biāo)準(zhǔn)要求的安全范圍內(nèi)，工程實際中數(shù)值模擬計算分析可以指導(dǎo)支護設(shè)計及施工，工程施工過程中實施信息化管理能夠起到提前預(yù)警，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果實時調(diào)整施工計劃，將軌道交通結(jié)構(gòu)附加變形控制在安全可控范圍。