周萬(wàn)清 曾鋒 葉超

（上海環(huán)源實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司，上海 200063）

0 引言

城市軌道交通周圍一定范圍內(nèi)的基坑開挖、上方加載、樁基施工、市政管線（隧道）穿越施工、基坑降水等，對(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)安全威脅較大[1]。

基坑施工對(duì)附近地鐵隧道和周圍環(huán)境影響方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者作過(guò)較深入的研究?！渡虾Ｊ械罔F沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》（滬市政法 第854 號(hào) 1994 年）（簡(jiǎn)稱《規(guī)定》）給出地鐵保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已有研究主要對(duì)基坑開挖對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響[2-9]，對(duì)軌道交通保護(hù)區(qū)內(nèi)施工安全管理并沒有詳細(xì)規(guī)定。本文采用數(shù)值模擬方法分析隧道單側(cè)基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響，將數(shù)值計(jì)算與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得到基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響規(guī)律。最后，對(duì)保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑項(xiàng)目安全管理等級(jí)進(jìn)行劃分，針對(duì)每個(gè)等級(jí)給出了相應(yīng)的安全管理辦法。

1 單側(cè)基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響分析

1.1 計(jì)算模型

數(shù)值分析采用二維模型，見圖1。模型底部、兩側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，上部為自由邊界，隧道直徑D=6.2 m，寬度200 m，高度100 m，隧道埋深及基坑開挖深度見表3。

1.2 參數(shù)選取

計(jì)算中采用彈性梁?jiǎn)卧M，各梁?jiǎn)卧牟牧咸匦砸姳?。計(jì)算模型土層分為11 層，主要土層物理力學(xué)參數(shù)，詳見表2。

表1 各梁?jiǎn)卧牟牧咸匦?/p>

表2 土體材料特性

1.3 計(jì)算工況

針對(duì)在地鐵隧道一側(cè)開挖基坑，基坑與隧道處于不同水平距離和豎直位置的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，基坑開挖面積為20 m×20 m。單側(cè)基坑開挖計(jì)算工況見表3。

2 單側(cè)基坑開挖對(duì)地鐵隧道的影響結(jié)果分析

2.1 不同水平間距的基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

基坑開挖工況類型用X-YD-ZD 表示，其中X 表示為基坑外邊線與隧道外邊線的水平距離，D 為隧道直徑，Y 和Z 為自然數(shù)。在基坑與隧道的水平間距不同時(shí)，根據(jù)表3，單側(cè)基坑開挖計(jì)算工況將模型工況共分為11 類。圖2 為隧道水平位移與基坑水平間距的關(guān)系圖，正值表示隧道向基坑開挖方向移動(dòng)，負(fù)值相反。

表3 單側(cè)基坑開挖計(jì)算工況

由圖2 可知，當(dāng)基坑與隧道水平距離增大時(shí)，隧道水平位移減小。在基坑開挖深度相同，不同隧道埋深情況下，隧道水平位移值接近，其變化規(guī)律也基本一致。

由圖3 可知，當(dāng)隧道與基坑的水平間距小于3D，并且隧道埋深不小于基坑開挖深度2D 時(shí)，隧道隆起變形；當(dāng)水平間距大于3D 時(shí)，隧道沉降變形；當(dāng)水平間距大于5D 時(shí)，基坑開挖對(duì)隧道豎向位移影響逐漸減小；當(dāng)水平間距為21D 時(shí)，隧道豎向位移均在3 mm 以內(nèi)。

2.2 不同隧道埋深時(shí)基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

在其他條件相同，隧道埋置深度變化時(shí)，根據(jù)表3 單側(cè)基坑開挖計(jì)算工況將模型工況共分為16 類。圖4 和圖5 分別為隧道水平位移和豎直位移隨隧道埋深的變化圖。

