張旭群，隋耀華，林沛元

（1、廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣州 510010；2、南方海洋科學與工程廣東省實驗室（珠海） 珠海 519080；3、中山大學土木工程學院 廣州 510275）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，擬建工程與既有建（構(gòu)）筑物之間的關(guān)系也變得越來越復雜。近年來，地鐵線路已逐漸遍布城市地下各處，往往會出現(xiàn)基坑工程緊鄰已建地鐵隧道施工的情況，這勢必會對地鐵隧道產(chǎn)生影響，而已運營的地鐵隧道對自身的變形要求也極為嚴格［1-2］，因此，如何評估基坑開挖對于既建運營隧道安全性的影響具有重大意義。

目前可用于分析這類問題的主要理論方法主要有殘余應(yīng)力法［1，3］及基于彈性地基梁的兩階段法［4-6］，這些方法雖然在一定程度上證明了其合理性。但是，由于其對問題的簡化，在求解貼合實際工程的復雜模型問題時往往遇到困難，因此，目前在工程應(yīng)用中更趨向于采用該數(shù)值模擬的方法，分析基坑開挖對臨近地鐵隧道的安全性影響。王衛(wèi)東等人［7］、張玉成等人［8-10］應(yīng)用數(shù)值模擬的方法分析基坑開挖對下臥地鐵隧道的影響；陳錦劍等人［11］采用數(shù)值方法分析了兩側(cè)深基坑開挖對穿越其間的淺埋運營隧道的影響。胡琦等人［12］通過有限元數(shù)值模擬，研究了軟黏土地基中深基坑開挖土體擾動對地鐵隧道受力變形的影響，并提出了相應(yīng)的加固處理措施建議。

基坑與既有地鐵隧道不同的位置關(guān)系有不一樣的影響規(guī)律，而且每個實際工程項目也具有各自不同的特點，本文以廣州地鐵3 號線某地鐵站附近的基坑工程為研究背景，運用數(shù)值模擬的方法詳細分析基坑開挖、降水對緊鄰地鐵隧道結(jié)構(gòu)受力變形的影響，根據(jù)分析結(jié)果對地鐵施工期間地鐵隧道的監(jiān)測提出合理建議，同時也為緊鄰地鐵隧道的基坑開挖的設(shè)計與施工積累工程經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 基坑支護機構(gòu)總體布置

工程項目中部住宅共2 層地下室，基坑東西向長約110～125 m，南北向?qū)捈s70 m，周長約380 m，占地面積為8 015 m2?；釉O(shè)計開挖深度約為5.30～7.80 m。該地塊東側(cè)緊鄰廣州地鐵3 號線某地鐵站區(qū)間，基坑圍護結(jié)構(gòu)外邊線距離地鐵3 號線隧道結(jié)構(gòu)外邊線約9.7 m。

根據(jù)擬建項目中部住宅樓基坑的設(shè)計資料，中部住宅樓設(shè)2層地下室，基坑呈長方形，地下室結(jié)構(gòu)面標高21.00 m，底板厚600 mm，墊層厚200 mm，基坑設(shè)計開挖深度為5.3～7.8 m。基坑支護方案如圖1所示。

圖1 基坑支護平面示意圖Fig.1 Plane Diagram of Foundation Pit Supporting System

1.2 地鐵隧道概況

廣州地鐵3號線某地鐵站區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，建筑限界為5.2 m，內(nèi)砌環(huán)厚度0.3 m，楔形量38 mm。鄰近920#項目中部住宅樓基坑位置（里程范圍約YDK1+890～YDK1+970）處隧道頂部埋深約21.5～22.5 m。結(jié)合地鐵3 號線隧道豎向變形監(jiān)測資料，截止2015 年下半年監(jiān)測信息，該地鐵站區(qū)間盾構(gòu)隧道于此次評估段累計最大豎向變形量約為4 mm，結(jié)合地鐵隧道結(jié)構(gòu)初始應(yīng)力狀態(tài)分析可知，隧道健康狀態(tài)目前較為良好。

擬建基坑與既有地鐵結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系：920#項目中部住宅地塊四周均為規(guī)劃道路，其中，地塊東側(cè)緊鄰廣州地鐵3 號線某地鐵站區(qū)間，基坑圍護結(jié)構(gòu)外邊線距離隧道結(jié)構(gòu)外邊線的水平距離約9.7 m，基坑底部距離隧道結(jié)構(gòu)頂部外邊線的豎向距離約15.0 m，二者平面關(guān)系如圖1所示，剖面關(guān)系如圖2所示。

