深基坑工程施工对相近地铁隧道的影响分析

甄祖玲

（广东省源天工程有限公司 广州511300）

0 引言

随着城市人口的不断增加，给中大型城市的地面交通带来了很大的压力，这也就导致城市交通的发展开始往地下发展，便捷、安全、快速的地铁轨道交通已逐渐成为当今大型城市的主要出行方式。

在相近的地铁隧道区间进行深基坑的开挖施工，必然会影响隧道结构本身的受力平衡系统，如果在施工过程中控制不当，导致地铁隧道结构出现的应力以及变形过大，就会对人民的财产人身安全造成威胁［1］。传统的基坑设计注重强度和稳定性要求，但由于现代基坑周边环境日益复杂，加上周围建构筑物对变形影响也极为敏感，使得现在基坑开挖对周边建构物及环境变形控制的要求越来越高。

目前，基坑开挖对地铁隧道影响的理论分析还较为缺乏，尚不足以解决同时考虑土层因素、时空效应、支护条件等相关因素对变形影响的问题。由于现场监测数据是在各种因素影响下的变形的综合反映，再通过对岩土、隧道结构专用有限元软件MIDAS GTS—NX 的数值分析，还是可以对基坑开挖影响下的地铁隧道变形进行较为可靠的评估分析［2］。

因此，本文以某一大型深基坑项目为背景采用三维模拟计算基坑施工的各种工况对相近地铁隧道的影响过程，进而对该项目情况作出相应的安全评估分析和提出一定的合理化施工建议，以供后续类似工程借鉴。

1 工程概况

1.1 工程简介

某项目由6～7 层的多层住宅、26～27 层的高层住宅以及3～4 层的商业组成，设1 层满铺地下室，局部2 层地下室。本项目建筑设计±0.00=6.60～7.10（罗零高程），主体结构工程桩基础为预应力管桩基础。项目场地周围为公路和规划路，较为空旷。基坑支护体系采用SMW 工法桩+钢管内斜撑、SMW 工法桩+钢筋混凝土内支撑、悬臂SMW 工法桩联合支护型式。地下室基坑采用套打三轴水泥土搅拌桩挡土止水，临近地铁侧的被动区加固与SMW 工法桩同步施工。围护结构外边线距离区间右线隧道结构外边线最近为6.09 m，区间左线隧道距离项目较远。本项目总体平面和典型支护剖面如图1所示。

图1 总平面及剖面Fig.1 General Layout Plan and Section Plan （mm）

1.2 工程地质及水文情况

根据勘察报告资料，场地岩土层按其成因、力学强度不同划分工程地质层，各岩土层分述如下：①杂填土；②粉质粘土；③淤泥；④含泥粉砂；⑤淤泥质土；⑤-1粉质黏土；⑥中砂；⑦粉质粘土；⑦-1淤泥质土；⑧中砂；⑨卵石；⑩全风化花岗岩；⑪砂土状强风化花岗岩；⑫碎块状强风化花岗岩；⑬中风化花岗岩［3］。

据调查，地下水静止水位埋深为0.04～1.72 m，拟建场地历史最高地下水位标高为5.80 m。

2 三维有限元数值模拟

2.1 分析模型尺寸确定

根据本项目与邻近地铁结构的立体关系，对本项目施工全过程进行模拟。MIDAS-GTS有限元模型中，采用三维实体单元模拟土层，采用板单元模拟该项目拟建基坑SMW 工法桩、隧道衬砌结构。计算模型范围以本项目建设工程的外轮廓为基准，外扩一定距离（＞5 倍的基坑开挖深度）后而建立，模型深度按地铁隧道埋深的约3 倍建立［4］，由此有限元模型尺寸为314 m×293 m×50 m。

2.2 模型边界约束条件

有限元模型的边界条件为：模型底部约束竖向位移，模型左右两侧约束水平向位移［5］。

2.3 模型的地面附加荷载

在模型顶面除基坑开挖范围内，考虑20 kN/m2地面大面积活动荷载。

2.4 模型采用的地层结构性质

本模型采用的岩土层力学计算参数详如表1所示。

表1 岩土层物理力学计算参数Tab.1 The Mechanical Parameters of Rock and Soil

2.5 施工动态过程的模拟

本项目的数值模拟要与实际施工工况相对应，如表2和图2所示。

图2 计算模型三维视图Fig.2 3D View of the Calculation Model

表2 施工数值模拟工况Tab.2 Working Condition of Construction Numerical Simulation

3 安全性评估分析

3.1 整体模型变形计算及分析

通过数值计算，得出各工况下整体模型变形的横向、纵向及竖向位移。

整体模型的X、Y、Z方向最大位移云图如图3所示。

图3 整体模型的坑中坑开挖位移云图Fig.3 Displacement Cloud Map of Pit-in-pit Excavation of the Overall Model

