劉 亞

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，不可避免會(huì)在城市軌道交通沿線及周邊進(jìn)行工程建設(shè)，必然會(huì)存在深基坑開挖工程，帶來原有地層應(yīng)力場(chǎng)的改變[1-2]，影響城市軌道交通的正常運(yùn)營。針對(duì)深基坑開挖工程對(duì)城市軌道交通的影響，現(xiàn)階段已有許多針對(duì)臨近既有隧道工程的沉降預(yù)測(cè)[3-4]、沉降因素[5]和保護(hù)措施[6-7]的研究。臨近深基坑工程引起的既有城市軌道結(jié)構(gòu)位移，包括相對(duì)沉降及相對(duì)水平位移，進(jìn)而導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，對(duì)地鐵的運(yùn)行使用造成一定的損害。因此，為了控制深基坑開挖對(duì)既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)的損害，本文將結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的不均勻變形、影響范圍、附加內(nèi)力、保護(hù)措施等進(jìn)行研究。

1 工程概況

項(xiàng)目位于徐州市永嘉新城中心東南側(cè)。此地塊東側(cè)為漢風(fēng)路，北側(cè)為普陀路，南側(cè)為昆侖大道，此地塊平面整體呈三角形。沿昆侖大道走向的徐州市軌道交通2號(hào)線大龍湖站~市政府站區(qū)間隧道緊鄰地塊基坑南側(cè)，已建地鐵2號(hào)線市政府站緊鄰地塊東南角，6號(hào)線盾構(gòu)井緊鄰地塊東南角。徐州軌道交通2號(hào)線大龍湖站~市政府站區(qū)間隧道位于地塊基坑的南側(cè)，盾構(gòu)區(qū)間隧道已施工完成，區(qū)間左線隧道距離地下室外邊線最小凈距約19.5m。地鐵2號(hào)線市政府站臨近該地塊東南，附屬結(jié)構(gòu)距離地塊地下室外邊線最近凈距約17.5m，附屬結(jié)構(gòu)暫未施工。地鐵2號(hào)線市政府站為與6號(hào)線進(jìn)行換乘的換乘車站，車站為地下兩層島式車站，車站主體基坑采用明挖順作法施工，車站基底位于2-5-3砂質(zhì)粉土層，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用直徑800mm地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。

該項(xiàng)目基坑支護(hù)方案如下：南側(cè)臨近已建車站及區(qū)間隧道基坑采用直徑900@1200鉆孔灌注樁+兩道混凝土支撐體系。區(qū)間左線隧道距離地下室外邊線最小凈距約19.5m，附屬結(jié)構(gòu)距離地塊地下室外邊線最近凈距約17.5m，其平面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 平面位置關(guān)系

2 控制標(biāo)準(zhǔn)及保護(hù)措施設(shè)計(jì)

2.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

基坑開挖會(huì)對(duì)周邊土體產(chǎn)生卸載作用，進(jìn)而導(dǎo)致基底土體發(fā)生回彈變形、兩側(cè)土體發(fā)生側(cè)向變形，導(dǎo)致臨近的城市軌道交通結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)變形[8-9]。既有軌道交通結(jié)構(gòu)控制變形的標(biāo)準(zhǔn)可分為兩大類：既有隧道結(jié)構(gòu)的控制變形標(biāo)準(zhǔn)，既有軌道結(jié)構(gòu)的控制變形標(biāo)準(zhǔn)。既有城市軌道交通的控制變形標(biāo)準(zhǔn)，是指在承載力滿足要求的情況下，主要對(duì)既有結(jié)構(gòu)變形的影響進(jìn)行考慮。在該項(xiàng)目中，地鐵結(jié)構(gòu)控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）既有城市軌道結(jié)構(gòu)（隧道、車站）的絕對(duì)沉降量及水平位移量≤5mm（其中包含加載及卸載的最終位移量）；

（2）既有隧道結(jié)構(gòu)的曲率半徑R≥15000m；

（3）既有隧道結(jié)構(gòu)的相對(duì)彎曲≤1/250;

（4）由于臨近地鐵工程施工及后期建成后的建筑物等引起的既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)外壁附加壓力≤20kPa。

（5）由于爆破、打樁等施工作業(yè)產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)隧道引起的峰值速度≤2.5cm/s。

2.2 保護(hù)加強(qiáng)措施

（1）基坑開挖之前在基坑臨近地鐵一側(cè)施做隔離樁（采用φ9000@1200鉆孔灌注樁）；

（2）架設(shè)兩道混凝土支撐，加強(qiáng)支撐剛度，基坑圍護(hù)樁間設(shè)置止水旋噴樁，以確保止水效果，避免水土流失；

（3）分層開挖、及時(shí)架設(shè)支撐；

（4）分倉開挖，可提供可靠的局部約束，避免車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)的土體側(cè)壓力產(chǎn)生不平衡而無可靠約束；

（5）基坑開挖過程中加強(qiáng)對(duì)支護(hù)體系以及車站區(qū)間結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)；若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超限，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行跟蹤處理；

