基坑开挖对下卧地铁区间隧道的影响分析

文/文罕、许朋成、徐建涛 中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055



路桥工程 Bridge Engineering

基坑开挖对下卧地铁区间隧道的影响分析

文/文罕、许朋成、徐建涛 中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100055

本文依托兰州地铁1号线五里铺站附属物业开发工程项目，采用有限元建模分析了基坑施工对其下卧地铁区间隧道变形及内力的影响，对设计的合理性进行了评估并对后续的工程设计提出了建议。

基坑；地铁区间；数值分析

引言

随着我国城市的快速发展及土地资源的紧张。地下空间的开发和利用成为解决土地资源紧张的重要突破口并进入了快车道，但一些地下空间开发不得不面临在已开发工程的上方或下方进行再次开发，这就给地下工程从业人员带来一个新的挑战。

本文依托兰州市地铁1号线五里铺站附属物业开发工程，模拟分析基坑开挖过程对其下卧地铁区间变形及内力的影响，以评估设计的合理性并对后续的工程设计及施工提供技术支撑，保证基坑施工期间地铁隧道的安全。

1、工程概况

五里铺附属物业开发工程以五里铺地铁站为界，分为东西两段。分别沿东岗西路、东岗东路敷设于道路下方，其中西段长约540m，东端长约746m，本工程拟采用明挖半幅铺盖法施工，基坑深约9.5m，基坑下方为已修建地铁盘旋路～五里铺～东部市场盾构区间。区间结构顶距基坑底最小距离4.5m，盾构区间为外径6.2m，壁厚0.35m的圆形结构，具体相对位置如图1所示。

图1 基坑围护结构与区间隧道位置关系剖面图

2、地质概况

根据地勘揭露，拟建场地地貌单元属黄河一级阶地。场地内地形较为平坦。拟建场地地层自上而下依次有素填土、黄土状土、卵石、强风化砂岩等组成。该场地所揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系冲积卵石。潜水位埋深约8m。各层物理力学指标详见下表：

表1 地层物理力学指标表

3、计算模型

3.1计算参数

计算模型中各地层的计算参数选取见表1.基坑采用Φ800mm钻孔灌注桩，间距1800mm，围护桩及钢筋混凝土横撑、纵向连系梁、冠梁、临时立柱均采用C30混凝土，地铁隧道盾构管片采用C50混凝土。基坑施工期间地面超载按20kPa考虑。

3.2模型建立

根据设计方案，采用FLAC3D软件建立三维数值计算模型，模型以地铁区间隧道轴线方向为y轴，垂直隧道轴线为x轴，竖直方向为z轴，模型在y轴方向上长50m，在x轴方向上长42m，z轴方向上长31m。地层、基坑围护结构及区间隧道管片均采用实体单元模拟。计算假定地铁隧道、基坑、土体之间符合变形协调原则，隧道结构、基坑围护结构、地层岩土体为均质各向同性材料。围岩在开挖过程中考虑其塑性变形，采用Mohr-Coulomb准则，基坑围护结构及区间隧道管片仅考虑其弹性工作，采用线弹性本构关系。

图2 数值计算模型

3.3计算工况

基坑采用竖向及纵向分段开挖的施工方案，竖向分两段开挖，纵向每段开挖10m，基坑开挖完成共7个工况。

图3 盾构管片初始应力图

4、计算结果及分析

4.1初始状态及基坑开挖完成状态模拟结果

4.2各工况计算结果及分析

针对各个工况中的盾构管片的变形及管片的受力状态，本文选取距离开挖起始端15m处盾构管片进行结果提取及分析，结果见表2.

图4 基坑开挖完成后盾构管片应力图

图5 基坑开挖完成后竖向位移图

表2 隧道结构变形及受力统计表

图6 盾构区间变形状态图

图7 盾构管片应力状态图

根据结果显示，以本文选取的管片分析点位基础，随着基坑开挖，盾构管片变形及内力均产生较大变化，变形及内力变化速率最大发生于其正上方土体开挖时段，其相邻区段开挖对其影响也较大，而错开一区段后的基坑开挖对其影响较小，基坑开挖完成时最大竖向变形为4.01mm，最大水平变形0.95mm，最大压应力为2.27MPa，最大拉应力为1.37MPa。依据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）对既有隧道结构变形控制要求（具体见表3），本工程基坑施工对区间影响能够满足区间隧道变形控制要求。

表3 控制指标建议值

5、结论及建议

5.1本工程基坑底板与区间隧道拱顶的净距为4.5m时，基坑开挖引起的区间隧道结构隆起变形和水平变形均满足变形控制要求；

5.2基坑开挖引起的区间隧道结构最大拉应力为1.37MPa，最大压应力为2.27MPa。基坑开挖引起的区间隧道结构受力满足混凝土强度要求。

5.3基坑施工对区间结构的影响具有明显的三维特征，因此基坑开挖时须分段开挖，减少基坑开挖对其下卧区间的叠加影响。

5.4根据计算结果，区间结构的隆起值接近报警值，为了保证施工过程中区间隧道的安全，建议在基坑开挖过程中对地铁区间隧道采取辅助保护措施，比如注浆加固区间隧道上方土体。

5.5基坑施工过程中盾构管片的拉应力增加较大，还应对既有区间隧道结构进行结构-荷载模型计算，对结构承载能力进行复核。

［1］］城市轨道交通工程监测技术规范（GB 50911-2013）.

［2］陈郁.基坑开挖卸荷引起下卧隧道隆起的研究分析.同济大学硕士论文，2002.

［3］刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑工程下已运行地铁区间隧道上抬变形的控制研究与实践.岩石力学与工程学报.2001，20（2）.