朱茂國

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308）

1 引言

伴隨著城市經(jīng)濟的快速發(fā)展和人口的增長，城市地下空間的開發(fā)也迎來井噴時代，基坑工程作為主要的開發(fā)手段，其降水、開挖卸載會使得周邊巖土體移位，引發(fā)緊鄰的既有地鐵隧道位移場和應力場隨之變化，由于地鐵盾構(gòu)隧道變形敏感、變形控制值嚴苛，一旦超標可能影響行車安全，甚至產(chǎn)生安全事故和社會負面影響，為確保地鐵隧道的安全性，研究基坑施工全程對既有隧道的三維變形影響至關(guān)重要。

深基坑開挖對地下隧道的影響研究是一個非常重要的課題，各科研、設(shè)計和施工人員開展了相關(guān)研究。趙剛[1]詳細分析了基坑不同施工階段對臨近地鐵隧道的變形規(guī)律；Zheng 等[2]采用二維有限元方法，得出基坑不同位置開挖引起下方3 個隧道位移場變化的區(qū)別與不同；蔣利明[3]采用理數(shù)值計算方法，得出基坑開挖引起周圍土體和地鐵隧道變形以豎向和水平位移為主。

本文結(jié)合沈陽某深基坑工程支護設(shè)計、 施工開挖工序與相關(guān)水文地質(zhì)，采用Midas GTS 三維有限元分析模型與現(xiàn)場地鐵保護監(jiān)測相結(jié)合手段，研究砂土地層基坑開挖全過程對側(cè)方地鐵盾構(gòu)隧道的變形影響，可為類似工程提供借鑒。

2 工程概況

該基坑工程位于沈陽和平區(qū)，地下建筑面積25 698 m2，地下共4 層，基坑南北向長96.5 m、東西向?qū)?9.72 m、開挖深度-19.65 m，支護結(jié)構(gòu)周長約342 m，基坑北側(cè)坑壁與地鐵線路及商業(yè)街軸線平行，近鄰地鐵及商業(yè)街側(cè)坑壁采用雙排（局部單排）混凝土樁（直徑1 m、間距1.3 m、排距2.2 m）+ 預應力錨索（局部鋼管內(nèi)支撐）的支護結(jié)構(gòu)形式，如圖1 所示?；臃秶貙又饕獮殡s填土、中砂、圓礫、粗砂、礫砂、中砂、花崗片麻巖，地下水類型為潛水，主要賦存在圓礫層中，水位埋深6.30～6.50 m。

運營地鐵隧道為盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)管片外直徑6 m，厚0.3 m，受基坑施工直接影響里程約為DK12+802.0～DK12+882.0，影響長度約80 m，以直線為主，其中隧道右線距基坑支護壁邊緣13.5 m，隧道頂覆土約12 m，左右線線間距約13 m，在DK12+687～DK12+850 長162 m 地鐵盾構(gòu)隧道縱坡設(shè)計為25‰上坡，在DK12+850～DK12+925 長75 m 地鐵盾構(gòu)隧道縱坡設(shè)計為2‰上坡。

3 三維有限元數(shù)值模擬分析

3.1 假定條件

1）施工模擬過程不考慮非正常情況（如地震等不可控因素）。

2）假定巖土體力學行為服從摩爾庫倫屈服準則，土體各向同性且均勻分布。

3）假定既有地鐵結(jié)構(gòu)以及基坑圍護結(jié)構(gòu)為線彈性材料，且地鐵結(jié)構(gòu)、基坑圍護結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

4）通過剛度等效的原則，將既有圍護結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)等效為一種同剛度材料。

3.2 模型建立

運用有限元軟件Midas GTS 建立整體三維有限元模型進行數(shù)值分析。土體表面取為自由邊界，土體4 個側(cè)面采用側(cè)向約束，土體底面采用鉸接方式約束其X、Y、Z方向位移，模型尺寸依據(jù)基坑長、寬、深最大值的3～5 倍距離進行選取，具體尺寸為長400 m、寬500 m、深100 m，共劃分單元43 200 個、節(jié)點46 535 個。

3.3 模型參數(shù)選取

為更準確分析基坑開挖對地鐵隧道結(jié)構(gòu)三維變形影響，巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，材料力學參數(shù)見表1。

表1 材料力學參數(shù)

盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)采用實體單元，按C50 混凝土計算并考慮30%剛度的折減?；訃o樁、冠梁采用梁單元，基坑圍檁力學參數(shù)參考兩道C25b 型鋼選取，采用梁單元模擬?；优艠堕g距為1.3 m、內(nèi)徑1.0 m、長29 m，鋼支撐為每開挖一層支撐一層，鋼支撐內(nèi)徑0.8 m，預應力400～500 kN。各結(jié)構(gòu)、構(gòu)件材料力學參數(shù)見表2。

表2 模型計算既有結(jié)構(gòu)物及基坑支護材料性能參數(shù)

計算過程的荷載主要考慮區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)自重、 土體豎向自重力、地面超載15 kPa、實際建筑荷載4 個方面。

3.4 基坑開挖步驟及數(shù)值模擬流程

根據(jù)施工順序，模型開挖分為5 階段進行，包括初始地應力平衡、隧道結(jié)構(gòu)建立、土體開挖、預應力錨索施作及施加建筑荷載。由于基坑深度較大，基坑分5 層開挖，每層約4 m 厚，模擬過程見表3。