圖2 基坑與地鐵隧道位置關(guān)系Fig.2 Position Relationship （mm）

2 三維數(shù)值模型的建立

根據(jù)項目中部住宅地塊與地鐵3號線相交處的工程地質(zhì)特征，結(jié)合基坑設(shè)計、施工方案及地鐵3號線隧道結(jié)構(gòu)，使用Midas GTS/NX 軟件建立三維整體模型，模擬計算基坑開挖、回填及上部結(jié)構(gòu)施工對緊鄰地鐵的不利影響，分析基坑開挖施工期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力情況，進而評估緊鄰地鐵的結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)和地鐵的運營安全狀態(tài)。

模型計算范圍的控制原則為邊界條件不能過大地影響關(guān)鍵部位的計算結(jié)果，根據(jù)以前研究經(jīng)驗，基坑數(shù)值計算時，模型外擴范圍宜不小于3倍基坑深度。整體模型中包含了既有的3 號線隧道結(jié)構(gòu)、擬開挖基坑，模型計算范圍為長約270 m，寬約177 m，土層計算深度為45 m。

三維整體模型（見圖3）的邊界條件為：模型底部約束Z方向位移，模型前后兩面約束Y方向位移，模型左右兩面約束X方向位移。三維整體模型的荷載條件為：巖土層自重、基坑邊線3～8 m范圍內(nèi)20 kPa施工荷載。

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh of Numerical Model

2.1 計算參數(shù)

巖土層采用彈塑性模型進行模擬，支護結(jié)構(gòu)、隧道管片等采用線彈性模型，具體計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層主要物理力學參數(shù)Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil Layer

⑴對于采用旋挖樁+攪拌樁支護斷面，由于攪拌樁主要用于樁間止水，其自身剛度較低，因此建模時不考慮其支擋作用；對于旋挖樁，為了建模方便，減小計算模型的規(guī)模，將旋挖樁等效為地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，用等效剛度法簡化為連續(xù)墻，并用殼單元模擬。等效連續(xù)墻的厚度h為：

式中：d為排樁的單樁直徑（mm）；bk為同一排樁的相鄰樁中心間距（mm）。

⑵對于換撐短支撐，設(shè)計為300 mm×300 mm，間距1 100～1 300 mm 布置，為減少計算量，將其按剛度等效為換撐板帶。

2.2 分析工況

本文分析主要是分析擬建基坑開挖對地鐵3號線隧道結(jié)構(gòu)的影響以及基坑支護結(jié)構(gòu)的變形，考慮的是基坑開挖引起的增量位移，故對既有建（構(gòu)）筑施工引起的位移和初始應(yīng)力場引起的位移進行清零。針對基坑開挖的全過程進行三維模擬，共分為15個施工步驟，具體如表2所示。

表2 模擬施工步驟Tab.2 Simulated Construction Steps

該工程場區(qū)開挖深度范圍內(nèi)存在透水層，坑內(nèi)抽排水很有可能使得坑外地下水位下降，使得土體有效應(yīng)力增加，使隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形；并且部分鉆孔揭露情況顯示隧道下方為砂質(zhì)粘性土層、全風化花崗巖層，具有一定壓縮性，水位下降會引起下方土體沉降。因此，需分析地下水位下降時對地鐵結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)勘察報告提供的地下水位深度可知，項目中部住宅地塊基坑與地鐵3 號線隧道交匯處地下水深度約為4.0 m，本項目基坑東側(cè)開挖深度為6.8 m；當?shù)叵滤唤抵灵_挖面下1.0 m 時，地下水位下降深度為3.8 m；由此，計算水位下降1.0 m、2.0 m、3.0 m及3.8 m共4種工況下隧道的位移及內(nèi)力情況。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑開挖對地鐵隧道影響

