鮑新杰

（江蘇龍騰工程設計股份有限公司宜興分公司，江蘇 無錫 214200）

0 引言

隨著城市化進程的加快，我國對于地下空間的開發(fā)與利用不斷提高，基坑工程的規(guī)模也在不斷朝向更大、更深發(fā)展[1]?；庸こ坛３霈F(xiàn)在城市建（構(gòu)）筑物密集區(qū)，而地鐵作為緩解城市交通壓力最重要最有效的途徑之一，更是穿梭于城市內(nèi)各個區(qū)域，這就使得擬建基坑工程在既有地鐵區(qū)間隧道周邊施工的現(xiàn)象時有發(fā)生，而基坑開挖時勢必改變土體應力平衡，對周邊地鐵隧道產(chǎn)生或大或小的影響。因此，控制基坑開挖對地鐵的影響，并制定相關保護措施，對地鐵的安全運營以及基坑的正常施工十分重要。

數(shù)值模擬分析計算作為一種隨著計算機的發(fā)展而不斷發(fā)展且逐漸成熟的分析方法，現(xiàn)已被廣泛應用于基坑工程開挖對周圍環(huán)境的影響研究中[2-5]。佘格格[6]研究了深基坑開挖對鄰近地鐵線路的影響，分析了地表變形規(guī)律，確定了地鐵軌道的最大沉降值；胡健等[7]開展了基坑開挖對周邊高速公路變形的影響研究，結(jié)果表明，基坑開挖對高速公路坡腳變形的影響可以忽略。

以常州市青果巷一處實際基坑工程為背景，借助PLAXIS 3D有限元分析軟件，研究該基坑工程開挖對鄰近既有地鐵區(qū)間隧道的影響，并根據(jù)實際工程特點，制定相應的保護措施。

1 工程概況

某基坑工程位于常州市青果巷，基坑開挖深度約為-10.5m，開挖面積約為3300m2，基坑北側(cè)靠近史良故居，最近距離為4.6m，東側(cè)距離地鐵隧道最近約13m，地鐵隧道頂部埋深約為16m，隧道直徑為6.2m，兩條地鐵隧道線的中心距離為14m。

基坑圍護結(jié)構(gòu)形式采用鉆孔灌注樁作為支擋結(jié)構(gòu)，外側(cè)布置三軸攪拌樁作為止水帷幕，隔斷淺部承壓含水層，同時基坑內(nèi)部設置一道水平混凝土支撐。淺部卸土1.5m，采用直立250mm厚混凝土擋墻支擋，圍護結(jié)構(gòu)選用鉆孔灌注樁，樁徑900mm，樁間距1100mm。止水帷幕采用三軸水泥土攪拌樁，樁徑850mm，間距1200mm，樁長18.2m。冠梁尺寸0.8m×1.2m，內(nèi)支撐尺寸0.8m×1.0m。調(diào)查期間，穩(wěn)定地下水水位約為-2.9m。

2 有限元模型

在實際設計中基坑工程經(jīng)常被簡化為平面應變問題，但實際上基坑開挖是一個典型的空間問題。故借助巖土工程分析軟件PLAXIS 3D，采用小應變土體硬化模型對基坑工程進行三維建模，土體參數(shù)按照現(xiàn)有相關研究選取[8]。為了最大限度地消除模型邊界效應[9]，將模型尺寸設定為300m×300m×50m；圍護樁厚度等效為1m，彈性模量為33.5×106MPa；地鐵隧道厚度為0.35m，彈性模量為34.5×106MPa；冠梁及內(nèi)支撐的彈性模量均為3×107MPa。有限元模型通過網(wǎng)格劃分共生成120682 個單元和182509 個節(jié)點。建立的三維有限元模型如圖1所示。

圖1 三維計算模型

此外，本次計算步驟按照實際施工工藝進行設置，具體包括11個步驟。

步驟1：計算初始地應力，該計算步采用K0過程生成；

步驟2：位移清零，以消除生成地應力時產(chǎn)生的初始位移，并模擬地鐵施工；

步驟3：模擬基坑圍護結(jié)構(gòu)施工，同步激活板單元正、負界面，同時由于實際條件下，地鐵區(qū)間隧道早已建成，此時地應力處于平衡狀態(tài)，因此應再次進行位移清零，消除施工地鐵隧道時產(chǎn)生的附加位移；

