基坑施工对邻近地铁隧道影响的计算分析

纪海东

摘要：深基坑施工中的变形控制是设计中的重要一环，当深基坑临近既有地铁隧道时尤其重要。本文针对天津市某工程与紧邻的地铁线盾构区间的相互影响分析，采用岩土专业有限元分析软件Plaxis，基于地铁盾构完成后的初始应力场，对地连墙施工、开挖卸荷、支撑施工以及拆撑施工整个基坑施工过程进行了数值模拟，以此分析临近既有隧道的变形响应。目的是为减小基坑变形对地铁盾构区间的影响，提出针对性建议及保护措施，进而保证地铁的安全运营，为以后的工程提供一定的参考。

关键词：基坑施工；地铁区间；变形控制；数值模拟

1 引言

基坑开挖尤其是深基坑的开挖过程中，土体的开挖卸载导致基坑底部土体上覆应力的减小，造成基坑土体的回弹，从而对基坑本身围护结构及周边环境造成一定的影响。当基坑开挖深度越深或者基坑开挖面积越大，这种影响就越显著。研究表明，基坑开挖水平影响距离约为4 倍开挖深度。其中1 倍开挖深度范围内，影响最为显著，坑外最大地表沉降发生在距挡土墙0.5～0.7 倍开挖深度处，随着

与挡土墙距离的增加，地表沉降迅速减小。一般将距挡土墙1 倍深度范围作为基坑开挖的主要影响区，距挡土墙1倍至2倍开挖深度作为基坑开挖的次要影响区，而2 倍开挖深度外的影响就很小了。

近年来，随着城市建设的迅速发展，越来越多的基坑工程会不可避免地在地铁车站及隧道沿线进行施工，而基坑的施工必然会引起周边环境的土体应力的变化，进而导致相邻地铁结构的受力和变形发生变化。而现行的标准对地铁车站及隧道的变形要求十分严格，特别是对已经投入使用的地铁线路要求更加严格。因此为保证地铁的安全使用，必须选择合理的设计方案、施工工艺等减少基坑工程的施工对地铁结构的影响，以免造成不可挽回的影响。

本文以天津市某工程与邻近的地铁线盾构区间为背景，采用岩土专业有限元分析软件Plaxis对基坑开挖施工的全过程进行数值模拟，研究该工程的基坑开挖对紧邻的地铁线盾构区间的影响分析，为该工程的施工提出一定的控制措施和建议。

2 基坑卸载机理分析

基坑开挖的过程其实就是基坑卸载的过程，而基坑的开挖具有 “时空效应” [4]。基坑的开挖卸载会造成坑底土体的隆起，进而引起基坑围护结构侧向变形以及基坑周边土体的移动，从而导致地面沉降及坑外地铁结构的变形。

近年来，基坑开挖面积越来越大，开挖深度也越来越深。实测表明，深大基坑由于卸荷量大、施工时间长、施工条件复杂等原因，其开挖造成的基坑外地表沉降范围和沉降量相对以往的窄基坑都要大得多，卸荷对邻近地铁结构以及其他市政设施的影响也要复杂得多。

3 工程概况

天津某工程项目含两栋34层的住宅楼，一栋10层的住宅楼，一栋8层的住宅楼，以及一栋19层的写字楼及其3层裙房（1号楼）组成，本工程地上5栋主楼以及局部裙房地下连通，整个地块包含三层地下室，基坑面积约1万平方米。

该基坑设计三层地下室，开挖深度达13.75m，属一级基坑。基坑南侧毗邻地铁线隧道，基坑开挖施工对地铁线的影响是不可避免的，因此在施工期间应对地铁线进行连续监测，为判断既有线结构安全状况及时提供依据，对可能存在的危险及时处理，确保地铁线的安全运营。

4 计算分析

4.1 有限元模型及网络划分

图2 几何模型

地铁线区间位于基坑南侧，为盾构区间。盾构隧道外径6.4m，管片厚度350mm，盾构结构埋深18.2m，距基坑地连墙20.5m。为保证基坑施工期间地铁线路的正常运营，现取距基坑最近的一地铁区间断面进行模拟计算。几何模型见图2。

4.2 计算参数选取

土的计算参数见表1，地下水位标高为-1.0m。

4.4 有限元计算结果

图 4 至7 为基坑施工完成，拆除第一道支撑后，土体位移场、地连墙与既有隧道的总位移矢量图。此时，基坑地连墙侧移达到最大，由于土体位移场的变化，导致埋藏于其中的既有隧道的位移也达到最大值。由计算结果可知，既有盾构隧道最大水平位移2.4mm，最大竖向位移-0.8mm。基坑开挖对既有隧道影响较小。

通过对土体变形、结构变形的分析得出以下結论：

1、基坑的开挖对邻近的地铁隧道产生了一定的影响。

2、地铁隧道的位移情况为在水平方向上朝基坑方向发生位移，垂直方向上发生了沉降变化。

3、应该加强对靠近地铁区域支护结构的保护和监测。

参考文献：

[1] 曾远，李志高，王毅斌.基坑开挖对邻近地铁车站影响因素研究[J].地下空间与工程学报，2005，4（1）：642-645.

[2] 朱正峰，陶学梅，谢弘帅.基坑施工对运营地铁隧道变形影响及控制研究[J]. 地下空间与工程学报，2006，2（1）：128-131.

[3] 高广运，高盟，杨成斌等.基坑施工对运营地铁隧道的变形影响及控制研究[J].岩土工程学报，2010，32（3）：453-458.

[4] 贾坚，谢小林.上海软土地区深大基坑的卸荷变形及控制[J].岩土工程学报，2008，30（增刊）：376.

[5] 刘建航，侯学渊.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[6] 陆培炎，熊丽珍.广州地区各岩土层的力学计算参数[A]. 陆培炎著.陆培炎科技著作及论文选集[C].北京：科学出版社，2006：219-224.