楊軍， 陳炎， 程晏， 趙華偉

（1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司技術(shù)創(chuàng)新研究院分公司，北京 100044；2.地鐵運(yùn)營安全保障技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

0 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程加快，尤其是在“十二五”與“十三五”期間，國家GDP總量快速增長，許多城市人口總量不斷攀升，社會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的需求也越來越高。近年來，城市基礎(chǔ)設(shè)施也不斷更新，建設(shè)規(guī)模有很大程度的提高。以地鐵、輕軌為主要建設(shè)制式軌道交通線網(wǎng)發(fā)展速度極快，如今在東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，許多城市交付運(yùn)營的線路里程已達(dá)上百公里，形成的較大線網(wǎng)規(guī)模，加上正在建設(shè)的線路，其規(guī)模甚至已接近發(fā)達(dá)國家水平，在不久的將來有趕超的趨勢。由于城市軌道交通，尤其是運(yùn)量較大的地鐵，線網(wǎng)往往敷設(shè)在人口集中的中心城區(qū)，在近些年城市化進(jìn)程加快的過程中，緊張的城市土地資源與日益增長的建設(shè)用地需求形成了相當(dāng)矛盾，以至于“拆舊建新”成了目前大多數(shù)城市解決用地緊張，推動(dòng)城市更新的主要方式。對(duì)于中心城區(qū)的建設(shè)項(xiàng)目，尤其是地下空間開發(fā)建設(shè)項(xiàng)目，其場地則越來越多與臨近的已建成地鐵項(xiàng)目發(fā)生沖突，這樣的空間沖突成為了當(dāng)前城市建設(shè)中不可避免的現(xiàn)象，也使得許多建設(shè)項(xiàng)目將進(jìn)入地鐵保護(hù)區(qū)范圍開展施工活動(dòng)。所以，對(duì)地鐵車站及區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)工作及相關(guān)研究也亟待推進(jìn)，需形成集設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、監(jiān)測以及安全評(píng)價(jià)為一體的綜合性協(xié)助工作機(jī)制。新建項(xiàng)目在開展建設(shè)工作前重點(diǎn)需求一種工程實(shí)施方案，既能對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)形成有效保護(hù)措施，又能在建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)投資上可行。文中以某城市地下空間開發(fā)項(xiàng)目為工程實(shí)施案例，將其臨近軌道交通盾構(gòu)區(qū)間隧道的建設(shè)活動(dòng)為研究依托，借助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，將有限元數(shù)值分析作為本案例的研究手段，旨在對(duì)基坑開挖和結(jié)構(gòu)回筑各個(gè)施工步序引起的周邊土體變形，從而可能對(duì)臨近地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)的安全性影響進(jìn)行分析，取得各施工階段的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地鐵結(jié)構(gòu)的變形位移結(jié)果及相關(guān)發(fā)展變化規(guī)律，總結(jié)該擬建項(xiàng)目基坑工程開挖時(shí)所采取的針對(duì)性保護(hù)措施，以及方案實(shí)施對(duì)土體變形的控制效果，以評(píng)判該工程項(xiàng)目建設(shè)過程中地鐵區(qū)間隧道安全性，希望為后續(xù)類似工程提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

項(xiàng)目位于某市一道路交叉口的西南側(cè)，建設(shè)主樓主體結(jié)構(gòu)為地上29層，地下2層，周邊配套裙房地上5層，主樓建筑總高度97m。地下空間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)支撐支護(hù)體系采用圍護(hù)樁+三軸攪拌樁止水帷幕+預(yù)應(yīng)力裝配式內(nèi)支撐的體系，與地鐵相鄰側(cè)采用1000@1300mm 鉆孔樁+850@600mm 三軸攪拌樁，樁底插到隧道底板以下1.3m?；颖眰?cè)與某市地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道相鄰，該地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)外邊線距基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)外輪廓水平凈距離為5.6～7.4m，基坑在長度方向約450m與該地鐵區(qū)間平行。既有地鐵區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)法施工方法建成，所有區(qū)間結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)裝配式盾構(gòu)管片，最終將以單層襯砌運(yùn)營。管片成型外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片結(jié)構(gòu)厚度0.35m，環(huán)寬1.2m，錯(cuò)縫拼裝。左右兩線盾構(gòu)隧道中心線間距為12m，臨近基坑一側(cè)盾構(gòu)隧道平面曲線半徑為450m，線路縱向?yàn)槠露葹?3.3‰（向下）過度到4.701‰（向上），線路最低點(diǎn)設(shè)置有聯(lián)絡(luò)通道兼做排水泵站，盾構(gòu)隧道在場地內(nèi)主要穿越的土層為黏土、全風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化石灰?guī)r，隧道頂部埋深為17.5～19.5m，如圖1所示。

