大型基坑施工对临近运营地铁影响分析

乐师军

摘 要：某市地铁运营指挥中心大型基坑临近运营地铁车站及区间，其施工会对临近的运营地铁车站及区间产生一定的影响，特别是超近距离的基坑施工，必须对其安全性进行分析。文章运用数值模拟分析对大型基坑施工对临近运营地铁安全性进行评估，并针对近接地铁施工存在的风险提出相应防护措施，以期为本地区类似工程提供解决方案。

关键词：地铁;大型基坑;临近地铁;施工安全

中图分类号：U459.3

1 工程概述

某市地铁运营控制中心由主塔、主塔裙房和三层地下室构成。裙房3层，高度约23 m，主塔楼地面以上共34层，高度约150m。控制中心基坑面积约9 302m2，主塔位置基坑深度约18.0 m，裙房基坑深度约16.5m。控制中心基坑工程紧邻地铁2号线，基坑围护结构距火车北站站附属结构2号风亭最近净距0.57 m，距3号出入口最近净距3.45 m，距火车北站站—穿心鼓楼站区间隧道结构外边最近净距5.4 m。基坑施工工法为明挖法，围护结构为800 mm连续墙+3道混凝土支撑（图1）。基坑开挖施工对地铁车站和区间盾构隧道的安全会产生不利影响且风险大。目前，火车北站站和火车北站站—穿心鼓楼站区间盾构隧道均已载客运营，为保证既有地铁设施的结构和运营安全，必须对紧邻地铁侧深基坑开挖施工对地铁设施影响进行评估。

根据区域地质资料、钻探揭示，基坑场地土层按工程特性及成因可划分为，第四系全新统人工填土层（Q4ml）人工填土、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）黏土（粉质黏土）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）圆砾土（局部夹有黏性土、粉土、粉细砂、中砂、砾砂）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）粉质黏土与粉土互层（局部夹有粉细砂、中砂、砾砂）。场地内地下水埋深5～7.1 m，地下水水位标高1 885.53～1 887.49 m，地下水类型为上层滞水、第四系潜水两大类。

2 基坑设计

控制中心基坑面积约9 302m2，主塔位置基坑开挖深度约18.0 m，裙房基坑开挖深度约16.5 m，基坑周长约为453.9 m。基坑设计如下。

（1）基坑划分成大小2个基坑，分2期实施，中间采用连续墙封堵分隔。大基坑为地下三层，小基坑靠近地铁区间隧道，为地下一层（二期，小基坑），局部地下3层（一期，大基坑）。先施工距离隧道较远的大基坑，待地下室结构完成后，再施做小基坑。

（2）根据基坑变形控制保护等级为一级，以及周边环境、地质条件和工程造价，基坑围护结构选用800mm连续墙加内支撑。大基坑范围为3道混凝土支撑，第1道支撑在冠梁上，其余支撑在混凝土围檩上。小基坑地下一层部分为1道混凝土支撑，地下三层部分为第1道混凝土支撑，第2、3道支撑为钢支撑。

（3）在基坑西侧靠近地铁一侧施做跟踪注浆，在基坑东侧和南侧靠近建筑物一側施做跟踪注浆，根据监测结果，判断是否采取加强注浆加固措施。

（4）在基坑西北角设连接通道与地铁车站连接，连接通道基坑围护结构与火车北站站附属围护结构之间采用800 mm旋喷桩止水，旋喷桩深入连接通道基坑底以下3 m。

基坑与地铁区间位置关系见图2。

3 基坑施工安全性分析

本文采用大型有限元程序ANSYS软件对基坑施工安全性进行分析，分析土体的位移场分布情况和结构内力变化大小，评价基坑开挖对地铁2号线区间隧道和车站的影响。

3.1 岩体弹塑性破坏准则

理论分析与实际经验均表明，目前有限元分析中能较好地模拟岩体力学特性的土体弹塑性破坏准则是德鲁克-普拉格准则（Druker-Prager，以下称D-P准则），一方面它克服了摩尔-库仑准则在角点处导数不连续的问题，另一方面也很容易与摩尔-库仑准则结合起来确定计算参数。因此，计算中土体弹塑性破坏准则采用的是D-P准则。