由圖4 可得，隧道埋深越大，隧道水平位移越大。開挖深度相同時(shí)，隧道與基坑水平距離越小，隧道水平位移越大。隧道水平位移隨著基坑開挖深度的變大而變大。

由圖5 可得，隧道埋深變大隧道的豎直位移輕微變化。當(dāng)基坑開挖深度越大，隧道與基坑水平距離在某一適當(dāng)位置時(shí)，隧道沉降變形越大。

3 數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)對(duì)比

表4 為蘇州、上海軟土地區(qū)14 個(gè)隧道單側(cè)基坑開挖的工程實(shí)例。

1）開挖深度對(duì)隧道豎向位移的影響

由表4 可知，單側(cè)開挖情況下隧道豎向變形表現(xiàn)為隆起或沉降兩種相反的規(guī)律?；娱_挖深度、隧道埋深、水平距離、有無(wú)加固措施等是影響隧道位移的主要因素。為探究基坑開挖對(duì)隧道豎向變形的影響規(guī)律，提取案例（1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、13） 與 計(jì) 算 工 況（5m-3D-2D、5m-2D-2D、5m-1D-2D）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以開挖深度為橫軸，隧道豎向位移為縱軸繪制散點(diǎn)圖，見圖6。

表4 單側(cè)基坑開挖案例

根據(jù)圖6 可得，當(dāng)開挖深度＞1 時(shí)，隧道位移均是負(fù)值；當(dāng)開挖深度大于隧道頂部埋深時(shí)，隧道表現(xiàn)為沉降。當(dāng)開挖深度≤1 時(shí)，隧道位移均是正值，開挖深度小于或等于隧道頂部埋深時(shí)，隧道表現(xiàn)為隆起。對(duì)比可得，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

2）基坑與隧道的最小水平距離對(duì)隧道豎向位移的影響

為探究基坑與隧道的最小水平距離對(duì)隧道位移的影響，取案例2、3、4、5、10、11、13，繪制距離隧道最小水平距離與隧道豎向位移的關(guān)系圖，見圖7。

根據(jù)圖7 可得，水平距離變大，豎向位移減小；當(dāng)水平距離達(dá)到20 m 以上時(shí)，豎向位移減小緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 軌道交通保護(hù)區(qū)基坑項(xiàng)目安全管理

根據(jù)《規(guī)定》將軌道交通保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑項(xiàng)目安全管理等級(jí)分為1 級(jí)、2 級(jí)和3 級(jí)。1 級(jí)項(xiàng)目重點(diǎn)控制，2 級(jí)項(xiàng)目一般控制，3 級(jí)項(xiàng)目稍作控制。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑項(xiàng)目安全管理分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4.1 單側(cè)開挖基坑安全管理分級(jí)

采用隧道與基坑的水平距離及基坑開挖深度作為主控因素進(jìn)行基坑管理定級(jí)，并以不同隧道開挖深度時(shí)地鐵隧道的最大變形值作為評(píng)價(jià)參數(shù)。根據(jù)地鐵隧道的水平位移和豎直位移對(duì)基坑管理進(jìn)行分級(jí)，見表6。取表6 中水平位移值與豎直位移值中安全管理等級(jí)較高者作為單側(cè)開挖基坑安全管理等級(jí)，見表7。

表6 以水平位移和豎直位移為標(biāo)準(zhǔn)的單側(cè)開挖基坑安全管理等級(jí)

表7 單側(cè)開挖基坑安全管理等級(jí)劃分

4.2 基坑工程項(xiàng)目安全管理方法

針對(duì)不同安全管理級(jí)別的基坑項(xiàng)目提出相應(yīng)的安全管理方法見表8。

表8 基坑工程項(xiàng)目安全管理方法

5 結(jié)論與建議

1）通過(guò)數(shù)值分析探討了單側(cè)基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，并將計(jì)算結(jié)果同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，得到規(guī)律一致。即，基坑距離隧道結(jié)構(gòu)水平距離在3.8 m ～25 m，開挖深度在7 m ～25 m，基坑開挖深度大于隧道頂部埋深時(shí)，隧道表現(xiàn)為沉降，開挖深度小于（等于）隧道頂部埋深時(shí)，隧道表現(xiàn)為隆起。

2）根據(jù)《規(guī)定》，得到保護(hù)區(qū)內(nèi)基坑項(xiàng)目安全管理分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)地鐵隧道單側(cè)基坑開挖項(xiàng)目安全管理等級(jí)進(jìn)行劃分，并給出各管理級(jí)別對(duì)應(yīng)的安全管理方法。

3）本文僅對(duì)單側(cè)基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析，后續(xù)研究中可對(duì)雙側(cè)和上方基坑開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行分析。