基坑开挖对临近地铁隧道安全运营评估

张旭群，隋耀华，林沛元

（1、广州地铁设计研究院股份有限公司 广州 510010；2、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海） 珠海 519080；3、中山大学土木工程学院 广州 510275）

0 引言

随着城市建设的发展，拟建工程与既有建（构）筑物之间的关系也变得越来越复杂。近年来，地铁线路已逐渐遍布城市地下各处，往往会出现基坑工程紧邻已建地铁隧道施工的情况，这势必会对地铁隧道产生影响，而已运营的地铁隧道对自身的变形要求也极为严格［1-2］，因此，如何评估基坑开挖对于既建运营隧道安全性的影响具有重大意义。

目前可用于分析这类问题的主要理论方法主要有残余应力法［1，3］及基于弹性地基梁的两阶段法［4-6］，这些方法虽然在一定程度上证明了其合理性。但是，由于其对问题的简化，在求解贴合实际工程的复杂模型问题时往往遇到困难，因此，目前在工程应用中更趋向于采用该数值模拟的方法，分析基坑开挖对临近地铁隧道的安全性影响。王卫东等人［7］、张玉成等人［8-10］应用数值模拟的方法分析基坑开挖对下卧地铁隧道的影响；陈锦剑等人［11］采用数值方法分析了两侧深基坑开挖对穿越其间的浅埋运营隧道的影响。胡琦等人［12］通过有限元数值模拟，研究了软黏土地基中深基坑开挖土体扰动对地铁隧道受力变形的影响，并提出了相应的加固处理措施建议。

基坑与既有地铁隧道不同的位置关系有不一样的影响规律，而且每个实际工程项目也具有各自不同的特点，本文以广州地铁3 号线某地铁站附近的基坑工程为研究背景，运用数值模拟的方法详细分析基坑开挖、降水对紧邻地铁隧道结构受力变形的影响，根据分析结果对地铁施工期间地铁隧道的监测提出合理建议，同时也为紧邻地铁隧道的基坑开挖的设计与施工积累工程经验。

1 工程概况

1.1 基坑支护机构总体布置

工程项目中部住宅共2 层地下室，基坑东西向长约110～125 m，南北向宽约70 m，周长约380 m，占地面积为8 015 m²。基坑设计开挖深度约为5.30～7.80 m。该地块东侧紧邻广州地铁3 号线某地铁站区间，基坑围护结构外边线距离地铁3 号线隧道结构外边线约9.7 m。

根据拟建项目中部住宅楼基坑的设计资料，中部住宅楼设2层地下室，基坑呈长方形，地下室结构面标高21.00 m，底板厚600 mm，垫层厚200 mm，基坑设计开挖深度为5.3～7.8 m。基坑支护方案如图1所示。

图1 基坑支护平面示意图Fig.1 Plane Diagram of Foundation Pit Supporting System

1.2 地铁隧道概况

广州地铁3号线某地铁站区间盾构隧道外径6.0 m，内径5.4 m，建筑限界为5.2 m，内砌环厚度0.3 m，楔形量38 mm。邻近920#项目中部住宅楼基坑位置（里程范围约YDK1+890～YDK1+970）处隧道顶部埋深约21.5～22.5 m。结合地铁3 号线隧道竖向变形监测资料，截止2015 年下半年监测信息，该地铁站区间盾构隧道于此次评估段累计最大竖向变形量约为4 mm，结合地铁隧道结构初始应力状态分析可知，隧道健康状态目前较为良好。

拟建基坑与既有地铁结构平面位置关系：920#项目中部住宅地块四周均为规划道路，其中，地块东侧紧邻广州地铁3 号线某地铁站区间，基坑围护结构外边线距离隧道结构外边线的水平距离约9.7 m，基坑底部距离隧道结构顶部外边线的竖向距离约15.0 m，二者平面关系如图1所示，剖面关系如图2所示。

图2 基坑与地铁隧道位置关系Fig.2 Position Relationship （mm）

2 三维数值模型的建立

根据项目中部住宅地块与地铁3号线相交处的工程地质特征，结合基坑设计、施工方案及地铁3号线隧道结构，使用Midas GTS/NX 软件建立三维整体模型，模拟计算基坑开挖、回填及上部结构施工对紧邻地铁的不利影响，分析基坑开挖施工期间地铁隧道结构的变形和内力情况，进而评估紧邻地铁的结构安全状态和地铁的运营安全状态。

模型计算范围的控制原则为边界条件不能过大地影响关键部位的计算结果，根据以前研究经验，基坑数值计算时，模型外扩范围宜不小于3倍基坑深度。整体模型中包含了既有的3 号线隧道结构、拟开挖基坑，模型计算范围为长约270 m，宽约177 m，土层计算深度为45 m。

三维整体模型（见图3）的边界条件为：模型底部约束Z方向位移，模型前后两面约束Y方向位移，模型左右两面约束X方向位移。三维整体模型的荷载条件为：岩土层自重、基坑边线3～8 m范围内20 kPa施工荷载。