3.2 岩土物理力学参数

计算分析时，土层的黏聚力和内摩擦角采用固结快剪值，土体本构模型采用D-P准则代替传统摩尔-库仑准则进行模拟。

根据经验，有限元分析时，土的弹性模量E取土的压缩模量Es的3～5倍。本分析对于黏性土，采用E = 5 Es进行计算。土层的泊松比υ采用如下取值范围：碎石土0.15～0.20，砂土0.20～0.25，粉土0.23～0.31，粉质黏土0.25～0.35，黏土0.25～0.40。

3.3 围护结构及支撑结构参数

3.3.1 围护结构刚度

模型中钻孔灌注桩采用梁单元进行模拟，根据桩的截面特性，抗弯刚度通过等效换算得到，等效公式为式（1）：

Ep Ip = Ec Ic                                                        （1）

式（1）中，Ep为实际弹性模量;Ec为模型中弹性模量;Ip为实际惯性矩;Ic为模型中的惯性矩。

围护结构采用的是800 mm连续墙，C30混凝土，其弹性模量为30 GPa，其惯性矩Ic = b h3 / 12等效为矩形截面，宽度为1 m，高度为h。

3.3.2 水平支持刚度

由于水平支撑在纵向上具有一定的间距，属于空间问题，转换为二维平面问题时，需要对水平刚度进行刚度等效，等效公式采用等抗压刚度式（2）：

E 'p Ap = E 'c Ac                                                        （2）

式（2）中， E 'p为水平支撑实际弹性模量; E 'c为模型中弹性模量;Ap为水平支撑面积实际;Ac为模型中的支撑面积。

水平支撑采用混凝土支撑，截面采用宽b = 0.7m，高h = 0.9m，面积Ap = 0.63m2，水平间距s = 6m，等效为b = 1m延米长度的支撑，每延米截面高度为105mm。

3.4 模拟计算分析

本次模拟选取不利断面进行计算，计算区域侧面边界水平位移被约束，底面沿竖直方向位移被约束;计算区域内的土体和预留土体采用4节点的PLANE42实体单元来模拟，围护结构连续墙、内支撑、格构柱、桩基础、盾构衬砌、车站主体和附属结构均采用BEAM3梁单元来模拟。考虑基坑开挖对既有运营区间的有效影响范围，二维计算模型的计算区域取为96m×55.1 m（图3）。

有限元模拟计算按3个工序进行，以模拟最终基坑开挖对隧道的影响，主要工序为：原始地形地貌下的应力位移场、盾构区间隧道开挖施工（后位移归零）、基坑二期开挖等过程。

3.5 模拟计算结果分析

参考目前国内既有工程经验，以及为进一步减少基坑开挖临近工程影响，一般考虑“先深后浅”的原则进行施工，故本次模拟计算时也考虑按此分步开挖原则，先进行一期大基坑开挖分析，后进行二期小基坑开挖分析。

3.5.1 位移结果分析

（1）大基坑开挖至基底后引起左右线隧道竖向位移云图见图4，由图4可知，左线隧道竖向位移收敛值为2.00 mm（对称点收敛值-1.05 mm），右线隧道竖向位移收敛值为-3.49 mm（对称点收敛值-2.88mm），模拟计算中出现的隧道最大竖向位移为-3.49 mm;左线隧道水平位移收敛值为3.49 mm（对称点收敛值1.26mm），右线隧道水平位移收敛值为2.23mm（对称点收敛值1.26 mm），模拟计算中出现的隧道最大水平位移为3.49mm。可见，大基坑开挖后左线最大直径椭圆度变化量为2.00 -（-1.05）= 3.05 mm，右线最大直径椭圆度变化量为2.23 - 1.26 = 0.97 mm;左右隧道最大竖向位移为-3.49 mm，最大水平位移为3.49 mm。

