摘 要: 鄰近已有地鐵隧道的深大基坑的開挖是一項非常復雜的工程，開挖工程中如何能夠安全地控制地鐵隧道的變形尤其重要。對某鄰近地鐵區(qū)間隧道的深基坑施工進行全過程跟蹤監(jiān)測，及時反映不同工況下基坑圍護結構變形、立柱回彈的變化特征; 分析基坑施工對周邊環(huán)境，特別是對鄰近地鐵隧道的影響，同時應用三維有限元分析手段，對地鐵隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行彈塑性分析。分析結果與工程實測數(shù)據比較吻合，表明整體有限元方法可以較好地模擬此類工程問題，從而為實際工程的設計施工提供一定的理論和計算依據。

關鍵詞: 深大基坑; 地鐵隧道; 變形; 數(shù)值模擬

      隨著地下空間得到越來越多的重視，地下工程的數(shù)目和規(guī)模迅速增大，不可避免地面臨在已有地鐵區(qū)間隧道附近開挖基坑的問題，這就要求基坑工程在設計和施工時不僅要考慮自身的穩(wěn)定要求，還要把對周圍環(huán)境的影響控制在允許范圍內。隨著地鐵的建成通車，地鐵沿線往往成為商業(yè)、住宅建筑等開發(fā)的黃金地帶，因而越來越多的基坑工程位于已運行地鐵隧道之上或兩側，這些臨近施工荷載必然引起周圍地層移動，導致地鐵隧道隆起變形，尤其是對于目前廣泛采用的盾構法施工的軟土隧道，嚴重時會引發(fā)隧道滲水、漏泥或局部破壞，從而對隧道結構安全和地鐵列車正常運營產生嚴重威脅^［1-3］。

      況龍川等^［4］實測分析了深基坑施工對地鐵隧道的影響; 戚科駿等^［5］分析了臨近地鐵隧道的深基坑開挖影響; 丁勇春等^［6］對上海某鄰近地鐵隧道的基坑進行了監(jiān)測分析; 張治國等^［7］對臨近基坑施工對地鐵隧道影響進行了數(shù)值模擬分析，得出一些有益的結論。

      本文對某深大基坑開挖過程鄰近已有的地鐵隧道及基坑內進行了實時監(jiān)測，并采用三維有限元的模擬對地鐵區(qū)間隧道在基坑施工過程中所產生的影響進行了彈塑性分析，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據和模擬結果比較吻合，為類似的工程設計提供了一定的理論和計算依據。

 

      該工程主體建筑由二幢塔樓( 主樓和附樓) 及 7層的裙房組成，基坑總面積約 13800m²，基坑周長約 470m。主樓區(qū)普遍開挖深度 23． 50m，附樓區(qū)和裙樓區(qū)普遍開挖深度 21． 00m。該基坑工程總面積大; 開挖深度深; 工期要求緊; 場地周圍有大量的市政管線，基地東側中央路下設地鐵一號線區(qū)間地鐵隧道，地鐵隧道周邊超前支護錨桿外端距離基坑約 2． 0m，地鐵主體襯砌結構距離基坑約 5． 0m。工程的規(guī)模和復雜的場地條件對基坑工程的設計施工均提出了極大的挑戰(zhàn)。

 

      支護方案采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻的圍護結構形式，綜合本基坑形狀較不規(guī)則、基坑開挖深度較深以及周邊環(huán)境等因素的考慮，本基坑豎向設置 3 道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)，支撐呈邊桁架加對撐布置，該支撐布置形式受力明確，可加快土方開挖、出土速度。鋼筋混凝土內支撐可發(fā)揮其混凝土材料抗壓承載力高、變形小、剛度大的特點，對減小圍護體水平位移，并保證圍護體整體穩(wěn)定具有重要作用。同時第1 道支撐對撐位置又可作為施工中挖、運土用的棧橋，方便施工，降低了施工技術措施費�；�坑開挖到坑底后再由下而上順作地下室結構，并拆除相應支撐系統(tǒng)。基坑的平面監(jiān)測項目及測點布置如圖 1 所示。

      實際監(jiān)測方案中，沿基坑周邊連續(xù)墻共布置 16 個水平位移測點，編號為 QX1 ～ QX16。根據監(jiān)測數(shù)據的整理分析，各施工工況下連續(xù)墻最大水平位移一般出現(xiàn)在各邊中點附近。選取鄰近地鐵隧道側的監(jiān)測點QX4，連續(xù)墻的水平位移如圖 2 所示。從圖 2 中可以看出: QX4 測點水平位移較大，最大水平位移值為32． 14mm( 深度 － 11m) 。QX4 測點位于基坑東側長邊中點附近，臨近地鐵區(qū)間隧道，最大水平位移增量出現(xiàn)在 stage 4 工況，即完成第 3 道支撐施工開挖到設計標高處。

