基坑開挖對既有地鐵隧道影響數(shù)值研究

馬昆泉　閆騰飛

【摘? ?要】? ?為研究基坑開挖對既有地鐵隧道變形的影響，以武漢市中國新聞社中部新聞信息中心深基坑工程對周圍既有武漢地鐵2號線和5號線影響為項目依托（基坑項目侵入軌道交通2號線、5號線安全保護區(qū)之內(nèi)），采用數(shù)值模擬方法研究和評估基坑開挖對周圍隧道變形的影響，為工程建設(shè)評估提供一定的參考。結(jié)果表明：項目基坑開挖會對既有區(qū)間隧道產(chǎn)生一定的影響。E=3Es（E=6Es）條件下，5號線隧道水平位移變化為2.21 mm（1.71 mm），豎直位移變化0.05 mm（0.05 mm），2號線隧道最大水平位移為3.98 mm（3.14 mm），豎直位移變化2.44 mm（1.92 mm）。在采取一定的工程措施之后，相關(guān)影響可以控制在可接受的范圍之內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】? ?深基坑;開挖;既有隧道;變形;數(shù)值模擬

Numerical Study on Influence of Foundation Pit Excavation

on Existing Subway Tunnel

Ma Kunquan Yan Tengfei

（1.China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100070， China;

2.Faculty of Engineering， China University of Geosciences， Wuhan 430074， China）

【Abstract】? ? In order to study the effect of foundation pit excavation on the deformation of existing subway tunnel， the deep foundation pit project of Central News Information Center of China News Agency in Wuhan City on the surrounding existing Wuhan Metro Line 2 and line 5 is taken as the project basis （the foundation pit project intrudes into the safety protection zone of Rail Transit Line 2 and line 5）. Numerical simulation method is used to study and evaluate the influence of foundation pit excavation on surrounding tunnel deformation， and provides a certain evaluation role for engineering construction. The results show that the excavation of foundation pit will have a certain impact on the existing tunnel. Under the condition of E=3Es （E=6Es）， the horizontal displacement change of line 5 tunnel is 2.21mm （1.71 mm）， the vertical displacement change is 0.05mm （0.05 mm）， the maximum horizontal displacement of line 2 tunnel is 3.98mm （3.14 mm）， the vertical displacement change is 2.44mm （1.92 mm）. After taking some engineering measures， the relevant impact can be controlled within the acceptable range.

【Key words】? ? ?deep foundation pit; excavation; existing tunnel; deformation; numerical simulation

〔中圖分類號〕? TU47? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標(biāo)識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2022）02- 0077- 06

0? ? ?引言

伴隨著我國基建事業(yè)的快速發(fā)展，深基坑工程成為打開所需地下空間的重要紐帶工程[1]。然而基坑開挖一定伴隨著對周圍環(huán)境的影響[2]，這種影響主要表現(xiàn)為對周圍建筑物沉降的干擾[3]，對周圍管涵隧道的相互作用等[4]。雖然目前較為先進的鋼支撐伺服系統(tǒng)或其他較為先進的智能調(diào)節(jié)可以一定程度上解決因開挖帶來的周圍環(huán)境變化問題[5-6]，但現(xiàn)階段因其成本預(yù)算較高等問題未能大范圍推廣應(yīng)用。因此，基坑開挖對既有地鐵隧道的影響仍然需要進一步研究和評估。

信磊磊等[7]通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)深基坑對稱開挖將對既有隧道產(chǎn)生最小的變形影響。鮑嘯成[8]分析了基坑開挖對地鐵隧道變形的影響，發(fā)現(xiàn)下臥和側(cè)臥將產(chǎn)生不同的變形。岳云鵬等[9]研究了分塊開挖對下臥隧道的影響，結(jié)果表明，分塊數(shù)量相同時橫向分塊優(yōu)于縱向分塊，且更大數(shù)量的橫向分塊將對隧道豎向位移產(chǎn)生更好的控制效果。閆興寶[10]采用數(shù)值模擬結(jié)合離心試驗的方法研究了西安某深基坑施工對下臥地鐵隧道的影響，結(jié)果表明，開挖將引發(fā)隧道圍壓和自身應(yīng)力產(chǎn)生較大變化。0152F56E-B45D-4C7E-B0DC-A5A675461CF9