（6）基坑周邊嚴(yán)禁堆載，對(duì)交通車輛采取適當(dāng)?shù)南拗拼胧?/p>

（7）開挖過程中如出現(xiàn)巖土體異常情況時(shí)，應(yīng)立即停止開挖，并應(yīng)立即查清原因。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

本次評(píng)估中，選取專業(yè)化有限元軟件MIDAS GTS進(jìn)行模擬計(jì)算，修正摩爾-庫侖模型為本構(gòu)模型，由彈塑性模型和非線性彈性模型進(jìn)行組合，修正摩爾-庫侖模型包含12個(gè)物理參數(shù)，其中剛度參數(shù)包含3個(gè)：切線線剛度E0ed、彈性模量E50及卸載彈性模量Eur；強(qiáng)度參數(shù)包含4 個(gè)：內(nèi)摩擦角?、黏聚力c、KNC 和剪脹角ψ；除此以為還包含參考?jí)毫Α⑹?、孔隙率?yīng)力、相關(guān)冪指數(shù)等。

為模擬臨近城市軌道交通深基坑開挖工程對(duì)既有軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，數(shù)值模擬中將既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)（包含地鐵車站及區(qū)間隧道）、基坑支護(hù)體系及基坑開挖進(jìn)行了模擬及數(shù)值分析。為減小邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響效果，豎向范圍一般≥2H（H指基坑的豎向深度），區(qū)間隧道模型取地表以下40m，地鐵車站模型地表以下40m；水平范圍一般≥2H（H指基坑的豎向深度），取既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)（包含區(qū)間隧道和車站結(jié)構(gòu)）模型水平向距離基坑邊為40m。

為更好地模擬該地塊深基坑開挖對(duì)既有城市軌道交通結(jié)構(gòu)的影響，采用三維有限元進(jìn)行數(shù)值模擬分析。三維數(shù)值分析中將地鐵區(qū)間隧道、地鐵車站、1號(hào)風(fēng)亭、6號(hào)線盾構(gòu)井、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系及基坑開挖進(jìn)行了模擬及數(shù)值分析。為減小邊界對(duì)計(jì)算區(qū)域的影響，計(jì)算深度取60m；水平向既有城市軌道交通或基坑邊線外側(cè)共3H，故沿地鐵隧道及車站縱向約為450m，沿基坑及地鐵橫斷面方向約為370m，計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算所用參數(shù)見表1。

表1 地層物理學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值計(jì)算模型

3.2 計(jì)算工況

為了反映初始應(yīng)力狀態(tài)及施工過程，本次計(jì)算共分6個(gè)施工步驟進(jìn)行，見表2所示。

表2 工況分析

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

本文通過二維、三維計(jì)算模型對(duì)該項(xiàng)目的變形進(jìn)行有限元分析，開挖引起的三維變形云圖如圖3、圖4所示，計(jì)算結(jié)果見表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果

圖3 豎向位移云圖

圖4 水平位移云圖

當(dāng)采用鉆孔灌注樁+對(duì)撐+角撐+邊桁架體系支護(hù)時(shí)，二維計(jì)算分析結(jié)果如下：深基坑開挖引起既有區(qū)間隧道的豎向最大位移為1.1mm，水平最大位移為2.3mm，深基坑開挖引起的車站附屬的豎向最大位移為1.8mm，水平最大位移為3.2mm，深基坑開挖引起的盾構(gòu)井的豎向最大位移為0.2mm，水平最大位移為1.9mm；通過三維有限元分析進(jìn)行驗(yàn)證：深基坑開挖引起既有城市軌道交通（車站及區(qū)間隧道）的豎向最大位移為2.8mm，最大水平位移為3.6mm，均滿足控制位移5mm的要求。

4 結(jié)束語

綜上所述，地鐵周邊基坑開挖對(duì)臨近地鐵會(huì)產(chǎn)生一定的影響，須進(jìn)行可靠的安全評(píng)估。借助MIDAS/GTS和GTS NX軟件對(duì)基坑工程對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)的不均勻變形、影響范圍、附加內(nèi)力等進(jìn)行有限元模擬分析，建議采取如下應(yīng)對(duì)措施：

（1）基坑開挖設(shè)計(jì)中應(yīng)嚴(yán)格控制基坑本身的變形，加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐的整體剛度，能有效控制地面變形，進(jìn)而減小對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

（2）在基坑和臨近地鐵之間設(shè)置鉆孔灌注樁的保護(hù)方案，可以有效降低基坑開挖對(duì)臨近地鐵結(jié)構(gòu)的影響。

（3）基坑開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)，增加監(jiān)測(cè)頻率；若發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)值超限，立即采取必要的跟蹤注漿處理。

（4）當(dāng)基坑面積較大且形狀不規(guī)則，應(yīng)進(jìn)行基坑平面上分倉、跳段實(shí)施，能有效降低基坑開挖對(duì)地鐵區(qū)間及車站的不利影響。