隧道單側(cè)基坑開挖安全管理方法研究

周萬清 曾鋒 葉超

（上海環(huán)源實業(yè)發(fā)展有限公司，上海 200063）

0 引言

城市軌道交通周圍一定范圍內(nèi)的基坑開挖、上方加載、樁基施工、市政管線（隧道）穿越施工、基坑降水等，對軌道交通運營安全威脅較大[1]。

基坑施工對附近地鐵隧道和周圍環(huán)境影響方面，國內(nèi)外學(xué)者作過較深入的研究。《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》（滬市政法 第854 號 1994 年）（簡稱《規(guī)定》）給出地鐵保護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已有研究主要對基坑開挖對周邊建（構(gòu)）筑物的影響[2-9]，對軌道交通保護區(qū)內(nèi)施工安全管理并沒有詳細規(guī)定。本文采用數(shù)值模擬方法分析隧道單側(cè)基坑開挖對地鐵隧道的影響，將數(shù)值計算與工程實測數(shù)據(jù)進行對比，得到基坑開挖對地鐵隧道的影響規(guī)律。最后，對保護區(qū)內(nèi)基坑項目安全管理等級進行劃分，針對每個等級給出了相應(yīng)的安全管理辦法。

1 單側(cè)基坑開挖對地鐵隧道的影響分析

1.1 計算模型

數(shù)值分析采用二維模型，見圖1。模型底部、兩側(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)固定邊界，上部為自由邊界，隧道直徑D=6.2 m，寬度200 m，高度100 m，隧道埋深及基坑開挖深度見表3。

1.2 參數(shù)選取

計算中采用彈性梁單元模擬，各梁單元的材料特性見表1。計算模型土層分為11 層，主要土層物理力學(xué)參數(shù)，詳見表2。

表1 各梁單元的材料特性

表2 土體材料特性

1.3 計算工況

針對在地鐵隧道一側(cè)開挖基坑，基坑與隧道處于不同水平距離和豎直位置的情況進行數(shù)值模擬分析，基坑開挖面積為20 m×20 m。單側(cè)基坑開挖計算工況見表3。

2 單側(cè)基坑開挖對地鐵隧道的影響結(jié)果分析

2.1 不同水平間距的基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

基坑開挖工況類型用X-YD-ZD 表示，其中X 表示為基坑外邊線與隧道外邊線的水平距離，D 為隧道直徑，Y 和Z 為自然數(shù)。在基坑與隧道的水平間距不同時，根據(jù)表3，單側(cè)基坑開挖計算工況將模型工況共分為11 類。圖2 為隧道水平位移與基坑水平間距的關(guān)系圖，正值表示隧道向基坑開挖方向移動，負值相反。

表3 單側(cè)基坑開挖計算工況

由圖2 可知，當(dāng)基坑與隧道水平距離增大時，隧道水平位移減小。在基坑開挖深度相同，不同隧道埋深情況下，隧道水平位移值接近，其變化規(guī)律也基本一致。

由圖3 可知，當(dāng)隧道與基坑的水平間距小于3D，并且隧道埋深不小于基坑開挖深度2D 時，隧道隆起變形；當(dāng)水平間距大于3D 時，隧道沉降變形；當(dāng)水平間距大于5D 時，基坑開挖對隧道豎向位移影響逐漸減小；當(dāng)水平間距為21D 時，隧道豎向位移均在3 mm 以內(nèi)。

2.2 不同隧道埋深時基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響分析

在其他條件相同，隧道埋置深度變化時，根據(jù)表3 單側(cè)基坑開挖計算工況將模型工況共分為16 類。圖4 和圖5 分別為隧道水平位移和豎直位移隨隧道埋深的變化圖。