從現(xiàn)階段研究成果來看，基坑開挖對既有隧道將產(chǎn)生應(yīng)力位移重分布的深遠影響，對周圍環(huán)境產(chǎn)生不確定性擾動，其影響規(guī)律值得進一步研究。本文以武漢市中國新聞社中部新聞信息中心深基坑工程為項目背景，采用數(shù)值模擬方法研究基坑開挖對周圍兩側(cè)側(cè)臥隧道的受力變形影響，并在此基礎(chǔ)上提出工程建議。本工程案例是城市地下空間工程中較為典型的工程案例，研究結(jié)果可為此類基坑開挖對既有隧道擾動的影響提供一定的借鑒。

1? ? ? 工程問題分析

中國新聞社中部新聞信息中心深基坑工程位于武漢市武昌區(qū)中山路與和平大道交匯位置處，基坑內(nèi)邊線面積約為4488m²，地下室標(biāo)高為-13.200m～-14.700m，基坑開挖最大深度為場地自然地面以下12m位置處。基坑周圍環(huán)境較為復(fù)雜，東側(cè)緊鄰武漢地鐵2號線隧道;南側(cè)為中國建設(shè)銀行湖北省分行;西側(cè)為和平大道，且和平大道下方存有即將運營的武漢軌道交通5號線隧道;北側(cè)為華潤鳳凰城。

現(xiàn)有測量結(jié)果表明，深基坑項目已侵入軌道交通2號線和5號線安全保護區(qū)范圍內(nèi)。軌道交通2號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)距基坑西側(cè)支護結(jié)構(gòu)最小水平凈距約9.2m。軌道交通5號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)距離基坑西側(cè)支護結(jié)構(gòu)最小水平凈距約34.2m。中國新聞社中部新聞信息中心深基坑工程開挖建設(shè)過程將對武漢地鐵2號線積玉橋站至螃蟹甲站區(qū)間隧道和武漢地鐵5號線曇華林站至積玉橋站區(qū)間隧道產(chǎn)生影響，且存在不確知性的特點，因此有必要進行基坑開挖對既有地鐵隧道影響數(shù)值模擬評估，并對該深基坑工程的建設(shè)進行許可評估。深基坑工程與既有地鐵隧道的平面位置關(guān)系如圖1所示。

深基坑支護結(jié)構(gòu)空間位置與相關(guān)參數(shù)如圖2和圖3所示。研究區(qū)間內(nèi)的既有地鐵2號線隧道結(jié)構(gòu)安全等級為一級，設(shè)計使用年限為100年。本區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，地鐵隧道直徑為6m，采用厚度為0.3m的預(yù)制鋼筋混凝土平板形管片錯縫拼裝制作成。

武漢地鐵2號線研究區(qū)間隧道為已建成并運營的隧道，5號線曇研究區(qū)間為正在施工中的地鐵隧道。依據(jù)《武漢市軌道交通管理條例》相關(guān)規(guī)定，中部新聞信息中心項目深基坑工程已侵入地鐵2號線和地鐵5號線區(qū)間的保護區(qū)范圍之內(nèi)，為滿足武昌區(qū)中國新聞社中部新聞信息中心項目的近期開工要求，同時避免或降低其建設(shè)對武漢地鐵2號線和地鐵5號線的不利影響，有必要進行項目對地鐵2號線、5號線的相互影響評估工作。

2? ? ?數(shù)值模型

采用有限元分析軟件Midas GTS NX對基坑開挖引發(fā)的既有隧道受力變形影響評估進行三維數(shù)值分析。本次模擬根據(jù)實際情況建立1：1模型，模型尺寸為248m×125m×40m（長×寬×高），基坑開挖深度為12m，支護排樁按剛度相等原則等效為地連墻，深度為28m，數(shù)值模型如圖4所示。模型四周約束水平位移，底部約束水平和豎向位移。

