基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析與研究

歐陽順 陳 云 黃雪陽

（1.廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東 廣州 510060；2.湖南省建筑設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

0 引言

隨著城市地下工程建設(shè)的快速發(fā)展，城市地鐵網(wǎng)絡(luò)日益擴(kuò)大，越來越多的新建地下工程項(xiàng)目需建設(shè)在已運(yùn)營(yíng)地鐵上方。為減少新建工程對(duì)既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成的不利影響，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者和工程建設(shè)人員對(duì)該課題展開了大量的研究。張俊峰針對(duì)上海陸家嘴區(qū)域東西快速通道穿越下臥運(yùn)營(yíng)地鐵二號(hào)線工程，對(duì)基坑坑底、基坑外側(cè)和隧道兩側(cè)進(jìn)行攪拌樁地基加固，并采用SMW工法將基坑分隔為21個(gè)小基坑，采用隔離墻、分隔墻的思路來減小基坑隆起變形[1]；海濱等采用人工抽條放坡+板錨支護(hù)對(duì)天河?xùn)|路-天河路隧道（上跨廣州地鐵3號(hào)線）基坑進(jìn)行支護(hù)，并采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，成功驗(yàn)證該工法能有效控制土體卸荷引起的基坑內(nèi)土體回彈位移和下方地鐵隧道的變形[2]；郭鵬飛等對(duì)國(guó)內(nèi)39例上跨隧道基坑工程進(jìn)行對(duì)比分析，擬合得到隧道最大隆起預(yù)測(cè)模型，并總結(jié)出基坑面積、開挖深度、工程地質(zhì)條件等因素對(duì)隧道隆起變形的影響[3]；劉君偉從基坑施工工序角度，合理安排施工順序，減小基坑開挖對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響[4]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)地鐵隧道上方基坑開挖的研究越來越多，但對(duì)昆明地區(qū)地鐵上方進(jìn)行基坑開挖的研究較少。為探討昆明地區(qū)地鐵上方進(jìn)行基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，在基坑開挖前采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了模擬分析，并將分析結(jié)果用于指導(dǎo)工程建設(shè)。本文就基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道影響的數(shù)值分析與研究進(jìn)行總結(jié)介紹，為昆明地區(qū)其他類似工程提供了一定的借鑒作用。

1 工程概況

1.1 基坑概況

飛虎大道綜合管廊工程位于云南省昆明市，該工程在巫家壩片區(qū)與已運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線平面位置斜交，且綜合管廊在跨越區(qū)域內(nèi)正上方設(shè)置投料口。新建管廊基坑深度6.4m，下臥雙向地鐵軌道埋深19.5m?？缭降罔F的管廊基坑開挖長(zhǎng)度為83m，開挖寬度為35m；基坑西側(cè)和南側(cè)均存在既有電塔，施工單位施工前需對(duì)該兩處電塔進(jìn)行遷移?；游鱾?cè)規(guī)劃了地鐵8號(hào)線，需考慮地鐵后期盾構(gòu)實(shí)施條件。新建綜合管廊基坑與地鐵1號(hào)線之間的平面位置關(guān)系見圖1，豎向位置關(guān)系見圖2。本項(xiàng)目地鐵1號(hào)線盾構(gòu)管片外徑6m，內(nèi)徑5.5m，環(huán)寬1.2m，厚0.35m，采用C50鋼筋混凝土。

圖1 飛虎大道綜合管廊跨越地鐵1號(hào)線平面圖

圖2 飛虎大道綜合管廊基坑剖面圖

1.2 工程地質(zhì)

場(chǎng)地主要揭露第四系人工填土層（Q4m）l、全新統(tǒng)沖湖積層（Q4al+）l。本基坑工程涉及到的土層自頂向底依次為：①1雜填土：稍濕，松散，以黏性土為主；②1黏土：層狀或似層狀，濕，可塑~硬塑，中壓縮性，夾少量礫石；②2黏土：層狀或似層狀，很濕，軟塑，高壓縮性；③1泥炭質(zhì)黏土：層狀或似層狀，很濕，軟塑，高壓縮性；③2黏土：層狀或似層狀，可塑偏硬塑，中壓縮性，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土；④1黏土：層狀，可塑為主，中壓縮性，局部相變?yōu)榉圪|(zhì)黏土。土層的力學(xué)性能參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.3 地下水

場(chǎng)地地下水類型主要有以下兩種：

（1）上層滯水：主要賦存于人工填土層中，人工填土層結(jié)構(gòu)較疏松，含上層滯水，但含水量不大，其動(dòng)態(tài)受季節(jié)性控制。上層滯水主要接受大氣降水和生活用水的滲入補(bǔ)給。

