基坑开挖对下覆地铁区间的影响

徐礼阁

摘要：随着近几年全国大中城市轨道交通网络的蓬勃发展，城市地下形成密集地铁网络的同时也给其他地下空间的开发带来新的难题。邻近运营地铁线路的基坑开挖成为新的热点。分析土方开挖对盾构区间回弹变形和管片附加应力的影响，并采取相关控制措施成为该类基坑工程施工控制的关键。本文介绍了某项目上跨地铁隧道的地下通道的开挖方法，运用MIDAS/GTS进行三维建模计算分析，模拟完整的施工流程，并分析各工况下隧道的变形和应力发展。最后得出结论为判断施工方法的合理性提供依据。期待本文为日渐增多的同类工程提供借鉴。

关键词：基坑开挖； 地铁区间； MIDAS； 位移；应力

1、工程概况

某地下空间工程设置6条横通道连接南、北两侧的地下空间，需上跨正在运营中的地铁二、七号线上方。其中1#、2#通道上跨地铁二号线明挖段， 1#通道基坑底距离地铁二号线明挖段结构顶0.445米，通道结构外净宽9.9米。2#通道基坑底距离地铁二号线明挖段结构顶1.59米，通道结构外净宽为11.2米。5#通道利用现状某下沉道路底板作為地下空间底板，无需开挖。3#、4#、6#通道上跨地铁二号线左、右线和地铁七号线左线盾构隧道。其中3#通道与地铁隧道之间净距最近，基坑底部与地铁隧道顶板净距为4.6米，结构外净宽11.6米。设计方案采用土体加固和1：1放坡开挖，本文将重点研究3#通道开挖卸载引起的基坑下卧土体位移和地铁竖向位移以及盾构隧道应力的影响。

2、计算分析

2.1地层参数

依据该项目详细岩土工程勘察报告，选取3#通道基坑所在位置的49号钻孔，其地层参数如表1所示。

2.2模型建立

本文采用MIDAS/GTS/NX（Geotechnical and Tunnel Analysis System）有限元分析软件。根据弹性力学厚壁圆筒理论、有限元原理和工程经验，基坑开挖对周围土体和建筑物的影响范围大致为3～5倍开挖宽度，因此有限元模型横向宽度设为54m ，沿线路纵向长度为60m，按实际埋深取至地表，距二号线地铁底部往下取约四倍洞径（D=6m），二、七号线地铁隧道拱顶距基坑底部距离为4.772m。二、七号线地铁、3#通道基坑位置如图2。计算模型的边界条件上部为自由边界，底部Z方向均受到约束，其余四个侧面为法向约束边界。

该三维数值分析中有如下基本假定：

（1）地层土体材料特性按均质弹塑性考虑，采用Mohr-Coulomb屈服准则；

（2）地鐵二衬和钢筋混凝土压板采用弹性模型；

（3）假定地表和各土层均成匀质水平分布；

（4）地应力场由重力自动生成，不考虑地下水位的变化；

有限元模拟的施工程序如下：

（1）初始应力场，位移清零 ；

（2）施工地铁二号线、七号线；

（3）按1：1坡度放坡开挖至坑底；

（4）施工通道主体结构。

3、计算结果分析

基坑开挖土体卸荷使地铁隧道下部土体隆起，隧道随之隆起。地铁隧道局部结构刚度比土体大很多，但对于柔性衬砌而言，长段隧道的整体变形刚度较小。在小变形的情况下，地铁隧道位移和土层位移基本一致，满足位移相容假设。

3.1基坑竖向位移T1

由计算结果可知放坡开挖到坑底时为坑底隆起的最大值，即有限元施工工况3，其坑底隆起值约为2.7mm左右。

3.2 地铁结构竖向位移T1

放坡开挖到坑底时为地铁隆起的最大值，即有限元施工工况3，依据计算结果管片的竖向位移值约为1.2mm左右。

3.3地铁结构应力

地铁隧道管片在工况三、四情况下，X向、Y向应力最大值分别为SXX=-13.4MPa，SYY=-5.58MPa，均远小于管片C50混凝土设计抗压强度设计值23.1MPa。因此，地铁隧道管片X向、Y向应力变化，不会对隧道结构安全产生影响。

4、结论

根据以上模型计算分析可知，基坑下卧土体位移和地铁竖向位移主要是由于开挖卸载引起。其结果如表2：

本文通过三维计算分析获得的3#联络通道施工过程中，地铁结构的最大竖向位移和管片应力。负荷施工安全控制要求。时间施工过程加强监测，成功完整改项目。

参考文献

[1]GB 50911-2013 城市轨道交通工程监测技术规范[S].

[2]王海涛. MIDAS/GTS岩土工程数值分析与设计[M]. 大连：大连理工大学出版社，2013：55-108.

[3]龚晓南. 基坑工程实例5[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2014：136-143.