基坑施工对临近既有地铁隧道变形的影响分析

基坑施工对临近既有地铁隧道变形的影响分析

尹彦超

神铁二号线（天津）轨道交通运营有限公司 天津 300000

摘要：随着城市发展规模的扩大，越来越多的基础设施不可避免地与隧道靠近，这对地铁的运营安全带来了新的挑战。为保证地铁在其上部有基坑开挖的情况下正常运营，文章运用Midas GTS NX 岩土结构有限元软件，对基坑开挖进行数值模拟，并计算了三种不同的施工方案，对该隧道的最大竖向位移进行了预测和对比，并与现场自动化监测数据进行了比较。研究结果表明，所建立的数值仿真模型精度满足工程需要，通过方案对比得出该类基坑开挖相关规律，提出开挖过程中应当引起重视的步骤，以减小对隧道变形的影响。

关键词：基坑施工 既有隧道

中图分类号：TU753.1 文献标识码：A

引言

随着经济发展、社会进步，城市的地下工程建设发展迅猛，轨道交通的建设也成为其中重要的一环。相对于传统的地面交通方式，地铁成为缓解城市交通压力的有力武器。但由于城市建设规模大而集中，不可避免地有另一些基础设施的基坑与既有地铁隧道紧邻。当隧道变形超过一定限度，轻则接缝漏水，重则导致地铁无法安全运营。为保证重大工程的安全性，需要在基坑开挖前后对地铁隧道结构安全性进行研究和保护。针对此类问题，国内外相关学者主要采用简化理论、数值模拟等方法进行研究。从理论分析着手，在基底土体隆起残余应力法的基础上，研究了规则矩形基坑开挖在时空效应上对土体回弹及其下地铁隧道变形的影响规律，并最终推导出相关计算公式。开展了干砂地层中基坑开挖对旁侧隧道影响及隔断墙保护作用的三维离心模型试验和数值分析，得出了隧道上浮量和水平位移随着隧道埋深及其与围护墙距离的增大而减小且随着基坑开挖深度的增大而增大的结论。将相似材料模型试验和数值模拟相结合，研究了上方基坑开挖卸荷-加载作用下隧道的变形特征，其结果表明随着该基坑开挖卸荷的进行，隧道逐步上浮，在开挖至底部时竖向位移达到最大。结合工程实例对基坑与既有隧道的安全距离进行了分析：分析指出在常规基坑变形控制条件下，建议隧道结构与围护墙间距≥20m，且随间距的减小，基坑支护刚度加强所需代价将逐渐增大。综上所述，目前基坑开挖对既有隧道的影响研究主要集中在基坑尺寸、支护、距离以及相关的理论规律上，而关于非常规的狭长管线基坑开挖对邻近既有隧道影响的研究相对较少。

1基于地铁隧道变形控制的基坑设计

1.1基坑开挖对隧道变形的主要影响因素分析

工程基坑开挖对隧道变形的影响主要有1)双侧底坑的处理顺序。隧道两侧个别基础的拆除会导致隧道变形，应相应安排施工作业，以减少沟槽的重叠。2)支撑系统的刚度。保持系统的刚度由保持盆的刚度和安装以及保持系统的刚度组成。支撑柱和高刚度支撑系统对控制基站的变形和稳定性有一定的作用。3)土壤条件。根据某地区的研究和经验，相邻地铁两侧的加固可以提高土体质量，减少地基变形。4)地下水控制。在地铁掩蔽工程的情况下，应密切控制地下水，特别是地下水位，以避免基底周围地下水位急剧下降，这将导致土壤反应应力增加，从而导致土壤浪费和隧道变形。5)对施工的影响。主要插图为超载、拆除规划和施工进度。施工现场应严格限制凹槽边缘的套件载荷，质量补偿应严格按照“地板”、“块”、“对称”、“平衡”和“进度”的原则进行。此外，在完全饱和的软粘土地区，应加快基底的施工进度，以通过“时间效应”限制基底的变形。