      基坑東側地鐵區(qū)間隧道豎向位移變化如圖 3 所示。基坑施工期間，隧道豎向變形主要表現(xiàn)為上抬。

      左線隧道與基坑東側長邊相對應的 L4 ～ L16 測點上抬位移值較大，特別是 L7 和 L10 ～ L14 測點，基坑施工期間左線隧道最大上抬位移為 8． 2mm( L7 測點) ，L10 ～ L14 測點最大上抬位移約 7． 7mm。支護結構變形在 stage 5 工況以后幾乎不再增長，而地鐵隧道埋在 土 體 中 一 定 深 度 ( 左 線 襯 砌 結 構 頂 面 標 高－ 9． 5m) ，土體變形由于具有蠕變特性，故距基坑一定距離外由基坑土體開挖卸荷引起的土體變形響應時間上具有一定的滯后性，從而引起地鐵隧道的響應在挖土完成后仍有一定程度的增長。

      基坑東側地鐵區(qū)間隧道水平位移變化如圖 4 所示。基坑施工期間整個區(qū)間隧道的水平位移并無較明顯的變化規(guī)律。

      為準確分析深基坑開挖對鄰近地鐵隧道產生的影響，并考慮基坑開挖的空間效應，采用大型通用有限元分析軟件 ABAQUS 按連續(xù)介質有限元方法進行彈塑性分析，對基坑開挖卸荷對臨近地鐵隧道的影響進行數(shù)值模擬分析，得到了基坑圍護結構變形以及對地鐵隧道變形影響的程度與發(fā)展規(guī)律。

      在本工程分析中，對土體采用彈塑性本構的方法進行模擬分析，結構網格圖如圖 5 所示。

      圖 6 為基坑開挖至基底后地下連續(xù)墻位移的計算結果。理論計算和實測結果表明: 本工程基坑開挖深度21． 0m( 局部 23． 5m) ，基坑開挖至基底后，計算所得地下連續(xù)墻最大側移 21． 4mm，實測最大側移27．9mm，在基坑圍護結構變形要求可控制的范圍之內。

      圖 7 為有限元分析所得的隧道最終變形云圖，從圖 7 中可以較為直觀地了解隧道水平和豎向變形的空間分布情況。理論計算結果表明: 本工程基坑開挖深度21． 0m( 局部23． 5m) ，開挖至基底后，地鐵隧道最大水平和豎向位移均發(fā)生在靠近基坑側隧道�？梢钥吹�，近側和遠側隧道均向基坑內發(fā)生水平移動，豎向變形主要表現(xiàn)為上抬，這與現(xiàn)場實測的趨勢保持一致。由圖 7 可知: 基坑開挖至底部后，近側隧道產生最大水平側移為 4． 8mm，位置靠近東側地墻中部。實測所得的地墻最大位移為 1． 1mm，發(fā)生在第 1 皮土方開挖施工步的 L9 測點處。而在基坑開挖至基底后，其最大水平側移穩(wěn)定在 0． 7mm( 測點 L11) 。

      圖 8 顯示了三維分析所得的隧道豎向位移形態(tài)，可見在基坑開挖的影響范圍內，隧道主要表現(xiàn)為上抬，計算最大上抬量為 3． 5mm，發(fā)生在近 L13 側點處。實測表明: 在基坑開挖至坑底后，近側隧道 L13 測點處發(fā)生最大上抬( 5． 7mm) �？梢娪邢拊�計算較為真實地反映了鄰近隧道的豎向位移情況。

      通過現(xiàn)場實測和三維有限元模擬表明: 在周邊有地鐵隧道等敏感環(huán)境下，基坑開挖對地鐵隧道的影響滿足相關控制指標要求。由于基坑工程土體開挖卸荷過程中對圍護體變形、基底隆起等分析理論尚不完備，圍護結構與土體位移尚難以精確計算，需要輔以三維有限元計算對基坑開挖的全過程進行較為準確的模擬，以合理考慮基坑工程的時空效應，對基坑工程對周邊環(huán)境、特別是鄰近地鐵隧道變形的影響作出定性和定量的分析。本三維分析較好地還原了地下連續(xù)墻變形隨空間位置的變化和各施工步下的撓曲形態(tài)，對鄰近地鐵隧道與周邊地層的變形預測與現(xiàn)場實測也較為一致。但值得注意的是: 三維有限元分析還無法合理模擬諸如地下連續(xù)墻的成槽、實時跟蹤注漿等施工工藝對周邊地層和結構的擾動和影響，因此導致計算值與實測結果出現(xiàn)了一定的偏差。隨著城市地下鐵路系統(tǒng)等敏感地下空間結構的不斷建設，如何采用三維有限元的分析方法合理模擬基坑工程對周邊環(huán)境和結構的影響，仍將是一門重要的研究課題，其相關理論與實踐有待進一步的提高和發(fā)展。

 

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［2］ 王衛(wèi)東，吳江斌，翁其平． 基坑開挖卸載對地鐵區(qū)間隧道影響的數(shù)值模擬［J］． 巖土力學，2004，25( 增 1) :251-255 ( Wang Weidong，Wu Jiangbin，Weng Qiping．Numerical modeling of affection of foundation pit excavation on metro tunnel［J］． Rock and Soil Mechanics，2004，25( S1) : 251-255( in Chinese) )

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