3.2 轨道交通控制保护区间结构变形计算及分析

通过数值计算，得出各工况下区间模型的横向、纵向及竖向位移。该项目在工况6进行地下2层坑中坑开挖施工时，对轨道交通控制保护区间X、Y、Z方向会产生最大位移［6］，如图4所示。

图4 区间模型坑中坑开挖位移云图Fig.4 Displacement Cloud Map of Pit-in-pit Excavation Based on Interval Model

本项目施工区域地铁线路随着工况的位移变化如表3所示。表4为地铁结构位移最大值的汇总表。由表3、表4可知：临近地铁隧道区间内结构X、Y、Z方向最大位移分别发生在工况6（地下2层坑中坑开挖），变形值分别达到了0.952 mm、-9.047 mm（向基坑方向）、1.439 mm（隆起）。

表3 地铁隧道结构位移变化Tab.3 Displacement of Subway Tunnel Structure

表4 盾构区间隧道结构位移计算结果Tab.4 Calculation Results of Structural Displacement of Shield Tunnel

4 结论及建议

4.1 结论

本项目采用三维有限元模型模拟深基坑开挖施工对地铁区间的影响，通过模拟得出主要结论如下：

⑴本项目地块虽然位于轨道交通地铁线路区间隧道控制保护区范围，但土建施工作业与临近的地铁区间在空间位置上不存在冲突，在采取必要的工程安全保护措施后，是具备实施的可行性。

⑵本项目地块基坑全过程施工中，轨道交通控制保护区间结构X、Y、Z方向最大位移分别发生在地下2层坑中坑开挖完成阶段，变形值分别达到了0.952 mm、-9.047 mm（向基坑方向）、1.439 mm（隆起），各方向变形影响均在安全范围内，施工引起的地铁区间结构变形满足规范要求。

⑶本项目施工对轨道交通控制保护区间的内力影响较小，地铁区间隧道结构受力结果在承载力允许范围内，既有区间结构受力安全［7-8］。

⑷施工完成后，轨道交通控制保护区间隧道结构附加纵向变形的最小曲率半径为R=185 000 m＞15 000 m，满足地铁保护要求。

4.2 实施建议

⑴ 在项目基坑施工前，项目建设方应加强与地铁公司等各参建单位沟通。本项目施工图设计文件、勘察报告、专项施工作业方案、安全防护方案等技术资料应报送地铁公司审查，待审批同意后方可实施该工程。

⑵ 由于项目临近地铁施工，应选择振动影响小的设备，减小设备运行时对地铁结构振动的影响。在靠近地铁一侧的三轴搅拌桩施工前，建议进行试打，根据隧道的监测变形情况获取合适的施工工艺参数及注浆压力后再进行施工；型钢拔除过程应控制液压千斤顶顶力，拔除困难时应考虑舍弃，禁止采用震动措施［9］。

⑶近区间隧道侧工程桩需采用旋挖或钻孔工艺且做好护壁措施，距区间隧道外轮廓20 m范围内的桩基不得采用挤土桩。距离地铁区间隧道结构外缘20～50 m 范围内，设计采用静压预应力管桩，此部分管桩在施工时建议采取以下措施：①控制打桩速度及日压桩数，放慢靠近区间隧道侧的管桩压桩速度；②合理安排打桩顺序，采用先近后远的施工顺序；③预钻孔取土打桩，减少压桩过程中受挤压土的体积。

⑷鉴于项目局部二层及主楼电梯井区域采用轻型井点降水，建议基坑开挖前对近轨道交通侧进行试降水，以检验止水帷幕质量。

⑸基坑开挖施工时，每层土方开挖遵循“由远及近”的原则，先开挖远离轨道交通侧土方，并严格遵循分区、分块、分层、对称、限时的原则，并及时反馈现场地质情况，进行信息化施工。当挖至基底设计高程时，应立即施做垫层、防水层及地下室底板，避免因基坑长时间暴露增加地铁区间安全风险［10］。

⑹项目施工期间，应加强靠轨道交通结构侧的基坑变形监测，并及时与地铁公司沟通。监测测量点的布设按照相关规范的规定与设计要求进行，并及时与地铁公司沟通确认。