1.2基坑变形控制设计要点

针对主要影响因素，在基坑设计中分别采取了相应控制措施。1）严控双侧基坑施工工序工况。该项目双侧基坑挖深差异大，且地铁隧道为弧形段，地铁两侧受力极不平衡，因此双侧基坑不能同步开挖。结合开挖进度要求，该项目施工顺序为：南区-Ⅰ（地下2层）→北区→南区-Ⅱ（地下1层）。即对单个基坑而言，南区远离地铁侧先施工，待出±0 m后方可开挖邻近地铁侧地下1层区域；对双侧基坑而言，北区先开挖，先深后浅，待底板完成达到养护强度、基坑变形稳定后，再开挖南区邻地铁侧浅坑。2 ）采用大刚度的支护桩。北区基坑挖深 1 2 . 3 ～ 13.7 m，采用厚800 mm（一般区域）/1 000 mm（邻地铁侧）地下连续墙，并增设槽壁加固，支护结构端布置于⑥层。南区-Ⅰ远离地铁，支护采用φ1 000 mm@1 200 mm灌注桩结合外排φ850 mm@1 200 mm三轴搅拌桩止水；南区-Ⅱ邻近地铁，支护采用φ850 mm@1 050 mm灌注桩结合外排φ850 mm@1 200 mm三轴搅拌桩止水，桩端置于⑤2层^[1]。

2变形控制

CJJ /T 202—2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定隧道竖向位移、水平位移预警值均＜10mm，控制值均＜20mm。采用卸载路径方案 2后，左、右线隧道累计水平位移、竖向位移均未超过规范控制值，但左、右线隧道累计水平位移和左线隧道累计竖向位移均已超过规范预警值。依据，下卧运营地铁隧道变形控制措施主要包括分区分块开挖、基坑底部堆载、降水处理、结构底板+抗拔桩支护、注浆加固土体; 侧方运营地铁隧道变形控制措施主要包括基坑内外搅拌桩加固土体、注浆纠偏、远近分区卸载、隔离桩加固等。由于本工程隧道侧方为深基坑、上方为浅基坑，综合考虑成本、工期等因素，结合基坑施工情况，提出以下变形控制措施: 措施 1 采取隔离桩+止水帷幕+土体搅拌桩加固措施，即在水平方向距左线隧道左侧监测点 3m 位置处设置隔离桩和止水帷幕，同时在隔离桩与侧方深基坑 支护桩间，采用水泥掺量分别为 8%，20%的三轴水泥搅拌桩加固土体，并在左、右线隧道上方一定区域内采用水泥掺量为 8%的三轴水泥搅拌桩加固土体; 措施2 采取抗拔桩+土体注浆加固措施，即在竖直方向距左、右线隧道顶部监测点 1m 外一定区域内进行土体注浆加固，在水平方向距左、右线隧道左、右侧监测点 1m 外一定对称区域内进行土体注浆加固，并在水平方向距左、右线隧道左、右侧监测点4m 位置处对称设置抗拔桩。采取变形控制措施 1 建立模型时，土体加固区采用软件提供的改变单元属性功能实现，搅拌桩加固后的水泥土体采用弹性本构模型模拟，结合现场水泥土搅拌桩取样测试结果和研究成果，水泥掺量为8%，20%的加固区土体弹性模量分别取为100，300MPa，隔离桩采用通过抗弯刚度等效原则换算的等效厚度板单元模拟，止水帷幕采用界面单元模拟。采取变形控制措施 2 建立模型时，抗拔桩采用梁单元模拟，注浆加固后土体本构模型同原土层，将注浆土体弹性模量取为 70MPa，黏聚力取为 50kPa，内摩擦角取为28°。设置模型工况时，对于变形控制措施 1，隔离桩、止水帷幕设置及隔离桩与侧方深基坑 支护桩间土体加固在深基坑 施工前进行，隧道顶部土体加固在深基坑 地下 4 层施工完毕、浅基坑 施工前进行; 对于变形控制措施 2，抗拔桩设置与隧道左、右侧土体加固在深基坑 施工前进行，隧道顶部土体加固在深基坑 地下 4 层施工完毕、浅基坑 施工前进行

^[2]。

结束语

采用Midas GTSNX软件进行了基坑开挖过程的数值模拟，并提出了三个不同的开挖方案，对方案进行分析比对得出方案一更适合的结论。可以得知，基坑开挖产生卸荷作用，从而使土体表现出向上的回弹变形，由于土体的变形具有的协调性，使在一定的范围内得土体和结构产生“上浮”变形，即产生竖直方向上的位移。由几个方案的对比可知，在该基坑开挖过程中，开挖对隧道衬砌结构的影响与开挖土体的位置密切相关，距离越近则影响越大^[3]。

参考文献：

[1]沈银斌,陈龙,周侃东,黄河.基坑施工对临近既有地铁隧道变形的影响分析[J].安徽建筑,2021,28(10):159-162.

[2]刘义,朱武卫,张峰,席宇,杨焜,李哲,王宝玉,杨晓.黄土地区不同基坑卸载路径对近接运营地铁隧道位移的影响[J].施工技术(中英文),2021,50(15):40-44.

[3]郭家武. 考虑施工工况对基坑及既有隧道变形影响研究[D].安徽建筑大学,2021.