3.1.1 基坑支護結(jié)構(gòu)位移分析

基坑開挖至底部時基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移云圖如圖4所示。由圖4可知基坑最大水平位移的位置位于基坑北側(cè)（旋挖樁+預(yù)應(yīng)力錨索），其最大水平位移值6.87 mm。對于基坑東側(cè)（臨近地鐵隧道）處支護結(jié)構(gòu)水平位移，由于基坑的邊角效應(yīng)其最大水平位移位于支護區(qū)段的中部坑底附近，其值為5.92 mm。以上數(shù)值均小于一級基坑支護工程水平位移控制值（30 mm），說明本工程基坑支護設(shè)計方案基本合理，滿足《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程：JGJ 120—2012》要求，且在鄰近地鐵隧道側(cè)的支護結(jié)構(gòu)方式能夠有效抑制支護結(jié)構(gòu)的變形，有效降低基坑開挖施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

圖4 工況15（開挖至-6.8 m）支護結(jié)構(gòu)水平位移Fig.4 Horizontal Displacement of Supporting Structures in Working Condition 15（Excavated to -6.8 m）

3.1.2 地鐵隧道豎向位移分析

隧道在施工支護結(jié)構(gòu)的豎向位移云圖如圖5 所示，離基坑較近的地鐵隧道受到基坑開挖的影響更為明顯，且主要影響區(qū)域主要集中在基坑開挖范圍，隨著開挖深度的增加，其影響范圍也隨之擴大。

圖5 工況3（施工旋挖樁、攪拌樁）隧道豎向位移Fig.5 Vertical Displacement of Tunnel Structures in Working Condition 3（Construction of Bored Piles and Mixing Piles）

根據(jù)以上計算結(jié)果，將920#項目中部住宅地塊基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)最大豎向位移繪制成圖6。由圖6可知，工況3旋挖樁、攪拌樁的施工，對2條地鐵隧道均造成了向下的豎向位移，且對于緊鄰基坑開挖側(cè)的右線的影響比遠離基坑的左線更明顯，最大沉降達到了0.263 mm，而左線的沉降為-0.113 mm。而隨著開挖深度的增加，左線的豎向位移基本保持穩(wěn)定，而右線則從下沉轉(zhuǎn)變?yōu)樘内厔?，并且累計抬升量隨著基坑開挖深度的增加而不斷增加，直到開挖至坑底后才趨于穩(wěn)定，此時的抬升量為0.649 mm。

圖6 各工況地鐵隧道最大豎向位移Fig.6 Maximum Vertical Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.1.3 地鐵隧道水平位移分析

隧道在施工支護結(jié)構(gòu)的水平位移云圖如圖7 所示，同樣表明離基坑較近的地鐵隧道受到基坑開挖的影響更為明顯，且主要影響區(qū)域主要集中在基坑開挖范圍，隨著開挖深度的增加，其影響范圍也隨之擴大。

圖7 工況3（施工旋挖樁、攪拌樁）隧道水平位移Fig.7 Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Working Condition 3（Construction of Bored Piles and Mixing Piles）

各工況下3號線隧道結(jié)構(gòu)水平位移最大值如圖8所示。由圖8可知，基坑開挖主要對地鐵3號線右線產(chǎn)生影響，且在每個開挖工況時，隧道水平位移均明顯增加，當基坑開挖到基坑底部時，地鐵隧道緊鄰基坑側(cè)的右線達到最大水平位移值為0.956 mm，向基坑方向變形。

圖8 各工況地鐵隧道最大水平位移Fig.8 Maximum Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.1.4 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

基坑開挖至底部時地鐵隧道的彎矩如圖9 所示，由圖9 可知地鐵隧道彎矩分布較為均勻，整條線路上并沒有明顯的內(nèi)力集中部位，表明基坑施工對3 號線隧道結(jié)構(gòu)彎矩影響較小。

圖9 工況15（開挖至-6.2 m）隧道彎矩Fig.9 Bending Moment of Tunnel Structures in Working Condition 15（Excavated to -6.2 m)

2 條地鐵隧道最大彎矩與各工況的關(guān)系如圖10所示，同樣表明了3 號線隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力受到鄰近基坑開挖的影響較小，其彎矩變化量不足1 kN·m，能滿足管片設(shè)計要求。

圖10 各工況線隧道結(jié)構(gòu)最大彎矩Fig.10 Maximum Bending Moment of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.2 水位變化對地鐵隧道影響分析