圖1 工程總平面圖

文中研究基坑工程對(duì)臨近地鐵隧道安全性影響，主要是借助有限元計(jì)算軟件對(duì)擬建項(xiàng)目地下空間開挖基坑、隧道及場地地質(zhì)環(huán)境的建立計(jì)算模型，通過對(duì)模擬計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行整理分析，并結(jié)合以往研究和工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，旨在判斷基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及施工中擬采取的地鐵隧道保護(hù)措施，是否安全可行。

1.2 地質(zhì)概況

場地范圍內(nèi)豎向工程地質(zhì)土層情況分布主要有：黏土、全風(fēng)化頁巖、中風(fēng)化石灰?guī)r，盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)頂部埋置深度范圍17.5～19.5m見圖2。

圖2 地質(zhì)縱剖面圖

1.3 隧道變形控制指標(biāo)

（1） 根據(jù)設(shè)計(jì)施工步序及施工組織設(shè)計(jì)中各項(xiàng)安排，案例中基坑工程土方開挖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑施工期間，臨近地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道已完成掘進(jìn)施工和管片拼裝，但尚未完成鋪軌及調(diào)線調(diào)坡工作，未進(jìn)入運(yùn)營階段。結(jié)合相關(guān)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范和地鐵結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，初步擬定文中區(qū)間隧道變形控制指標(biāo)［1］。

（2） 根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，地鐵既有結(jié)構(gòu)變形控指標(biāo)應(yīng)注重考慮與工程相關(guān)的多方面因素綜合確定，比如所研究的隧道所處線路位置、地質(zhì)情況、區(qū)間結(jié)構(gòu)形式、建設(shè)或使用年限等，并結(jié)合擬建工程與臨近區(qū)間的相對(duì)空間位置關(guān)系，以及現(xiàn)狀工程情況、限界空間測量結(jié)果、隧道使用指標(biāo)要求等［2］。綜合上述各方面因素，確定滿足文中案例隧道結(jié)構(gòu)將來使用需求及安全性的變形主控指標(biāo)值見表1，另外，依據(jù)相關(guān)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗(yàn)，地鐵結(jié)構(gòu)的變形速率亦可作為安全性判斷的重要指標(biāo)，地鐵結(jié)構(gòu)在臨近工程施工活動(dòng)影響下的平均變形速率控制值一般≤0.06mm/d［3］。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)安全性主控指標(biāo)

2 三維模型有限元數(shù)值計(jì)算分析

2.1 擬建工程基坑與既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)空間位置關(guān)系

擬建工程場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜，除臨近地鐵隧道結(jié)構(gòu)外，還涉及其他建（構(gòu)）筑物及地下市政管線需要保護(hù)?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)體系采用圍護(hù)樁+三軸攪拌樁止水帷幕+預(yù)應(yīng)力裝配式內(nèi)支撐的體系，與地鐵相鄰側(cè)采用采用1000@1300mm 鉆孔樁+850@600mm 三軸攪拌樁，樁底插到隧道底板以下1.3m。

內(nèi)支撐豎向設(shè)置兩道，在基坑西南側(cè)角部兩道撐均采用鋼筋混凝土平面桁架支撐體系，其余支撐均采用鋼桁架體系支撐及角撐。地面標(biāo)高為-0.9m，第一層支撐中心標(biāo)高為-3.5m，第二道支撐中心標(biāo)高為-8.5m，坑底標(biāo)高為-13.4m。

地下水處理方案為，對(duì)開挖深度范圍內(nèi)的潛水采用管井降水并結(jié)合明排，地下水應(yīng)降至開挖面以下0.50～1.00m，并設(shè)置明溝排水。對(duì)局部灰?guī)r分布位置的巖溶承壓水設(shè)置基巖水減壓井，將巖溶水位降至坑底下不少于0.5m。

圖3 基坑工程結(jié)構(gòu)平面布置

圖4 基坑與臨近地鐵豎向剖面關(guān)系

2.2 計(jì)算軟件和模型的確定

文中模擬數(shù)值計(jì)算分析，采用MIDAS大型數(shù)值分析系列軟件中的GTS板塊，作為行業(yè)內(nèi)較為成熟的大型巖土工程及隧道結(jié)構(gòu)三維數(shù)值技術(shù)分析軟件，其相應(yīng)建模原理能夠很好的模擬地下工程中各結(jié)構(gòu)與相鄰?fù)翆拥刭|(zhì)單位之間的相互作用效應(yīng)，將施工過程中加載和卸載引起的地層應(yīng)力狀態(tài)較為準(zhǔn)確的進(jìn)行模擬還原。近幾年，MIDAS/GTS已經(jīng)大量的成功應(yīng)用于地下工程的設(shè)計(jì)和研究中，并經(jīng)過實(shí)際工作的實(shí)踐檢驗(yàn)，具有很好的模擬和分析效果。