（2）孔隙承壓水：賦存于第四系全新統(tǒng)沖湖積層粉砂層、粉土層中，具承壓性?？紫端饕邮艽髿饨邓臐B入補(bǔ)給、上游地下水的側(cè)向補(bǔ)給。本范圍（跨越地鐵1號(hào)線區(qū)域）內(nèi)基坑暫未出現(xiàn)。

根據(jù)鉆孔終孔24h后觀測(cè)，場(chǎng)地地下水穩(wěn)定水位埋深一般為1.00~2.50m；鉆孔Gzk34揭露地下水水位埋深為1.0m。

1.4 綜合管廊基坑支護(hù)形式

該項(xiàng)目管廊基坑（上跨地鐵1號(hào)線范圍）支護(hù)安全等級(jí)按一級(jí)控制，基坑深度為6.4m，采用兩級(jí)1∶1.5放坡支護(hù)形式，第一級(jí)支護(hù)深度為2.9m，第二級(jí)支護(hù)深度為3.5m?；禹敳坎捎忙?00@400mm攪拌樁進(jìn)行止水，攪拌樁穿過填土層并進(jìn)入下一層不少于1m。

2 計(jì)算模型與工況

選取模型計(jì)算范圍時(shí)，充分考慮基坑開挖和隧道實(shí)施引起的邊界效應(yīng)。參考相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算模型幾何尺寸在X、Y方向分別取100m和40m。模型中土層利用二維平面應(yīng)變單元模擬，地鐵襯砌采用梁?jiǎn)卧M，掛網(wǎng)噴混利用梁?jiǎn)卧M。模型中各層土采用均修正M-C(硬化)模型，相關(guān)結(jié)構(gòu)則采用彈性本構(gòu)模型。整體計(jì)算模型、顯示基坑開挖的計(jì)算模型如圖3~4所示，模型側(cè)向加水平位移約束，底部加豎向位移約束，頂面為自由面，不加任何約束。

圖3 整體計(jì)算模型

本次計(jì)算含4個(gè)工況，即4個(gè)計(jì)算步，地面標(biāo)高取±0.00m，計(jì)算工況見表2。

圖4 顯示開挖計(jì)算模型

表2 計(jì)算工況

3 結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值

該項(xiàng)目位于云南省昆明市，因無當(dāng)?shù)貓?zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）[5]、廣東省標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通既有結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（DBJ/T 15-120-2017）[6]、天津市標(biāo)準(zhǔn)《天津市城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DB/T 29-279-2020）[7]、浙江省標(biāo)準(zhǔn)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)程》（DB33/T 1139-2017）[8]，可將本項(xiàng)目地鐵1號(hào)線結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)設(shè)定為：隧道結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移的預(yù)警值為10mm，控制值為15mm。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

圖5為工況4的整體位移云圖，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。由圖5可知，基坑開挖引起的土層最大水位位移為3.73mm，指向基坑內(nèi)，由不平衡壓力引起；土層最大豎向位移為8.22mm，由于基坑開挖卸載引起的回彈，坑外最大沉降為2.19mm，這是因?yàn)閭?cè)移引起地層損失誘發(fā)所致。

圖5 整體位移云圖

圖6為工況4對(duì)應(yīng)的既有地鐵隧道位移云圖，定義位移指向坐標(biāo)正軸為正，反之為負(fù)。由圖6可知，基坑開挖引起的隧道結(jié)構(gòu)位移主要體現(xiàn)在豎向，由基坑開挖卸載引起，最大豎向位移為3.87mm，小于《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 202-2013）規(guī)定的變形預(yù)警值10mm。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)位移云圖

圖7為隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖，由圖7可見，基坑開挖完，地鐵隧道結(jié)構(gòu)最大軸力為1213.54kN，最大剪力為136.81kN，最大彎矩為202.21kN，總體內(nèi)力水平較低，從一側(cè)面反映基坑放坡開挖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

5 結(jié)束語

昆明地區(qū)地鐵上方要開展基坑開挖工程，本文利用數(shù)值分析研究基坑開挖對(duì)下臥地鐵隧道的影響，結(jié)論如下：

（1）跨越地鐵隧道上方的基坑開挖，對(duì)下方隧道產(chǎn)生了較大的隆起變形，該隆起變形從計(jì)算模擬結(jié)果來看，滿足結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值，且基坑開挖引起的既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力較低，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)影響較小。

（2）對(duì)比國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，提出適應(yīng)于本項(xiàng)目的評(píng)估依據(jù)，數(shù)值分析結(jié)果顯示，下臥地鐵隧道各項(xiàng)變形處于安全、可控范圍。

（3）目前，本基坑支護(hù)工程已完工，且已按設(shè)計(jì)圖紙要求施工管廊工程并回填基坑；本項(xiàng)目施工過程中，根據(jù)業(yè)主反饋，基坑及地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常，從一定程度上也驗(yàn)證了本項(xiàng)目的數(shù)值分析模擬。