楊罡 YANG Gang

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司城市軌道交通設計研究院，西安 710043）

1 研究背景

伴隨著我國城市化進程和軌道交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量深基坑工程位于地鐵運營結構保護區(qū)范圍內，針對基坑工程緊鄰運營地鐵線路的情況，國內外專家進行了大量研究論證并取得了一系列研究成果。如吳龍梁等[1]對軟土地層深基坑開挖對地鐵隧道變形影響進行實測和分析。武永康等[2]依托實際工程，對在不利工程條件下的深基坑開挖對周圍土體水平位移變化規(guī)律和既有地鐵隧道變形規(guī)律進行了分析。何忠明等[3]依托廣州地鐵11 號線基坑工程，對基坑降水開挖及回填過程中臨近地鐵隧道和地下連續(xù)墻的變形規(guī)律進行分析。

近年來，眾多學者對基坑開挖臨近地鐵隧道展開系列研究并取得了一定成果。但是針對黃土地區(qū)給排水工程深基坑開挖及運營階段對臨近地鐵隧道影響方面的研究仍有待完善。黃土地區(qū)深基坑工程開挖具有施工環(huán)境復雜多變、施工技術復雜、不可遇見風險因素多、工程事故造成損失大等特點。本文以西安某排水項目深基坑工程臨近地鐵四號線大雁塔站～大唐芙蓉園區(qū)間為依托，依靠數(shù)值模擬、實地監(jiān)測等手段，對分段基坑開挖及排水工程運營反復蓄水過程對地鐵隧道影響規(guī)律，深基坑支護結構的合理性、數(shù)值模擬與實際監(jiān)測結果的吻合性等展開研究。

2 工程概況

西安某排水項目泵站基坑南北向長度約72.7m，東西向長度約14.2/21m，基坑設計深度為15.07～21.35m。擬建泵站基坑工程開挖邊線與隧道正線結構最小水平凈距為20.33m，其中基坑施工需破除豎井橫通道局部結構（6.8m×0.78m），出水箱涵基坑工程位于隧道正線結構正上方，最小豎向凈距約為11.83m。出水箱涵基坑長度約98m，基坑寬度11.9m，基坑深度約4.02～4.68m。位置關系如圖1所示。

圖1 項目基坑與區(qū)間隧道平面關系

泵站主基坑采用坑內降水+圍護樁+內支撐+止水帷幕，支護采用五道內支撐和換撐，樁徑1000mm，樁間距1500mm，樁長27m，止水帷幕采用高壓旋噴樁成樁直徑700mm，搭接350mm。出水箱涵上跨地鐵段采用放坡+土釘+掛網(wǎng)素噴砼支護形式，放坡坡率為1:0.3，土釘：水平間距1.3m，長9m，孔徑120，鋼筋1 根直徑18mm，傾角10°；基底采用高壓旋噴樁進行預加固，加固范圍豎向3m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探結果，勘察場地地地層在20.0m 深度范圍內主要由①雜填土、②黃土、③古土壤、④黃土等地層構成。地下水均屬潛水類型，主要以大氣降水和地下徑流補給為主，以地下徑流和人工開采排泄為主。地下水位年變幅約2m。

3 泵站基坑開挖時對臨近已運營地鐵隧道數(shù)值計算分析

3.1 三維數(shù)值模型建立

為了定量分析擬建項目泵站基坑開挖時既有軌道交通結構的安全影響，根據(jù)工程經驗，模型尺寸為155m×143m×55m（長×寬×高），巖土體本構模型采用修正摩爾-庫倫彈塑性本構模型，結構體均采用線彈性本構模型。根據(jù)詳細勘察報告各土層物理力學參數(shù)指標推薦值，確定的數(shù)值模擬參數(shù)如表1 所示。迭代計算方法采用Newton-Raphson 法，收斂標準采用力和位移雙重收斂標準。最終建立的有限元模型如圖2 所示。

表1 巖土力學參數(shù)表

表2 監(jiān)測結果對比

圖2 泵站基坑段三維數(shù)值模擬模型軸側視圖

為確保計算結果合理，數(shù)值計算全過程模擬分析施工過程對既有結構的影響，主要工況如下：①將坑內降水至基坑底部1m。②開挖至-2m 施做第一道支撐。③開挖至-6.7m 施做第二道支撐。④開挖至-11.9m 施做第三道支撐。⑤開挖至-17.5m 施做第四道支撐。⑥開挖至-20m 施做第五道支撐。⑦開挖至-21.35m（坑底）。⑧施做泵房底板及側墻拆除第五道撐。⑨施做泵房中板拆除第四道撐、換撐。⑩施做負一層側墻及頂板拆除第三、第二、第一道撐。

