中国铁路设计集团有限公司 天津 300142
摘要：地铁隧道里程数越来越长，近接地面工程建设对其安全影响不可忽视。在地铁线路规划考量的重要一点就是对沿线经济的促进作用，随之在己运营的地铁隧道附近进行的深基坑工程频频出现。在这种复杂条件下，既要确保深基坑施工的安全、质量和进度，又要控制基坑围护结构变形和其周围土体位移，以控制和减小基坑开挖对下方地铁隧道的影响。
关键词：基坑开挖；地下地铁隧道；影响
引言
因地铁工程一般沿城市主干道敷设，随着地下空间工程及市政项目工程建设和开发力度的增大，往往出现基坑工程临近或上跨地铁区间施工的问题。基坑开挖卸载对周围土体的扰动和地应力的重分布，对地铁产生附加位移和附加应力，导致地铁隧道结构产生不均匀变形、管径收敛、隧道管片张开量过大或开裂，继而导致隧道渗漏水和钢筋锈蚀，直接影响地铁结构的安全和使用寿命。
1工程概况
郑州某市政隧道与地铁车站合建，位于城市主干路下方，其中车站两端的市政隧道位于地铁盾构隧道正上方，基坑深H1=9．0m，基坑宽20．0m，地铁隧道埋深H=18．0m，由于施工时序限制，地铁盾构隧道先行施工。基坑围护结构主要采用钻孔灌注桩(600@850)+内支撑的支护形式。基坑支护形式及其断面关系如图1所示。
图1拟建项目与隧道断面关系图(单位:m)
场区覆盖层60m深度范围内地层主要为人工填土及第四系上更新统(Q3)粉质黏土、黏质粉土、粉细砂，第四系中更新统(Q2)粉质黏土、粉土等土层，地下水位埋深约29．0m。
2数值模型的建立
2.1模型建立
本文利用MidasSoilworks有限元软件进行模拟，模型计算域为100m×75m，有限元本构模型为摩尔－库仑模型，土体单元采用二维四边形节点平面单元，支护体系中的围护桩、支撑、隧道结构均采用梁单元进行模拟。模型中考虑基坑周边施工和交通荷载。模型的上边界为自由边界，底部全部约束，各侧边限制向基坑方向的水平位移;基坑开挖及支护等计算工况严格按照现场施工工序进行模拟。模型中存在的假定:一是，土体服从摩尔－库仑屈服准则，均为连续各向同性的弹塑性材料;二是，结构体与周围土体紧密接触，即在变形过程中结构构件与土体不产生相对滑动或脱离;三是，假定基坑施工前隧道变形已经稳定，本文仅计算基坑开挖引起的隧道附加变形。
2.2模型参数的确定
连续介质的有限元分析中，地层材料参数的选取对计算结果有很大的影响，基坑分析时土层的黏聚力、内摩擦角采用固结不排水剪切值，根据相关计算经验和类似基坑工程监测数据指标，土体的弹性模量E取土的压缩模量Es的3～5倍。首先采用理正深基坑7．0对本基坑的水平位移和地表沉降进行了计算，并根据不同的弹性模量取值进行有限元试算，经过计算结果比较，当弹性模量取值为压缩模量的5倍时，基坑水平位移和地表沉降值基本相同，故本计算中E=5Es。
2.3计算工况及研究思路
通过分层开挖卸荷，主要研究隧道变形与卸载量的关系;通过调整土层弹性模量，主要研究隧道变形与地质状况的影响。整个基坑开挖过程中采取随挖随支的设计理念，施工工序如表1所示。
表1施工工序
3计算结果分析
3.1变形分析
采用理正深基坑对基坑水平位移和围护桩内力进行计算，则基坑最大水平位移为5．11mm，围护桩弯矩为126．79kN·m;取E=5Es时，有限元计算结果显示，基坑最大水平位移为5．55mm，围护桩弯矩为127．1kN·m。通过对计算结果的对比分析可知，对该工程进行有限元计算分析时，土体的弹性模量E按土层压缩模量Es的5倍取值是合理的。