由圖4 可得，隧道埋深越大，隧道水平位移越大。開挖深度相同時，隧道與基坑水平距離越小，隧道水平位移越大。隧道水平位移隨著基坑開挖深度的變大而變大。

由圖5 可得，隧道埋深變大隧道的豎直位移輕微變化。當(dāng)基坑開挖深度越大，隧道與基坑水平距離在某一適當(dāng)位置時，隧道沉降變形越大。

3 數(shù)值模擬與工程實測對比

表4 為蘇州、上海軟土地區(qū)14 個隧道單側(cè)基坑開挖的工程實例。

1）開挖深度對隧道豎向位移的影響

由表4 可知，單側(cè)開挖情況下隧道豎向變形表現(xiàn)為隆起或沉降兩種相反的規(guī)律?；娱_挖深度、隧道埋深、水平距離、有無加固措施等是影響隧道位移的主要因素。為探究基坑開挖對隧道豎向變形的影響規(guī)律，提取案例（1、2、3、4、5、6、7、9、10、11、13） 與 計 算 工 況（5m-3D-2D、5m-2D-2D、5m-1D-2D）進行統(tǒng)計分析。以開挖深度為橫軸，隧道豎向位移為縱軸繪制散點圖，見圖6。

表4 單側(cè)基坑開挖案例

根據(jù)圖6 可得，當(dāng)開挖深度＞1 時，隧道位移均是負值；當(dāng)開挖深度大于隧道頂部埋深時，隧道表現(xiàn)為沉降。當(dāng)開挖深度≤1 時，隧道位移均是正值，開挖深度小于或等于隧道頂部埋深時，隧道表現(xiàn)為隆起。對比可得，數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)規(guī)律一致。

2）基坑與隧道的最小水平距離對隧道豎向位移的影響

為探究基坑與隧道的最小水平距離對隧道位移的影響，取案例2、3、4、5、10、11、13，繪制距離隧道最小水平距離與隧道豎向位移的關(guān)系圖，見圖7。

根據(jù)圖7 可得，水平距離變大，豎向位移減??；當(dāng)水平距離達到20 m 以上時，豎向位移減小緩慢并逐漸趨于穩(wěn)定。

4 軌道交通保護區(qū)基坑項目安全管理

根據(jù)《規(guī)定》將軌道交通保護區(qū)內(nèi)基坑項目安全管理等級分為1 級、2 級和3 級。1 級項目重點控制，2 級項目一般控制，3 級項目稍作控制。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表5。

表5 保護區(qū)內(nèi)基坑項目安全管理分級標(biāo)準(zhǔn)

4.1 單側(cè)開挖基坑安全管理分級

采用隧道與基坑的水平距離及基坑開挖深度作為主控因素進行基坑管理定級，并以不同隧道開挖深度時地鐵隧道的最大變形值作為評價參數(shù)。根據(jù)地鐵隧道的水平位移和豎直位移對基坑管理進行分級，見表6。取表6 中水平位移值與豎直位移值中安全管理等級較高者作為單側(cè)開挖基坑安全管理等級，見表7。

表6 以水平位移和豎直位移為標(biāo)準(zhǔn)的單側(cè)開挖基坑安全管理等級

表7 單側(cè)開挖基坑安全管理等級劃分

4.2 基坑工程項目安全管理方法

針對不同安全管理級別的基坑項目提出相應(yīng)的安全管理方法見表8。

表8 基坑工程項目安全管理方法

5 結(jié)論與建議

1）通過數(shù)值分析探討了單側(cè)基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響，并將計算結(jié)果同實測數(shù)據(jù)進行了對比，得到規(guī)律一致。即，基坑距離隧道結(jié)構(gòu)水平距離在3.8 m ～25 m，開挖深度在7 m ～25 m，基坑開挖深度大于隧道頂部埋深時，隧道表現(xiàn)為沉降，開挖深度小于（等于）隧道頂部埋深時，隧道表現(xiàn)為隆起。

2）根據(jù)《規(guī)定》，得到保護區(qū)內(nèi)基坑項目安全管理分級標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果對地鐵隧道單側(cè)基坑開挖項目安全管理等級進行劃分，并給出各管理級別對應(yīng)的安全管理方法。

3）本文僅對單側(cè)基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響進行分析，后續(xù)研究中可對雙側(cè)和上方基坑開挖對隧道結(jié)構(gòu)的影響進行分析。