3.2 數(shù)值計算結果及分析

①地層變形分析：基坑開挖后，基坑底部出現(xiàn)隆起和水平位移；降水后地層變形主要表現(xiàn)為豎向沉降，最大沉降值為9mm；整個施工過程，基坑周邊地層出現(xiàn)了最大12.2mm 的沉降，地層水平位移最大達到了17.1mm。同時對地層總位移進行包絡分析，根據(jù)地層總位移包絡面可知，各施工步過程地層位移大于5mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結構，部分施工步地層位移大于2mm 的區(qū)域已覆蓋地鐵隧道結構。（圖3）

圖3 各施工步地層位移包絡面

②圍護結構及既有4 號線地鐵結構位移分析：如圖4所示，三維模型顯示：在基坑挖至基坑底、拆撐施作底板側墻時結構變形最大。基坑開挖完成后，支護結構的最大豎向位移出現(xiàn)在基坑東側，最大沉降值為13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地鐵結構位移隨基坑開挖深度不斷變大，基坑開挖至底部時位移最大；基坑開挖完成后，既有地鐵結構的最大豎向位移出現(xiàn)在豎井橫通道處，最大值為豎向2.34mm；水平位移最大值為3.83mm。

圖4 各施工步結構最大位移云圖

4 泵站結構蓄水、排水對區(qū)間隧道結構影響

4.1 三維數(shù)值模型建立

進一步分析泵站運營狀態(tài)即反復蓄水與排空過程對既有區(qū)間隧道結構的影響，建立的有限元模型如圖5 所示。

圖5 泵站排空（蓄水）狀態(tài)數(shù)值模型

4.2 數(shù)值計算結果分析

模擬計算了2 次蓄水2 次排水工況，根據(jù)地層總位移包絡面可知，兩次蓄水過程地層位移大于1mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結構，部分施工步地層位移大于0.5mm的區(qū)域已覆蓋地鐵隧道結構。兩次蓄水過程既有隧道結構豎向最大為0.71mm，水平位移最大值為0.67mm，均不大于1mm。（圖6-圖7）

圖6 泵站蓄水、排水狀態(tài)地層包絡位移

圖7 泵站蓄水、排水狀態(tài)隧道結構最大位移云圖

5 現(xiàn)場監(jiān)測

根據(jù)本工程的特點，監(jiān)測范圍應包含本項目自身基坑監(jiān)測及地鐵區(qū)間隧道結構、軌道監(jiān)測。結合基坑影響范圍及三維數(shù)值計算結果，對地鐵隧道監(jiān)測采用自動化監(jiān)測，監(jiān)測范圍隧道總長130m。

主要監(jiān)測結果如下：整個施工過程，基坑周邊地層最大豎向9.15mm 的沉降，地層水平位移最大達到了17.1mm。既有地鐵隧道結構的最大豎向位移2.06mm；水平位移最大值為3.52mm。對比數(shù)值模擬結果，兩者數(shù)據(jù)相差較小，吻合度較高，誤差分別為21%、16%、28%、26%。

6 結論

①建立了三維有限元模型，得到了基坑分步開挖后的地層變形規(guī)律，基坑開挖后基坑底部出現(xiàn)隆起和水平位移，降水引起的地形變形主要為豎向沉降。各施工步過程地層位移大于5mm 的區(qū)域均未覆蓋地鐵隧道結構，基坑周邊最大地形沉降為12.2mm，最大水平位移為17.1mm。②數(shù)值模擬和監(jiān)測結構顯示，本工程采取的圍護樁+內支撐+止水帷幕的支護體系可有效控制地層變形，結構的最大豎向位移出現(xiàn)在基坑東側，最大沉降值為13.01mm；水平位移最大值17.30mm。既有地鐵結構的最大豎向位移出現(xiàn)在豎井橫通道處，最大值為豎向2.34mm；水平位移最大值為3.83mm?；又ёo結構自身以及引起的隧道結構變形均滿足制定的變形標準及規(guī)范要求。③通過數(shù)值模擬，分析了泵站建成運營反復蓄水過程對地鐵隧道影響，兩次蓄水過程既有隧道結構豎向最大為0.71mm，水平位移最大值為0.67mm，運營期間產生的附加荷載對地鐵結構影響極小。④對監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結果進行對比，驗證了數(shù)值模擬方法的準確性，地層沉降和地鐵隧道沉降誤差僅為21%、28%。