软土地区深基坑近接地铁隧道施工水平位移影响因素

林峰

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063

近年来在城市建设中新建隧道与既有地铁隧道近距离交叉或并行施工现象日渐普遍［1-3］。新建隧道开挖将引起先行或既有隧道支护结构和周边土体应力重分布，会增加隧道施工过程的复杂性，甚至严重影响近接地铁隧道的安全和正常运营。

本文基于杭州文一西路提升改造工程监测数据，采用有限元软件ABAQUS 建立深基坑近接既有地铁隧道三维数值模型，分析各影响因素对地铁隧道结构受力和变形的影响，并利用灰色关联理论对各影响因素进行敏感性分析。研究结果可为类似工程的设计和施工提供参考。

1 工程概况

文一西路提升改造工程线路全长7.28 km，其中隧道段全长6.165 km，采用明挖法进行隧道基坑施工［4］。该隧道与近接的机场快线地铁隧道同时施工。机场快线地铁隧道采用盾构法施工。文一西路隧道与地铁隧道存在上穿、并行等多种情况。本文选择隧道并行段K5+640处进行变形影响因素研究。

文一西路隧道基坑与机场快线地铁隧道之间的土体采用高压旋喷桩加固，并行段地铁隧道离基坑最小距离仅4.05 m。该段基坑围护结构为厚800 mm 的地下连续墙+一道混凝土支撑+三道钢支撑。将监测装置提前布置在三道钢支撑上。K5+640 处深基坑和地铁隧道的相对位置见图1。并行段沿基坑及其周边布置多个监测点，对基坑的水平位移、支撑轴力、地表沉降等进行监测。

图1 K5+640处基坑和地铁隧道的相对位置

2 数值模拟

2.1 模型的建立

模型尺寸为120 m（长）× 36 m（宽）× 50 m（高），见图2。土体采用摩尔库伦本构模型，地下连续墙、内支撑、地铁隧道管片等采用线弹性本构模型［5-6］。模型有90 764个节点，81 892个单元。土层参数［7］见表1。

表1 土层参数

图2 模型及网格划分

2.2 施工步设置（表2）

表2 模拟施工步

2.3 模型验证

依据现场监测的地表沉降、支撑轴力和地铁右线隧道沉降对模型计算结果进行验证。

基坑两侧地表沉降模拟值与监测值对比见图3。可知：基坑两侧地表沉降模拟与监测曲线均呈凹槽形，两者吻合较好。基坑北侧最大沉降模拟值、监测值分别为7.72、7.88 mm，相差2.07%，最大沉降出现位置一致；基坑南侧最大沉降模拟值、监测值分别为15.79、15.03 mm，相差4.81%，最大沉降出现位置一致。

图3 基坑两侧地表沉降模拟值与监测值对比

三道钢支撑轴力模拟值与监测值对比见图4。可知：随着施工的进行，钢支撑轴力基本呈线性增长。钢支撑轴力模拟与监测曲线变化趋势一致。第一道钢支撑（ZC-1）最大轴力模拟值、监测值分别为2 387、2 447 kN，相差2.51%；第二道钢支撑（ZC-2）最大轴力模拟值、监测值分别为1 489、1 450 kN，相差2.62%；第三道钢支撑（ZC-3）最大轴力模拟值、监测值分别为1 660、1 554 kN，相差6.39%。

图4 三道钢支撑轴力模拟值与监测值对比

地铁右线隧道拱顶和拱底竖向位移模拟值和监测值对比见图5。可知：随着施工的进行，拱顶沉降基本呈线性增长，拱底总体上先隆起后沉降。右线隧道拱顶和拱底竖向位移模拟与监测曲线变化趋势一致，两者吻合较好。拱顶最大沉降模拟值、监测值分别为5.84、6.27 mm，相差7.36%；拱底最大沉降模拟值、监测值分别为0.94、1.04 mm，相差10.64%。

图5 地铁右线隧道拱顶和拱底竖向位移模拟值和监测值对比

模拟计算结果与现场监测数据的对比表明，模型参数合理，模拟结果基本准确。

3 计算结果分析

3.1 加固区宽度对地铁隧道水平位移的影响

基坑支护结构与地铁隧道间加固区（参见图1）的工程性质直接影响地下工程近接施工的扰动程度。由于地铁右线隧道距基坑更近，取右线进行分析。加固区宽度分别取0、1、2、3、4 m。地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线见图6。可知：不同加固区宽度下地铁右线隧道拱腰水平位移变化规律基本一致，隧道拱腰水平位移与加固区宽度负相关。加固区宽度可根据现场实际情况、工程造价及可实施性综合确定。

