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摘要：随着城市轨道交通建设的迅猛发展和城市地下空间的不断开发利用，不可避免地会出现在既有地铁隧道邻边进行深基坑施工的情况。本文以广州某临近地铁一号线的深基坑工程为例，采用三维数值分析方法动态模拟该基坑工程各施工工况对地铁隧道的影响过程，依据其分析结果对基坑支护施工过程与地铁隧道的变化影响进行安全性评估。
关键词：地铁隧道；深基坑开挖；安全性
1.工程概况
1.1工程介绍
广州汇金国际商业大厦项目位于荔湾区中山六路与海珠北路交汇处，该项目地上十六层，地下三层，基础拟采用筏板基础。地下室基坑大致呈正方形，南北向约50m，东西向约44m，周长约180m。基坑开挖设计深度标高为-15.00～15.50m。基坑支护采用800厚地下连续墙+二道钢筋混凝土内（角）支撑的支护结构。基坑南面为广州地铁一号线隧道区间。由于地铁区间隧道底标高约-15.23m，与基坑底标高几乎在同一高程面上，且基坑支护的地下连续墙外壁与隧道的净距仅约为8.5m，场地地层结构上部较差，软塑状淤泥层深厚。因此，深基坑的开挖将会对地铁隧道结构产生一定的影响，为了定量的判断这种影响的大小、评估深基坑开挖对地铁隧道安全性产生的影响程度，本文采用三维数值分析方法对深基坑施工过程进行三维动态模拟分析，从而较为准确的反映基坑施工对邻近地铁区间的真实过程和情况，并依据其分析结果对深基坑支护施工过程与地铁隧道的变化影响进行安全性评估。
图1-2 基坑支护与地铁区间关系剖面图
1.2工程地质及水文地质状况
根据钻探揭露的地层自上而下依次可分为: ①-1填土、②-1淤泥、②-2粉砂、②-3粉土、③-1粉质粘土、④-1全风化泥质粉砂岩、④-2强风化泥质粉砂岩、⑤-1中风化泥质粉砂岩。地铁隧道顶面基本处于淤泥层中，但基坑底部和隧道底面则处于泥质粉砂岩的风化层中。
场区揭露的地下水主要为第四系上层孔隙水和下部基岩裂隙水，钻探时测得各孔的地下水位埋深为1.25～1.36m。根据抽水试验，总体场地的地下水贫乏。
2.三维有限元数值模拟
2.1分析模型边界大小的确定
选取的模型边界为基坑北侧边界线为一倍基坑深度范围、基坑东西侧边界线为两倍基坑深范围、南侧远离基坑侧隧道为一倍隧道埋深范围，考虑到隧道下方已位于风化的岩层中，岩层分别为全风化泥质粉砂岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，直至微风化泥质粉砂岩，岩层较坚硬且稳定，对隧道变形影响很小，因此隧道底取一倍隧道埋深范围作为边界来确定分析，最终确定分析模型的尺寸大小（长×宽×高）为110m×110 m×30 m。
2.2模型的边界的约束条件
考虑岩土体为半无限体，模型以外不在考虑变形，即设定为固定边界。因此对模型底部约束Z方向位移，模型前后面（基坑南北侧）约束Y方向位移，左右面（基坑东西侧）约束X方向位移。
2.3模型的地面附加荷载
在模型顶面除基坑开挖范围内，考虑20kN/m2地面大面积活动荷载。
2.4模型采用的地层结构性质
三维有限元模型中场地地层主要根据靠近地铁隧道这一侧基坑的勘察钻孔资料进行适当归并而得并偏向不利地层状况。地层自上而下依次为：2.5m杂填土、9m淤泥、1.2m可塑粉质粘土、1.5m硬塑状粉质粘土、2m全风化泥质粉砂岩、5m强风化泥质粉砂岩、10m中风化泥质粉砂岩。
2.5模型中确定的地下水的定义
地下水分两种情况定义：1）、地下水在自然水位，及地表以下1m，基坑开挖过程地下水位不下降。2）、地下水随基坑开挖到底时最大下降的降深为地面下5m。
2.6施工动态过程的模拟
1）先对场地进行初始地应力分析，然后开挖隧道，再对位移进行清零。
2）假设基坑支护的地下连续墙单幅墙的成槽施工对隧道的影响很小可忽略，基坑对地铁隧道的影响主要在土方开挖、内支撑施工、地下室结构回筑过程的拆撑中发生。因此基坑施工的工况流程可分为以下6个步骤［1，2］：
