关键词：深基坑开挖；地铁隧道；数值模拟
1研究背景
地铁作为现代城市的交通主要干线，其安全性十分重要，但随着城市建设发展的需要，地铁隧道在其使用阶段不可避免地会受到这样或那样的工程活动影响，临近区域工程活动是较常见的对隧道产生重大影响的因素，其中包括建筑基坑的开挖。地铁在我国发展较晚且只有少数城市才拥有，而大规模城市建设也只在近10年间才兴起，因此，对于理论研究和工程实践而言，解决城市建设发展与地铁保护双重需要的矛盾具有重要的意义。
近年来一些学者已就这一问题进行了系列的研究：以地铁基坑工程的实际为背景，从基坑工程施工与其周围建筑物、地铁隧道影响的基础上，阐述了基坑工程要考虑环境的影响，分析和总结了现有的一些有效治理措施和解决方案，提出应在勘探和初步设计中就要全面考虑各种影响因素；以基坑工程下已建隧道的保护为工程背景，结合软土基坑隆起变形的残余应力法和软土的卸荷模量，探索了利用坑内加固和基坑工程的时空效应施工法等措施来控制民用建筑基坑下已建成隧道的上抬变形。
2工程概况
2.1某大学站至二道桥站区间概况
某大学站至二道桥站区间为盾构区间，里程范围YDK1+455.931～YDK2+463.382，区间线路长度1007.451m，线路中心线距离15.2m～20.5m，隧道内径为5500mm，管片厚度为350mm，轨面设计标高－17.51m～－19.28m，隧道结构底板埋深约18.7m～20.47m。区间主要穿越角砾层、中风化泥岩层、中风化砂岩层。
2.2某教育出版社信息楼基坑概况
拟建工程总建筑面积11000m2，地下建筑面积1800m2，地下1层，地面上13层，高度为56m，宽度为14.9m，长度为55.3m，结构形式为混凝土框架剪力墙，基础类型为阀板基础。某教育出版社信息楼工程基坑深度9.0m～11.5m，围护结构采用直径800mm，间距1600mm钻孔灌注桩，围护桩桩顶位于地面以下2m，围护桩嵌固深度4m，采用C30混凝土。设置1道～2道锚索，锚索长度均为10m，其中锚固段5m，自由段5m。地铁隧道已施工完成，某教育出版社信息楼基坑开挖迟于临近地铁隧道施工。基坑开挖范围内，地铁隧道埋深为12.6m～13.5m，距离基坑边缘最近距离为11.07m。
3计算模型说明
3.1工程影响分析
基坑开挖对临近隧道区间影响的分析方法主要有三类：经验法；整体数值分析法；位移控制有限元法。其中，整体数值分析法是把基坑开挖施工过程和临近建(构)筑物作为一个相互作用的整体来分析，可以用来分析基坑开挖各阶段临近建(构)筑物的反映性状，通常借助于大型商业有限元软件，采用整体数值分析方法进行分析计算，其能够比较合理地模拟基坑开挖复杂的施工过程，以及基坑开挖引起周围土体介质的位移特性和隧道与基坑的相互作用。
通过某教育出版社信息楼基坑工程围护桩施工、基坑开挖打设锚索施工阶段数值模拟分析，根据分析结果判定基坑开挖对已施工完成的地铁隧道结构的影响，包括对地铁隧道结构内力、位移的影响等，并对某教育出版社信息楼基坑工程施工提出合理化建议，确保已施工地铁隧道的结构安全。
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3.2有限元分析
本文采用MidasGtsNX软件进行计算分析，盾构隧道施工、基坑开挖及支护施工工序共13步：第1步：计算初始水压力；第2步：计算初始应力场；第3步：第一次位移清零；第4步：盾构隧道施工；第5步：第二次位移清零；第6步：第一次降水施工；第7步：基坑放坡段开挖及围护桩施工；第8步：第二次降水施工；第9步：基坑第二层开挖及锚索施工；第10步：第三次降水施工；第12步：基坑第三层开挖及锚索施工；第12步：第四次降水施工；第13步：开挖至基坑底。