图6 不同加固区宽度下地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线

3.2 加固区强度对地铁隧道水平位移的影响

加固区强度（水泥土弹性模量）分别取1.2、1.6、2.0、2.4、2.8 GPa。地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线见图7。可知：不同加固区强度下地铁右线隧道拱腰水平位移变化规律一致，隧道拱腰水平位移与加固区强度负相关。建议在工程造价允许的情况下尽量提高加固区强度。

图7 不同加固区强度下地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线

地铁右线隧道拱顶水平位移变化规律与拱腰一致。

3.3 水平间距对地铁隧道水平位移的影响

文一西路隧道基坑与地铁隧道水平间距分别取4、7、10、13、16 m。不同水平间距下地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线见图8。可知：①不同水平间距下地铁右线隧道拱腰水平位移均随施工的进行而增大，但是水平间距为4、7 m 时水平位移几乎呈线性增长，而水平间距大于7 m 时水平位移在第10 步后增幅明显变缓。②隧道拱腰水平位移与水平间距负相关。水平间距由4 m 增至7 m 时水平位移变化幅度较小。这是因为基坑和地铁隧道之间设置了加固区，加固区减弱了位移的传递。建议线形线位有调整空间时，尽量拉大地铁隧道与明挖基坑的间距。

图8 不同水平间距下地铁右线隧道拱腰水平位移变化曲线

4 隧道水平位移对各影响因素的敏感性

影响隧道水平位移的因素包括加固区宽度、加固区水泥土弹性模量和基坑与地铁隧道的水平间距。为探究各因素的影响程度，采用灰色关联理论［8］进行分析。

4.1 灰色关联系数计算方法

1）确定比较列和参考列矩阵

将自变量矩阵作为比较列矩阵X，将因变量矩阵作为参考列矩阵Y。其表达式分别为

2）矩阵去量纲化

采用区间相对值化方法对矩阵X、Y去量纲化。去量纲化后的矩阵为X'、Y'，其一般项的计算式分别为

3）计算灰色关联系数

对X'、Y'进行差异化处理得到矩阵之差的绝对值序列Δ［9］，其一般项Δij的计算式为

灰色关联系数V的一般项Vij的计算式为

式中：Δmax、Δmin分别为Δij的最大值和最小值；λ为分辨系数，一般取0.5。

式中：n为第i个变量对应的灰色关联系数的数据量。

4.2 水平变形对各影响因素敏感性的计算分析

将地铁隧道拱腰最大水平位移作为参考列矩阵，选取加固区宽度d、加固区强度E、水平间距L作为比较列矩阵。S（d）、S（E）、S（L）分别为以d、E、L为变量时所对应的地铁隧道拱腰最大水平位移，代入式（1）、式（2），得到

对影响因素矩阵X和对应的地铁隧道拱腰最大水平位移矩阵Y按照式（3）和式（4）去量纲化，得到

代入式（5），得到矩阵之差的绝对值序列Δ为

根据式（6）求得灰色关联系数V为

地铁隧道拱腰最大水平位移对各影响因素的敏感性排序为加固区宽度＞ 加固区强度＞ 水平间距，说明地铁隧道拱腰最大水平位移对加固区宽度和强度更敏感。

5 结论

本文基于杭州文一西路提升改造工程的监测数据，采用有限元软件ABAQUS 建立了深基坑近接既有地铁隧道的三维数值模型，分析了加固区宽度、加固区强度、近接水平间距对近接地铁隧道水平位移的影响。主要结论如下：

1）深基坑近接既有地铁隧道施工时，基坑两侧地表沉降的模拟与监测曲线均呈凹槽形；随着施工的进行，钢支撑轴力和拱顶沉降基本呈线性增长，拱底总体上先隆起后沉降。各项模拟值与监测值吻合较好，说明参数选择合理，模型构建较准确。

2）地铁隧道水平位移与加固区宽度、加固区强度和水平间距均负相关。水平间距由4 m 增至7 m 时拱腰水平位移变化幅度较小，这是因为基坑与地铁隧道间的加固区减弱了位移的传递。

3）地铁隧道拱腰最大水平位移对各影响因素的敏感性排序为加固区宽度＞ 加固区强度＞ 水平间距，说明地铁隧道拱腰水平位移对加固区宽度和强度更敏感。