深基坑近接施工对地铁盾构区间隧道影响数值分析

甄文战　王春波

摘  要：以成都地区深基坑近接地铁盾构区间隧道施工为依托，采用数值分析方法，考虑桩-土-隧道结构的相互作用，建立了三维有限元计算分析模型，分析了基坑开挖对既有地铁盾构区间隧道影响;分析结果表明：随着基坑开挖，引起临近区间侧基坑周边地层及围护桩变形增加，且呈现出临既有线基坑边中部大，向两侧逐渐减少的趋势，充分反应了基坑的空间三维特性;同时，盾构隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于临近区间基坑边中部;隧道结构最大弯矩较初始状态增幅约30%，剪力较初始状态增幅约18%，但其数值均在盾构区间隧道的承受范围内，计算结果为后续类似工程提供了借鉴作用。

关键词：深基坑;盾构区间隧道;近接施工;数值分析

中图分类号：TU431                文獻标识码：A

1 引言

近年来，随着我国城市化进程的快速发展，一方面越来越多的高层、超高层建筑不断修建，其地下空间的开发逐步向超深、超大规模方向发展;另一方面由于城市轨道交通线网的加密、建筑场地条件限制等因素，出现了大量近接既有地铁线新建深基坑工程，且距离越来越近;这势必引起新建深基坑由基坑开挖卸载引起周围土体变形并影响周边地铁设施的安全及正常使用。因此近接既有地铁线深基坑工程已远远超出了基坑工程本身，不仅要确保基坑自身安全，而且要保证周边既有线的安全及正常使用。除此外，深基坑工程对既有线影响变形分析又涉及到复杂的桩-土-结构相互作用的问题。目前，鉴于其复杂性，评价深基坑施工对周边环境的影响，无疑数值分析方法成为一种首选的强有力工具。

王航^[1]通过对苏州地层临近既有区间施工开挖工况进行了计算分析，总结了其基坑及隧道的变形特性;宋海滨等^[2]针对临近既有线基坑工程采用不同加固方式，对比分析了基坑变形特点，给出了合理的加固建议。

针对目前成都砂卵石地层特点，并考虑到该深基坑自身的特点：即基坑开挖深度大，开挖深度约31m，较区间隧道低8.2m;水平距离近，距离基坑约10m等;综合考虑基坑自身风险及环境风险均较大等因素，以该项目深基坑近接地铁盾构区间隧道施工为依托，采用数值分析方法，考虑桩-土-隧道结构的相互共同作用，建立三维计算分析模型，具有一定的现实意义。

2  工程概况

2.1  项目简介

拟建项目基坑深度约31.0m，设6层地下室。基坑北侧邻近既有区间隧道，基坑边线距离地铁左线区间隧道最小水平净距约10m。其中涉及区间隧道采用盾构法施工，对应线路纵坡为8‰，隧道采用300mm厚预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌环为内直径5.4m、外直径6.0m。

2.2  基坑与地铁隧道关系

拟建项目基坑东西向宽约138m（临近地铁区间范围基坑宽约78m），南北向基坑长度约120m，基坑开挖深度约31m;其中基坑围护桩距离2号线盾构区间右线最小水平净距10m，盾构区间轨面埋深约21.5m。基坑与地铁盾构隧道的位置关系如图1～2所示。

临近地铁盾构区间隧道围护桩（IJ范围）采用直径1500@2000mm旋挖桩，桩长约40.0m，竖向设置5道混凝土支撑+临时立柱内支撑体系，临时立柱采用钢构立柱，钢构立柱在基底以下为钢筋混凝土灌注桩（桩径1.2m），基坑底以上为钢构柱外包C30混凝土。

3  数值分析模型

3.1  数值模型简介

地铁2号线区间隧道与项目基坑工程近似呈空间平行分布，采用大型岩土工程数值计算分析软件Midas GTS NX，建立全基坑三维模型。模型x方向即区间隧道纵向取350m，模型y方向即区间隧道横断面方向取300m，基坑两侧均外扩约1倍的基坑开挖宽度;模型竖向（z方向）按实际地质情况取60m，隧道埋深约16.6m，模型底部距基坑坑底29m。模型中盾构隧道衬砌用板单元模拟，基坑工程围护桩、立柱桩、内支撑、冠梁、砼腰梁采用梁单元模拟，锚索采用桁架单元模拟，其余单元用实体单元模拟，如图3～4所示。