（2）小基坑开挖至基底后引起左右线隧道竖向位移云图见图5，由图5可知，左线隧道竖向位移收敛值为5.84 mm（对称点收敛值2.98 mm），右线隧道竖向位移收敛值为2.40 mm（对称点收敛值0.68 mm），模拟计算中出现的隧道最大竖向位移为5.84 mm;左线隧道水平位移收敛值为-1.22 mm（对称点收敛值0.078 mm），右线隧道水平位移收敛值为0.077 mm（對称点收敛值-0.079 mm），模拟计算中出现的隧道最大水平位移为-1.22 mm。可见，小基坑开挖后左线最大直径椭圆度变化量为5.87 - 2.98 = 2.89 mm，右线最大直径椭圆度变化量为2.4 - 0.68 = 1.72 mm;左右隧道最大竖向位移为5.84mm，最大水平位移为-1.22 mm。

3.5.2 内力结果分析

基坑开挖至基底隧道内力计算结果如下。

（1）大基坑开挖至基底后引起隧道盾构管片的最大轴力是689.6kN，隧道盾构管片的最大剪力是109.2kN，隧道盾构管片的最大弯矩是154.5kN · m。

（2）小基坑开挖至基底后引起隧道盾构管片的最大轴力是700.7 kN，隧道盾构管片的最大剪力是106.6kN，隧道盾构管片的最大弯矩是149.6 kN · m。

3.5.3 分析结果小结

（1）我国GB 50446-2017《盾构法隧道施工与验收规范》规定了衬砌圆环直径椭圆度允许偏差为±0.005D（D为隧道直径）。由本文3.5.1节隧道最大椭圆度计算结果可知，左线隧道椭圆度为3.05mm<0.005×6200 = 31mm，右线隧道椭圆度为1.72mm<0.005×6200 = 31mm，满足盾构隧道椭圆度规范要求。

（2）隧道最大竖向位移5.87 mm和最大水平位移3.49 mm均小于隧道结构安全预警值9 mm，满足城市轨道交通结构安全控制值的要求。

（3）表1给出了基坑开挖前后隧道管片的最大内力，由表1可见，大小基坑分步开挖对管片结构受力有影响，但开挖前后管片内力变化不大，表明隧道结构安全，施工风险可控。

4 实际监测结果

本项目基坑实施全过程中对受影响的运营线进行了位移和沉降监测，监测结果表明，右线隧道结构最大竖向位移收敛值3.8mm，最大水平位移收敛值4.38mm;左线最大竖向位移收敛值3.1mm，最大水平位移收敛值4.62mm。由此可见，模拟计算结果与实际结果偏差约1mm，初步判断主要是测量误差或施工过程中自身围护结构产生了位移和变形引起，总体来说模拟计算结果与实际沉降和变形都在规范允许范围内，理论计算结果可作为基坑风险设计参考。

5 结论及建议

（1）在本地区实施毗邻地铁结构基坑工程，应重视类似工程经验及教训，采取有针对性的支护体系及工程措施，以确保在建工程及既有工程的安全。

（2）数值分析法作为当下安全评估常用手段，可以在一定程度反映工程变化情况，但需注意合理选用计算参数及不利截面。

（3）理论计算应注重与实际工程实施结果综合分析，针对类似工程或工况总结经验参数，使理论计算结果尽量贴合实际，更好地定性定量判断工程风险。

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收稿日期 2019-09-02

责任编辑 朱开明

Analysis of influence of large foundation pit construction on the adjacent operation subway

Le Shijun

Abstract： When a large foundation pit of a metro operation command and traffic control center in a city is adjacent to the metro station and section， its construction has some impact on the adjacent metro station and section. Especially for the very close foundation pit construction， its safety must be analyzed. This paper uses numerical simulation analysis to evaluate the safety of large-scale foundation pit construction to the adjacent operation metro， and proposes corresponding protective measures for the risk of adjacent metro construction， providing solutions for similar projects in this area.

Keywords： subway， large foundation pit， adjacent to subway， construction safety