工况一：基坑土方的第一步开挖至冠梁底并施工冠梁、钢构立柱、第一道内支撑及支撑板；
工况二：土方第二步开挖并施工腰梁、第二道内支撑及支撑板；
工况三：土方第三步开挖至基坑底；
工况四：浇筑地下室结构的混凝土底板；
工况五：施工负三层楼板并拆除第二道内支撑及支撑板；
工况六：施工负二层楼板并拆除第一道内支撑及支撑板。
图2-1 基坑与地铁隧道的三维有限元分析整体模型 图2-2基坑与地铁隧道的有限元三维等轴侧视图
3.基坑工程对地铁隧道的安全性评估分析
为了精确分析基坑施工过程对隧道的影响，本模型分析了基坑施工过程对隧道的附加水平位移（DXY）、竖线下沉位移（DZ）和总位移（DXYZ）。最大附加位移图如下：
图3-5施工负三层楼板并拆除第二道支撑后隧道结构位移 图3-6坑外水位下降5m后隧道的位移
4.结论
（1）基坑外地下水位下降，使得地铁隧道侧壁有效压力增大和作用在隧道面上的浮力减小，将会对隧道结构产生一定的影响，主要表现在对隧道沉降的影响上。坑外水位在自然水位不下降的情况下，隧道垂直位移仅有-0.760mm；而当坑外水位下降到-5m时，隧道的沉降达到了-4.788mm。因此为了更好的控制隧道的位移，需要严格控制坑外水位的变化和下降。
（2）深基坑开挖相当于卸载了隧道一侧的大量土体，导致了隧道结构发生了少量的竖向沉降和向基坑方向发生了一定量的水平位移，但以水平位移为主［3］。地下水位在自然水位的情况下：地铁隧道结构向基坑的最大水平位移为4.621mm，最大沉降量仅为-0.761mm，最大总位移量为4.622mm。 地下水位随着基坑开挖下降到-5m的情况：地铁隧道结构向基坑的最大水平位移为4.688mm，最大沉降量为-4.788mm，最大总位移量为5.831mm。可见，虽然总体有位移变化但基坑施工引起的地铁隧道结构的位移量还是较小的。
综上，深基坑开挖对邻近地铁隧道结构造成了一定量的水平位移和竖向沉降，但总位移量很小，且未对地铁隧道结构受力状态产生明显改变，因此，认为地铁隧道结构在深基坑开挖过程中是安全的。
5.建议
（1）由于隧道管片底部几乎和基坑底在同一水平线上，即整个隧道结构处于第二道支撑与基坑底之间，因此，在工况三（土方第三步开挖至基坑底）和工况五（施工负三层楼板并拆除第二道内支撑及支撑板）情况下，隧道位移变化增量较大。因此有必要严格控制工况三的土方开挖速度及工况五拆撑的顺序。
（2）有限元三维动态施工模拟过程将开挖和支撑施工放在同一工况，但实际施工过程中这两个工况是有一定的时间差，因此为了更好的控制基坑位移，基坑土方开挖到各道内支撑设计标高后应及时施工内支撑，切不可超挖［4］。
（3）鉴于深基坑施工过程及场地影响的复杂性，为确保基坑的变形在控制范围内，建议加强对深基坑支护结构受力及变形的监测工作。
（4）在施工过程中不可避免的会引起地下水位发生一定的下降，而若发生大幅度的水位下降导致结构发生一定程度的沉降是实际存在的，建议基坑施工过程加强对周边地下水位的监控工作，并切实做好止水措施。
参考文献
［1］邹伟彪，张冬梅，蔡雄威.基坑开挖对邻近地铁变形的实时监测与数值分析［J］.地下空间与工程学报.2012.8(增2)：1728-1731，1736.
［2］国家标准《岩土工程勘察规范》（GB50021-2009）.
［3］陈志平，林本海.两明挖隧道基坑先后开挖对其下地铁隧道的影响评价［J］.华南地震，2014，34（1）：63-69.
［4］唐仁，林本海.基坑工程施工对邻近地铁盾构隧道的影响分析［J］.地下空间与工程学报， 1673-0836（2014）增1-1629-06.
论文作者:唐文
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/21
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