定義鉆孔灌注樁直徑為D，樁與樁之間的凈間距為t，定義等效之后的地連墻厚度為h。根據(jù)等效剛度原理，則有：

（D+t）h³/12=πD⁴/64

等效地連墻厚度：h=0.838D（1/1+t/D）^1/3

模型中土體采用摩爾-庫倫模型，圍護結(jié)構(gòu)、隧道襯砌及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)等均采用線彈性模型。周圍土體和圍護結(jié)構(gòu)采用3D實體單元，隧道襯砌采用2D shell單元，支撐結(jié)構(gòu)采用1D beam單元。因隧道襯砌由預(yù)制管片綜合拼接，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度小于理想狀態(tài)下的整體圓環(huán)模型，因此對襯砌結(jié)構(gòu)剛度進行了70%比例折減。本數(shù)值模擬中采用的土體及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

3? ? ?結(jié)果與分析

3.1? ?隧道襯砌受力變形特性分析

基坑開挖結(jié)束后的兩地鐵隧道位移云圖如圖5所示。根據(jù)計算結(jié)果，5號線（圖左位置）隧道管片最大豎向位移為0.05mm，2號線（圖右位置）隧道管片最大豎向位移為1.29mm，表明在基坑開挖影響下，5號線和2號線隧道襯砌整體上均存在微小的隆起變形，且2號線局部隆起量大于5號線。在基坑開挖影響下，隧道襯砌整體水平位移較大，5號線（圖左位置）隧道管片最大水平位移為1.71mm，2號線（圖右位置）隧道管片最大水平位移為3.14mm，偏向基坑方向。這表明基坑開挖引起的水平位移變化值大于隆起變化量，且基坑開挖對2號線的影響大于5號線。隧道Von-Mises應(yīng)力云如圖6所示，最大Von-Mises值為1.4MPa，滿足設(shè)計和施工要求。

造成2號線變形量大于5號線的主要影響因素主要包含以下兩點：（1） 2號線距離基坑較5號線近，僅為9.2m;（2） 5號線附近的地連墻剛度較大，具有較強的擋土作用。

3.2? ?基坑支護體系受力變形特性分析

等效地連墻墻體的水平位移變化曲線如圖7所示，墻體位移云圖如圖8所示。由圖可知，靠近5號線（圖左位置）隧道的基坑一側(cè)（即西側(cè)）圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為25.66mm，靠近2號線（圖右位置）隧道的基坑一側(cè)（即東側(cè)）圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為13.73mm，基坑北側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為24.50mm，基坑南側(cè)圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移為25.67mm?；禹敳繃o結(jié)構(gòu)變形較小，基坑開挖面附近水平位移較大，最大水平位移25.67mm（南側(cè)）。

支撐軸力結(jié)果如圖9所示。根據(jù)計算結(jié)果，支撐結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為7.20MPa，小于C35混凝土軸心抗壓強度設(shè)計值f_c=16.7MPa，位置為基坑西側(cè)的第一道對撐（南北向?qū)危?。西?cè)地連墻和排樁之間的頂部拉梁中最大拉應(yīng)力為0.92MPa，小于C35混凝土軸心抗拉強度設(shè)計值ft=1.57MPa。

3.3? ?受力變形分析綜述0152F56E-B45D-4C7E-B0DC-A5A675461CF9

數(shù)值模型的計算結(jié)果統(tǒng)計表如表3所示。根據(jù)基坑與隧道整體三維模型的計算結(jié)果分析，采用當(dāng)前開挖支護方案時，基坑開挖至坑底后，在不同的工況下，會產(chǎn)生不同的水平位移和豎向位移。

由于基坑鄰近隧道側(cè)未出現(xiàn)塑性破壞區(qū)，基坑的豎向位移主要表現(xiàn)為開挖后的回彈變形?？傮w而言，基坑支護體系設(shè)計基本合理，支撐剛度和西側(cè)拉梁偏弱，可以基本滿足基坑穩(wěn)定性要求。