表3 模擬過程

3.5 三維數(shù)值分析

基坑開挖過程中，隧道的水平位移以及豎向位移變化曲線見圖2。

圖2 隧道水平、豎向變形曲線

由圖2 可知，其水平位移和豎向位移隨基坑開挖深度的增加而變大，水平位移和豎向位移均呈現(xiàn)兩端變形小、中間變形大的拋物線規(guī)律，且最大位移值均發(fā)生在隧道中間截面，其中水平最大位移約為4.5 mm，豎向最大位移約為2.76 mm；基坑在進行到第2 層和第3 層開挖時，隧道水平位移增加幅度較大，其中水平增加幅度分別為1.5 mm 和1.1 mm，豎向增加幅度分別為0.45 mm 和0.7 mm； 而基坑在進行到第4 層和第5 層開挖時水平及豎向位移增幅則出現(xiàn)明顯減小，其中水平增加幅度分別為0.6 mm 和0.7 mm，豎向增加幅度分別為0.27 mm 和0.24 mm； 隧道的水平、 豎向變形與基坑開挖范圍、深度存在顯著對應關(guān)系，基坑支護邊界對隧道變形起到強約束作用。

4 隧道監(jiān)測設(shè)計與數(shù)據(jù)分析

4.1 隧道監(jiān)測設(shè)計

地鐵隧道采用測量機器人全自動化實時在線監(jiān)測，監(jiān)測范圍為基坑工程垂直投影對應地鐵隧道范圍再向兩端各延伸20 m 區(qū)域，共計監(jiān)測范圍120 m，其中直接影響范圍內(nèi)每10 m（鋼管撐角部加密）布設(shè)1 個監(jiān)測斷面，共布設(shè)15 個斷面，見圖3。

圖3 隧道自動化監(jiān)測點位布置示意圖

4.2 監(jiān)測安全控制標準與監(jiān)測頻率

根據(jù)CJJ/T 202—2013《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護技術(shù)規(guī)范》[4]，參考國內(nèi)類似工程經(jīng)驗和理論數(shù)值分析，確定隧道水平位移監(jiān)測控制值為5.0 mm、速率1 mm/d，沉降監(jiān)測控制值為5.0 mm，速率1 mm/d。

自動化監(jiān)測正常頻率為1 次/4 h，遇監(jiān)測預報警、基坑開挖變形過大、滲漏等非正常情況可后臺調(diào)整頻率為1 次/（1~2h），監(jiān)測信息即時處理、反饋。

4.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基坑工程于2014 年11 月初基坑開挖，北側(cè)開挖至-10 m深度位置冬期停工，直至2015 年3 月2 日復工，5 月12 日全部開挖完成。為直觀、 準確反映隧道水平位移和豎向位移變形，選取階段性具有典型代表的時間節(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)形成曲線分析，分別見圖4 和圖5。

圖4 隧道豎向位移監(jiān)測曲線圖

圖5 隧道水平位移監(jiān)測曲線圖

結(jié)合實際基坑開挖施工進度可知，基坑北側(cè)開挖至-10 m深度均未對地鐵隧道產(chǎn)生較大幅度的豎向和水平位移影響，冬期停工期間的隧道豎向和水平位移變形基本保持穩(wěn)定，在基坑復工后，隨著開挖進一步加深，基坑底土體“回彈”的跡象逐漸顯現(xiàn)出來，在3 月中下旬至整個4 月份隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一個快速豎向隆起、快速水平位移變形的過程，呈現(xiàn)出明顯兩端小、中間大的拋物線變形趨勢。隧道變形直到開挖施工全部結(jié)束時達到變形峰值，其中豎向位移最大值出現(xiàn)在5 月12 日為2.98 mm，水平位移最大值亦出現(xiàn)在5 月12 日為3.5 mm，實測數(shù)據(jù)值與數(shù)值模擬值變形趨勢和大小基本吻合，均小于監(jiān)測變形控制標準累計值5 mm 的要求。

5 結(jié)語

本項目采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的方法，從理論和實踐兩方面分析了基坑不同開挖階段對側(cè)臨既有地鐵盾構(gòu)隧道變形影響程度與變形規(guī)律，對后續(xù)工程有兩點可以借鑒。

1）根據(jù)數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果來看，基坑開挖卸載易引起地鐵隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向和水平變形直至基坑全部開挖完成變形方趨于穩(wěn)定，實測數(shù)據(jù)值與數(shù)值模擬值變形趨勢和大小基本吻合，均為隨著基坑開挖越深，水平和豎向變形量越大，呈現(xiàn)出明顯兩端變形小、中間變形大的拋物線規(guī)律，且隧道變形最大值位于基坑邊線中點處。

2）運營地鐵隧道對變形控制標準要求較高，當?shù)罔F周邊存在可能受開挖卸載、降抽排水等施工影響時，采取全自動化實時在線監(jiān)測將十分必要； 可根據(jù)理論數(shù)值模擬分析結(jié)果合理優(yōu)化監(jiān)測點布置和有側(cè)重地選擇監(jiān)測項目，并對變形最大值處重點監(jiān)測關(guān)注和制訂有針對性的施工開挖方案、 施工應急預案，以便節(jié)省非必要的經(jīng)濟支出。