浅谈深基坑施工对临近既有地铁盾构隧道的影响研究

刘鹏

【摘要】在地铁隧道周围实施的深基坑施工势必对基坑相邻盾构区间隧道产生影响。为了能够更准确的了解深基坑施工对地铁盾构隧道的影响程度，本文以杭州地铁1号线某盾构区间为背景，采用数值模拟方法，并考虑深基坑开挖的施工过程与各种加固措施，模拟了基坑施工对相邻既有盾构区间的影响，探讨深基坑开挖对紧邻地铁盾构隧道影响的控制措施，以期为类似工程提供一定的借鉴意义。

【关键词】深基坑 既有盾构区间 三维数值分析

一、引言

随着城市轨道交通网络的迅速发展，较多的基坑工程会不可避免地在地铁结构沿线进行施工，而基坑施工是一项很复杂的工程，它会引起周围地层初始应力发生改变，进而导致紧邻的地铁结构受力和变形发生改变。【1】而地铁车站和区间隧道结构是对变形要求极为严格的地下结构物。深基坑紧邻既有地铁盾构区间是一项难度较高的工程，为减少基坑施工对已成型的地铁盾构隧道的影响，确保既有隧道的安全，本文以杭州某深基坑南侧紧邻已经建成的地铁1号线盾构隧道作为背景，采用有限元软件建立三维数值分析模型，对基坑施工的全过程进行动态模拟。研究深基坑工程施工对紧邻地铁盾构隧道的影响，探讨深基坑开挖对紧邻地铁盾构隧道影响的控制措施，可为类似工程提供一定的借鉴意义。

二、工程概况

杭州某深基坑工程呈长条形，平面尺寸约为251×75m，基坑的开挖深度为12.56m，局部电梯井深坑来挖深度为15.06m。基坑南侧为地铁1号线已经建成但尚未运营的地铁盾构隧道，基坑围护结构内边线距离盾构隧道管片外皮的距离为8.25m。，区间盾构线与基坑的位置关系详见图1，

场地地层的主要物理参数见表1所示。

三、有限元模拟分析

3.1 三维模型建立及内容

盾构隧道的变形要求极其严格，结构绝对最大位移不能超过20mm，变形曲线的曲率半径不小于15000m，相对弯曲不大于1/2500。为保护地铁盾构隧道的安全，选取深基坑、相邻隧道、隧道周边土体进行数值计算。深基坑宽72米，长248米，盾构区间隧道距离深基坑外边4.18米，盾构隧道外径为3.1米，两盾构隧道中心间距为15米。

采用空间数值模型，土体采用弹塑性三维元模型，屈服准则为Mohr-Coulomb；基坑围护墙、车站主体等采取板壳单元模型模拟，混凝土支撑、格構柱、盾构隧道等采取梁柱单元模型模拟，采用线弹性屈服准则【2】。模型底部施加横向及竖向约束，两侧施加横向约束，约束尽量符合真实受力情况。接地弹簧采用受压弹簧。本计算模型地下水位取为地面下0.5m。本计算模型未考虑坑外降水作用。主要计算围护结构的位移及内力、控制中心基坑开挖对相邻盾构区间的影响即产生的附加弯矩及位移。【3】

3.2计算结果及分析

（1）基坑开挖变形

本基坑平面尺寸较大，混凝土支撑受温度变形影响较大，基坑开挖采用增量法进行分析，开挖完成后基坑位移变形如图3所示。

计算结果表明：考虑支撑温度影响后围护墙体最大位移值发生在基坑变形中，约为30毫米。可考虑适当采用坑外降水减少土体压力以控制变形。

（2）基坑开挖围护结构内力分析

基坑开挖使围护结构地下连续墙产生内力，基坑较大，空间效应明显，以下为计算两个方向的弯矩值，如图4、图5所示：

从上述图中可以看出在支撑处地下连续墙内的应力较大，存在应力集中的情况。空间模型与常规的平面计算模型不同，弯矩值在墙体横向、竖向都各处不等，云图状分布。围护墙正、负最大弯矩绝对值在900～2300KNm左右。平面计算模型中基坑变形较小，为22mm，弯矩较小，800～1900KN。平面模型中将间距7～8米的钢筋混凝土支撑简化成每米的支撑刚度进行计算，假设了地下连续墙在横向的变形都相等，而实际上地下连续墙横向变形不等，在有支撑处地下连续墙变形较小，在无支撑处变形较大。空间模型较真实地反映了围护体系的工作受力情况。

由图7可看出，在临近地下连续墙处混凝土支撑轴力较大，最大标准值约3800KN。

（3）深基坑开挖对盾构区间的影响

由于相邻隧道左线及右线与深基坑净距较小，基坑开挖对盾构区间隧道存在较大影响。如图8和图9：

盾构隧道随基坑开挖产生纵向变形，侧壁最大位移约18mm。隧道收敛发生变化，约0.0185-0.015=0.0028m=2.8mm。

因此按照目前盾构隧道周围土体未加固的情况下，深基坑开挖不能满足地铁运营要求。但尚可以满足未运营隧道的要求：任意点的附加位移和沉降≤20mm。同时，基坑开挖对盾构隧道产生了附加弯矩，最大附加弯矩为52KNm。如图10和图11所示：

基坑开挖对隧道影响评估及建议：深基坑开挖对盾构隧道影响较大，应在基坑开挖时对盾构隧道进行监控量测，根据监控量测情况进行开挖施工。根据监测情况及隧道的现状情况，建议根据监控量测情况，在位移较大的部位采用八点预应力支撑进行隧道内支撑。支撑系统采用图12所示，支撑布置位置采取图13所示。

支撑每5环设置一道，西侧30环范围内共设6环。东侧15米范围内，共设3道。根据监测情况有可能增加设置。同时建议对隧道进行二次注浆。隔一环注一环，对隧道进行保护。同时根据监测情况补充注浆措施。

四、结论

1、深基坑开挖对相邻地铁车站及区间产生一定的影响，应根据监测情况实时跟进，尤其对地铁区间盾构隧道应进行重点保护，严格控制隧道变形及收敛值。临近隧道处的基坑开挖变形控制为本工程的重点及难点。

2、地铁运营时间对控制中心基坑施工起到控制作用。建议基坑赶在地铁运营之前尽快施工。

3、建议适当增加坑外降水减少基坑变形。工期安排上提前施工盾构隧道两侧基坑，尽快施工完主体结构，缩短基坑暴露时间，尽量减少基坑变形。建议基坑开挖前即对盾构隧道进行洞内二次注浆

4、建议在平面计算模型的基础上适当加大配筋量，考虑钢筋混凝土支撑的空间影响。建议根据监控量测情况对盾构隧道内增设预应力内支撑。

参考文献：

【1】包鹤立等.深基坑开挖对相邻已建地铁车站的影响分析.现代隧道技术.2007年增刊

【2】张明远.基坑施工对邻近地铁隧道变形的影响研究. 岩土力学.2011.3

【3】戚科俊等.临近地铁隧道的深基坑开挖分析.岩石力学与工程学报.2005.10