4? ? ? 工程建議

（1）建議靠近2號線圍護結(jié)構(gòu)樁間距加密至1300mm，保證止水帷幕施工質(zhì)量。樁基的施工工藝和措施應(yīng)考慮小偏斜、低振動、防塌孔和無擠土效應(yīng)。

（2）基坑施工應(yīng)采用監(jiān)測反饋技術(shù)，隧道與基坑均應(yīng)在施工期建立實時監(jiān)測體系以及預(yù)警預(yù)報系統(tǒng)。

（3）基坑開挖應(yīng)先進行試開挖，對隧道及基坑變形進行跟蹤分析，施工過程中如果變形或變形速率較預(yù)測值偏大應(yīng)停止開挖，對隧道和基坑間土體采用旋噴樁等必要措施進行加固，滿足施工條件后方可繼續(xù)施工。

（4）擬建項目臨近地鐵側(cè)基坑支護樁應(yīng)避免與地下室結(jié)構(gòu)側(cè)墻間預(yù)留較大間隙，并做好地下室防水措施，避免后期拆除支撐后圍護樁變位過大或長期滲漏水，引起臨近地鐵隧道周邊地層位移。

（5）施工期應(yīng)做好應(yīng)急預(yù)案并儲備應(yīng)急機具、物資，基坑開挖過程中如發(fā)現(xiàn)基坑出現(xiàn)大的滲漏、變形，應(yīng)對基坑立即回填反壓，妥善處理后方可繼續(xù)施工。

（6）項目建設(shè)前應(yīng)在地面放線定位并明確標(biāo)示出地鐵隧道結(jié)構(gòu)輪廓范圍?；娱_挖區(qū)域周邊禁止堆放施工荷載。

（7）擬建項目實施前，需針對地鐵制定保護方案、監(jiān)測方案、應(yīng)急預(yù)案，并委托第三方監(jiān)測對建設(shè)項目相鄰運營地鐵隧道洞內(nèi)進行隧道結(jié)構(gòu)和軌道的位移、結(jié)構(gòu)收斂等監(jiān)測，宜采用自動化監(jiān)測設(shè)備，按照地鐵運營部門要求控制。同時加強臨近地鐵隧道側(cè)的基坑變形、地表沉降、水位等監(jiān)測，做到信息化施工。監(jiān)測結(jié)果應(yīng)定期、及時反饋至地鐵相關(guān)管理部門。

5? ? ?結(jié)論

本文基于信息中心項目提供設(shè)計圖紙、勘察資料等相關(guān)資料準(zhǔn)確的前提下，通過數(shù)值模擬計算得出以下結(jié)論：

（1）信息中心項目進入軌道交通2號線、5號線安全保護區(qū)之內(nèi)。項目基坑開挖必定會對既有區(qū)間隧道產(chǎn)生一定的影響。但總體而言，在采取一定的工程措施之后，相關(guān)影響能控制在可接受的范圍之內(nèi)。

（2）根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，在給定基坑開挖支護方案條件下，通過數(shù)值模擬預(yù)測盾構(gòu)隧道整體狀況基本滿足要求，5號線隧道最大水平位移為2.21mm （1.71mm），最大豎向位移為0.05mm （0.05mm），2號線隧道最大水平位移為3.98mm （3.14mm），最大豎向位移為2.44mm （1.92mm），滿足工程要求。（括號內(nèi)數(shù)值為E=6Es情況）

（3）本評估基于簡化的三維數(shù)值模型進行計算，本構(gòu)模型和計算參數(shù)僅能反映其主要力學(xué)特征，而實際工程中的施工過程可能與計算模型工況不完全一致，數(shù)值計算結(jié)果可能與實測值存在一定偏差，應(yīng)通過監(jiān)測反饋系統(tǒng)對盾構(gòu)隧道的安全性進行實時監(jiān)控。

（4）盡管積螃區(qū)間的病害情況已經(jīng)得到治理，考慮到積螃區(qū)間的隧道結(jié)構(gòu)仍處于恢復(fù)狀態(tài)之中，施工過程中應(yīng)加強對隧道的監(jiān)測，一旦變形到達警戒值應(yīng)立即停止施工并采取緊急預(yù)案。

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