图3 网格划分Fig.3 Mesh of Numerical Model

2.1 计算参数

岩土层采用弹塑性模型进行模拟，支护结构、隧道管片等采用线弹性模型，具体计算参数如表1所示。

表1 岩土层主要物理力学参数Tab.1 Main Physical and Mechanical Parameters of Rock and Soil Layer

⑴对于采用旋挖桩+搅拌桩支护断面，由于搅拌桩主要用于桩间止水，其自身刚度较低，因此建模时不考虑其支挡作用；对于旋挖桩，为了建模方便，减小计算模型的规模，将旋挖桩等效为地下连续墙结构，用等效刚度法简化为连续墙，并用壳单元模拟。等效连续墙的厚度h为：

式中：d为排桩的单桩直径（mm）；bk为同一排桩的相邻桩中心间距（mm）。

⑵对于换撑短支撑，设计为300 mm×300 mm，间距1 100～1 300 mm 布置，为减少计算量，将其按刚度等效为换撑板带。

2.2 分析工况

本文分析主要是分析拟建基坑开挖对地铁3号线隧道结构的影响以及基坑支护结构的变形，考虑的是基坑开挖引起的增量位移，故对既有建（构）筑施工引起的位移和初始应力场引起的位移进行清零。针对基坑开挖的全过程进行三维模拟，共分为15个施工步骤，具体如表2所示。

表2 模拟施工步骤Tab.2 Simulated Construction Steps

该工程场区开挖深度范围内存在透水层，坑内抽排水很有可能使得坑外地下水位下降，使得土体有效应力增加，使隧道结构发生变形；并且部分钻孔揭露情况显示隧道下方为砂质粘性土层、全风化花岗岩层，具有一定压缩性，水位下降会引起下方土体沉降。因此，需分析地下水位下降时对地铁结构的影响。根据勘察报告提供的地下水位深度可知，项目中部住宅地块基坑与地铁3 号线隧道交汇处地下水深度约为4.0 m，本项目基坑东侧开挖深度为6.8 m；当地下水位降至开挖面下1.0 m 时，地下水位下降深度为3.8 m；由此，计算水位下降1.0 m、2.0 m、3.0 m及3.8 m共4种工况下隧道的位移及内力情况。

3 计算结果分析

3.1 基坑开挖对地铁隧道影响

3.1.1 基坑支护结构位移分析

基坑开挖至底部时基坑支护结构水平位移云图如图4所示。由图4可知基坑最大水平位移的位置位于基坑北侧（旋挖桩+预应力锚索），其最大水平位移值6.87 mm。对于基坑东侧（临近地铁隧道）处支护结构水平位移，由于基坑的边角效应其最大水平位移位于支护区段的中部坑底附近，其值为5.92 mm。以上数值均小于一级基坑支护工程水平位移控制值（30 mm），说明本工程基坑支护设计方案基本合理，满足《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012》要求，且在邻近地铁隧道侧的支护结构方式能够有效抑制支护结构的变形，有效降低基坑开挖施工对地铁隧道结构的不利影响。

图4 工况15（开挖至-6.8 m）支护结构水平位移Fig.4 Horizontal Displacement of Supporting Structures in Working Condition 15（Excavated to -6.8 m）

3.1.2 地铁隧道竖向位移分析

隧道在施工支护结构的竖向位移云图如图5 所示，离基坑较近的地铁隧道受到基坑开挖的影响更为明显，且主要影响区域主要集中在基坑开挖范围，随着开挖深度的增加，其影响范围也随之扩大。

图5 工况3（施工旋挖桩、搅拌桩）隧道竖向位移Fig.5 Vertical Displacement of Tunnel Structures in Working Condition 3（Construction of Bored Piles and Mixing Piles）

根据以上计算结果，将920#项目中部住宅地块基坑开挖引起的隧道结构最大竖向位移绘制成图6。由图6可知，工况3旋挖桩、搅拌桩的施工，对2条地铁隧道均造成了向下的竖向位移，且对于紧邻基坑开挖侧的右线的影响比远离基坑的左线更明显，最大沉降达到了0.263 mm，而左线的沉降为-0.113 mm。而随着开挖深度的增加，左线的竖向位移基本保持稳定，而右线则从下沉转变为抬升的趋势，并且累计抬升量随着基坑开挖深度的增加而不断增加，直到开挖至坑底后才趋于稳定，此时的抬升量为0.649 mm。

图6 各工况地铁隧道最大竖向位移Fig.6 Maximum Vertical Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.1.3 地铁隧道水平位移分析

隧道在施工支护结构的水平位移云图如图7 所示，同样表明离基坑较近的地铁隧道受到基坑开挖的影响更为明显，且主要影响区域主要集中在基坑开挖范围，随着开挖深度的增加，其影响范围也随之扩大。

图7 工况3（施工旋挖桩、搅拌桩）隧道水平位移Fig.7 Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Working Condition 3（Construction of Bored Piles and Mixing Piles）