有限元分析水位下降1.0 m、2.0 m、3.0 m、3.8 m 共4 種工況下隧道的影響，各工況下地鐵隧道的沉降量及彎矩值分別如圖11、圖12所示。

由圖11可知，地下水位下降將引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的發(fā)生沉降，沉降量隨地下水位下降深度的增加而增大，當?shù)叵滤幌陆?.8 m 時，隧道頂部和底部的沉降量分別為4.675 mm 和2.912 mm。圖12 給出地下水位下降將引起地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)彎矩的變化，結(jié)構(gòu)彎矩變化量隨地下水位下降深度的增加而增大；當?shù)叵滤陆?.8 m時，隧道結(jié)構(gòu)的彎矩值為93.935 kN·m，彎矩增量為16.932 kN·m。

圖11 不同降水深度地鐵隧道最大沉降量Fig.11 Maximum Settlement of Tunnel Structures at Different Precipitation Depths

圖12 不同降水深度地鐵隧道最大彎矩Fig.12 Maximum Bending Moment of Tunnel Structure at Different Precipitation Depths

上述結(jié)果表明，基坑地下水位下降對于其鄰近地鐵隧道的受力變形顯著，為保證地鐵隧道的安全性應(yīng)當對于基坑降水措施慎重考慮，基坑工程施工期間，加強地下水位的監(jiān)控量測工作，記錄好初始水位值，及各工況條件下的水位變化情況，及時發(fā)現(xiàn)問題。結(jié)合類似的基坑開挖降水對鄰近建構(gòu)筑物的安全保護工程經(jīng)驗與模擬計算結(jié)果，建議地下水位降低幅度控制值設(shè)定為2.0 m。當?shù)叵滤幌陆党^2.0 m時應(yīng)立即停止坑內(nèi)降水，同時采取回灌措施以恢復地下水位。

3.3 基坑施工期間地鐵隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測建議

基于基坑開挖施工期間對地鐵3號線隧道結(jié)構(gòu)的影響，可獲得3 號線左線及右線隧道結(jié)構(gòu)在各工況的位移值，以此對地鐵加強監(jiān)測的范圍進行推斷和建議。

本項目基坑最外側(cè)線投影到區(qū)間隧道上的長度約為78.0 m，地鐵3號線隧道的重點監(jiān)測建議范圍如圖13所示，左線與右線的重點監(jiān)測范圍約為130.0 m，對應(yīng)的左線里程為ZDK1+870至ZDK2+000，對應(yīng)的右線里程為YDK1+865 至YDK1+995。根據(jù)國內(nèi)類似地鐵結(jié)構(gòu)安全保護經(jīng)驗的要求，并結(jié)合本工程項目特點和計算分析結(jié)果，建議對基坑開挖期間，提高基坑圍護結(jié)構(gòu)的位移控制要求為基坑水平位移計算值的2 倍，即17.6 mm，隧道結(jié)構(gòu)的位移控制值初步設(shè)定為3.0 mm。

圖13 地鐵隧道加強監(jiān)測建議范圍Fig.13 Suggested Scope of Enhanced Monitoring of Tunnel Structures

4 結(jié)論與建議

通過廣州市某項目中部住宅地塊基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的數(shù)值分析可得到如下結(jié)論：

⑴基坑開挖對其側(cè)下方的地鐵隧道的變形和內(nèi)力均有一定的影響。地鐵側(cè)上方基坑開挖卸荷，使得較近的地鐵隧道發(fā)生向坑內(nèi)側(cè)的水平位移和向上的數(shù)值位移。而較遠的地鐵隧道則由于較近隧道的阻隔作用，基坑開挖對其影響并沒有很顯著。

⑵根據(jù)計算結(jié)果，對于臨近地鐵隧道的基坑不同區(qū)段采用不同的支護方式，針對靠近地鐵隧道的區(qū)段采用加強支護能有效減小基坑開挖引起隧道結(jié)構(gòu)變形，既能夠保證既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的安全，又具有很好的經(jīng)濟效益。

⑶鄰近地鐵隧道側(cè)的支護結(jié)構(gòu)的加強能夠有效地將地鐵隧道變形和內(nèi)力控制在允許范圍之內(nèi)。數(shù)值模擬的方法能夠合理地給出鐵隧道變形監(jiān)測重點監(jiān)測范圍、基坑支護結(jié)構(gòu)和地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形控制值及地下水位控制值。

⑷各條件下地鐵隧道結(jié)構(gòu)的變形與內(nèi)力，由以上分析結(jié)果綜合判斷，認為擬建中部住宅樓地下室基坑開挖期間與項目建成后不危及地鐵3號線隧道的結(jié)構(gòu)安全，不影響地鐵后期的運營。