摘 要: 鄰近已有地鐵隧道的深大基坑的開挖是一項(xiàng)非常復(fù)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(jìn)行全過程跟蹤監(jiān)測，及時(shí)反映不同工況下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shí)應(yīng)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(chǎn)生的影響進(jìn)行彈塑性分析。分析結(jié)果與工程實(shí)測數(shù)據(jù)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(shí)際工程的設(shè)計(jì)施工提供一定的理論和計(jì)算依據(jù)。

關(guān)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(shè)計(jì)和施工時(shí)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(nèi)。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(yùn)行地鐵隧道之上或兩側(cè)，這些臨近施工荷載必然引起周圍地層移動，導(dǎo)致地鐵隧道隆起變形，尤其是對于目前廣泛采用的盾構(gòu)法施工的軟土隧道，嚴(yán)重時(shí)會引發(fā)隧道滲水、漏泥或局部破壞，從而對隧道結(jié)構(gòu)安全和地鐵列車正常運(yùn)營產(chǎn)生嚴(yán)重威脅^［1-3］。

      況龍川等^［4］實(shí)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(jìn)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(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得出一些有益的結(jié)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(nèi)進(jìn)行了實(shí)時(shí)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(chǎn)生的影響進(jìn)行了彈塑性分析，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果比較吻合，為類似的工程設(shè)計(jì)提供了一定的理論和計(jì)算依據(jù)。

 

      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(cè)中央路下設(shè)地鐵一號線區(qū)間地鐵隧道，地鐵隧道周邊超前支護(hù)錨桿外端距離基坑約 2． 0m，地鐵主體襯砌結(jié)構(gòu)距離基坑約 5． 0m。工程的規(guī)模和復(fù)雜的場地條件對基坑工程的設(shè)計(jì)施工均提出了極大的挑戰(zhàn)。

 

      支護(hù)方案采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻的圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)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(diǎn)，對減小圍護(hù)體水平位移，并保證圍護(hù)體整體穩(wěn)定具有重要作用。同時(shí)第1 道支撐對撐位置又可作為施工中挖、運(yùn)土用的棧橋，方便施工，降低了施工技術(shù)措施費(fèi)�；�坑開挖到坑底后再由下而上順作地下室結(jié)構(gòu)，并拆除相應(yīng)支撐系統(tǒng)�；�坑的平面監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置如圖 1 所示。

      實(shí)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(diǎn)，編號為 QX1 ～ QX16。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)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(diǎn)附近。選取鄰近地鐵隧道側(cè)的監(jiān)測點(diǎn)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(diǎn)水平位移較大，最大水平位移值為32． 14mm( 深度 － 11m) 。QX4 測點(diǎn)位于基坑?xùn)|側(cè)長邊中點(diǎn)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(shè)計(jì)標(biāo)高處。

      基坑?xùn)|側(cè)地鐵區(qū)間隧道豎向位移變化如圖 3 所示�；�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?xùn)|側(cè)長邊相對應(yīng)的 L4 ～ L16 測點(diǎn)上抬位移值較大，特別是 L7 和 L10 ～ L14 測點(diǎn)，基坑施工期間左線隧道最大上抬位移為 8． 2mm( L7 測點(diǎn)) ，L10 ～ L14 測點(diǎn)最大上抬位移約 7． 7mm。支護(hù)結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu) 頂 面 標(biāo) 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(yīng)時(shí)間上具有一定的滯后性，從而引起地鐵隧道的響應(yīng)在挖土完成后仍有一定程度的增長。

      基坑?xùn)|側(cè)地鐵區(qū)間隧道水平位移變化如圖 4 所示�；�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(zhǔn)確分析深基坑開挖對鄰近地鐵隧道產(chǎn)生的影響，并考慮基坑開挖的空間效應(yīng)，采用大型通用有限元分析軟件 ABAQUS 按連續(xù)介質(zhì)有限元方法進(jìn)行彈塑性分析，對基坑開挖卸荷對臨近地鐵隧道的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)的方法進(jìn)行模擬分析，結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(jì)算結(jié)果。理論計(jì)算和實(shí)測結(jié)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(jì)算所得地下連續(xù)墻最大側(cè)移 21． 4mm，實(shí)測最大側(cè)移27．9mm，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求可控制的范圍之內(nèi)。

      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(jì)算結(jié)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(cè)隧道�？梢钥吹剑�近側(cè)和遠(yuǎn)側(cè)隧道均向基坑內(nèi)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(shí)測的趨勢保持一致。由圖 7 可知: 基坑開挖至底部后，近側(cè)隧道產(chǎn)生最大水平側(cè)移為 4． 8mm，位置靠近東側(cè)地墻中部。實(shí)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(diǎn)處。而在基坑開挖至基底后，其最大水平側(cè)移穩(wěn)定在 0． 7mm( 測點(diǎn) 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(nèi)，隧道主要表現(xiàn)為上抬，計(jì)算最大上抬量為 3． 5mm，發(fā)生在近 L13 側(cè)點(diǎn)處。實(shí)測表明: 在基坑開挖至坑底后，近側(cè)隧道 L13 測點(diǎn)處發(fā)生最大上抬( 5． 7mm) �？梢娪邢拊�計(jì)算較為真實(shí)地反映了鄰近隧道的豎向位移情況。

      通過現(xiàn)場實(shí)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(guān)控制指標(biāo)要求。由于基坑工程土體開挖卸荷過程中對圍護(hù)體變形、基底隆起等分析理論尚不完備，圍護(hù)結(jié)構(gòu)與土體位移尚難以精確計(jì)算，需要輔以三維有限元計(jì)算對基坑開挖的全過程進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，以合理考慮基坑工程的時(shí)空效應(yīng)，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(yù)測與現(xiàn)場實(shí)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(shí)時(shí)跟蹤注漿等施工工藝對周邊地層和結(jié)構(gòu)的擾動和影響，因此導(dǎo)致計(jì)算值與實(shí)測結(jié)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(jié)構(gòu)的不斷建設(shè)，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(jié)構(gòu)的影響，仍將是一門重要的研究課題，其相關(guān)理論與實(shí)踐有待進(jìn)一步的提高和發(fā)展。

 

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