各工况下3号线隧道结构水平位移最大值如图8所示。由图8可知，基坑开挖主要对地铁3号线右线产生影响，且在每个开挖工况时，隧道水平位移均明显增加，当基坑开挖到基坑底部时，地铁隧道紧邻基坑侧的右线达到最大水平位移值为0.956 mm，向基坑方向变形。

图8 各工况地铁隧道最大水平位移Fig.8 Maximum Horizontal Displacement of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.1.4 隧道结构内力分析

基坑开挖至底部时地铁隧道的弯矩如图9 所示，由图9 可知地铁隧道弯矩分布较为均匀，整条线路上并没有明显的内力集中部位，表明基坑施工对3 号线隧道结构弯矩影响较小。

图9 工况15（开挖至-6.2 m）隧道弯矩Fig.9 Bending Moment of Tunnel Structures in Working Condition 15（Excavated to -6.2 m)

2 条地铁隧道最大弯矩与各工况的关系如图10所示，同样表明了3 号线隧道结构内力受到邻近基坑开挖的影响较小，其弯矩变化量不足1 kN·m，能满足管片设计要求。

图10 各工况线隧道结构最大弯矩Fig.10 Maximum Bending Moment of Tunnel Structures in Different Working Conditions

3.2 水位变化对地铁隧道影响分析

有限元分析水位下降1.0 m、2.0 m、3.0 m、3.8 m 共4 种工况下隧道的影响，各工况下地铁隧道的沉降量及弯矩值分别如图11、图12所示。

由图11可知，地下水位下降将引起地铁区间隧道结构的发生沉降，沉降量随地下水位下降深度的增加而增大，当地下水位下降3.8 m 时，隧道顶部和底部的沉降量分别为4.675 mm 和2.912 mm。图12 给出地下水位下降将引起地铁区间隧道结构弯矩的变化，结构弯矩变化量随地下水位下降深度的增加而增大；当地下水下降3.8 m时，隧道结构的弯矩值为93.935 kN·m，弯矩增量为16.932 kN·m。

图11 不同降水深度地铁隧道最大沉降量Fig.11 Maximum Settlement of Tunnel Structures at Different Precipitation Depths

图12 不同降水深度地铁隧道最大弯矩Fig.12 Maximum Bending Moment of Tunnel Structure at Different Precipitation Depths

上述结果表明，基坑地下水位下降对于其邻近地铁隧道的受力变形显著，为保证地铁隧道的安全性应当对于基坑降水措施慎重考虑，基坑工程施工期间，加强地下水位的监控量测工作，记录好初始水位值，及各工况条件下的水位变化情况，及时发现问题。结合类似的基坑开挖降水对邻近建构筑物的安全保护工程经验与模拟计算结果，建议地下水位降低幅度控制值设定为2.0 m。当地下水位下降超过2.0 m时应立即停止坑内降水，同时采取回灌措施以恢复地下水位。

3.3 基坑施工期间地铁隧道结构监测建议

基于基坑开挖施工期间对地铁3号线隧道结构的影响，可获得3 号线左线及右线隧道结构在各工况的位移值，以此对地铁加强监测的范围进行推断和建议。

本项目基坑最外侧线投影到区间隧道上的长度约为78.0 m，地铁3号线隧道的重点监测建议范围如图13所示，左线与右线的重点监测范围约为130.0 m，对应的左线里程为ZDK1+870至ZDK2+000，对应的右线里程为YDK1+865 至YDK1+995。根据国内类似地铁结构安全保护经验的要求，并结合本工程项目特点和计算分析结果，建议对基坑开挖期间，提高基坑围护结构的位移控制要求为基坑水平位移计算值的2 倍，即17.6 mm，隧道结构的位移控制值初步设定为3.0 mm。

图13 地铁隧道加强监测建议范围Fig.13 Suggested Scope of Enhanced Monitoring of Tunnel Structures

4 结论与建议

通过广州市某项目中部住宅地块基坑开挖对临近地铁隧道影响的数值分析可得到如下结论：

⑴基坑开挖对其侧下方的地铁隧道的变形和内力均有一定的影响。地铁侧上方基坑开挖卸荷，使得较近的地铁隧道发生向坑内侧的水平位移和向上的数值位移。而较远的地铁隧道则由于较近隧道的阻隔作用，基坑开挖对其影响并没有很显著。

⑵根据计算结果，对于临近地铁隧道的基坑不同区段采用不同的支护方式，针对靠近地铁隧道的区段采用加强支护能有效减小基坑开挖引起隧道结构变形，既能够保证既有地铁隧道结构和周围环境的安全，又具有很好的经济效益。

⑶邻近地铁隧道侧的支护结构的加强能够有效地将地铁隧道变形和内力控制在允许范围之内。数值模拟的方法能够合理地给出铁隧道变形监测重点监测范围、基坑支护结构和地铁隧道结构变形控制值及地下水位控制值。

⑷各条件下地铁隧道结构的变形与内力，由以上分析结果综合判断，认为拟建中部住宅楼地下室基坑开挖期间与项目建成后不危及地铁3号线隧道的结构安全，不影响地铁后期的运营。