基底隆起受围护桩水平挤压作用影响，基底最大位移发生在踢脚部位，基坑中心处坑底隆起值为31．5mm;基坑开挖后坑底土体应力释放产生坑底隆起，隧道竖向位移随基坑开挖深度的增加近似于呈线性变化，隧道竖向位移最大点发生在距离基坑中心线最近的部位，最大竖向位移约18．4mm;隧道水平位移受基坑开挖影响较小，但随着基坑开挖，隧道受力呈现偏压趋势，同时受基底隆起的影响，位移朝向基坑内侧发展，隧道最大水平位移约6．6mm，最大变形点发生在临基坑外侧处的隧道结构。本市政隧道基底坡度为4．0%，根据隧道位移随卸荷过程的变化量值可知，隧道纵向25m范围内，隧道相对变形量仅为2mm，由此推算:隧道变形相对曲率约为1/12500;隧道变形曲率半径远大于15000m。故隧道结构变形能够满足城市轨道交通结构安全指标控制值。
3.2隧道结构内力分析
随着基坑开挖卸荷，隧道结构内力呈现重分布，结构内力最大值位置出现了一定程度的转移，说明隧道明显处于偏压状态。根据工况计算分析，隧道内力随着基坑开挖深度的增加呈现减小趋势，当基坑深度开挖至7m后，由于隧道偏压作用逐渐显著，隧道结构内力呈现增长趋势;该工程基坑开挖至基底后，结构内力仍明显小于原始结构内力。
3.3弹性模量取值及开挖深度对隧道的影响
假定基坑开挖深度为15m，设定E=N·Es，当N分别取2、3、4、5、6、7、8时，隧道最大竖向位移变形如图2所示。
图2弹性模量变化对隧道竖向位移的影响
根据计算结果显示，基坑开挖主要引起隧道竖向位移，土层的弹性模量取值对隧道变形影响显著，土层弹性模量越小，土层回弹和隧道隆起量随基坑开挖卸载的增幅越大;当N=2～4时，因土层弹性模量取值的不同，土层位移及隧道隆起量差异较大;当N=6～8时，土层位移及隧道隆起量差异较小。同时，基坑深度直接影响隧道变形的发展态势，当基坑开挖深度小于9．0m时，即基坑开挖深度H1/H＜0．5时，隧道隆起量与基坑卸荷深度呈线性变化;当H1/H＞0．5时，隧道隆起量增幅逐步增大。
当N=5时，隧道结构内力随基坑开挖卸荷量而变化。计算结果表明，基坑初步开挖时，隧道结构内力呈减小趋势，结构内力最大值点随基坑开挖偏压作用而转移。当基坑开挖5～9m时，隧道结构内力最大值趋于平稳;当基坑开挖深度增加至10m以上，隧道覆土小于8m后，隧道结构内力呈现的增长趋势显著，弯矩内力值逐渐超出原设计弯矩。同时随着基坑开挖，拱顶结构弯矩内力由正弯矩向负弯矩转化，隧道轴力最大值由拱腰向拱底转移。
结语
本文利用MidasSoilworks有限元软件对郑州市某市政隧道基坑开挖进行了数值模拟，分析和总结了基坑开挖卸荷对下卧隧道结构的影响规律，以及土层参数对隧道变形的影响，当下卧隧道位于基坑中心范围以外时，结构内力最大值位置随基坑卸荷量增大而出现转移，且隧道结构偏压状态愈加显著;当基坑开挖深度大于9．0m，即H1/H＞0．5时，下卧隧道结构变形和内力增幅更为显著。土层的弹性模量取值对隧道变形影响显著，土层弹性模量越小，隧道隆起量变化增幅越大;基坑开挖深度和隧道上部的覆土量直接影响隧道变形的发展态势。因此，改良加固土体是解决隧道变形的有效措施。
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论文作者:韩燕
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/11
标签：基坑论文; 隧道论文; 位移论文; 弹性模量论文; 内力论文; 结构论文; 土层论文; 《防护工程》2018年第26期论文;