基坑开挖对临近地铁区间的影响分析

基坑开挖对临近地铁区间的影响分析

徐宗涛

呼和浩特市地铁工程咨询有限公司，内蒙古自治区，呼和浩特， 010000

摘 要：临近地铁基坑的施工是影响地铁正常运营的一个重要因素，基坑设计或施工方案的不当，会引起区间的沉降过大，影响地铁车站的安全运营。本文以呼和浩特市主城区供热管线改建支线工程为背景，利用MIDAS GTS NX软件进行数值模拟，对临近区间基坑开挖所引起的地铁区间内力及变形进行研究，结合规范要求的控制值以及既有地铁盾构隧道左右线的所产生的沉降值、差异沉降值的数值模拟结果，对此基坑工程做出安全评价，为地铁运营阶段的安全保护提供参考。

关键词：基坑开挖；地铁车站；数值模拟；安全措施

中图分类号：TU433；TU473.2 文献标识码：A

0 引言

目前我国已进入城市轨道交通飞速发展的时代，地铁作为城市经济命脉，起疏散交通客流量的重大作用，决定了地铁需沿城市主干道分布的特点。临近运营隧道的基坑工程必不可免，使临近地铁区间隧道产生附加变形^[1]，会对既有地铁的安全及正常运营产生较大影响。管线改迁拆除工程同样也属于一种岩土体卸荷的过程，施工过程中会引起周围地层应力的重分布，导致周围土体或地面产生位移和变形，当位移的影响超过了控制标准，会影响既有建筑物的正常使用，对于地铁的控制标准更为严格。国内外学者做了很多研究，主要集中于对邻近隧道的变形规律^[2-3]、变形预测^[4-5]、变形影响因素和地铁隧道保护措施的研究，本文结合呼和浩特市主城区集中供热管网改建及拆并2座锅炉房支线工程，对该工程进行安全评估及数值模拟分析，研究得出了合理施工方案及控制标准，为日后类似工程提供了参考依据。

1 工程概况

呼和浩特市主城区集中供热管网互联互通项目新华大街管网改建及拆并2座锅炉房支线工程周边施工环境复杂，且处于既有地铁1号线安全运营控制范围内。工程总体分为两段，其中起点至地铁西龙王庙站西侧线路路径全长约750m，地铁西龙王庙站东侧至设计终点线路路径全长约650m，所处区间1号线隧道采用盾构法施工，两端车站采用明挖法施工。热力管线路径位置示意图如图1。

图1 热力管线路径位置示意图

在第一段改建热力管线范围内，热力管线施工开槽深度3.8m~5.7m，开槽范围内区间右线隧道上部覆土厚度为10.6m~16.2m，开槽施工采用1:0.5放坡，直埋开挖槽底距离区间隧道拱顶净距约6.8m~11.4m；在第二段改建热力管线范围内，热力管线施工开槽深度3.3m~5.4m，开槽位置距离区间右线结构水平距离为0~9.2m，开槽范围内区间右线隧道上部覆土厚度为9.9m~13.9m，开槽施工采用局部1:0.5放坡，直埋开挖槽底距离区间隧道拱顶竖向净距约6.5m~9.2m。沟槽开挖距离盾构区间位置关系见图2。

图2 沟槽开挖与盾构区间竖向位置关系

2 岩土工程条件

新华大街管网改建支线工程对1号线影响区间段内地层自上而下为杂填土、粉质粘土、粉土、细砂、圆砾、粉质粘土、粉土等，区域地下水分为两层，主要是潜水和层间潜水，水头埋深分别是5.71~8.26m、13.1~17.35m，主要受地表水的入渗补给和灌溉补给。

3 有限元数值模拟

通过MIDAS GTS NX建立沟槽开挖和隧道区间的三维模型，通过有限元数值分析模拟沟槽开挖对既有结构变形、结构内力影响进行评价。

3. 1. 计算模型

放坡开挖模型

建立整体三维有限元模型，包括盾构上侧开挖的基坑、盾构隧道左右两条线。放坡开挖采用80mm的喷射混凝土护坡，坡度为1:0.5，开挖土体步距为24m一段，开挖基坑距盾构区间竖向距离为6.8m。计算模型长为96m、宽为80m、高80m，喷射混凝土面层根据加固材料属性分配材料参数，盾构管片用壳板单元模拟，围岩采用3D岩土单元进行模拟。见下图3。

图3 放坡开挖整体模型示意图

3. 2. 模型边界条件

模型中各层土体均按天然重度考虑，计算荷载包括结构及土体的自重荷载。位移边界条件：土体模型的顶面为自由边界，底面为竖向约束，四周为法向约束。

3. 计算结果分析

4.1 隧道位移及变形曲线

基坑开挖以后，基坑土体卸荷作用产生邻近盾构区间的竖向位移。基坑开挖完成后产生的位移最大，地铁控制区范围内基坑开挖至坑底各工况隧道典型位移云图如图4~11所示；

图4 开挖并加固第一段土体时隧道竖向位移云图

图5 回填第一段土体时隧道竖向位移云图

图6 开挖并加固第二段土体时隧道竖向位移云图

图7 回填第二段土体时隧道竖向位移云图

图8 开挖并加固第三段土体时隧道竖向位移云图

图9 回填第三段土体时隧道竖向位移云图

图10 开挖并加固第四段土体时隧道竖向位移云图

图11 回填第四段土体时隧道竖向位移云图

在放坡开挖的工况中，盾构管片竖向位移随着上部土体的分段开挖及回填而变化，开挖过程中竖向最大位移值为3.94mm，盾构右线最大差异沉降为1.19mm，左线最大差异沉降为0.09mm，均满足最大差异沉降的控制值（2mm/10m）。

5 结论及建议

（1）新华大街管网改建工程在管道沟槽正常开挖施工条件下，会对近邻的既有地铁1号线产生一定的影响。按照24m的开挖步距分段开挖分段回填的施组要求进行施工，沟槽开挖引起1号线盾构区间的各项变形指标，均在安全控制要求范围内。

（2）为确保新华大街管网改建工程施工期间既有地铁线的结构安全，根据既有结构现状，综合考虑预测变形、极限变形，建议采取一定的预处理及应急措施，以控制开挖施工对既有线的影响。

（3）考虑土体小应变影响的三维数值分析能够较好反映结构开挖对既有结构体位移、变形和内力的影响，在施工过程中要增加其安全储备。

参 考 文 献：

1. 孙钧.城市地下工程活动的环境土工学问题（上）[J].地下工程与隧道,1999,9(3):2-6.

2. 吉茂杰，刘国彬.开挖卸荷引起的地铁隧道位移预测方法[J].同济大学学报，2001,29(5):531-535

3. 张治国，张孟喜，王卫东.基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法[J].岩土力学,2011,32(7):2085-2092.

4. 蒋洪胜，候学渊.基坑开挖临近软土地铁隧道的影响[J].工业建筑,2002,32(5):53-56.

5. 李国龙，袁长丰，黄海滨，等.高层建筑全过程施工对临近既有隧道影响的数值模拟分析[J].施工技术,2016,45(1)77-81.

作者简介：徐宗涛（1983-），中级工程师，呼和浩特市地铁工程咨询有限公司副总经理