為了充分考慮模型在軟件計(jì)算分析中的精度和計(jì)算效率，參考以往工程研究經(jīng)驗(yàn)和軟件說明的建議，模型的水平和豎向建模范圍和邊界宜取基坑深度的3～5倍，以此距離作為計(jì)算模型的最外邊界到基坑開挖邊線距離。根據(jù)上述建模原則，文中案例模型的尺寸：長×寬×高=675m×330m×55m。模型最終生成結(jié)構(gòu)和土層單元節(jié)點(diǎn)91463 個(gè)，實(shí)體單元和結(jié)構(gòu)單元共221951個(gè)。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，將土體豎向自上而下分成7層，土層建模采用六面體單元即混合網(wǎng)格模擬，本構(gòu)模型采用土層修正M-C模型，等效簡化后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)管片擬選用結(jié)構(gòu)板殼單元（shell element），基坑內(nèi)支撐和立柱支撐體系梁單元（beam element）進(jìn)行模擬。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的混凝土鉆孔灌注樁和支撐體系中的預(yù)應(yīng)力裝配式魚腹梁，可依據(jù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度等效原則進(jìn)行簡化為墻體，以板殼單元模擬。建模過程中需要將魚腹梁抗彎剛度E1I1轉(zhuǎn)換為圍護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度E2I2。首先利用已知的魚腹梁的截面尺寸，可以求出其對(duì)應(yīng)的慣性矩I1，再代入鋼材的彈性模量，可求出魚腹梁的抗彎剛度；再代入已知的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性模量E2，將兩者參數(shù)按抗彎剛度等效的原則，代入公式可以求出圍護(hù)墻模型的慣性矩I2=（E1I1）/E2，最后再代入公式I2=（bh3）/l2，隨即，可求出折算后的圍護(hù)墻體（shell element）的厚度h［4］。格構(gòu)柱和平面桁架組成的支撐體系，可依照軸向剛度等效原則，將其簡化為實(shí)腹式桿件結(jié)構(gòu)在計(jì)算中進(jìn)行模擬。

2.3 施工步序模擬

文中案例在計(jì)算分析中嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件和施工現(xiàn)場進(jìn)度實(shí)施計(jì)劃，進(jìn)行模擬基坑開挖及內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)施作的步序，具體見圖6流程示意圖。

圖5 計(jì)算模型

圖6 施工模擬步序簡化示意圖

2.4 三維有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

基坑土層開挖和內(nèi)支撐架設(shè)主要分為豎向3 層，第1 步基坑開挖深度3.6m，隨即施做第一道內(nèi)支撐，第2步基坑開挖深度5m，隨即施做第二道內(nèi)支撐，第3步開挖深度3.9m，即開挖至基坑底部，基坑坑底最終相對(duì)標(biāo)高-12.5m?；觾?nèi)部設(shè)置兩道支撐。通過整理結(jié)算結(jié)果，形成了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和既有區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的變形云圖。

通過整理數(shù)據(jù)，分析得到圖7～圖10結(jié)果。圖7顯示基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)基坑中部向基坑內(nèi)側(cè)變形最大，基坑兩側(cè)由于角部空間效應(yīng)較好，變形也較小。另外，根據(jù)文中圖7分析結(jié)果，可知，隨著基坑施工進(jìn)度推進(jìn)，土層開挖的深度加深，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的附加水平位移數(shù)值也隨之增大，當(dāng)基坑開挖完成，施工至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高后，在結(jié)構(gòu)底板施工前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)附加水平方向位移將達(dá)到整個(gè)施工過程總的最大值，工程案例最大值為14.4mm，根據(jù)圖中結(jié)果顯示，該最大變形出現(xiàn)的位置在坑底附近。圖8、圖9 區(qū)間結(jié)構(gòu)在豎向及水平向變形云圖，其結(jié)果顯示的區(qū)間結(jié)構(gòu)變形所在最不利區(qū)域，與圖5所示相符合，印證了前期預(yù)估的判斷。根據(jù)圖9 所示結(jié)果可知，文中案例中地鐵盾構(gòu)區(qū)間垂直Z方向變形呈向上的隆起趨勢，最大變形位置值為5.2mm，水平Y(jié) 方向變形呈現(xiàn)出向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)，最大值移位置為2.3mm。造成上述位移趨勢的原因主要是由于盾構(gòu)區(qū)間隧道所處場地存在臨近基坑開挖施工活動(dòng)，且基坑位置位于盾構(gòu)區(qū)間斜上方，土層開挖引起了地層缺失，對(duì)區(qū)間隧道造成了一定卸載效應(yīng)，在不均衡的地應(yīng)力作用下，區(qū)間結(jié)構(gòu)在最不利區(qū)域產(chǎn)生了較為明顯的向上浮和向側(cè)移的位移趨勢［4］。圖10給出的地面沉降曲線呈現(xiàn)湯勺樁，反應(yīng)出基坑開挖施工引起的基坑邊坡臨近地表沉降曲線與以往工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)和研究規(guī)律相符合［5］。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖（Y方向）