3.2  模型计算参数

根据该项目岩土工程详细勘察报告，各层岩土层物理力学参数见表1。

3.3  模型计算参数

本文重点分析项目基坑工程开挖对地铁盾构区间隧道结构产生的影响，为了达到数值模拟与实际工况相一致，根据现场施工组织及基坑开挖步序要求，数值模拟计算开挖步序详见表2。其中初始工况需进行位移清零及建立初始应力场。

4  数值计算结果分析

4.1  基坑周边地层变形分析

图5为基坑对应不同工况下沿Y方向（即沿区间隧道横向）位移云图，由于篇幅所限，仅给出了工况2、工况图9（开挖至隧道底）及工况11（基坑见底）下的变形云图。由图可知随着基坑开挖深度的增加，地层沿Y向变形值也逐渐增大;当基坑开挖完成时，最大变形值为7.4mm（临近区间侧最大值约6mm），且最大值发生在该侧基坑边中部，这也充分反应出了基坑的三维空间效应，与实际监测变形数值变形规律一致。

4.2  围护桩变形分析

图6为围护桩对应不同工况下沿Y方向（即沿区间隧道横向）位移云图，如前所述，由于篇幅所限，仅给出了三种工况下的围护桩变形图;由图可知，围护桩变形规律与基坑周边土体变化规律基本一致，即临近该侧基坑边中部变形值最大，变形值约6mm。

4.3  区间隧道水平位移分析

图7为盾构区间隧道沿隧道横向位移云图，由该图可知，随着基坑的开挖，隧道的水平变形趋于不均匀，可知此时对隧道的受力更为不利，最大变形位于临既有线侧基坑边中部，最大值约2.05mm;图8为不同工况下隧道水平变形曲线，由该图可知，随着基坑的开挖，隧道变形主要出现在工况8之后，即隧道范围及以下土体开挖阶段，因此应重视对应范围内土体开挖步序及支撑架设情况，避免隧道产生较大的变形。

4.4  区间隧道内力分析

图9为基坑见底后隧道弯矩云图，由图可知，基坑开挖完成后对应的最大弯矩为105KN.m，根据既有管片及配筋，经核算满足受力要求;图10为不同工况下弯矩变化曲线图，由图可知，随着基坑的开挖，隧道弯矩内力也逐步增大，增幅約30%。

图11为基坑见底后隧道剪力云图，由图可知，基坑开挖完成后对应的最大剪力为120.9KN，根据既有管片及配筋，经核算满足受力要求;图12为不同工况下剪力变化曲线图，由图可知，随着基坑的开挖，隧道剪力也逐步增大，增幅约18%。

6 结语

本文通过上述三维有限元数值模拟结果的分析，得出以下结论：

1）随着基坑开挖，引起临近区间侧基坑周边地层及围护桩变形增加，向坑内的变形约6mm，且呈现出该侧基坑边中部大，向两侧逐渐减少的趋势，充分反应了基坑的空间三维特性。

2）盾构隧道的变形随着基坑的开挖不断增加，隧道最大水平位移2.05mm，最大值位于临近区间侧基坑中部;同时最大隧道拱顶沉降0.59mm，拱底隆起0.37mm，水平向的变形量均大于竖向的变形量。

3）盾构隧道的内力随着基坑的开挖不断增加，隧道结构最大弯矩为105.1KN.m，较初始状态增幅约30%，剪力为120.9KN，较初始状态增幅约18%，其数值均在盾构隧道的承受范围内。

参考文献

[1] 王航. 建筑基坑近接施工对地铁盾构区间隧道影响分析[J].中国标准化， 2017， 第6期： 238-240.

[2] 宋海滨， 李刚柱，  殷刘帅. 深基坑对紧邻地铁盾构区间隧道变形的影响性分析[J].铁道标准设计， 2013 （03）： 97-101.