毗邻地铁深基坑开挖对地铁隧道的影响研究

张敏，陈涛，李更召，苏越

（天津市勘察院，天津 300191）

摘要：毗邻地铁的深基坑开挖施工可能会引起地铁结构的位移，从而影响到地铁线路的安全。以某深基坑工程为背景，采用ABAQUS有限元软件，对基坑开挖施工、主体结构施工工况下基坑围护结构及邻近运营隧道的影响进行数值模拟，并根据计算结果对基坑及地铁重点部位的施工及监控量测提出合理化建议。模拟结果表明，围护结构、隧道结构在土方开挖结束时，变形达到最大值，上部荷载加载结束，变形有所减小，均在控制值以内，同时建议在影响较大部位预先埋设袖阀管，施工过程中加强对基坑及地铁结构的监测，一旦监测数据异常或达到控制值，建议采取注浆措施以保证地铁结构的安全。计算所得变形结果均在变形控制标准值之内，可有效指导后续施工。

关键词：深基坑；运营地铁；围护结构；变形；数值模拟分析

Research on the Influence of Deep Foundation Pit Excavation on Metro Tunnels Adjacent to Metro

 Zhang Min, Chen Tao,LI Gengzhao,SU Yue,Zhang Qi，ZHANG Chengjun

（Tianjin Institute of Geotechnical Investigation and Surveying , 300191, China）

Abstract：The construction of deep excavation adjacent to the subway may cause displacement of the subway structure and affect the safety of subway lines. In the context of a deep foundation pit project，using ABAQUS finite element software numerical simulation of the effects of pit excavation construction, foundation pit construction under surrounding conditions and adjacent tunnels under construction conditions，based on the calculation results, it puts forward reasonable suggestions for the construction and monitoring measurement of the foundation pit and key parts of the subway. Simulation results show，at the end of earth excavation, the deformation of the retaining structure and the tunnel structure reaches a maximum, the loading of the upper load ends, and the deformation decreases, all within the control value. At the same time, it is recommended that sleeve valves be pre-embedded in areas of greater impact, and monitoring of foundation pits and subway structures during the construction process should be strengthened. Once the monitoring data is abnormal or control values are reached, grouting measures are recommended to ensure the safety of the subway structure. The calculated deformation results are all within the deformation control standard value, which can effectively guide the follow-up construction.

Keywords：foundation pit excavation；operating metro；enclosure structure；deformation；numerical simulation analysis

0引言

随着城市地下空间开发的推进，越来越多的大型深基坑涌现于城市建设之中^[1-2]，受城市空间狭窄的限制，深基坑在修建过程中往往不得不靠近或穿越已运营的地铁线路。深基坑在开挖过程中除了要保证深基坑自身的稳定和安全之外，还要采取相应的变形控制措施保障深基坑周边已运营地铁线路的正常使用和安全^[3-5]。如果深基坑开挖过程中的变形控制措施采取不当，极有可能对邻近地铁线路的正常运营造成影响^[6-7]，甚至威胁到已运营地铁的安全，造成事故。因此，在敏感环境下如何有效控制深基坑开挖对邻近已运营地铁线路的影响成为摆在工程技术人员面前一个亟待解决的难题。

本文采用有限元分析软件ABAQUS，对天津市某深基坑工程施工及上部结构施工过程中深基坑围护结构及邻近已运营的地铁隧道的变形进行数值分析，计算其变形的变化情况，为后续施工提供指导。

1 工程概况

该工程位于天津市市区繁华路段，邻近已运营地铁区间，基坑周长约416m，面积约10451m²，两层地下室，开挖深度最深约6.9m，场地周边环境较复杂，其西南侧紧邻既有地铁结构，西侧、北侧与市政道路相邻，东侧紧邻一块空地，目前尚未施工，基坑地下室外墙与地铁隧道结构距离最近处约9m。基坑与地铁隧道结构平面、剖面位置关系见图1及图2。

图1 基坑与地铁隧道平面关系图

图2 基坑与地铁隧道剖面关系图

本次施工位于已运营线路西康路站至营口道站区间，区间长度836米，为双线盾构区间，每环由6块管片拼装而成，隧道外径6.2m，内径5.5m，厚度0.35m。基坑影响范围内隧道平均覆土深度9.4m，其纵剖面图见图3。

图3区间纵剖面图

该深基坑坑外采用三轴水泥搅拌桩防水，桩径分850mm和650mm两组，桩顶标高-3.100,有效桩长有11.0m、13.0m、16.0m三种。搅拌桩内部、基坑边缘采用钢筋混凝土灌注桩作为外部围护结构，桩径分为800mm，600mm，900mm三组，有效桩长有17.4m、15.4m、9.4m、18.4m四种，其中靠近隧道区间侧桩长17.4m，桩径800mm，中心距1000mm，坑内采用一道由环撑和对撑组合而成的内支撑系统。

考虑到深基坑开挖及上部结构施工过程中可能会对地铁隧道结构的安全性造成影响，因而对地铁隧道结构的安全状况进行数值模拟，对后续施工提供指导。

2 数值分析

2.1模型建立及边界条件

计算范围：计算采用有限元分析软件ABAQUS建立整体三维有限元模型进行计算分析。以地铁隧道轴线方向为X轴，其垂直方向为Y轴，竖直方向为Z轴建立三维模型计算分析，为消除模型边界效应，X轴方向取800m，Y轴方向取600m，Z轴方向取100m。模型计算采用3节点八面体单元。计算模型基本尺寸及相应的位置关系见图4。

边界条件：模型顶面为自由面，无约束；模型底面每个方向均约束；模型四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。

图4计算模型

图5基坑围护体系与隧道距离示意图

2.2假定条件

采用岩土有限元分析软件ABAQUS有限元数值模拟基于一定的假设和模型简化进行的，假定如下：

1、认为各土层均呈匀质水平层状分布且同一土层为各向同性，结构体的变形、受力均在弹性范围内；

2、模型中的降水只考虑坑内疏干降水。模拟方法为：开挖前将坑内水头降低至开挖面以下，并对开挖面至地连墙底部之间的坑内土体水头进行线性差值计算，坑外水头形成稳定渗流场（按止水帷幕效果理想考虑），以此来模拟坑内疏干降水对水头变化的影响。

3、假定隧道结构在计算域内沿直线水平延伸。

4、将基坑围护结构通过抗弯刚度折减等效成地下连续墙。

5、假定围护结构、隧道衬砌、结构楼板、结构柱和水平支撑等结构均处于弹性阶段，围护结构、结构楼板采用板单元模拟，结构柱和水平支撑采用梁单元模拟。混凝土结构重度均为25kN/m³。

2.3计算参数及本构模型选择

为了更好的反映基坑开挖过程中周边土体位移、隧道等受到的影响，计算中土体本构模型采用修正剑桥模型（critical state plasticity model），该模型首先由英国剑桥大学Roscoe等人提出，是一种具有代表性的弹塑性模型，采用椭圆屈服面和相适应的流动准则，以塑性体应变为硬化参数，在国际上受到广泛的认可和应用。

表1土层参数表