圖8 隧道結(jié)構(gòu)水平位移云圖（Y方向）

圖9 隧道結(jié)構(gòu)豎向位移云圖（Z方向）

圖10 基坑邊坡后地表沉降曲線

分析圖11 和圖12 可得結(jié)論，基坑工程施工活動(dòng)引起臨近地鐵隧道變形情況，在最不利區(qū)域的結(jié)構(gòu)變形位移數(shù)值最大；而遠(yuǎn)離最不利區(qū)域的位置，施工引起盾構(gòu)區(qū)間隧道附加水平和豎向位移呈現(xiàn)出隨著距離增大變形位移越來越小的趨勢。上述圖中呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)位移變形數(shù)值和趨勢都在地鐵結(jié)構(gòu)相關(guān)保護(hù)規(guī)范所規(guī)定的控制指標(biāo)允許值范圍內(nèi)，由此可得結(jié)論，文中所研究案例設(shè)計(jì)的基坑施工對(duì)臨近區(qū)間隧道造成變形在可控范圍內(nèi)，不會(huì)影響地鐵區(qū)間隧道安全。通過查閱和分析資料，本案例涉及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形趨勢和數(shù)值均滿足相關(guān)規(guī)范對(duì)變形控制值的要求［7，8］。

圖11 基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道附加水平位移（Y向）

圖12 基坑開挖對(duì)區(qū)間隧道附加豎向位移（Z向）

3 結(jié)語

文中通過對(duì)擬建工程案例模擬計(jì)算，并對(duì)技術(shù)結(jié)果進(jìn)行整理分析，與相關(guān)規(guī)范要求和以往工程實(shí)例及研究經(jīng)驗(yàn)結(jié)論相對(duì)比，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1） 文中所分析研究的實(shí)際工程案例，其涉及的大型地下空間基坑開挖整個(gè)實(shí)施過程，施工活動(dòng)造成區(qū)間隧道在水平方向上產(chǎn)生2.3mm 的最大附加位移值，另外在垂直方向上產(chǎn)生了5.3mm的最大附加位移值，兩個(gè)方向的附加位移值均在10mm范圍內(nèi)，因此可判定其影響均能控制在可接受的范圍內(nèi)。

（2） 通過分析計(jì)算結(jié)果，可知文中所研究的地鐵盾構(gòu)區(qū)間在豎向和水平向變形值，均在前文所述地鐵結(jié)構(gòu)安全性主控指標(biāo)表格所給出控制值內(nèi)。所以可以判定，在文中所述案例施工期間，其所采取的支護(hù)和加強(qiáng)措施能夠保證臨近地鐵隧道處于安全狀態(tài)。

（3） 大型地下工程施工時(shí)，其基坑開挖所形成的地層缺失，會(huì)造成明顯的卸載效應(yīng)，從而引起邊坡背后土體發(fā)生變形，隨著變形傳遞，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致周邊臨近建（構(gòu)）筑物及地下管線變形，包括文中所述地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的較為明顯的向上浮和側(cè)移的位移趨勢。所以在前期設(shè)計(jì)、基坑施工組織、監(jiān)測布點(diǎn)等均需要重點(diǎn)關(guān)注此項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，把其列為施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制要點(diǎn)。除了對(duì)隧道結(jié)構(gòu)本身采取加強(qiáng)措施，還需對(duì)變形影響的源頭采取措施，即基坑本身的支護(hù)結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，成功的工程經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果顯示，有針對(duì)性的對(duì)基坑圍護(hù)和支撐體系整體剛度采取加強(qiáng)措施，如采用混凝土桁架內(nèi)支撐體系，減小基坑支護(hù)體系本身變形，以及在基坑與地鐵區(qū)間隧道之間設(shè)置雙排樁，形成變形隔離裝置，增加變形隔離效益，均能有效保證變形控制指標(biāo)在控制值范圍內(nèi)。