步驟4：坑內(nèi)降水至2.4m標高，施工臨時擋墻；

步驟5：基坑開挖至2.9m標高；

步驟6：模擬基坑冠梁及支撐結(jié)構(gòu)施工，支撐標高為2.9m；

步驟7：再次進行坑內(nèi)降水至-6m標高，底部土體水力條件設置為內(nèi)插；

步驟8：開挖至基坑坑底，即-5.35m標高；

步驟9：模擬地下室底板施工；

步驟10：繼續(xù)向上施工地下室樓板及結(jié)構(gòu)柱；

步驟11：拆撐。

3 計算結(jié)果分析

圖2給出了在步驟8時，地鐵隧道結(jié)構(gòu)豎向和水平位移云圖，此時地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移值達到最大?？梢钥闯觯淼雷?、右線的變形趨勢相似：在垂直方向上，主要是隆起，在水平方向上，主要是朝向基坑方向的變形。當基坑開挖到坑底時，隧道左線的最大豎向隆起為2.2mm，最大水平位移約3mm，右線的變形比左線的變形小，右線的最大豎向隆起為1.1mm，最大水平位移約1.5mm。顯然，基坑開挖對隧道水平變形的影響比垂直變形更明顯。左線的變形大于右線的變形，說明影響程度與基坑距離有關。此外，從圖2中還可以得出，隧道的變形與隧道相對于基坑部位的位置有關，即地鐵隧道的最大變形發(fā)生在基坑中部附近，沿隧道長度方向離基坑越遠，變形越小。

圖2 步驟8時地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

根據(jù)有限元計算結(jié)果，經(jīng)分析計算，基坑施工主要步驟下地鐵隧道位移、最大徑向收斂和最小曲率半徑結(jié)果匯總情況見表1?；邮┕ひ鸬乃淼澜Y(jié)構(gòu)附加隆沉量和水平位移量均小于10mm，滿足規(guī)范變形控制要求[10]，隧道結(jié)構(gòu)局部變形最小曲率半徑5×106m，大于15000m。基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響在安全可控的范圍內(nèi)，本次基坑支護方案及施工工藝是合理有效的。

表1 地鐵隧道變形結(jié)果匯總

4 保護措施建議

為減小基坑開挖對鄰近地鐵區(qū)間隧道的影響，保證隧道結(jié)構(gòu)的安全性，根據(jù)實際情況，給出下列相關保護措施建議：

（1）施工中應注意灌注樁、攪拌樁及高壓旋噴樁施工對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，必要時應控制施工速度。嚴格按照設計工序，先完成攪拌樁封閉，再施工灌注樁，最后施工旋噴樁。在攪拌樁和旋噴樁施工期間，監(jiān)測頻率應加密至1次/d。

（2）建議基坑按照分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時的方法確定開挖順序，先開挖遠隧道側(cè)，并在近隧道側(cè)10m范圍內(nèi)預留土，以減小對地鐵隧道的影響。

（3）基坑開挖范圍內(nèi)涉及粉土和粉砂層中的微承壓水。施工前應進行抽水試驗，確保止水帷幕有效性后方可開挖。土方施工過程中，要確保基坑內(nèi)外排水的連續(xù)運行，降水井按需降水?？油鈭龅匮鼗娱_挖設置環(huán)繞閉合的明溝排水系統(tǒng)，施工期間應加強坑外水文井觀測，確保止水帷幕有效性。

5 結(jié)束語

基于小應變土體硬化模型，借助PLAXIS 3D 有限元分析軟件，對深基坑開挖引起的鄰近既有地鐵區(qū)間隧道的變形展開研究，并制定系列保護措施建議，得到以下結(jié)論：

（1）地鐵區(qū)間隧道受基坑影響的程度與其距基坑的距離有關，靠近基坑的地鐵線路位移要大于遠離基坑的地鐵線路位移，水平位移值大于豎向位移值，且沿著隧道長度方向，位移值向兩端逐漸減??；地鐵隧道最大變形發(fā)生在基坑中部附近。

（2）從隧道位移量、最小曲率半徑多角度分析，基坑施工對鄰近地鐵隧道的影響均在安全可控的范圍內(nèi)，認為采取的支護方式及施工工藝是合理有效的。

（3）為了進一步保證地鐵區(qū)間隧道的安全性，從各類支護樁施工、基坑開挖方式及預降水角度提出進一步的保護措施建議，相關建議可應用于其他類似工程中。