4计算结果分析
4.1基坑开挖对已施工地铁隧道的变形影响及内力分析
地铁隧道外径6.2m，埋深12.6m，距离基坑边缘11.07m，采用壳单元模拟地铁隧道。初始应力场计算采用K0系数计算确定，同时考虑了临近保护地铁隧道对初始应力场的影响。
4.2计算结果
从计算分析可知，地铁隧道的变形及内力随基坑开挖深度的增加而增大，且最大变形及内力发生在开挖至基底的工况，引起的地铁隧道左线区间地层水平方向位移为1.98mm，竖向位移3.84mm；引起的地铁隧道右线区间地层水平方向位移为1.41mm，竖向位移1.45mm。基坑开挖施工引起的地铁隧道管片弯矩、剪力、轴力变化量分别为弯矩变化28kN·m，剪力变化25kN，轴力变化17kN。
4.3地铁隧道的变形控制标准
因城市轨道交通的结构安全控制指标与结构类型、地层等有关，控制标准应按具体工程条件具体分析。本次控制标准主要参考国内北京、上海、广州等城市轨道交通结构保护技术标准、规定并结合相关规范，拟建基坑邻近地铁隧道结构水平、竖向位移控制值不大于10mm，预警值不大于5mm。
5结论及建议
根据有限元模拟计算，按照目前的设计，基坑开挖引起地铁隧道的竖向及水平位移均在控制值范围之内，隧道内力变化满足隧道管片承载力的要求。为了严格控制基坑的变形，保证地铁隧道的安全，并对临近基坑开挖、围护结构施工提出如下建议：基坑锚索端部位于隧道轮廓周围3m范围之外，锚索施工过程中务必保证锚索端部不侵入隧道轮廓周围3m范围；建议基坑开挖到锚索施工位置时，应及时施作锚索结构，减少靠近地铁隧道一侧基坑土体暴露时间，从而降低基坑开挖对地铁隧道结构的影响；基坑施工过程中在地铁区间隧道两侧10m范围的场地内材料、渣土堆载高度不超过1m，桩基成孔过程中应采取措施确保不塌孔，加强施工中现场施工管理，及时高效的向相关单位传递相关监测数据；对基坑施工区域范围内地铁区间隧道管片、轨道进行监测，对周边建构筑物和路面按要求布置监测点，监测地面变形情况，加强施工中现场施工管理，及时高效的向相关单位传递相关监测数据，并应在基坑施工时，对基坑附近区间结构加强现场巡查；合理布置施工现场，不得将轨道交通隧道结构边线外5m范围内的地面作为运输车道或材料堆场，确保轨道交通结构及结构外5m施工附加荷载不大于20kPa。
6结束语
总之，当前，我国大城市对地下空间开发利用的形式越来越丰富，但仍以建设地铁及其相关设施为主。作为城市交通的动脉，地铁的大量建设与运营改善了城市日益增长的交通压力，极大地影响了周围沿线地区地下空间的开发利用。基坑开挖也为运营地铁的保护工作带来了全新的挑战，要保证既有地铁隧道与车站的安全运营，其相应的位移控制极为严格。然而，近年来基坑开挖的工程越来越多，规模也越大，深度越深，与周围建筑设施的水平距离也越小。深基坑工程的发展也带来了一系列的安全隐患，如何实现基坑开挖的高效施工并同时兼顾地铁隧道的正常运营，已成为当前需要解决的重要问题。文章分析了基坑开挖对地铁隧道的变形及内力影响，并提出了合理的保护措施，以确保后期地铁运营的安全。
参考文献
［1］赵瑜，刘博，陈晓哲.基坑开挖对邻近地铁隧道位移变化规律分析［J］.山西建筑，2016，42（7）:174-176.
［2］刘兴舟，刘海智.临近地铁区间隧道的深基坑开挖数值模拟分析［J］.山西建筑，2017，43（21）:160-162.
［3］董亮.深基坑开挖对临近地铁隧道的影响［J］.智能规划，2016（6）:250.
论文作者: 于科军
论文发表刊物:《建筑实践》2019年38卷23期
论文发表时间:2020/4/3
标签：基坑论文; 隧道论文; 地铁论文; 位移论文; 结构论文; 工程论文; 区间论文; 《建筑实践》2019年38卷23期论文;